一种量子点掺杂光纤材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及光纤的技术领域，具体涉及一种量子点掺杂光纤材料及其制备方法。


背景技术：

2.塑料光纤是用高透明的非结晶型各向同性聚合物，如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯作为芯层材料，氟树脂等作为包层材料的一类光导纤维。塑料光纤与石英光纤一样，在光电领域有相同的优势，塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏(振动和弯曲)。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点，使得塑料光纤能在汽车中成功应用。
3.量子点是一种准零维半导体纳米晶体，它的半径小于或接近于激子玻尔半径。由于其极小的尺寸导致的量子强限域效应，使量子点展现出许多独特的电学、光学和磁学特性，从而引起了人们极大的关注，量子点可作为良好的光增益和放大介质。
4.中国专利公开号为cn101544046b的专利公开了一种生产具有发光效果的侧光塑料光纤的方法。该方法是将至少两种不同材料共聚而成的具有邵氏硬度≤90a的半透明的包层和邵氏硬度≤90a、折射率大于包层折射率透光率≥93％的柔性芯层分别熔融挤入共挤模具的包层区和芯层区，形成同心圆截面的条状挤出物，冷却后即制成具有通体发光效果的侧光塑料光纤，但是该发明的塑料光纤的光纤传输损耗大。


技术实现要素：

5.本发明提供一种量子点掺杂光纤材料及其制备方法，是由胶体量子点掺杂聚合物制得纤芯预制件，经过包覆、退火，拉伸制成，所述的胶体量子点由硒化铅和石墨烯组成，所述的聚合物是苯乙烯液体单体引发的。
6.所述一种量子点掺杂光纤材料及其制备方法，包括以下步骤：
7.(1)将硒化铅和石墨烯加入到乙醇胺中，在超声波清洗机中超声，得到混合溶液；
8.(2)将混合溶液转入到反应釜，在烘箱中水热反应，冷却后，用乙醇洗涤5次，真空烘干后得到硒化铅@石墨烯量子点；
9.(3)先将苯乙烯提纯除去阻聚剂的颗粒，称取硒化铅@石墨烯量子点加入到盛有苯乙烯液体的聚合釜中，再加入引发剂偶氮二异丁腈、助剂甲基丙烯酸甲酯，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好聚合反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到一定温度后，恒温控制，此时芯料发生预聚合，将硒化铅@石墨烯嵌入聚合物网络中，得到纤芯预制件；
10.(4)纤芯预制件和聚甲基丙烯酸甲酯管都用去离子水仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚甲基丙烯酸甲酯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到一定温度，退火，拉伸成光纤。
11.优选的，所述步骤(1)中硒化铅的质量是0.37
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0.40g，石墨烯的质量是10
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12mg，超声波清洗机的功率为60
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80hz，超声时间是1
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1.5h。
12.优选的，所述步骤(2)中烘箱温度是180
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200℃，水热反应时间是10
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12h。
13.优选的，所述步骤(3)中硒化铅@石墨烯量子点的质量是30
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35ug，苯乙烯液体的质量是10
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15mg，引发剂偶氮二异丁腈的质量是0.01
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0.03mg，助剂甲基丙烯酸甲酯的质量是0.4
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0.6mg，升温到一定温度为70
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75℃。
14.优选的，所述步骤(4)中是加热到一定温度为155
‑
175℃。
15.本发明的反应机理和有益效果是：
16.(1)一种量子点掺杂光纤材料及其制备方法，胶体量子点由硒化铅和石墨烯组成，将胶体量子点硒化铅@石墨烯嵌入聚合物网络中，得到纤芯预制件，经过包覆、退火、拉伸制成胶体量子点硒化铅@石墨烯掺杂的塑料光纤。
17.(2)一种量子点掺杂光纤材料及其制备方法，石墨烯的高导热能力及石墨烯层致密的包覆作用，提高了塑料光纤的耐热能力，石墨烯的折射率大，发光稳定性强，硒化铅具有较宽的带隙能、较大的激子玻尔半径，具有较高的荧光量子产率，胶体量子点硒化铅@石墨烯掺杂的塑料光纤有较低的衰减值，在光纤传输过程中的光损耗小。
具体实施方式
18.下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。以下实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所有原料均为通用材料。
19.实施例1
20.一种量子点掺杂光纤材料的制备方法，具体制备过程如下：
21.(1)将0.37g硒化铅和10mg石墨烯加入到乙醇胺中，在超声波清洗机中以60hz的功率超声1h，得到混合溶液；
22.(2)将混合溶液转入到反应釜，在180℃烘箱中水热反应10h，冷却后，用乙醇洗涤5次，真空烘干后得到硒化铅@石墨烯量子点；
23.(3)先将苯乙烯提纯除去阻聚剂的颗粒，称取30ug硒化铅@石墨烯量子点加入到盛有10mg苯乙烯液体的聚合釜中，再加入0.01mg引发剂偶氮二异丁腈、0.4mg助剂甲基丙烯酸甲酯，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好聚合反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到70℃，恒温控制，此时芯料发生预聚合，将硒化铅@石墨烯嵌入聚合物网络中，得到纤芯预制件；
24.(4)纤芯预制件和聚甲基丙烯酸甲酯管都用去离子水仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚甲基丙烯酸甲酯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到155℃，退火，拉伸成光纤。
25.实施例2
26.一种量子点掺杂光纤材料的制备方法，具体制备过程如下：
27.(1)将0.38g硒化铅和10.5mg石墨烯加入到乙醇胺中，在超声波清洗机中以65hz的功率超声1.1h，得到混合溶液；
28.(2)将混合溶液转入到反应釜，在185℃烘箱中水热反应10.5h，冷却后，用乙醇洗涤5次，真空烘干后得到硒化铅@石墨烯量子点；
29.(3)先将苯乙烯提纯除去阻聚剂的颗粒，称取31ug硒化铅@石墨烯量子点加入到盛
有11mg苯乙烯液体的聚合釜中，再加入0.015mg引发剂偶氮二异丁腈、0.45mg助剂甲基丙烯酸甲酯，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好聚合反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到71℃，恒温控制，此时芯料发生预聚合，将硒化铅@石墨烯嵌入聚合物网络中，得到纤芯预制件；
30.(4)纤芯预制件和聚甲基丙烯酸甲酯管都用去离子水仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚甲基丙烯酸甲酯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到160℃，退火，拉伸成光纤。
31.实施例3
32.一种量子点掺杂光纤材料的制备方法，具体制备过程如下：
33.(1)将0.39g硒化铅和11mg石墨烯加入到乙醇胺中，在超声波清洗机中以70hz的功率超声1.2h，得到混合溶液；
34.(2)将混合溶液转入到反应釜，在190℃烘箱中水热反应11h，冷却后，用乙醇洗涤5次，真空烘干后得到硒化铅@石墨烯量子点；
35.(3)先将苯乙烯提纯除去阻聚剂的颗粒，称取32ug硒化铅@石墨烯量子点加入到盛有12mg苯乙烯液体的聚合釜中，再加入0.02mg引发剂偶氮二异丁腈、0.5mg助剂甲基丙烯酸甲酯，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好聚合反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到72℃，恒温控制，此时芯料发生预聚合，将硒化铅@石墨烯嵌入聚合物网络中，得到纤芯预制件；
36.(4)纤芯预制件和聚甲基丙烯酸甲酯管都用去离子水仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚甲基丙烯酸甲酯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到165℃，退火，拉伸成光纤。
37.实施例4
38.一种量子点掺杂光纤材料的制备方法，具体制备过程如下：
39.(1)将0.40g硒化铅和12mg石墨烯加入到乙醇胺中，在超声波清洗机中以80hz的功率超声1.5h，得到混合溶液；
40.(2)将混合溶液转入到反应釜，在200℃烘箱中水热反应12h，冷却后，用乙醇洗涤5次，真空烘干后得到硒化铅@石墨烯量子点；
41.(3)先将苯乙烯提纯除去阻聚剂的颗粒，称取35ug硒化铅@石墨烯量子点加入到盛有15mg苯乙烯液体的聚合釜中，再加入0.03mg引发剂偶氮二异丁腈、0.6mg助剂甲基丙烯酸甲酯，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好聚合反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到75℃，恒温控制，此时芯料发生预聚合，将硒化铅@石墨烯嵌入聚合物网络中，得到纤芯预制件；
42.(4)纤芯预制件和聚甲基丙烯酸甲酯管都用去离子水仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚甲基丙烯酸甲酯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到175℃，退火，拉伸成光纤。
43.对比例1
44.一种量子点掺杂光纤材料的制备方法，具体制备过程如下：
45.(1)先将苯乙烯提纯除去阻聚剂的颗粒，称取30ug石墨烯量子点加入到盛有10mg苯乙烯液体的聚合釜中，再加入0.01mg引发剂偶氮二异丁腈、0.4mg助剂甲基丙烯酸甲酯，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好聚合反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到70℃后，恒温控制，此时芯料发生预聚合，将石墨烯嵌入聚合物网络中，得到纤芯预制件；
46.(2)纤芯预制件和聚甲基丙烯酸甲酯管都用去离子水仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚甲基丙烯酸甲酯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到155℃，退火，拉伸成光纤。
47.对比例2
48.一种量子点掺杂光纤材料的制备方法，具体制备过程如下：
49.(1)先将苯乙烯提纯除去阻聚剂的颗粒，称取30ug硒化铅量子点加入到盛有10mg苯乙烯液体的聚合釜中，再加入0.01mg引发剂偶氮二异丁腈、0.4mg助剂甲基丙烯酸甲酯，先用氮气吹扫样品中的氧气，然后密封好聚合反应釜，真空搅拌的同时缓慢升温，升温到70℃，恒温控制，此时芯料发生预聚合，将硒化铅嵌入聚合物网络中，得到纤芯预制件；
50.(2)纤芯预制件和聚甲基丙烯酸甲酯管都用去离子水仔细清洗，去除在拉丝过程中可能截留在纤芯、包层界面的任何灰尘或杂质，然后在真空烘箱中退火至少24h，消除材料中的残余应力，最后，将纤芯预制件包覆在聚甲基丙烯酸甲酯管内，并在炉内居中，整个拉制过程中保持真空，加热到155℃，退火，拉伸成光纤。
51.对于实施例与对比例制备的塑料光纤，衡量光纤损耗性能的重要指标是衰减，其测试方法为剪断法，采用波长为650nm的红光光源，检测结果见表1。
52.表1塑料光纤性能检测结果表
[0053][0054][0055]
从表1可以发现，实施例1
‑
4中塑料光纤的衰减值逐渐降低，因为塑料光纤中的石墨烯折射率大，发光稳定性强，硒化铅具有较宽的带隙能、较大的激子玻尔半径，较高的荧光量子产率，胶体量子点硒化铅@石墨烯掺杂的塑料光纤有较低的衰减值，在光纤传输过程中的光损耗小。对比例1的塑料光纤中未添加硒化铅量子点，衰减值上升，对比例2的塑料光
纤中未添加石墨烯量子点，衰减值上升，对比例1和对比例2的塑料光纤衰减值均比实施例1的塑料光纤衰减值大，说明本发明制备的量子点硒化铅@石墨烯掺杂的塑料光纤材料光纤传输损耗低。
[0056]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。