光功能高分子材料

1、光功能高分子材料指在光的作用下能夠產(chǎn)生物理(如光導(dǎo)電、光致變色)或化學(xué)變化(如光交聯(lián)、光分解)的高分子材料，或者在物理或化學(xué)作用下表現(xiàn)出光特性(化學(xué)熒光)的高分子材料。常見的光功能高分子材料主要有：光導(dǎo)電高分子材料、光致變色高分子材料、高分子光致刻蝕劑、高分子熒光和磷光材料、高分子光穩(wěn)定劑、高分子光能轉(zhuǎn)化材料和高分子非線性光學(xué)材料等。光功能高分子材料在電子工業(yè)和太陽能利用等方面具有廣泛應(yīng)用前景。1光功能高分子材料及分類光功能高分子材料是指能夠?qū)膺M行傳輸、吸收、 儲存、 轉(zhuǎn)換的一類高分子材料。表1 光功能高分子材料的分類劑等構(gòu)成。光致抗蝕劑：主要包括正性光致抗蝕劑和負性光致抗蝕劑等。高分子光穩(wěn)

2、定劑：主要包括光屏蔽劑、激發(fā)態(tài)狙滅劑抗氧劑和聚合型光穩(wěn)定劑等。 光致變色高分子材料：主要包括含硫卡巴腙絡(luò)合物的光致變色聚合物、含偶氮苯的光致變色高分子和含螺苯并吡喃結(jié)構(gòu)的光致變色高分子等。光導(dǎo)電高分子材料：由光導(dǎo)電聚合物材料構(gòu)成。2光功能高分子材料的類別和應(yīng)用表2 光功能高分子材料的類別和應(yīng)用3光功能高分子材料的發(fā)展概況1954年,美國柯達公司的Minsk等人開發(fā)出光功能高分子聚乙烯醇肉桂酸酯,并成功應(yīng)用于印刷制版。而現(xiàn)在光功能高分子材料應(yīng)用領(lǐng)域已從電子、印刷、精細化工等領(lǐng)域擴大到塑料、纖維、醫(yī)療、生化和農(nóng)業(yè)等方面,發(fā)展之勢方興未艾。光功能高分子材料能夠?qū)饽苓M行傳輸、吸收、儲存、轉(zhuǎn)

3、換塑料光導(dǎo)纖維是利用高分子的光曲線傳播性而制成的非線性光學(xué)元件。塑料光纖一般以有機玻璃為芯材，以含氟透明樹脂為皮層，用柔軟的有機硅樹脂進行一次包覆，然后用硬質(zhì)高分子材料進行二次包覆。有 機玻璃、含氟透明樹脂、有機硅樹脂都是高分子材料，芯材有高折光率，皮層為低折光率材 料。光纖的直徑范圍為幾十到約1000微米，光纖在光纖芯內(nèi)通過反復(fù)反射而向前傳輸，由于塑料光纖在 目前傳輸損耗仍較高，主要應(yīng)用于飛機、艦船和汽車內(nèi)部的短距離光通信系統(tǒng)。此外，還應(yīng)用于光纖顯示器、圖像的縮小和放大、火焰及高溫監(jiān)視器、光開關(guān)、巨點折 象器、閱讀穿孔卡片、道路標志和裝飾照明等。近來，

4、對有機玻璃采用重氫化技術(shù)，已使塑料光纖的傳輸損耗有所降低，為較長距離應(yīng)用創(chuàng)造了條件。以高性能有機玻璃或聚碳酸酯透明塑料的高分子材料為基材制成的光盤，是80年代新開 發(fā)成功的先進信息、記錄、儲存元件，適應(yīng)了激光技術(shù)的發(fā)展和對大容量、高信息密度記錄儲存材料的需求 既可記錄文字數(shù)據(jù)又可記錄聲音和圖象。光盤是利用激光的單色性、相干性進行記錄再現(xiàn)的。光盤的信息儲存密度大，是磁帶的4000倍、磁盤的250倍、盒式錄像帶的55倍?，F(xiàn)在光導(dǎo)電光導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用越來越廣泛，用光導(dǎo)電材料制作的靜電復(fù)印設(shè)備越來越受到人們的歡迎，人們使用的也越來越多。而現(xiàn)在防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一

5、.為了消除工業(yè)煙塵污染,首先要知道煙塵排放量,因此必須對煙塵源進行監(jiān)測,自動顯示和超標報警.煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的.如果煙道濁度增加,光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加,到達光檢測器的光減少,因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化.把光敏電阻連接到外電路中,在外加電壓的作用下,用光照射就能改變電路中電流的大小.靈敏度高,光譜特性好,光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi),體積小,重量輕,性能穩(wěn)定,價格便宜,因此應(yīng)用比較廣泛.。而現(xiàn)在越來越多的人都在使用自顯影全息記錄照相。它是在透明膠片等支持體上涂一層很薄的光致變色物質(zhì)( 如螺吡喃,俘精

6、酸酐等) ,其對可見光不感光,只對紫外光感光,從而形成有色影像.分辨率高,不會發(fā)生操作誤差,影像可以反正錄制和消除。它使用方便快捷，越來越多的人都喜歡它。另外在國防方面，由于光致變色高分子材料對強光特別敏感,可以制作強光輻射劑.能測量電離輻射,探測紫外線,x射線,射線等的劑量.如將其涂在飛船的外部,能快速精確地計量高輻射的劑量.還可以制成多層濾光器,控制輻射光的強度,防止紫外線對人眼及身體的傷害.如果把高靈敏度的光致變色體系指示屏用于武器上,可記錄飛機,軍艦的行蹤,形成可褪色的暫時痕跡。光致變色高分子材料在國防方面應(yīng)用越來越廣。在防偽技術(shù)方面:防偽技術(shù)有兩種方法,一是通過直接觀察獲得

7、,另一種是通過對防偽標示的檢查而驗證產(chǎn)品的真實性.水印, 全息照片,顯微印刷屬于第一種,而有機光致變色材料用于防偽系統(tǒng),屬于第二種.其顏色角度效應(yīng)無法用高清晰度的掃描儀,彩色復(fù)印機及其它設(shè)備復(fù)制,印刷特征用任何其他油墨和印刷方式都無法效仿。因此光致變色材料在防偽技術(shù)方面也得到了廣泛的應(yīng)用。此外，光致變色高分子材料受不同強度和波長光照射時可反復(fù)循環(huán)變色的特點,可以制成計算機的記憶存儲元件,實現(xiàn)信息的記憶與消除過程,其記錄信息的密度大得難以想象,抗疲勞性能好,能快速寫入和擦除信息，得到廣泛應(yīng)用。它還可用作指甲漆,漆雕藝品,T恤衫,墻壁紙等裝飾品.還可將光致變色化合物加入到一般油墨或涂料中

8、制成絲網(wǎng)印刷油墨或涂料;還可制成包裝膜,建筑物的調(diào)光玻璃窗,汽車及飛機的屏風玻璃等,防護日光照射,保證安全.做成護目鏡,防止陽光,激光,電焊光的傷害。光功能高分子材料能夠?qū)饽苓M行傳輸、吸收、 儲存、 轉(zhuǎn)換,光彈材料利用某些高分子材料的折光率隨機械應(yīng)力而變化的特性，用于研究受力結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部的應(yīng)力分布。4光功能高分子材料的研究進展光功能高分子材料還包括感光性樹脂、光降解材料等。感光性樹脂是在光的作用下能迅速發(fā)生光化學(xué)反應(yīng) ,引起物理和化學(xué)變化的高分子。這類樹脂在吸收光能量后使分子內(nèi)或分子間產(chǎn)生化學(xué)的或結(jié)構(gòu)的變化。吸收光的過程可由具有感光基團的高分子本身來完成

9、0;,也可由加入感光材料中的感光性化合物(光敏劑)吸收光能后引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)來完成。感光性樹脂在印刷布線、 孔板制造、 集成電路和電子器件加工、 精密機械加工及復(fù)印、 照相等方面的應(yīng)用愈來愈廣泛。含有光色基團的化合物受一定波長的光照射時發(fā)生顏色變化 ,而在另一波長的光或熱的作用下又恢復(fù)到原來的顏色 ,這種可逆的變色現(xiàn)象稱為光色互變或光致變色。已經(jīng)知道 ,硫代縮胺基脲衍生物與汞(Hg)能生成有色絡(luò)合物 ,是化學(xué)分析上應(yīng)用的靈敏顯色劑。在聚丙烯酸類高分子側(cè)鏈上引入這種硫代縮胺基脲汞的基團 ,則在光照時由于發(fā)生了

10、氫原子轉(zhuǎn)移的互變異構(gòu) ,發(fā)生變色現(xiàn)象。迄今為止 ,光致變色高分子的應(yīng)用開發(fā)工作尚處在起步階段 ,但其應(yīng)用前景是十分誘人的。光致變色材料在全息記錄介質(zhì)、計算機記憶元件、 信號顯示系統(tǒng)、 感光材料等方面有廣泛的應(yīng)用。例如 ,可作為窗玻璃或窗簾的涂層 ,從而調(diào)節(jié)室內(nèi)光線;可作為護目鏡從而防止陽光、 激光以及電焊閃光等的傷害;在軍事上 ,可作為偽裝隱蔽色或密寫信息材料;還可作為高密度信息存儲的可逆存儲介質(zhì)等。我國已把光致變色材料列入 863 高科技計劃 ,國內(nèi)一些單位已相繼開展這方面

11、的工作并已取得可喜的成果。為了解決高分子廢棄物所造成的公害 ,研究了用時穩(wěn)定 ,不用時在陽光暴曬下能發(fā)生降解的光降解高分子。要實現(xiàn)這種光降解 ,一是直接合成能被光降解的高分子;另一種方法是加入能促進降解的試劑。在聚乙烯、聚丙烯、 聚苯乙烯中加入 0105 %的光降解劑(如乙醛基水楊酸的鐵、錳、 銅鹽) ,約經(jīng)100h ,這些聚合物就發(fā)生降解。又如將塑料浸入5 %410 %的三氯丙酮或六氯丙酮的丙酮溶液中 ,浸30s后 ,再在室外暴曬 23 天&#

12、160;,即失去強度 ,一碰就碎。而光降解材料主要可應(yīng)用于兩個方面 ,一是包裝材料 ,二是農(nóng)業(yè)應(yīng)用薄膜。5展望21世紀人類社會將進入高度信息化的社會，光與半導(dǎo)體相融臺的高技術(shù)將引人注目。高分子材料的光功能特性引起科學(xué)界和工業(yè)界的興趣。高分子材料的功能特性主要有：化學(xué)變換功能(感光樹脂、光學(xué)粘接劑、光硬化劑等)。物理變換功能(塑料光纖、光盤、非球面透鏡、非線性光學(xué)聚合物、超導(dǎo)聚合物等)。醫(yī)學(xué)化學(xué)功能(抗血栓性聚合物、人工畦器等)。分離選擇功能(微多 L膜、逆透過膜等) 由此可見，具有光功能的高分子材料占居多數(shù)，它們的產(chǎn)品在市塌占有的份額很大。像非

13、線性高分子材料這樣的尚未達到實用化的高分子材料更是為數(shù)眾多 該材料的通光功能與光的化學(xué)、物理變化功能是有很大差別的。前者的典型代表是光纖和各種透鏡。對這些材料不毆要求透明性強。如要求光纖材料從可見光到近紅外光范圍內(nèi)的透明性極其嚴格。標準的塑料光纖 (POF)是由PMMA制成的，具cH基，故不能避免紅外吸收。為了提高透明性而研制羝化物光纖。用于制作透鏡的材料必須具南高范圍的折射率和分散特性 這一點，有機高分子材料與無機玻璃類材料相此，前者處于劣勢。塑料材料具有優(yōu)良的成形性，宜用來生產(chǎn)諸如形狀復(fù)雜的非球面透鏡等高性能透鏡。CD用的透鏡，主要是用PMMA材料制作。制作透

14、鏡用的PMMA工業(yè)材料市塌規(guī)?？春?#160;要求它具有優(yōu)良的耐熱性和低的吸水性 其中具有脂環(huán)式結(jié)構(gòu)的塑料市埸將有擴大趨勢。產(chǎn)品的薄型化要求具有高折射率的材料。獲得優(yōu)良的成像性需要采用低雙折射率材料。對光盤基板材料的功能也應(yīng)十分重視，正在積極開發(fā)不產(chǎn)生雙折射的各向同性塑料材料。同時致力于開發(fā)具有優(yōu)良光學(xué)特性和折射率分布特性的塑料。塑料光纖與石英光纖相比它的傳輸距離和帶寬特性很差。由于POF是用高折射率的PMMA作芯t用低折射率的氟塑料作包層，這種兩層結(jié)構(gòu)會引起模分散 它的最大傳輸速度為lOMbit秒，與石英光纖的10Ghit秒傳輸速度相比，實在是太小了。上述第種功能是基于光

15、照射后的高分子材料的重合硬化。開展利用紫外線下瞬時重臺的涂料、粘接劑等研究不容忽視。要求光學(xué)粘接劑能把尺寸為數(shù) m的石英光紓精密固定。要求它具有低收縮性和折射率特性。DRAM將向大容量化發(fā)展，由4Mbit發(fā)展到64Mbit、256Mbit2l世紀初將達到 1Gbit，需要重視光源和短渡長的光，為此要大力開發(fā)高性能感光聚合物。而現(xiàn)有包裝材料大約80%是聚烯烴，農(nóng)膜也主要是聚乙烯，用以作地膜和設(shè)施農(nóng)業(yè)用膜溫室大棚、小棚等。用以提高土壤溫度抑制雜草生長，但使用后很難從地里清除，特別是地膜、太薄，無法回收。如果用光降解材料作農(nóng)膜和包裝材料，廢棄后即可被光分解成碎片，當聚合物分子量降

16、到500以下時，就容易受微生物破壞，繼而進入自然界的生物循環(huán)。西方發(fā)達國家光降解塑料技術(shù)比較成熟，已廣泛應(yīng)用，我國從80年代開始進行研究。目前所謂的降解材料大都不過關(guān)，達不到要求，只是部分降解，從保護環(huán)境角度出發(fā)，光降解材料的研究和應(yīng)用有重大現(xiàn)實意義和廣闊前景。光功能高分子材料在整個社會材料對光的透射，可以制成品種繁多的線性光學(xué)材料，像普通的安全玻璃、各種透鏡、棱鏡等。利用高分子材料的光化學(xué)反應(yīng)，可以開發(fā)出在電子工業(yè)和印刷工業(yè)上得到廣泛使用的感光樹脂、光固化涂料及粘合劑;利用高分子材料的能量轉(zhuǎn)換特性，可制成光導(dǎo)電材料和光致變色材料。光功能高分子材料在環(huán)保等領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景。因此，我們應(yīng)該大力發(fā)展和開發(fā)光功能高分子材料的研究和應(yīng)用?，F(xiàn)在，光功能高分子材料的制