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深圳大學田雷/朱才鎮(zhèn)/徐堅團隊 Macromolecules：高折射率和高阿貝數(shù)功能高分子材料
2023-11-23  來源：高分子科技

  高折射率聚合物 (HRIPs) 因其重量輕、低成本、易于加工和優(yōu)異的可調(diào)性而被認為是傳統(tǒng)硅無機材料的潛在替代品。特別是同時具有高折射率和低色散的聚合物材料，其在光學材料領域如鏡片、透鏡、圖像傳感器封裝具有巨大應用潛力。對于光學用聚合物材料，洛倫茨方程給出了聚合物的折射率與其分子結構中各個參數(shù)的關系，而阿貝數(shù)也是評判材料色散程度的關鍵參數(shù)（阿貝數(shù)越高意味著材料色散程度越低）。然而，傳統(tǒng)光學聚合物的折射率和阿貝數(shù)具有普遍的權衡趨勢：高折射率材料通常導致較低的阿貝數(shù)。因此，有必要設計新的聚合物結構以同時滿足高折射率和高阿貝數(shù)的要求。


  近期，深圳大學低維材料基因工程研究組徐堅教授團隊報道了一系列基于降冰片二烯的新型光學用單體，并進一步制備成熱固性HRIPs來評估其光學性能。單體是利用葉立德試劑，降冰片二烯和醛類通過Wittig反應一鍋法制備而成的。單體的制備過程操作簡單，產(chǎn)率高和耗能少，為商業(yè)化大規(guī)模制備奠定了基礎。所制備的光學用單體既保留了降冰片二烯的環(huán)狀結構又引入了含硫脂環(huán)，同時可以通過調(diào)整醛的結構來精細調(diào)控折射率和阿貝數(shù)。此外，將合成的單體與常規(guī)多硫醇通過硫醇-烯點擊反應制備成HRIPs。該HRIPs表現(xiàn)出令人驚嘆的光學性能遠超已報道的材料，在保持1.60以上的折射率的同時阿貝數(shù)大于60。所制備的新型HRIPs為光學材料的進一步發(fā)展提供了新思路，有望在將來實現(xiàn)高折射率和高阿貝數(shù)的完美平衡。該工作以“High Refractive Index and High Abbe Number Polymer Based on Norbornadiene”為題發(fā)表在《Macromolecules》上。文章第一作者是深圳大學博士吳劉一順博士，通訊作者為深圳大學化學與環(huán)境工程學院朱才鎮(zhèn)教授和田雷研究員。該研究得到國家自然科學基金委的支持。 


圖1 單體分子結構設計及聚合物的制備


  所制備的高折射率聚合物具有良好的熱穩(wěn)定性（Tg ＞107°C 和 Td5% ＞200°C）和機械性能（拉伸強度 ＞ 57 MPa）、優(yōu)異的可見光透過率（＞ 85%）、可調(diào)的高折射率（n = 1.6055- 1.6274）和極高的阿貝數(shù)（v＞ 59）。基于降冰片二烯的剛性環(huán)結構與含硫雜環(huán)相結合的DMMD和DEMD單體，可以通過使用不同結構的多硫醇來精細控制HRIPs的熱性能和機械性能，并且還可以通過改變分子網(wǎng)絡的交聯(lián)密度和軟鏈段來輕松調(diào)節(jié)Tg。最終可以根據(jù)不同的使用場景得到綜合性能最好的HRIPs材料。 


圖2制備的HRIPs的熱性能和機械性能


圖3制備的HRIPs的光學性能及DFT模擬計算


  研究表明，由新型光學單體制備的熱固性樹脂具有優(yōu)異的綜合性能，在光學尤其是透鏡領域具有廣闊的應用前景。高度平衡的熱性能和光學性能是其他聚合物從未實現(xiàn)過的，這表明該聚合物是光學應用（例如透鏡材料）的最佳候選者之一。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c01793

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（責任編輯：xu）
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