纳米色料和光致开关的荧光纳米杂合物研究

【摘要】： 从广义上说,尺度上小于100 nm的颜料粒子、染料或颜料的复合物及其分散体系都可称之为纳米色料(Nanocolorants)。纳米色料除了在高性能聚合物材料、涂料/涂层、高档化妆品等方面的着色应用上具有较大优势之外,纳米色料及其水性分散体最直接的优势应用体现在彩色喷墨打印等领域,很可能给彩色印像业带来革命性变革。但是目前国内的纳米色料制备研究基本上还是局限于传统的耗能费时、高成本的颜料机械超细化方法上。 本论文的一个主要目标就是采用简易的、低成本的方法制备出既具备染料的优秀颜色特性又能实现有机颜料优异耐久性的一类高性能纳米色料。通过对查新查全的相关资料深入研究后,总结得出利用细乳液(Miniemulsion)聚合法制备纳米色料最具优势。德国BASF公司简单报道了该研究思路,但是我们无法获知关键的工艺配方参数。本文自主研究改进的细乳液聚合反应法以制备此类高性能纳米色料,其中包括:1)高染料含量的稳定细乳液的可控制备研究,因为制备出稳定的、液滴尺寸均一且可控的细乳液是通过细乳液聚合反应获得高质量纳米粒子的前提条件;2)设计高性能纳米色料粒子的体系结构并具体实施改进的细乳液聚合反应过程以实现设计目标,涉及的研究内容包括不同种类的憎水染料对聚合反应过程的影响、加入极性的更强亲水性单体对聚合反应及产物的影响、基质聚合物交联的影响、不同种类引发剂的影响、聚合反应温度和时间的影响、憎水染料用量的影响,等等;3)对产物进行一系列的表征和性能测试,包括评价使用的染料是否全部固定在纳米聚合物基质内、纳米色料粒子形貌与粒径及分布、纳米色料水性分散体的基本性质、染料在纳米聚合基质中的保留稳定性、紫外可见吸收光谱性质、表观色度评价、耐光/耐候性评价、耐热性分析、纳米色料的耐迁移性等,其中包含了我们自行设计的表征/测试方法和实验。此外,本文针对这类纳米色料水性分散体在喷墨墨水和LCDs彩色滤光片上的应用,进行了前期的准备研究包括相关的理论研究和部分实验性工作。 同样地,本文研究了采用改进的细乳液聚合反应法制备基于螺吡喃的光致开关的荧光纳米杂合物(Nanohybrids),即选择荧光发射波长与光致部花菁态(PM)的吸收带能够较好重叠的憎水荧光染料,通过细乳液聚合反应把两功能组份以分子分散态混杂并且固定在交联的纳米聚合物基质内,通过光致变色组份对荧光分子的光致分子间能量转移而实现荧光光开关。这种方法构建纳米杂合物一方面拓展了螺吡喃的应用比如用于光控制的纳米器件,另一方面提高了PM的热稳定性。 基于二芳基乙烯的荧光光开关体系在超高密度可擦除型光子存储、光开关器件和生命科学等领域具有良好的应用前景,但是绝大多数研究是集中在共价连接的A-L-B结构型超分子体系上,构建这类光开关分子存在最大的问题即设计和合成上比较麻烦。本文采用更为简便的非共价键方法构建基于二(2-甲基-1-苯并噻吩基)六氟环戊烯(BTF6)的光致开关的荧光纳米杂合物,利用改进的细乳液聚合法结合种子聚合反应技术来实现:首先通过细乳液聚合反应把BTF6和匹配的憎水荧光染料两组份分子充分混杂在纳米聚合物基质中获得预聚物种子,然后利用种子聚合反应在纳米种子物上生长一个改性的或生物相容的交联聚合物壳层。文中除了研究如何完善实施制备过程,还重点研究了纳米杂合物中光致变色组份对荧光分子的光致分子间能量转移机理以及如何提高能量转移效率等。 本文研究的“改进的细乳液聚合法结合种子聚合反应技术”这一方法是对核壳型纳米粒子制备方法的补充及拓展,我们采用该方法制备了一类发射橙、黄、绿和青色荧光的高耐光/耐热性的核壳型荧光纳米微球。