一种光学透明的高折射率纳米复合材料制造技术

本发明专利技术属于复合材料加工成形技术领域，更具体地，涉及一种光学透明的高折射率纳米复合材料

【技术实现步骤摘要】
一种光学透明的高折射率纳米复合材料、其制备和应用


[0001]本专利技术属于复合材料加工成形
，更具体地，涉及一种光学透明的高折射率纳米复合材料
、
其制备和应用
。

技术介绍

[0002]随着科学技术的飞速发展，世界从电子时代走向光子时代，为了应对这一巨大转变，近年来光学材料越来越受到关注
。
为了实现大规模的光子集成，高折射率材料因其紧凑的结构而发挥了不可替代的作用
。
尽管半导体
(
如
Ge
和
Si)
和硫族化物玻璃等无机材料具有非常高的折射率
(n
～
2.0
‑
4.0)
，但由于价格昂贵，有毒，薄膜的不均匀性
、
瑞利散射引起的高光学损耗和复杂的制备过程难以避免，不灵活且难以加工，因此其发展受到限制
。
绝大多数有机聚合物的折射率在
1.5
‑
1.6
的范围内，具有相对较低的折射率，并导致光子晶体的小光子带隙
。
现有技术有些已经制备了折射率大于
1.7
的高折射率聚合物，然而，它们大多含有
π
共轭结构，溶解性差，在可见光区域的透光率低，制备程序苛刻，极大地限制了其光学应用
。
有些现有技术将高折射率的无机纳米材料掺杂到聚合物基体中试图提高复合材料的折射率和透明度，但由于无机纳米材料的亲水性导致其在聚合物中的分散性和相容性差，进而导致光学制件透明度差，高折射率和高透明度两者之间难以平衡，往往只能制成厚度很薄的涂层材料进行应用，无法制成具有一定厚度的膜材和块材，难以应用于大面积的光学组件中
。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种光学透明的高折射率聚合物
‑
无机复合材料
、
其制备和应用，以解决现有技术将高折射率的无机纳米材料掺杂到聚合物基体中只能制备得到涂层材料，无法制成厚度较大的高折射率和高光学透明的膜状或块体材料等的技术问题
。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种光学透明的高折射率聚合物
‑
无机复合材料，包括无机纳米颗粒和聚合物微球，且所述无机纳米颗粒和聚合物微球共同构成具有核壳结构的复合微球，且所述无机纳米颗粒作为该核壳结构复合微球的内核，所述聚合物微球作为该核壳结构复合微球的外壳
。
[0005]优选地，该复合材料为膜材或块材，其为将所述具有核壳结构的复合微球加热熔融后压制而成
。
[0006]优选地，所述无机纳米颗粒为折射率大于或等于2的金属硫化物或金属氧化物纳米颗粒；进一步优选为
TiO2纳米颗粒
、ZnS
纳米颗粒
、PbS
纳米颗粒或
Ta2O5纳米颗粒；所述无机纳米颗粒的直径小于或等于
25nm
；
[0007]优选地，所述聚合物为非晶聚合物；进一步优选为聚丙烯酸酯类
、
聚硫代硫氨酯类
、
聚巯基
‑
异氰酸酯类
、
聚苯乙烯
、
聚苯乙烯共聚物或聚氨酯类，所述聚合物微球的直径
100nm
～
900nm
之间
。
[0008]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的光学透明的高折射率聚合物
‑
无机复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)
将分散在有机溶剂中且经过亲油改性的无机纳米颗粒滴加在聚合物成形的种子乳液聚合体系
、
相分离体系或分散聚合体系中，在通过种子乳液聚合
、
相分离或分散聚合以形成所述聚合物的过程中，所述无机纳米颗粒被单分散包覆在得到的聚合物微球中形成核壳结构，干燥后获得聚合物
‑
无机复合材料样品粉末；
[0010](2)
将步骤
(1)
所述聚合物
‑
无机复合材料样品粉末加热至熔融态，保温使其均匀受热后，压制成膜材或块材，冷却后得到光学透明的高折射率聚合物
‑
无机复合纳米材料
。
[0011]优选地，步骤
(1)
所述无机纳米颗粒为采用两亲性改性剂改性后的单分散无机纳米颗粒
。
[0012]优选地，所述聚合物为聚丙烯酸酯类
、
聚苯乙烯类或聚苯乙烯共聚物时，利用种子乳液聚合法制备得到所述聚合物；所述聚合物形成的种子乳液聚合体系包括所述聚合物对应的聚合单体
、
交联剂
、
引发剂
、
乳化剂和水；
[0013]所述聚合物为聚硫代硫氨酯类时，利用相分离法制备得到所述聚合物；其中所述聚合物形成的相分离体系包括聚合物
、
水
、
乳化剂和有机溶剂；
[0014]所述聚合物为聚巯基
‑
异氰酸酯类时，利用分散聚合法制备得到所述聚合物；其中形成所述聚合物的分散聚合反应体系包括巯基丙酸酯单体
、
异氰酸酯
、
分散剂和有机溶剂
。
[0015]优选地，所述无机纳米颗粒与所述聚合物的质量比为
1:10
～
100。
[0016]优选地，步骤
(1)
所述滴加的速度为
0.11ml/min
‑
0.25ml/min。
[0017]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的光学透明的高折射率聚合物
‑
无机复合材料的在制备光学制件中的应用
。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
[0019]有益效果：
[0020]本专利技术将分散在有机溶剂中且经过亲油改性的无机纳米颗粒滴加在聚合物成形的种子乳液聚合体系
、
相分离体系或分散聚合体系中，在通过种子乳液聚合
、
相分离或分散聚合以形成所述聚合物的过程中，所述无机纳米颗粒被单分散包覆在得到的聚合物微球中形成核壳结构；其中所述无机纳米颗粒作为该核壳结构的内核，所述聚合物作为该核壳结构的外壳
。
本专利技术通过将无机纳米颗粒包覆在聚合物微球中形成核壳结构，提高纳米颗粒的分散性，避免瑞利散射，然后将聚合物
‑
无机复合材料压制成光学膜材或块材，在压制成形过程中交联微球保持球形，使制备的纳米复合材料膜材或块材具有高折射率和较高的透明度
。
该制备方法简单，且该膜材或块材应用于光学模组中时，无需镀膜即可获得高折射率，而且由于折射率高，光学制件厚度薄重量轻，大幅降低光学模组的体积和重量，提高其紧凑性
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种光学透明的高折射率聚合物
‑
无机复合材料，其特征在于，包括无机纳米颗粒和聚合物微球，且所述无机纳米颗粒和聚合物微球共同构成具有核壳结构的复合微球，且所述无机纳米颗粒作为该核壳结构复合微球的内核，所述聚合物微球作为该核壳结构复合微球的外壳
。2.
如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，该复合材料为膜材或块材，其为将所述具有核壳结构的复合微球加热熔融后压制而成
。3.
如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述无机纳米颗粒为折射率大于或等于2的金属硫化物或金属氧化物纳米颗粒；所述无机纳米颗粒的直径小于或等于
25nm
；所述聚合物为非晶聚合物；所述聚合物微球的直径
100nm
～
900nm
之间
。4.
如权利要求1至3中的任一项所述的光学透明的高折射率聚合物
‑
无机复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)
将分散在有机溶剂中且经过亲油改性的无机纳米颗粒滴加在聚合物成形的种子乳液聚合体系
、
相分离体系或分散聚合体系中，在通过种子乳液聚合
、
相分离或分散聚合以形成所述聚合物的过程中，所述无机纳米颗粒被单分散包覆在得到的聚合物微球中形成核壳结构，干燥后获得聚合物
‑
无机复合材料样品粉末；
(2)
将步骤
(1)
所述聚合物
‑
无机复合材料样品粉末加热至熔融态，保温使其均匀受热后，压制成膜材或块材，冷却后得到光学透明的高折射率聚合物
‑
无机复合纳米材料
。5.
如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
所述无机纳米颗粒为采用两亲性改性剂改性后的单分散无机纳米颗粒
。6.
如权利要求4所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丹，杨镖，罗芳，周青伟，吴凡，郭楚才，朱志宏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：