含硫光学阻燃材料的制备及性能研究
迅速发展的光电领域对高性能光学材料提出了更高的要求，如高折射率、高强度、高透明、高阻燃等，性能的提高可扩展其应用领域。聚硫氨酯和丙烯酸酯作为重要的光学材料备受关注，提升其综合性能是当前研究热点之一。本文基于结构与性能的关系，通过设计单体结构和纳米复合的方式，制备了多种高折射率、高阻燃性、高机械强度的聚硫氨酯和丙烯酸酯光学材料，并探究了材料综合性能提升的机理。主要研究工作如下： （1）利用不同结构的硫醇化合物和异氰酸酯，通过巯基-异氰酸酯点击反应合成了系列高度交联的聚硫氨酯，进行了热学、力学、光学及阻燃性研究，得到了其结构与性能之间的关系。结果表明：单体结构中反应基团的官能度越大、刚性基团越多，聚硫氨酯的玻璃化转变温度和机械强度越高，并且以单体的线性长链结构、脂环结构、苯环结构的顺序依次递增，但是过多的刚性环结构会导致材料性能的恶化；单体中硫原子和苯环含量越高，聚硫氨酯的折射率越大；同时，硫原子和刚性苯环的协同作用提高了聚硫氨酯的阻燃性。 （2）基于硫原子和环状P=N结构与材料性能之间的关系，开发了一种用于改善丙烯酸酯聚合物的光学、热学和阻燃性的环三磷腈衍生物。结果表明：适量的P=N刚性单元使得两元共聚物的玻璃化转变温度从-14.4℃提高到37.4℃；由于高摩尔折射的硫原子和P=N单元的存在，使得衍生物将两元共聚物的折射率从1.5185提高到1.5410；由于高含量的硫原子和磷腈环的催化炭化作用，使得两元及三元共聚物分别具有29.50%和25.80%的极限氧指数。 （3）复合材料在高性能聚合物方面具有相当大的应用潜力。为此，利用水触发自组装法和超声法合成了两种磷腈聚合物纳米粒子（PZS-1和PZS-2），制备了两种磷腈/聚硫氨酯复合材料（PZS/PTU-1和PZS/PTU-2）。由于两种PZS具有良好的分散性以及与基体之间存在强的共价连接和界面键合，得到的两种PZS/PTU材料均呈现出整体性能的增强，其玻璃化转变温度和拉伸强度分别达到58.6℃和82.62MPa（PZS/PTU-1）、59.9℃和84.34MPa（PZS/PTU-2）；由于高摩尔折射率的P=N单元以及硫原子的贡献，两种复合材料的折射率都增加到1.6580；由于PZS的催化炭化效应、燃烧后形成的高膨胀炭层的屏蔽作用以及燃烧过程中产生的难燃气体的稀释作用，其极限氧指数分别增加到21.39%和21.10%。 （4）基于PZS与聚硫氨酯之间的强界面键合改善了纳米ZrO2的团聚，通过TEM、SEM、FTIR、XPS等表征技术均表明核壳结构ZrO2@PZS纳米粒子的成功合成，进而研究了将其引入聚硫氨酯后得到的纳米复合材料的综合性能。结果表明：具有良好分散性的交联PZS将ZrO2均匀分散到基体中，且规则球形的核壳纳米粒子与基体呈现出十分紧密的界面结合，形成了均匀有序的网络交联结构，其拉伸强度达到79.28MPa、玻璃化转变温度达到62.8℃。具有最高ZrO2含量的ZrO2@PZS/PTU纳米复合材料表现出1.6590的高折射率；同时，由于气相和凝聚相的协同阻燃机制，该纳米复合材料具有25.39%的高极限氧指数。
含硫光学材料;折射率;热学性能;机械强度;阻燃性
北京化工大学
博士
化学工程与技术
金君素
2022
中文
TQ569
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）