具体实施方式
可溶性聚合物a)优选是可溶于有机溶剂中的聚丙烯酸酯、聚甲基丙
烯酸酯、聚环氧化物、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯或聚乙烯醇缩丁醛。作
为有机溶剂优选考虑醇如乙醇、异丙醇或丁醇，酮如丙酮，酯如乙酸乙
酯，醚如四氢呋喃，及脂族、芳族和卤化烃如己烷、苯、甲苯和氯仿。
合适的硅烷b)是具有1、2、3或4个，优选2或3个可水解基团的
那些，及其混合物。可水解基团例如有氢，或卤素如F、Cl、Br或I；烷
氧基，优选C1-6烷氧基，如甲氧基、乙氧基、正丙氧基、异丙氧基和丁氧
基；芳氧基，优选C6-10芳氧基，如苯氧基；酰氧基，如乙酰氧基或丙酰
氧基；烷基羰基，优选C2-7烷基羰基，如乙酰基；氨基，优选在烷基中有
1至12个，特别地1至6个碳原子的单烷基氨基或二烷基氨基。
特别优选的硅烷例如有甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、丙烯酰
氧基丙基三甲氧基硅烷、二甲基二甲氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、
3-缩水甘油氧基-丙基三甲氧基硅烷、缩水甘油氧基-丙基三乙氧基硅烷、
乙烯基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷。
硅烷的部分缩合可以用亚化学量，如0.3至0.9倍的化学量的水解
剂，如水，含水HCl，含水HNO3或含水氨来实施。水解剂的量在此情况
中计量为使得达到33至100％的无机缩合度。33％的无机缩合度意指例如
硅烷的平均三分之一的可水解基团被缩合形成-Si-O-Si桥。对于100％的
缩合度而言，所涉及的硅烷分子的所有可水解基团都被缩合。
有机转化度指明在硅烷侧链中存在的C＝C双键或环氧基的聚加成反
应的程度。95％的有机转化度意指例如所有C＝C双键或环氧基中的95％已
反应。在C＝C双键的情况下，如在丙烯酸酯残余物中，有机转化度可以
通过IR光谱中C＝C振动谱带的减弱而测得。聚加成反应可以通过常规方
法，如在环氧基的情况下的酸或碱水解，或在C＝C双键的情况下的UV照
射而引发。
丙烯酸酯c)优选为甲基丙烯酸甲酯，或二丙烯酸二醇酯，或二甲基
丙烯酸二醇酯，如二甲基丙烯酸己二醇酯，二丙烯酸己二醇酯，二丙烯
酸十二烷二醇酯，或二甲基丙烯酸十二烷二醇酯。
经表面改性的纳米粒子d)优选包括氧化物ZnO、CdO、SiO2、TiO2、
ZrO2、CeO2、SnO2、Al2O3、In2O3、La2O3、Fe2O3、Ta2O5、Cu2O、V2O5、MoO3和
WO3，以及卤化物AgCl、AgBr、AgI、CuI、CuBr、CdI2和PbI2。表面基团
可以是可用于自由基、阳离子或阴离子型热或光化学加成聚合或热或光
化学缩聚的有机的可加成聚合和/或可缩聚的基团。按本发明优选具有
(甲基)丙烯酰基、烯丙基、乙烯基或环氧基的表面基团，其中特别优
选(甲基)丙烯酰基和环氧基。特别可提及的可缩聚的基团是羟基、羧
基和氨基，借助于它们，可能在纳米级粒子之间和其与硅烷之间得到醚、
酯和酰胺键。
在纳米级粒子表面上存在的包括可加成聚合和/或可缩聚的基团的
有机基团优选具有低于300，特别地低于200的分子量。
为制备表面改性的纳米粒子，可以考虑所有常用的制备方法，如
DE-A-197 19 948中所描述的。纳米粒子优选具有不大于100nm，特别地
不大于50nm的直径。关于下限并无特别限制，虽然就实际而言下限通常
是0.5nm，特别地1nm且经常是4nm。
作为增塑剂e)原则上可以考虑所有按照DIN55945(1988年12月)
为具有弹性化或塑化性能的化合物，且主要是酯类特征的那些。优选选
自如下的增塑剂：无环的脂族二元羧酸的酯，例如己二酸的酯，如己二
酸二正辛酯，己二酸双(2-乙基己基)酯，己二酸二异癸酯，癸二酸二
丁酯，癸二酸二辛酯和癸二酸双(2-乙基己基)酯；C6-C12二元羧酸与聚
烷撑二醇的酯，如双(正庚酸)三甘醇酯，双(2-乙基己酸)三甘醇酯，
双(异壬酸)三甘醇酯；C6-C12羧酸与聚烷撑二醇的酯，如双(2-乙基丁
酸)三甘醇酯；(甲基)丙烯酸与聚烷撑二醇的二酯，如二丙烯酸或二甲
基丙烯酸聚丙二醇酯，二丙烯酸或二甲基丙烯酸聚乙二醇酯，例如二(甲
基)丙烯酸四甘醇酯。
纳米复合材料按目的含有加成聚合、聚加成和/或缩聚催化剂f)，其
可热和/或光化学引发交联和固化(统称为“交联引发剂”)。
作为光引发剂可以使用例如在市场上可得到的引发剂。其例子有
Irgacure184(1-羟基环己基苯基酮)，Irgacure500(1-羟基环己基苯
基酮，二苯甲酮)和Irgacure型的其它光引发剂；Darocur1173、1116、
1398、1174和1020，2-氯噻吨酮，2-甲基噻吨酮，2-异丙基噻吨酮，苯
偶姻，4，4’-二甲氧基-苯偶姻，苯偶姻乙基醚，苯偶姻异丙基醚，苄
基二甲醛缩苯乙酮，1，1，1-三氯苯乙酮，二乙氧基苯乙酮和二苯并环庚
酮。
作为热引发剂优选考虑二酰基过氧化物，过氧化二碳酸酯，烷基过
酸酯，二烷基过氧化物，过缩酮，酮过氧化物和烷基氢过氧化物形式的
有机过氧化物。这种热引发剂的例子有过氧化二苯甲酰，过苯甲酸叔丁
酯，和偶氮二异丁腈。阳离子型热引发剂的例子有1-甲基咪唑。
流变添加剂的例子有经聚醚改性的二甲基聚硅氧烷，如Byk306。敏
化剂的例子有经胺改性的低聚醚丙烯酸酯，如Crodamere。
本发明还提供一种上述纳米复合材料的制备方法，其特征为，将硅
烷b)通过添加水解剂而部分或完全地缩合并非必要地通过UV照射而聚
合，并与成份a)，c)至f)中的一种或多种混合，或将硅烷b)首先与
成份a)，c)至f)中的一种或多种混合，然后缩合并非必要地聚合，并
随后非必要地除去有机溶剂。用水解剂的缩合优选在5至40℃的温度下
实施。
改变折射率所需的纳米粒子可以按不同方式引入体系中：一方面，
商业上可取得的纳米粒子作为在溶剂(与聚合物的溶剂相容)中的悬浮
液形式使用。纳米粒子表面首先通过与含有可聚合基团的化合物，如与
不饱和羧酸，特别是甲基丙烯酸，丙烯酸，丙烯酰基硅烷和/或不饱和β
-二酮的反应而加以改性。然后将悬浮液与硅烷聚合物溶液混合。另一方
面，纳米粒子也可以原位通过相应的前体(优选醇化物)在基体的部分
缩合和预缩合的有机硅烷成份中或在预缩合的有机硅烷与被溶解的聚合
物的混合物中的水解和缩合来制备。
本发明进一步提供上述纳米复合材料用于制备具有折射率梯度的平
面材料，特别地薄膜的用途。
为了制备具有折射率梯度的材料，将按本发明的可光聚合的纳米复
合材料涂覆到合适的衬底，如玻璃，陶瓷，硅，金属，半导体材料，或
(优选透明的)塑料薄膜，特别是PET、PE、PP上。可光聚合的纳米复
合材料的涂覆可以按照常规方法来实施，如通过浸渍涂覆，流涂，刮涂，
浇铸，旋转涂覆，喷射，刮胶，窄口涂覆，弯液面涂覆，薄膜浇铸，纺
丝或喷雾。在每一种情况下所需的粘度可以通过所用溶剂的添加或去除
来调节。优选的层厚度(在固化态)是0.2至100μm。
本发明进一步提供一种具有折射率梯度的薄膜，其基本上由一个或
二个涂有按本发明的纳米复合材料的透明塑料薄膜所组成，其中折射率
梯度通过施加电势差，电子照射，全息照像术，石印术，或通过局部照
明而形成。
本发明进一步提供一种制备具有折射率梯度的薄膜的方法，其特征
为，将按本发明的纳米复合材料涂覆到透明塑料薄膜上，非必要地将存
在的有机溶剂蒸发掉，按目的地蒸发至残余含量为0至15wt％，特别地2
至12wt％，基于具有折射率梯度的薄膜的总重计，并非必要地将透明覆盖
薄膜层合到纳米复合材料层上以起保护作用。以此形式，薄膜材料可被
卷起并避光且在受调控的环境中(15-30℃)临时存放。通过施加电势差，
电子照射，全息照像术，石印术，或通过局部照明，而在纳米复合材料
层中形成折射率梯度并通过纳米复合材料的完全的热和/或光引发的交
联而将其固定。优选用UV光照射。
通过相对强烈的局部照明，纳米粒子与凝胶化基体中的部分缩合的
硅烷成份之间和/或彼此之间交联，使得具有C＝C的纳米粒子在其表面上
形成相对于未照明的邻近区的化学电势梯度。其它纳米粒子由此邻近区
扩散入被照明的区域。此过程可能在照明之前和之后进行，且通常视照
明条件和温度而持续数秒至数分钟。由纳米粒子和基体间的折射率差，
而以此方式形成局部折射率梯度。此过程后通过光聚合和/或热引发的聚
合而进行基体的完全交联(在本文中所用的表达“聚合”不仅应包括其
本义的加成聚合，还包括聚加成和缩聚)。在此，除去可能存在的残余溶
剂。
令人惊讶的是，在按本发明的基体中发生粒子迁移，尽管该基体是
固态或凝胶态。
按本发明的折射率梯度材料可用于例如制备用于显示器的被动光导
元件和照明元件，用于安全全息照像，照片全息照像，用于信息存储的
数字全息照像，用于带有加工光的波阵面的元件的系统，用于作为平面
波导体的应用，用于影响光的偏振的应用，用于作为射束分裂器和作为
镜片的应用。
在以下实施例中，“视角”作为用于达到的折射率调制的量度而测量。
在此，在粒子迁移和基体完全固化后，用发光计，在1°逐渐变至60°
(α)时(60°相对于中心轴)测量涂覆在衬底上的纳米复合材料的发
光。“视角”对应于涂覆强度I[％]对角度α(-30至+30°)作图的半峰
宽(I/2)。“视角”越高，材料的散射力越强。力求超过10°的值。
实施例1：用于全息照像的光纳米复合材料的制备
a)Zr(OPr)4/MAS(1∶1)的制备：
将65.4克(0.20摩尔)的Zr(OPr)4置于250毫升三颈烧瓶中，并
在冰浴中冷却。搅拌下向其中缓慢(15分钟)滴加17.2克(0.20摩尔)
甲基丙烯酸(MAS)。在完全添加后，在10分钟后从冰浴中取出反应混合
物并随后在25℃下搅拌。
b)硅烷-PVB混合物的制备
将24克(0.20摩尔)二甲基二甲氧基硅烷(DMDS)添加至49.6克
(0.20摩尔)甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTS)中，并在25℃
下搅拌5分钟。在添加9.05克的0.1N的HCl后，在25℃下继续搅拌10
分钟，直到反应混合物变为澄清。随后向其中添加49.92聚乙烯醇缩丁
醛(30wt％的2-PrOH溶液)并在25℃下搅拌5分钟。
c)基体的制备
在搅拌下将22.27克在a)中制备的Zr(OPr)4/MAS纳米粒子缓慢地
添加至混合物b)中。在完全添加后，在25℃下搅拌4小时且滴加1.08
克(0.06摩尔)水。在25℃下搅拌过夜后，添加6.2克二甲基丙烯酸十
二烷二醇酯(DDDMA)和1.6克光引发剂Irgacure 184。
实施例2至4：
如实施例1中所述制备1∶1比例的Zr(OPr)4/MAS。
将MPTS置于第二个容器中，并向其中加入按表1所示的所需量的
DMDES，PVB溶液(30wt％乙醇溶液)和TEG二(2-乙基己酸酯)并在25
℃下搅拌15分钟。然后添加0.1N HCl并在室温下搅拌约10分钟，直至
原来混浊的反应混合物变澄清。随后在搅拌下借助于滴液漏斗缓慢添加
Zr(OPr)4/MAS。在完全添加后，在室温下搅拌4小时。随后滴加所需量的
水并在室温下搅拌过夜。然后添加Crodamer UVA 421。在另外的15分
钟后，添加Irgacure 819。随后将此批料用异丙醇稀释并添加Byk 306。
搅拌直至完全混均。
表1
实施例2
实施例3
实施例4
MPTS
18.6克
0.075摩尔
24.8克
0.1摩尔
31.0克
0.125摩尔
PVB溶液
133.6克
133.6克
133.6克
TEG二(2-乙基己酸酯)
105.1克
110.6克
116.1克
DMDES
11.1克
0.075摩尔
14.8克
0.1摩尔
18.5克
0.125摩尔
0.1N HCl
3.375克
0.1875摩尔
4.50克
0.25摩尔
5.6克
0.3125摩尔
Zr(OnPr)4/(MAS)
41.6克
41.6克
41.6克
H2O
1.9克
0.11摩尔
1.9克
0.11摩尔
1.9克
0.11摩尔
Crodamer UVA421
6.41克
6.75克
7.08克
Irgacure 819
6.41克
6.75克
7.08克
Byk 306
6.15克
6.5克
6.8克
异丙醇
82.0克
86.3克
90.6克
视角
12°
12°
13°
TEG＝三甘醇
DMDES＝二甲基二乙氧基硅烷
实施例5至14：
如实施例1中所述制备Zr(OPr)4/MAS：
将MPTS置于第二个容器中，向其中加入所要量的DMDES，PVB溶液
(30wt％乙醇溶液)和异丙醇并在25℃下搅拌15分钟。然后，向其中加
入0.1N HCl并在室温下搅拌约10分钟，直至原来混浊的反应混合物变
澄清。随后借助于滴液漏斗在搅拌下缓慢地添加所需量的Zr(OPr)4/MAS。
在完全添加后，在室温下搅拌4小时。然后滴加所需量的水并在室温下
搅拌过夜。再添加Irgacure 819和Byk 306。搅拌直至完全混均(底漆)。
随后添加按表2的增塑剂和敏化剂。
底漆
MPTS
139克
0.56摩尔
PVB溶液
601.2克
异丙醇
365.7克
DMDES
82.9克
0.56摩尔
0.1N HCl
25.2克
1.41摩尔
Zr(OnPr)4/(MAS)
187.2克
H2O
8.46克
0.47摩尔
Irgacure 819
15.8克
Byk 306
23.7克
PVB：Mowital 30HH和60HH(1∶1)
表2：增塑剂和敏化剂的变化(每10克批料的变化)：
实施例
Crodamer
UVA 421
聚烷撑二醇丙烯
酸酯
TEG二
(2-乙基己酸酯)
视角
5
0.7776克
-
3.1104克
16°
6
1.1664克
-
3.1104克
16°
7
1.5552克
-
1.5552克
12°
8
0.7776克
2.3328克
PPGDMA(570)
-
12°
9
0.7776克
1.5552克
PEGDMA(330)
-
13°
10
0.7776克
1.5552克
PEGDMA(330)
0.7776克
13°
11
0.7776克
2.3328克
PPGDA(540)
-
10°
12
0.7776克
1.5552克
PEGDA(258)
0.7776克
13°
13
-
1.5552克
PEGDMA(330)
1.5552克
14°
14
-
0.7776克
PEGDMA(330)
2.3328克
16°
PPGDMA(570)：聚丙二醇二甲基丙烯酸酯(平均分子量：570克/摩尔)
PEGDMA(330)：聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(平均分子量：330克/摩尔)
PPGDA(540)：聚丙二醇二丙烯酸酯(平均分子量：540克/摩尔)
PEGDA(258)：聚乙二醇二丙烯酸酯(平均分子量：258克/摩尔)
实施例15：用于石印术的光纳米复合材料的制备
将592.2克(1.81摩尔)Zr(OPr)4置于2升三颈烧瓶中并在冰浴中
冷却至10℃。在搅拌下向其中缓慢滴加155.7克(1.81摩尔)MAS。在
完全添加后，将反应混合物在10分钟后从冰浴中取出并随后在25℃下搅
拌。
将2312.1克PVB(30wt％2-丙醇溶液)置于10升反应器中。然后缓
慢地向其中首先加入2241.9克(9.04摩尔)MPTS，再加入1338克(9.04
摩尔)二甲基二乙氧基硅烷(DMDES)并在25℃下均化45分钟。随后添
加407克0.1N的HCl。反应器中的温度借助恒温器保持恒定在40℃。在
反应混合物澄清之后，在40℃下在强搅拌下滴加748克以上所制备的
Zr(OPr)4/MAS。在完全滴加后，将反应混合物在25℃下搅拌4小时。再
加入48.78克(2.71摩尔)的水并在25℃下继续搅拌16小时。随后添
加260克二甲基丙烯酸己二醇酯(HDDMA)并在25℃下搅拌30分钟，最
后添加99克Crodamer UVA421。在25℃下继续搅拌30分钟后，添加99.5
克Irgacure 819。
全息实验
借助二波混合，以透射和反射全息照像两者的形式形成经相位调制
的立体全息照像。在此使用氩离子激光作为相干光源。激光束(20mW/cm2)
聚焦在约0.5mm直径上并通过射束分裂器分成相同强度的两道分光束。
这两道光束的干涉导致光强度在空间上周期改变。实施例1的材料用作
全息材料。为制备层，将光纳米复合材料层合到玻璃衬底(10cm×10cm
×0.25cm)上，用聚酯薄膜覆盖并用这些强度调制来照明。形成一种光
栅结构，其与强度调制具有相同的周期性。通过挡住实验中所用的书写
光束之一而冻结折射率曲线，以使用保留的光束供随后聚合用。以此方
式，形成具有90％衍射效率(波长＝633nm)的立体全息照像。
石印实验
在实施例15中所制备的纳米复合材料通过窄口涂覆法层合到聚酯
(优选PET)上并在炉中在65℃下固化5分钟。为了保护此涂层，层合
上一个可剥离薄膜。以此方式制备的薄膜是200m长且36cm宽，其干薄
膜厚度是20至80μm，优选40至60μm。
为了制备扩散物，将保护性薄膜除去并将光敏侧涂到一个石印掩模
上。在一种连续过程(频带速度：315mm/min)中，光纳米复合材料层通
过具有0.8至1.8，优选1.0至1.3的光密度的掩模，用UV光(高压汞
灯，功率：1200W)来照明。折射率梯度通过在100℃下的炉中热处理5
分钟而固定。