CN109593202A - 高红外透过率的聚合物红外透镜材料设计与制备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了系列具有高红外透过率的聚合物材料的设计合成及其作为有机红外薄膜透镜的制备与加工。本发明根据化学基团的红外吸收性规律，设计合成了多种具有高红外透过率的聚合物材料。主要包括以下几个系列：二烯(多烯)分子的硫化聚合物、无机杂化材料等。本发明的红外高透性的有机聚合物材料可用于制造红有机红外薄膜透镜。利用纳米压印、热压成型或卷对卷压印及一次光固化成型等工艺，可以制备具有菲涅尔透镜或超透镜结构的有机红外薄膜透镜，用于红外热像仪的镜头组件。本发明的有益效果在于：本发明的合成方法简单，原料易得，成本较低；基于本发明的薄膜透镜的加工工艺简单、快速，可大规模制备有机红外薄膜透镜及光学器件，在红外热像仪等研究与应用领域具有十分重要的应用价值。

Description

高红外透过率的聚合物红外透镜材料设计与制备
技术领域
本发明属于化学材料制备及应用技术领域，具体涉及高红外透过率的聚合物材料的设计合成。
背景技术
目前在红外透镜材料多采用锗单晶和硒化锌等贵重半导体材料，且加工工艺复杂，成本较高，成品率低，导致红外透镜的价格都比较昂贵。本专利根据有机官能团的红外吸收特性，设计合成具有高的红外透过率的聚合物材料，并利用采用光刻技术、纳米压印技术、步进-闪光压印技术等方法制备具有菲涅尔透镜或超透镜结构的有机红外薄膜透镜。相比于常用的锗单晶、硒化锌等红外镜头材料，聚合材料的成本低，且由于其优异的加工性能，加工过程可采用的光刻技术、纳米压印技术、步进-闪光压印技术等方法的加工工艺也比较简单，易于大规模生产，加工成本进一步降低。
发明内容
为了克服现有无机红外镜头价格昂贵，加工工艺严苛等技术不足，本发明的目的在于提供一种红外高透性聚合物材料替代贵重半导体材料作为红外透镜材料的方法及设计思路。本发明的红外高透过率聚合物的制备方法简单，原料廉价易得，大大降低了红外透镜的成本。根据其优异的加工性能，本发明的透镜成型加工工艺，可采用光刻技术、纳米压印技术、卷对卷压印技术等方法，简单易行，易于大规模加工，进一步降低了红外透镜的成本。本发明中透镜可构建抗反射结构，进一步提高了透镜的红外透过率，一方面可以极大减小透镜重量，降低材料成本，提高红外光透过率，另一方面还能够消除部分球形像差。
本发明中，先根据官能团的红外吸收规律，对聚合物结构进行设计，例如，二烯单体的硫化物、无机杂化材料等。利用硫化、巯烯点击等反应方式制备上述高红外透过率的聚合物材料。
对于上述红外高透过率的聚合物材料，在加工成红外薄膜透镜的过程中，由于聚合物优异的加工性能，可选取光刻技术、纳米压印技术、卷对卷压印技术等方法。对于可以热塑成型的线性聚合物，可以采用纳米压印技术或卷对卷压印方法，而对于光固化体系则可以采用光刻技术，一次完成材料的制备及薄膜透镜的成型加工。
本发明技术方案具体介绍如下。
本发明设计的高红外透过率的聚合物材料包括二烯(多烯)分子的硫化聚合物、无机杂化材料等几个大类。
本发明还提供了上述几种聚合物的合成方法，如下：
(1)二烯(多烯)分子的硫化聚合物的具体合成步骤如下：将硫磺加热后，加入二烯或多烯单体，搅拌均匀后，高温条件下进行硫化反应，反应后冷却至室温即可。
(2)无机杂化材料的具体合成步骤如下：将无机纳米材料如含巯基聚倍半硅氧烷(POSS-SH)与二烯或多烯或含多官能度乙烯基的预聚物溶解在溶剂中加入光引发剂，混合均匀后，在紫外光照射的条件下进行光交联反应。
上述方法(1)中，所述的硫磺与二烯或多烯单体的质量比为1∶50～50∶1，反应温度在120～200℃，反应时间为10分钟～6小时。二烯或多烯单体选自柠檬烯、1，3-二(1-甲基乙烯基)苯、丁二烯、二乙烯基苯等，或含多官能度乙烯基的硫化预聚物。
上述方法(2)中，所述光引发剂为自由基光引发剂或者阳离子型光引发剂。优选的，所述自由基光引发剂为安息香醚类、二烷氧基苯乙酮、占吨酮、含硫醚二苯甲酮类、硫杂蒽酮、蒽醌和二苯甲酮及其衍生物中的一种或几种的组合；所述阳离子型光引发剂为二芳基碘化物、三芳基硫化物、二芳基碘鎓铜盐或二茂铁盐中任一种。
上述方法(2)中，有机溶剂选自四氢呋喃、醇类、氯仿、二氯甲烷、二甲基亚砜、1，4-二氧六环、N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-吡咯烷酮、苯、甲苯或二甲苯中的任一种。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
红外高透过率聚合物材料原料廉价易得，合成方法简单易行，相比于现有的红外透镜材料锗单晶和硒化锌等成本大幅降低。具有超透镜或菲涅尔透镜结构的透镜形式可以缩小透镜的体积，降低材料成本，提高红外光透过率，同时还能够有效消除部分球形像差。利用红外高透过率聚合物材料加工制备有机红外透镜的加工，由于聚合物优异的加工性能，可以采取纳米压印、卷对卷压印及光刻技术，工艺流程简单，加工成本低，且易于大规模生产。
附图说明
图1是实施例1中柠檬烯硫化反应过程及分子结构。
图2是实施例1中柠檬烯硫化反应产物核磁碳谱及薄膜图片。
图3是实施例2中杂化材料反应过程及交联结构示意图。
图4是高红外透过率有机红外薄膜透镜的材料设计合成、及其制备与加工示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1
将20g硫磺加热到185℃，加热溶解之后加入柠檬烯20g搅拌均匀后，185℃条件下反应2小时，之后倒在玻璃板上冷却，或直接倒入模具中成型。
实施例2
将过量的柠檬烯与硫磺按照实施例1反应，得到含双键剩余的硫化低聚物，将低聚物3g与将巯基聚倍半硅氧烷(POSS-SH)0.2g溶解在甲苯中加入光引发剂I907，混合均匀后，365nm的紫外光照射，反应12小时，进行光交联。光交联过程可配合模板，直接在固有形态的模具中进行，完成透镜的成型加工。

Claims (10)

1.红外光高透性聚合物材料，其特征在于，根据官能团的吸收特性设计包括：二烯(多烯)分子的硫化聚合物及无机杂化材料等。
2.根据权利要求1所述的红外光高透性聚合物材料中二烯(多烯)分子的硫化聚合物的合成方法，其特征在于，具体步骤如下，将硫磺加热后，加入二烯或多烯单体，搅拌均匀后，高温条件下进行硫化反应，反应后冷却至室温即可。
3.根据权利要求2所述的红外光高透性聚合物材料中二烯(多烯)分子的硫化聚合物的制备方法，其特征在于，硫磺与二烯或多烯单体的质量比为1∶50～50∶1，反应温度在120～200℃，反应时间为10分钟～6小时。
4.根据权利要求2所述，其特征在于，二烯或多烯单体选自柠檬烯、1，3-二(1-甲基乙烯基)苯、丁二烯、二乙烯基苯等。
5.根据权利要求1所述的红外光高透性杂化材料的合成方法，其特征在于，具体步骤如下，将无机纳米材料如含巯基聚倍半硅氧烷(POSS-SH)与二烯或多烯或含多官能度乙烯基的预聚物溶解在溶剂中加入光引发剂，混合均匀后，在紫外光照射的条件下进行光交联反应。
6.根据权利要求5所述红外光高透性含硅杂化材料的合成方法，其特征在于，巯基聚倍半硅氧烷(POSS-SH)与二烯或多烯或含多官能度乙烯基的硫化预聚物的质量比为1∶100～20∶1，反应光照时间为10分钟～12小时。
7.根据权利要求5所述红外光高透性含杂化材料的合成方法，其特征在于，有机溶剂选自四氢呋喃、醇类、氯仿、二氯甲烷、二甲基亚砜、1，4-二氧六环、N，N’-二甲基甲酰胺、N，N’-二甲基乙酰胺、N-甲基-吡咯烷酮、苯、甲苯或二甲苯中的任一种。
8.根据权利要求5所述红外光高透性杂化材料的合成方法，其特征在于，所述的光引发剂为自由基光引发剂或者阳离子型光引发剂。
9.根据权利要求5所述的光引发剂，其特征在于：所述自由基光引发剂为安息香醚类、二烷氧基苯乙酮、占吨酮、含硫醚二苯甲酮类、硫杂蒽酮、蒽醌和二苯甲酮及其衍生物中的一种或几种的组合；所述阳离子型光引发剂为二芳基碘化物、三芳基硫化物、二芳基碘鎓铜盐或二茂铁盐中任一种。
10.红外高透过率的聚合物材料可作为有机红外薄膜透镜使用，进一步作为红外热像仪的光学组件。
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