CN116217784A - 一种具有电光效应的聚合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有电光效应的聚合物及其制备方法和应用,本发明通过在电光聚合物中的非线性光学发色团分子上引入光交联基团,能够在低温紫外光照射下能够产生活性卡宾、氮宾活性中间体,与周围聚合物链段的C‑H键发生插入反应从而形成三维交联网络结构,固定发色团分子的有序取向。电光聚合物材料经电场极化和交联后可制备高玻璃化转变温度和高电光系数的电光薄膜,有效提高交联速度和强度,大幅度提升电光聚合物及器件的电光性能以及电光性能在高温环境下的稳定性,拓展电光聚合物和器件的实际应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及有机/聚合物电光材料,尤其是一种具有电光效应的聚合物及其制备方法和应用。
背景技术
电光聚合物在高速光通信、光计算、以及相控阵雷达与传感等领域有着很高的应用前景。开发具有较高电光性能以及热稳定性的电光聚合物,推动聚合物基电光调制器件与其他光电子器件实用化对于推动信息科技进步具有重要作用。
与纯发色团分子玻璃材料相比,电光聚合物材料具有更低的介电常数、光损耗,同时具有更高的热稳定性以及易于制备加工等特点,有希望推动电光调制器实现高带宽、低功耗、高集成的性能指标。发色团分子玻璃材料由于较低的玻璃化转变温度,仅能适用于<80℃的常温环境,严重限制了应用范围及场景。相比之下,电光聚合物的玻璃化转变温度一般能够达到100℃左右,同时聚合物链段的缠绕有助于维持发色团分子的有序取向,然而这仍然远远不够。当光子器件与电子器件在芯片尺度集成时,由于电子器件明显的热效应,芯片区域的温度会超过100℃,甚至达到120℃以上。在这种高温环境下,传统电光聚合物中发色团分子的有序排列会发生一定程度的弛豫,导致电光性能的衰减。电光聚合物在高温环境中性能容易发生衰减的问题严重制约了器件的实际应用。
将电光聚合物进行交联处理以获得三维网络结构,能够大幅度提高玻璃化转变温度,是一种进一步提高电光聚合物热稳定性的有效方式。交联反应应用到有机电光材料领域需要满足以下要求:交联反应不能破坏发色团功能分子;较为温和的反应条件;较快的反应速度。现有应用在有机电光材料领域的交联方式主要是以【4+2】DA反应、Huisgen偶极环加成反应为主,反应选择性好,不会破坏发色团分子结构,但反应速度普遍较慢,依赖高温加热引发,以及交联度低,高温加热会破坏发色团分子结构。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题,本发明提出一种具有电光效应的聚合物及其制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种具有电光效应的聚合物,所述聚合物具有如下式I的结构:
其中,m=0.4~0.9,n=0.1~0.6,且m+n=1;R1为C1~C10的烷基,碳C6~C10的含芳基烷基,碳原子数为C1~C10的含S、O、N杂原子的烷基,以及它们任意的组合;R2可为C1~C10的烷基,C6~C10的芳基;R3可为C1~C10的烷基,三氟甲基;R4为能够发生光交联的基团。
上述的一种具有电光效应的聚合物,所述的R4是具有以下结构中任意一种:
上述的一种具有电光效应的聚合物,所述烷基及烷撑包括直链、支链、环链结构及直链、支链、环链结构的任意组合。。
上述的任意一种具有电光效应的聚合物的制备方法,包括如下步骤:
步骤1,制备如下式II的合成单体-1:
步骤2,制备如下式III的合成单体-2:
步骤3,将摩尔比例为0.67~9.0的单体-1和单体-2溶解于无水四氢呋喃中,加入AIBN后加热至65℃,反应2h后倒入甲醇中,过滤得式I聚合物。
上述的一种具有电光效应的聚合物的制备方法,所述步骤1制备式II的合成单体-1的具体步骤为:将R1-OH与三乙胺溶解于无水二氯甲烷,冰浴,然后滴加甲基丙烯酰氯的二氯甲烷溶液,滴加完后撤去冰浴,室温搅拌反应完成后倒入水中,二氯甲烷萃取3次,硫酸镁干燥,减压蒸馏去除溶剂,粗品经柱层析纯化得到合成单体-1。
上述的一种具有电光效应的聚合物的制备方法,所述步骤2式III的合成单体-2的具体步骤为:
步骤2.1,向新制的乙醇钠溶液中加入甲氧基甲基醚保护的胺基苯甲醛和异佛尔酮衍生醇,加热至65℃反应,反应完成后,旋蒸去除溶剂,用乙酸乙酯萃取3次,用无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(1);
步骤2.2,将化合物(1)溶于无水二甲基甲酰胺中,然后加入1.2当量的叔丁基二甲基氯硅烷,以及1.2当量的咪唑,室温下搅拌反应完成后倒入水中,用乙酸乙酯萃取3次,浓盐水洗涤,硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(2);
步骤2.3,冰浴下将氰甲基磷酸二乙酯缓慢加入到氢化钠的四氢呋喃溶液中,滴加完后继续搅拌,获得澄清溶液;向澄清溶液中加入化合物(2)的无水四氢呋喃溶液,在保护气氛下进行回流反应,反应完成后加水淬灭,乙酸乙酯萃取3次后用硫酸镁干燥,通过硅胶色谱纯化,以乙酸乙酯与己烷的混合溶剂洗脱,得到化合物(3);
步骤2.4,二异丁基氢化铝的己烷溶液缓慢加入到所述化合物(3)的甲苯溶液中,在-78℃和保护气氛下反应2h后,加入含水湿硅胶,恢复室温后继续搅拌2h,水解完成后抽滤,滤液蒸除溶剂后通过硅胶色谱纯化,以乙酸乙酯与己烷的混合溶剂洗脱,得到化合物(4);
步骤2.5,将四丁基氟化铵溶液逐步滴入化合物(4)的四氢呋喃溶液中,反应1h后倒入水中,用乙酸乙酯萃取3次,硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(5);
步骤2.6,将含有羧基的光交联基团R4与1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDCI)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)溶于无水二氯甲烷中反应,获得澄清溶液;向此溶液中加入化合物(5)的二氯甲烷溶液,升温至室温反应完成后加水,用乙酸乙酯萃取3次,用无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(6);
步骤2.7,将化合物(6)溶解于四氢呋喃与甲醇的混合溶液中,室温下向溶液中滴加1M的HCl,反应3h后倒入碳酸氢钠水溶液中,乙酸乙酯萃取3次,用无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(7);
步骤2.8,化合物(7)和电子受体溶解于无水乙醇中,加热回流反应1h,旋蒸去除溶剂,粗品经柱层析纯化得到化合物(8);
步骤2.9,将含有甲基丙烯酸与二环己基碳二亚胺(DCC)、1,4-二甲基吡啶鎓对甲苯磺酸盐(DPTS)溶于无水四氢呋喃中,冰浴反应10分钟后升至室温,反应完成后加水,用乙酸乙酯萃取3次,用无水硫酸镁干燥过夜,粗品经柱层析纯化得到合成单体-2。
上述的一种具有电光效应的聚合物的制备方法,所述步骤3中,为除去未反应的单体以及寡聚物,将所得的聚合物溶解于四氢呋喃中,滴入甲醇中,再次过滤,重复此操作3次,得到纯化的式I聚合物。
上述的一种具有电光效应的聚合物的制备方法,上述反应步骤中化学反应可通过TLC板监测反应终点。
上述的一种具有电光效应的聚合物的应用,所述式I聚合物制成薄膜后,经电场极化获得电光性能,然后在350~400nm紫外光照射下进行交联固化,得到高玻璃化转变温度和高电光系数的电光薄膜。
本发明的有益效果是,本发明基于侧链型电光聚合物与活性卡宾的交联反应制备出一类光交联电光聚合物,提高交联速度和强度,大幅度提升电光聚合物及器件的电光性能以及电光性能在高温环境下的稳定性,拓展电光聚合物和器件的实际应用场景。
本发明经过交联的电光聚合物薄膜120℃下放置1000小时后保持初始电光系数的90%以上,150℃下放置1000小时后保持初始电光系数的80%以上,200℃下放置1000小时后保持初始电光系数的60%以上,稳定性高于同类型的电光聚合物材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明电光聚合物材料交联原理示意图;
图2为本发明电光聚合物材料交联过程示意图;
图3为本发明实施例电光聚合物材料电光系数及极化效率测试结果图;
图4为本发明实施例电光聚合物材料电光系数热稳定性示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
本实施例公开了一种具有电光效应的聚合物,聚合物具有如下式I的结构:
其中,m=0.4~0.9,n=0.1~0.6,且m+n=1。
R1为C1~C10的烷基,碳C6~C10的含芳基烷基,碳原子数为C1~C10的含S、O、N杂原子的烷基,以及它们任意的组合;
R2可为C1~C10的烷基,C6~C10的芳基;
R3可为C1~C10的烷基,三氟甲基;
R4为能够发生光交联的基团。
此处所述的烷基以及烷撑,包括直链、支链、环链结构,以及它们的任意组合。当所述基团的碳原子个数最多为10时,用C1~C10、C~C10、或者C1~C10来表示。
R4是具有以下结构中任意一种
本实施例中,R4选择下式结构,R1为甲烷,R2为CF3,R3为Ph,制备电光聚合物。
本实施例电光聚合物的制备方法如下:
步骤1,合成单体-1:具体合成路线如下所示:
具体步骤为:在圆底烧瓶中,将甲醇与三乙胺溶解于无水二氯甲烷,冰浴,然后滴加甲基丙烯酰氯的二氯甲烷溶液。滴加完后撤去冰浴,室温搅拌过夜后倒入水中,二氯甲烷萃取3次,硫酸镁干燥,减压蒸馏去除溶剂,粗品经柱层析纯化得到合成单体-1。
步骤2,合成单体-2,具体步骤为:
S1.将2.3g金属钠加入氮气气氛下的双颈烧瓶中,冰浴至0℃,注入50mL无水乙醇,反应产生大量氢气,搅拌至金属钠完全溶解,制得2M乙醇钠溶液。然后向新制的乙醇钠溶液中加入11.16g电子给体醛和10.7g异佛尔酮衍生物,加热至65℃回流过夜后,旋蒸去除溶剂,用乙酸乙酯萃取3次,无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(1)。
产率:57%,MS(ESI)(M+Na+,C23H33NO4S):442.55。
S2.4.42g化合物、3.30g叔丁基二甲基氯硅烷(1.2eq)0.95g咪唑,溶于20mL无水二甲基甲酰胺中,室温下搅拌过夜后倒入水中,用乙酸乙酯萃取3次,浓盐水洗涤,硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(2)。
产率:83%,MS(ESI)(M+,C39H51NO4SSi):657.33。
S3.冰浴下将2.66g氰甲基磷酸二乙酯缓慢加入到0.36g氢化钠的30mL四氢呋喃溶液中,滴加完后继续搅拌,获得澄清溶液。然后向澄清溶液中加入6.57g化合物(2)的20mL四氢呋喃溶液,回流过夜后加水淬灭,乙酸乙酯萃取3次,硫酸镁干燥,粗产物通过硅胶色谱纯化,以乙酸乙酯与己烷的混合溶剂洗脱,得到化合物(3)。
产率:63%,MS(ESI)(M+,C41H52N2O3SSi):680.36。
S4.将12mL二异丁基氢化铝的己烷溶液(1M)缓慢加入到所述6.80g化合物(3)的100mL甲苯溶液中,在-78℃和保护气氛下反应2h,加入湿硅胶中止反应,恢复室温后继续搅拌2h,抽滤,滤液蒸除溶剂后通过硅胶色谱纯化,以乙酸乙酯与己烷的混合溶剂洗脱,得到化合物(4)。
产率:85%,MS(ESI)(M+,C41H53NO4SSi):683.35。
S5.将12mL四丁基氟化铵溶液(1M,四氢呋喃)逐步滴入6.83g化合物(4)的100mL四氢呋喃溶液中,反应1h后倒入水中,乙酸乙酯萃取3次,硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(5)。
产率:91%,MS(ESI)(M+,C25H35NO4S):445.23。
S6.2.76g 4-(3-(三氟甲基)-3H-双吖丙啶基)苯甲酸、2.3g 1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDCI)、0.04g 4-二甲氨基吡啶(DMAP)溶于无水二氯甲烷中反应数分钟,获得澄清溶液。然后向此溶液中加入4.45g化合物(5)的10mL二氯甲烷溶液,逐步升温至室温,反应过夜,加水后用乙酸乙酯萃取3次,无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(6)。
产率:75%,MS(ESI)(M+,C34H38F3N3O5S):657.25。
0.66g化合物(6)溶解于1M的HCl溶液中(甲醇/四氢呋喃),反应2h,薄板色谱跟踪反应进度。反应结束后倒入碳酸钠水溶液中,乙酸乙酯萃取3次,无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(7)。
产率:77%,MS(ESI)(M+,C32H34F3N3O4S):613.22。
S7.0.61g化合物(7)和0.35g电子受体溶解于10mL无水乙醇中,加热至75℃反应1h,旋蒸去除溶剂,粗品经柱层析纯化得到电光发色团(8)。
产率:54%,MS(ESI)(M+,C48H40F6N6O4S):910.27。
将0.91g化合物(8)、0.17g甲基丙烯酸、0.41g N,N′-二环己基碳二亚胺、0.04g 1,4-二甲基吡啶鎓对甲苯磺酸盐溶于10mL无水四氢呋喃中,反应过夜后冷冻至0℃过滤去除大部分副产物,滤液旋除溶剂,粗品经柱层析纯化得到合成单体-2。
产率:79%,MS(ESI)(M+,C52H44F6N6O5S):978.30。
步骤3,将步骤1所得的合成单体-1及步骤2所得的合成单体-2反应制备本实施例电光聚合物,具体步骤为:
将合成单体-2与合成单体-1溶于无水四氢呋喃中,加入少量AIBN后加热至65℃反应2h后倒入甲醇中,过滤得电光聚合物。为除去未反应的单体以及寡聚物,将所得的聚合物溶解于少量四氢呋喃中,滴入甲醇中,再次过滤。重复此操作3次,得到纯化的电光聚合物,产率:58%。
步骤2及步骤3制备电光聚合物的合成路线如下:
本实施例所得的电光聚合物交联固化可得高玻璃化转变温度的交联电光薄膜,具体方法包括以下步骤:
a.该电光聚合物能够溶解于环戊酮、1,1,2-三氯乙烷(TCE)等常见溶剂中。取100mg电光聚合物(35%wt发色团)加入1.15g TCE中,封口搅拌过夜后用0.2μm滤膜过滤,滤液静止半小时,获得质量分数为8%的聚合物溶液。电光薄膜采用旋涂法涂布,用移液枪取100μL电光聚合物溶液滴到2cm x 2cm的基底上,转速为400转/分钟,匀胶时间为1分钟。匀胶结束后将薄膜放置于70℃的电热板上加热5分钟,去除大部分的溶剂,然后放置于真空干燥箱里干燥过夜,薄膜厚度为~1μm。
b.电光薄膜经干燥后进行电场极化以获得电光性能。电场极化采用接触极化的方式。所施加的电场强度范围包括20~150V/μm。经电场极化后进行光交联,光源采用365nm的LED紫外灯,薄膜表面紫外光功率为750mJ/cm2,照射30分钟进行交联固化,整个过程中电光薄膜需充氮气保护。交联后电光聚合物的玻璃化转变温度显著提高,同时在常见溶剂中的溶解度下降,薄膜的机械强度提高。未曝光的区域可以用氯仿等溶剂去除,从而在所需位置获得交联电光薄膜。交联固化原理如图1所示,交联过程如图2所示。
对所得的交联电光薄膜采用Teng-Man简单反射法进行电光系数测试,电光系数及极化效率测试如图3所示,将电光系数对极化电场强度进行作图,拟合为一次函数,所得的斜率即为该材料的极化效率,用以对比材料在相同极化电场强度下获得电光系数的能力。可见,发色团质量分数越高,在相同极化电场强度下获得电光系数的能力越强。发色团质量分数为35%的电光聚合物具有最高的极化效率,最大电光系数达到了313pm/V。
对本实施例所得的交联电光聚合物薄膜进行稳定性测试,环境条件包括:
1)120℃(氮气保护)下放置1000小时热稳定性;
2)150℃(氮气保护)下放置1000小时热稳定性;
3)200℃(氮气保护)下放置1000小时热稳定性。
所得的测试结果如图4所示,经过交联的电光聚合物薄膜120℃下放置1000小时后保持初始电光系数的90%以上,150℃下放置1000小时后保持初始电光系数的80%以上,200℃下放置1000小时后保持初始电光系数的60%以上。
可见本实施例所得的有机电光聚合物材料,能够通过廉价加工制备手段与微纳光子器件相结合。电光聚合物薄膜能够在常温环境下进行光交联固化,获得较高的电光热稳定性。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例,不用于限制本发明,本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内,对本发明做出各种修改或等同替换,这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
3.根据权利要求1所述的一种具有电光效应的聚合物,其特征在于,所述烷基及烷撑包括直链、支链、环链结构及直链、支链、环链结构的任意组合。。
5.根据权利要求4所述的一种具有电光效应的聚合物的制备方法,其特征在于,所述步骤1制备式II的合成单体-1的具体步骤为:将R1-OH与三乙胺溶解于无水二氯甲烷,冰浴,然后滴加甲基丙烯酰氯的二氯甲烷溶液,滴加完后撤去冰浴,室温搅拌反应完成后倒入水中,二氯甲烷萃取3次,硫酸镁干燥,减压蒸馏去除溶剂,粗品经柱层析纯化得到合成单体-1。
6.根据权利要求4所述的一种具有电光效应的聚合物的制备方法,其特征在于,所述步骤2式III的合成单体-2的具体步骤为:
步骤2.1,向新制的乙醇钠溶液中加入甲氧基甲基醚保护的胺基苯甲醛和异佛尔酮衍生醇,加热至65℃反应,反应完成后,旋蒸去除溶剂,用乙酸乙酯萃取3次,用无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(1);
步骤2.2,将化合物(1)溶于无水二甲基甲酰胺中,然后加入1.2当量的叔丁基二甲基氯硅烷,以及1.2当量的咪唑,室温下搅拌反应完成后倒入水中,用乙酸乙酯萃取3次,浓盐水洗涤,硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(2);
步骤2.3,冰浴下将氰甲基磷酸二乙酯缓慢加入到氢化钠的四氢呋喃溶液中,滴加完后继续搅拌,获得澄清溶液;向澄清溶液中加入化合物(2)的无水四氢呋喃溶液,在保护气氛下进行回流反应,反应完成后加水淬灭,乙酸乙酯萃取3次后用硫酸镁干燥,通过硅胶色谱纯化,以乙酸乙酯与己烷的混合溶剂洗脱,得到化合物(3);
步骤2.4,二异丁基氢化铝的己烷溶液缓慢加入到所述化合物(3)的甲苯溶液中,在-78℃和保护气氛下反应2h后,加入含水湿硅胶,恢复室温后继续搅拌2h,水解完成后抽滤,滤液蒸除溶剂后通过硅胶色谱纯化,以乙酸乙酯与己烷的混合溶剂洗脱,得到化合物(4);
步骤2.5,将四丁基氟化铵溶液逐步滴入化合物(4)的四氢呋喃溶液中,反应1h后倒入水中,用乙酸乙酯萃取3次,硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(5);
步骤2.6,将含有羧基的光交联基团R4与1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDCI)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)溶于无水二氯甲烷中反应,获得澄清溶液;向此溶液中加入化合物(5)的二氯甲烷溶液,升温至室温反应完成后加水,用乙酸乙酯萃取3次,用无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(6);
步骤2.7,将化合物(6)溶解于四氢呋喃与甲醇的混合溶液中,室温下向溶液中滴加1M的HCl,反应3h后倒入碳酸氢钠水溶液中,乙酸乙酯萃取3次,用无水硫酸镁干燥,粗品经柱层析纯化得到化合物(7);
步骤2.8,化合物(7)和电子受体溶解于无水乙醇中,加热回流反应1h,旋蒸去除溶剂,粗品经柱层析纯化得到化合物(8);
步骤2.9,将含有甲基丙烯酸与二环己基碳二亚胺(DCC)、1,4-二甲基吡啶鎓对甲苯磺酸盐(DPTS)溶于无水四氢呋喃中,冰浴反应10分钟后升至室温,反应完成后加水,用乙酸乙酯萃取3次,用无水硫酸镁干燥过夜,粗品经柱层析纯化得到合成单体-2。
7.根据权利要求4所述的一种具有电光效应的聚合物的制备方法,其特征在于,所述步骤3中,为除去未反应的单体以及寡聚物,将所得的聚合物溶解于四氢呋喃中,滴入甲醇中,再次过滤,重复此操作3次,得到纯化的式I聚合物。
8.根据权利要求4所述的一种具有电光效应的聚合物的制备方法,其特征在于,上述反应步骤中化学反应可通过TLC板监测反应终点。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的一种具有电光效应的聚合物的应用,其特征在于,所述式I聚合物制成薄膜后,经电场极化获得电光性能,然后在350~400nm紫外光照射下进行交联固化,得到高玻璃化转变温度和高电光系数的电光薄膜。
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