光功能高分子的性能特点及应用

光功能高分子的性能特点及应用王义高分子07020120701050208•所谓光功能高分子材料，是指能够对光进行透射、吸收、储存、转换的一类高分子材料。目前，这一类材料已有很多，主要包括光导材料、光记录材料、光加工材料、光学用塑料(如塑料透镜、接触眼镜等)、光转换系统材料、光显示用材料、光导电用材料、光合作用材料等一.感光性树脂•定义：感光树脂是指在光作用下能迅速发生光化学反应，引起物理和化学变化的高分子•这类树脂在吸收光能量后，分子内或分子间发生化学或结构的变化，吸光过程可由具有感光基团的高分子本身来完成，也可由加入感光材料中的感光性化合物（光敏剂）吸收光能后引发化学以应来完成。•历史：感光性树脂的研究和应用已有很长的历史，最早应用于印刷制版，现主要用于电子工业中，作光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的应用促使电子工业向高集成、微型化和高的可靠性方向发展。光致抗蚀剂光致抗蚀剂的分类及作用(1)作用：光致抗蚀剂又称光刻胶，是将感光性树脂溶于适当溶剂中，并加入增感剂而成当其受到光照后，即发生交联或分解反应，引起溶解度的变化。光刻：在半导体电子器件或集成电路的制造中，需要在硅晶体或金属等表面进行选择性的腐蚀，为此，必须把不应腐蚀的部分保护起来，将光刻胶均匀涂布在被加工物体且面，通过对所需加工后的图形进行曝光，由于受光与未受光照部分发生溶解度的差别，光后用适当溶剂显影，就可得到由光刻胶组成的图形，再用适当腐蚀液除去被加工表面的暴露部分，就形成了所需要的形状，这种刻蚀工艺叫光刻。（2）分类•按光化学反应分，可分为光交联型和光分解型。•按聚合物的形态或组成又可分为：感光性化合物与聚合物的混合型及具有感光基团的聚合物型。•按成像作用不同，还可分为负性光致抗蚀剂和正性光致抗蚀剂。1．负性光致抗蚀剂：在紫外光作用下，光刻胶中光照部分产生交联反应，溶解度变小，用适当溶剂即可把未曝光的部分显影后除去在被加工表面表成与曝光掩膜相反的负图像，因此称为负性光致抗蚀剂。2．正性光致抗蚀剂：在紫外光作用下，光刻胶的光照部分发生分解，溶解度增大，用适当溶剂可以把光照部分显影后除去，即形成与掩膜一致的图像，因此称为正性光刻胶。二.光致变色高分子(1)光致变色机理•光致变色：含有光色基团的化合物受一定波长工光照射时发生颜色变化，而在另一些光和热作用下又回复到原来的颜色，这种可逆现象叫光色互变，或光致变色。•理想的光色过程由如下两步组成：1．激活反应：即显色反应，系指化合物经一定波长的光照射后显色和变色的过程。2．消色反应：有两种途径，（1）热消色反应，系指化合物通过加热恢复到原来的颜色；（2）光消色反应：系指化合物通过另一波长的光照射后恢复到原来的颜色。•光致变色聚合物：光致变色材料有无机和有机化合物，将光色基团导入聚合物侧链中就制得了光致变色聚合物。(2)光致变色材料的应用•光致变色材料作为光敏性材料用于信息记录介质等方面具有以下优点：操作简单，不用湿法显影和定影，分辨力非常高，成像后可消像、能多次重复使用，响应速度快，缺点，灵敏度低，像的保留时间应用可归纳为以下几个方面：•①光的调控和调变：用这种材料制成光色玻璃可以自动控制建筑物和汽车内光线，做成护眼镜，以防止原子弹爆炸产生的射线和强光对人眼的损害，还可做成照相机自动滤光的滤光片，军用机械的伪装。•②全息记录介质。•③计算机记忆元件：光色材料的显色和消色的循环变化可用来建立计算机随机记录元件，能记录相当大量信息。•④信号显示系统：光色材料用作宇航指挥控制的动态显示屏，计算机末端输出的大屏幕显示，有广阔的前景，同时也是军事指挥中心的一项重要设备。•⑤辐射计量仪：光色材料用作强光的幅射计量仪，可以测量电离辐射紫外线、X射线和γ射线等；•⑥感光材料：光色材料感光度较低，而且有些化合物只对紫外线敏感，但已用于印刷方面，如制版。•⑦利用光色反应来模拟生物过程，生物反应是一种很好的途径。•⑧防伪材料、防伪油墨、防伪印刷、防伪标签。三.光降解高分子材料•随着高分子材料工业的迅速发展，其应用范围日益扩大，加上人们生活水平的日益提高，其用量不断增多，因而废弃的高分子材料制品也越来越多，已经造成严重白色污染，我们可以随处看到塑料袋、塑料盒、泡沫塑料、由于高分子材料（合成）有优良的耐化学腐蚀性、耐水性、耐候性，非常难以在自然条件下分解，一般讲，大约需要100年以上，这给人们生活带来危害，也给城市的管理者出了难题，研究回收利用高分子材料的工作早已开展，如回收造粒后再利用、燃烧处理，但有些材料如塑料袋很薄不易回收，因此开发利用阳光降解高分子材料的工作日益受到人们的重视，当然这是一件十分困难的工作，其技术的实用化需要花费相当长的时间，现在我们可以不断在报刊上看到有关技术转让，但远没有到实用化的程度。3、1光降解的反应机理•高分子链的光降解机理可以分为光无规降解、光解聚和光氧化降解1．光无规降解：无规降解是高分子链无规则地断裂而生成自由基的降解，生成的自由基接着进行各种复杂的反应，在分子量增减的反应中，交联反应和降解反应成为竞争反应，降解反应超过交联反应而使分子量逐渐下降的反应，叫无规降解。2．光解聚解聚是通常聚合反应的逆反应，发生这种反应时，一旦在高分子链中产生自由基就从该位置上一个单体接着一个单体地逐渐分解下去。聚合物的光降解很少按这种机理进行。3．光氧化降解聚合物在吸收光能后分子链是否断裂取决于吸收波长的能量，与聚合物的键能，一般照射到地面的日光波长在300nm上，所以聚合物分子多数场合下不解离，只呈激发态，激发态分子可以发生反应。聚合物的光降解过程中常伴随有氧的存在，因而，高分子在空气中的光照射断裂是按光氧化降解机理进行的，其过程为：高分子吸光后激发为单线态（S1）单线态再转变为寿命较长的三线态（T1），它与空气中的氧分子反应，生成高分子过氧化氢，后者很不稳定，在光的作用下很容易分解为自由基。3、2光降解材料的应用•主要有两个方面，一是包装材料，二是农用薄膜。•现有包装材料大约80%是聚烯烃，农膜也主要是聚乙烯，用以作地膜和设施农业用膜——温室大棚、小棚等。用以提高土壤温度抑制杂草生长，但使用后很难从地里清除，特别是地膜、太薄，无法回收。•如果用光降解材料作农膜和包装材料，废弃后即可被光分解成碎片，当聚合物分子量降到500以下时，就容易受微生物破坏，继而进入自然界的生物循环。•西方发达国家光降解塑料技术比较成熟，已广泛应用，我国从80年代开始进行研究。目前所谓的降解材料大都不过关，达不到要求，只是部分降解，从保护环境角度出发，光降解材料的研究和应用有重大现实意义和广阔前景。•结论：光功能高分子材料在整个社会材料对光的透射，可以制成品种繁多的线性光学材料，像普通的安全玻璃、各种透镜、棱镜等。利用高分子材料的光化学反应，可以开发出在电子工业和印刷工业上得到广泛使用的感光树脂、光固化涂料及粘合剂;利用高分子材料的能量转换特性，可制成光导电材料和光致变色材料。光功能高分子材料在环保等领域也有广阔的应用前景。