纳米包埋结构改善稀土离子在高分子中的分散与加工性研究

The combination between metal ions and polymer matrix can obtain the materials that have both photo-/electro- properties belonging to metal ions and flexible property from polymers. It has the topological significance on material structures and properties. However, it is difficult to do because there are big differences on physical natures between polymers and metal ions. In this suggested research, we will establish a strategy with which we get the unique dispersive hybrid materials of lanthanide ions in polymer matrices through the processing of composites of nano-particles that include organic lanthanide complexes inside and polymer matrices, instead of direct incorporation of lanthanide ions into polymers. We will, firstly, synthesize series of typical nanostructures that embed OLCs (NEO), which are described in Figure 2, and try to increase the concentration of OLCs and improve the distribution of OLCs in NEO, to enhance the luminescent intensity of lanthanide ions. Secondly, we will modify the surface of nanoparticles through grafting oligomers consisting of short chain with polar coordinating groups. Via adjusting the components of the short chain, we can impart the available compatibility with polymer matrix. Thirdly, we research on the interface structures between NEOs and polymer matrices. With the understanding of the interface natures, we can judge the processibility of the hybrid materials. Fourthly, the luminescence of the hybrid materials is the most important. Thus, all the investigations will focus on the improvement of the emitting property. The creation in this project is, we think of, that we use the processing strategy of nanomaterials replaces the direct dispersion process of lanthanide ions in polymer matrices, both of which are repulse components in composite materials. Compared with inorganic luminescent materials, this hybrid material is intrinsic flexible, and it can be much available to defense, and light equipment in army.

在分子或原子尺度将金属离子分散于高分子基体中，具有材料结构和性能的拓扑学意义，可以获得具有金属光电子性能的柔性高分子杂化材料。但因物性差异，金属离子不易分散于高分子中。本项目将发光稀土离子的有机共轭分子络合物（OLC）在高分子中的分散问题，转换为包埋OLC纳米粒子（NEO）在高分子中的分散加工问题，通过研究不同基质和不同结构的包埋OLC的纳米结构、研究赋予这些纳米粒子与高分子基体形成相容界面的物性，针对高效发光材料（纤维或薄膜）和高效光电器件（PLED或聚合物太阳能电池）的应用，获得NEO与基体高分子复合体的良好加工性、材料的高光量子收率以及稀土离子的高包埋浓度。其创新点就是将金属离子在高分子中的不易分散问题转换为纳米粒子在高分子中的加工问题，获得本质上热力学稳定的光功能材料。与无机光电功能材料不同，这种材料本质上是柔性的，可以在有材料柔性需求的国防、旅游、轻量装备等领域具有较大的应用。

本项目针对解决发光稀土离子的有机共轭分子络合物（OLC）在高分子中的分散问题，设计5个系列的纳米结构，有机稀土络合物（OLC）包埋于纳米粒子的内部或携载在表面，将有机稀土络合物在高分子中的分散问题，转换为包埋OLC纳米粒子（NEO）在高分子中的分散加工问题。通过研究以有机嵌段高分子、SiO2纳米粒子、天然生物大分子（蛋白质和聚电解质）、以及无机基体为典型的材料，获得了系列发光材料，并将这些纳米发光材料用于聚合物太阳能电池、发光纤维材料、发光薄膜材料等系列应用体系，获得了7个代表性的重要成果。这些成果包括：（1）稀土离子诱导大分子团聚及高效发光性能、（2）纳米金属Plasman效应增强荧光染料的发光强度、（3）杂化聚合物太阳能电池，包括：嵌段聚合物-稀土固体纳米胶束掺杂聚合物太阳能电池、稀土上转换纳米材料掺杂聚合物太阳能电池、纳米金属掺杂聚合物太阳能电池，（4）蛋白质发光晶体、（5）聚电解质高效发光材料、（6）杂化聚合物发光纤维、（7）杂化聚合物发光母粒和发光薄膜等。本项目的理论创新包括两点：一是金属离子诱导聚合物团聚（MIPA）的纳米结构形成理论，二是惰性氧化物包覆纳米金属的纳米隔层阻止内核金属激发电子的电荷转移机理。本项目的技术创新在于：对于稀土离子与聚合物基体性质差别极大且互补相容的两个组分，通过纳米结构的包埋设计，实现了金属离子在高分子中的均匀分散和可加工性。获得本质上热力学稳定的光功能材料。与无机光电功能材料不同，这种材料本质上是柔性的，可以在有材料柔性需求的国防、旅游、轻量装备等领域具有较大的应用。这种在分子或原子尺度将金属离子分散于高分子基体中的理论和方法，具有材料结构和性能的拓扑学意义，可以获得具有金属光电子性能的柔性高分子杂化材料。. 本项目在实施的过程中，围绕研究主题，取得研究成果53项，其中发表论文44篇（其中，SCI论文28篇，中国核心期刊16篇）、申请发明专利15项（其中，国际专利2项（美国和欧洲各一项）、授权专利6项。. 在本项目实施期间，自行设计并委托企业制造了一台三个双螺杆共挤+流延+拉伸的，具有年产500吨产能的发光薄膜的小型生产线，已安装完成，具有生产加工能力。设备具有自主知识产权。. 在本项目实施的4年中，培养博士5名，毕业2名；培养硕士16人，毕业8人。