[发明专利]一种透明高折射率石墨烯量子点/聚合物纳米复合薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机/聚合物光学纳米复合材料领域，具体涉及一种透明高折射率石墨烯量子点/聚合物纳米复合薄膜及其制备方法。

背景技术

光学材料在电子、建材、汽车、器件、信息、涂料等诸多领域具有广泛的应用，成为现代材料科学技术中重要的组成部分之一。其中具有高折射率的光学材料可以在不影响其折射能力的条件下降低元件的厚度和曲率，使得光学仪器变得微型化和轻量化，引起了广大科研工作者的研究兴趣。因而，近年来高折射率光学材料被广泛地开发应用于光学透镜、光过滤器、非线性光学材料、光波导、LED封装材料、减反射涂层等诸多领域。

利用有机无机纳米复合技术来制备高折射率光学材料是近年来光学材料领域的研究热点之一。在纳米复合材料中，无机纳米粒子通过一定方法分散在连续相的有机聚合物基体中。通过对目标材料结构和组分的设计来制备具有特定性能的高折射率光学复合材料。其中对聚合物基体和无机纳米粒子的选择、合成方法的优化以及聚合机理和整体结构的设计是整个制备过程中面临的最关键问题。研究人员已经将诸如：Si，ZnO，ZrO₂，TiO₂，ZnS，PbS等具有高折射率的无机纳米粒子成功的引入聚合物基体中，改善了光学复合材料的相关性能，并取得了一定的研究成果。但是随着社会的不断发展，科学的不断进步，人们对光学复合材料的性能要求也越来越高。就目前的研究现状来看，通过有机无机纳米复合技术来制备高折射率光学复合材料仍然存在着很多的问题。首先，上述无机纳米粒子均具有较高的密度，这样容易造成复合后的光学材料也具有较高的密度，使得其在实际应用中受到了一定的限制。其次，无机纳米粒子多是通过有机小分子表面改性然后再分散在聚合物单体中，这样往往需要引入高含量的无机纳米粒子才能得到高折射率的光学复合材料，同时由于引入了有机小分子也降低了光学复合材料的综合性能。最后，将上述无机纳米粒子引入聚合物基体中，虽然提高了复合材料的折射率和机械性能，但是柔韧性却下降很多。

石墨烯作为单原子厚度的二维碳原子晶体，具有特殊的热学、力学和电学性能，在信息、能源、机械、医疗等领域有着潜在的应用价值。鉴于石墨烯的这些优异性能，近年来研究人员将其作为一种新型的无机填料引入到聚合物基体中，应用领域涉及到储氢材料，催化剂载体，导电塑料，导电载体以及阻燃材料等。而将石墨烯作为一种高折射率的无机填料引入到聚合物中的研究尚未有相关报道。石墨烯作为提高复合材料折射率的无机相，将会具有以下优点：首先，石墨烯具有较高的折射率(2.6～3.0)和较低的密度(1.7～2.0g/cm³)，将其引入到聚合物基体中，有望得到具有高折射率、低密度的光学复合材料。其次，石墨烯表面富含大量的官能团(-OH，-COOH，环氧基)，为石墨烯均匀分散到相应聚合物单体中提供了前提条件，同时避免了表面修饰所引进来的有机小分子对复合材料整体性能的影响。再次，石墨烯拥有层状的二维结构，将它作为提高复合材料折射率的无机填料，有望在得到高折射率光学复合材料的同时，进一步提高复合材料的整体机械性能，比如柔韧性。最后，我国石墨矿产的资源储量大，质量优，原料容易获得，可以降低实验成本。

发明内容

本发明的目的是以石墨烯量子点(GQDs)作为无机纳米相，以聚合物单体作为溶剂，通过溶剂热法在聚合物单体中合成出GQDs，然后经过过滤、旋涂、加入引发剂、紫外固化以及热固化步骤，便可制备出一种透明高折射率GQDs/聚合物纳米复合薄膜。

本发明所述的一种透明高折射率石墨烯量子点/聚合物纳米复合薄膜是由石墨烯量子点(GQDs)和聚合物紫外固化以和热固化后形成，石墨烯量子点(GQDs)中的羟基、羧基以及环氧基团通过化学键或者分子间作用力与聚合物单体中的含氮基团形成相互作用，从而提高GQDs与聚合物之间的相容性，最终使得GQDs均匀的分散在聚合物基体中，在固化之前每1mL聚合物单体中，石墨烯量子点的含量为0.1～1g。

上述所说的聚合物单体可以是N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)，苯乙烯(St)，二乙烯基苯(DVB)，丙烯酸，丙烯酸甲脂，甲基丙烯酸，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸羟乙酯中的一种或者多种的混合物；引发剂可以是4，4-二乙酰胺基苯基碘六氟磷酸盐、对苄基二苯基碘鎓离子六氟磷酸盐、对苯甲酰基二苯基碘鎓离子六氟磷酸盐、3-硝基苯基二苯基硫六氟磷酸盐、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、偶氮二异丁氰中的一种或几种的混合物。