面向光通信的聚合物材料在纳米金属有机框架中的取向及其各向异性的研究

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随着信息时代的发展,光网络需要提供更高速率、更大传输容量。利用光的偏振性实现光偏振复用系统是提高未来光网络传输容量、传输速率及光信息处理能力的新型技术与主要发展方向。聚合物光学材料与器件具有低成本、可集成度高等优点,在光通信系统中已得到了广泛的应用。当其具备高光学各向异性后,可以为偏振复用光通信系统提供一个非常好的选择项。这种材料的本质在于材料内部的链取向,聚合物链的取向度越高,光学各向异性越好。利用孔道有序的金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOF)材料可以制备光学各向异性聚合物。以MOF材料作为模板,在MOF的有序孔道中进行聚合物单体分子的吸附与聚合,利用MOF孔道与聚合物链之间的相互作用来提高聚合物链的取向,是实现光学各向异性聚合物的新思路。本文结合理论与实验,设计并制备了基于MOF模板的光学各向异性聚合物材料,并通过向MOF模板中引入交联剂,形成链与链之间取向排列且相互桥接的交联型聚合物材料,研究了MOF模板法制备的聚合物材料的取向性与热稳定性。第三章中,本文根据密度泛函理论与分子动力学方法,建立了[Zn(TP)TED0.5]n(MOF-TP)、[Zn(DVTP)xTP1-xTED0.5]n(MOF-DVTP)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料的全原子模型,模拟了PMMA在MOF-TP与MOF-DVTP孔道中的取向,并研究了在105℃条件下交联型PMMA与无交联的PMMA的取向特性,得出仿真结论:交联剂引入PMMA提高了链取向的热稳定性。为了实验验证上述仿真结论,本文在第四章与第五章中分别通过实验制备了无交联的链取向PMMA与交联型链取向PMMA。首先,通过溶剂热法制备了孔径尺寸与MMA分子适配的MOF-TP与MOF-DVTP材料,其中MOF-DVTP具有交联功能;而后将MMA分子引入MOF-TP、MOF-DVTP的孔道中并聚合,去除MOF模板后获取非交联型与交联型PMMA材料。在场发射扫描电子显微镜(SEM)、粉末XRD与偏光显微系统中,非交联型与交联型PMMA均表现出规整的形貌、有序结构与良好光学各向异性,验证了MOF模板对PMMA链取向的有效提升;对交联型PMMA进行高温(150℃)处理后再进行氮气吸附测试时,交联型PMMA表现出了一定氮气吸附能力;这上述结果表明交联型PMMA内部结构仍存在孔隙结构。这些孔隙结构是由于交联剂固定了链与链之间的相对距离,相邻的聚合物链之间没有分子链绞结填充而形成了空隙;在高温条件下,PMMA分子链仍会受到交联剂约束而保留了一定有序的链取向,因此交联剂的引入提高了PMMA链取向的热稳定性。MOF模板法、交联剂引入对PMMA聚合物链取向、链取向热稳定性的提高为制备稳定光学各向异性的聚合物材料提供一种有效方案与实验指导。
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