光功能高分子材料的研究发展及应用

论光功能高分子材料的研究发展及应用综述吴俊杰化工081班前言：光功能高分子材料研究是光化学和光物理科学的重要组成部分，近年来随着现代科学技术的发展，光功能高分子材料研究在功能材料领域占有越来越重要的地位，光功能高分子材料日益受到重视。光功能高分子材料的应用领域已从电子、印刷、精细化工等领域扩大到塑料、纤维、医疗、生化和农业等方面,正在快速发展之中，光功能高分子材料研究与应用也将越来越广。1光功能高分子材料及分类光功能高分子材料是指能够对光进行传输、吸收、储存、转换的一类高分子材料。表1光功能高分子材料的分类分类方法材料作用机理光物理材料光化学材料反应类型和功能光敏涂料光致抗蚀剂高分子光稳定剂光致变色高分子材料光导电高分子材料光学塑料和光纤光敏涂料：主要由光敏预聚物、光引发剂和光敏剂、活性稀释剂（单体）以及其他添加剂等构成。光致抗蚀剂：主要包括正性光致抗蚀剂和负性光致抗蚀剂等。高分子光稳定剂：主要包括光屏蔽剂、激发态狙灭剂抗氧剂和聚合型光稳定剂等。光致变色高分子材料：主要包括含硫卡巴腙络合物的光致变色聚合物、含偶氮苯的光致变色高分子和含螺苯并吡喃结构的光致变色高分子等。光导电高分子材料：由光导电聚合物材料构成。2光功能高分子材料的类别和应用表2光功能高分子材料的类别和应用材料的类别应用光敏涂料作表面涂料，起装饰和保护作用；作光致抗蚀剂用光致抗蚀剂制作半导体器件、集成电路，在电子工业中广泛应用高分子光稳定剂阻止聚合物对光的吸收在、热氧化反应、老化反应等光致变色高分子材料用作光的控制和调变、信号系统、信息存储元件、感光材料、光致变色玻璃等光导电高分子材料用作静电复印、激光打印、图像传感器、光电池光学塑料和光纤用在制作塑料透镜、光盘基材、塑料光纤等3光功能高分子材料的发展概况1954年,美国柯达公司的Minsk等人开发出光功能高分子聚乙烯醇肉桂酸酯,并成功应用于印刷制版。而现在光功能高分子材料应用领域已从电子、印刷、精细化工等领域扩大到塑料、纤维、医疗、生化和农业等方面,发展之势方兴未艾。光功能高分子材料能够对光能进行传输、吸收、储存、转换．塑料光导纤维是利用高分子的光曲线传播性而制成的非线性光学元件。塑料光纤一般以有机玻璃为芯材，以含氟透明树脂为皮层，用柔软的有机硅树脂进行一次包覆，然后用硬质高分子材料进行二次包覆。有机玻璃、含氟透明树脂、有机硅树脂都是高分子材料，芯材有高折光率，皮层为低折光率材料。光纤的直径范围为几十到约1000微米，光纤在光纤芯内通过反复反射而向前传输，由于塑料光纤在目前传输损耗仍较高，主要应用于飞机、舰船和汽车内部的短距离光通信系统。此外，还应用于光纤显示器、图像的缩小和放大、火焰及高温监视器、光开关、巨点折象器、阅读穿孔卡片、道路标志和装饰照明等。近来，对有机玻璃采用重氢化技术，已使塑料光纤的传输损耗有所降低，为较长距离应用创造了条件。以高性能有机玻璃或聚碳酸酯透明塑料的高分子材料为基材制成的光盘，是80年代新开发成功的先进信息、记录、储存元件，适应了激光技术的发展和对大容量、高信息密度记录储存材料的需求既可记录文字数据．又可记录声音和图象。光盘是利用激光的单色性、相干性进行记录再现的。光盘的信息储存密度大，是磁带的4000倍、磁盘的250倍、盒式录像带的55倍。现在光导电光导电高分子材料的应用越来越广泛，用光导电材料制作的静电复印设备越来越受到人们的欢迎，人们使用的也越来越多。而现在防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一.为了消除工业烟尘污染,首先要知道烟尘排放量,因此必须对烟尘源进行监测,自动显示和超标报警.烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的.如果烟道浊度增加,光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加,到达光检测器的光减少,因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化.把光敏电阻连接到外电路中,在外加电压的作用下,用光照射就能改变电路中电流的大小.灵敏度高,光谱特性好,光谱响应可从紫外区到红外区范围内,体积小,重量轻,性能稳定,价格便宜,因此应用比较广泛.。而现在越来越多的人都在使用自显影全息记录照相。它是在透明胶片等支持体上涂一层很薄的光致变色物质(如螺吡喃,俘精酸酐等),其对可见光不感光,只对紫外光感光,从而形成有色影像.分辨率高,不会发生操作误差,影像可以反正录制和消除。它使用方便快捷，越来越多的人都喜欢它。另外在国防方面，由于光致变色高分子材料对强光特别敏感,可以制作强光辐射剂.能测量电离辐射,探测紫外线,x射线,γ射线等的剂量.如将其涂在飞船的外部,能快速精确地计量高辐射的剂量.还可以制成多层滤光器,控制辐射光的强度,防止紫外线对人眼及身体的伤害.如果把高灵敏度的光致变色体系指示屏用于武器上,可记录飞机,军舰的行踪,形成可褪色的暂时痕迹。光致变色高分子材料在国防方面应用越来越广。在防伪技术方面:防伪技术有两种方法,一是通过直接观察获得,另一种是通过对防伪标示的检查而验证产品的真实性.水印,全息照片,显微印刷属于第一种,而有机光致变色材料用于防伪系统,属于第二种.其颜色角度效应无法用高清晰度的扫描仪,彩色复印机及其它设备复制,印刷特征用任何其他油墨和印刷方式都无法效仿。因此光致变色材料在防伪技术方面也得到了广泛的应用。此外，光致变色高分子材料受不同强度和波长光照射时可反复循环变色的特点,可以制成计算机的记忆存储元件,实现信息的记忆与消除过程,其记录信息的密度大得难以想象,抗疲劳性能好,能快速写入和擦除信息，得到广泛应用。它还可用作指甲漆,漆雕艺品,T恤衫,墙壁纸等装饰品.还可将光致变色化合物加入到一般油墨或涂料中制成丝网印刷油墨或涂料;还可制成包装膜,建筑物的调光玻璃窗,汽车及飞机的屏风玻璃等,防护日光照射,保证安全.做成护目镜,防止阳光,激光,电焊光的伤害。光功能高分子材料能够对光能进行传输、吸收、储存、转换,光弹材料利用某些高分子材料的折光率随机械应力而变化的特性，用于研究受力结构材料内部的应力分布。4光功能高分子材料的研究进展光功能高分子材料还包括感光性树脂、光降解材料等。感光性树脂是在光的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使分子内或分子间产生化学的或结构的变化。吸收光的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)吸收光能后引发光化学反应来完成。感光性树脂在印刷布线、孔板制造、集成电路和电子器件加工、精密机械加工及复印、照相等方面的应用愈来愈广泛。含有光色基团的化合物受一定波长的光照射时发生颜色变化,而在另一波长的光或热的作用下又恢复到原来的颜色,这种可逆的变色现象称为光色互变或光致变色。已经知道,硫代缩胺基脲衍生物与汞(Hg)能生成有色络合物,是化学分析上应用的灵敏显色剂。在聚丙烯酸类高分子侧链上引入这种硫代缩胺基脲汞的基团,则在光照时由于发生了氢原子转移的互变异构,发生变色现象。迄今为止,光致变色高分子的应用开发工作尚处在起步阶段,但其应用前景是十分诱人的。光致变色材料在全息记录介质、计算机记忆元件、信号显示系统、感光材料等方面有广泛的应用。例如,可作为窗玻璃或窗帘的涂层,从而调节室内光线;可作为护目镜从而防止阳光、激光以及电焊闪光等的伤害;在军事上,可作为伪装隐蔽色或密写信息材料;还可作为高密度信息存储的可逆存储介质等。我国已把光致变色材料列入863高科技计划,国内一些单位已相继开展这方面的工作并已取得可喜的成果。为了解决高分子废弃物所造成的公害,研究了用时稳定,不用时在阳光暴晒下能发生降解的光降解高分子。要实现这种光降解,一是直接合成能被光降解的高分子;另一种方法是加入能促进降解的试剂。在聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中加入0105%的光降解剂(如乙醛基水杨酸的铁、锰、铜盐),约经100h,这些聚合物就发生降解。又如将塑料浸入5%～10%的三氯丙酮或六氯丙酮的丙酮溶液中,浸30s后,再在室外暴晒2～3天,即失去强度,一碰就碎。而光降解材料主要可应用于两个方面,一是包装材料,二是农业应用薄膜。5展望21世纪人类社会将进入高度信息化的社会，光与半导体相融台的高技术将引人注目。高分子材料的光功能特性引起科学界和工业界的兴趣。高分子材料的功能特性主要有：①化学变换功能(感光树脂、光学粘接剂、光硬化剂等)。②物理变换功能(塑料光纤、光盘、非球面透镜、非线性光学聚合物、超导聚合物等)。②医学化学功能(抗血栓性聚合物、人工畦器等)。④分离选择功能(微多L膜、逆透过膜等)由此可见，具有光功能的高分子材料占居多数，它们的产品在市塌占有的份额很大。像非线性高分子材料这样的尚未达到实用化的高分子材料更是为数众多该材料的通光功能与光的化学、物理变化功能是有很大差别的。前者的典型代表是光纤和各种透镜。对这些材料不殴要求透明性强。如要求光纤材料从可见光到近红外光范围内的透明性极其严格。标准的塑料光纤(POF)是由PMMA制成的，具c—H基，故不能避免红外吸收。为了提高透明性而研制羝化物光纤。用于制作透镜的材料必须具南高范围的折射率和分散特性这一点，有机高分子材料与无机玻璃类材料相此，前者处于劣势。塑料材料具有优良的成形性，宜用来生产诸如形状复杂的非球面透镜等高性能透镜。CD用的透镜，主要是用PMMA材料制作。制作透镜用的PMMA工业材料市塌规模看好要求它具有优良的耐热性和低的吸水性其中具有脂环式结构的塑料市埸将有扩大趋势。产品的薄型化要求具有高折射率的材料。获得优良的成像性需要采用低双折射率材料。对光盘基板材料的功能也应十分重视，正在积极开发不产生双折射的各向同性塑料材料。同时致力于开发具有优良光学特性和折射率分布特性的塑料。塑料光纤与石英光纤相比．它的传输距离和带宽特性很差。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层，这种两层结构会引起模分散它的最大传输速度为lOMbit／秒，与石英光纤的10Ghit／秒传输速度相比，实在是太小了。上述第①种功能是基于光照射后的高分子材料的重合硬化。开展利用紫外线下瞬时重台的涂料、粘接剂等研究不容忽视。要求光学粘接剂能把尺寸为数m的石英光纾精密固定。要求它具有低收缩性和折射率特性。DRAM将向大容量化发展，由4Mbit发展到64Mbit、256Mbit2l世纪初将达到1Gbit，需要重视光源和短渡长的光，为此要大力开发高性能感光聚合物。而现有包装材料大约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。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。因此，我们应该大力发展和开发光功能高分子材料的研究和应用。现在，光功能高分子材料的制备方法我们知道的比较少。而且，光功能高分子材料的应用越来越广泛，越来越多。因此，我们应该大力研究光功能高分子材料的制备，使光功能高分子材料的制备更加简单方便和实用，使光功能高分子材料得到更加充分的利用，为我们创造更加美好的生活和更加光明的未来。我认为光功能高分子材料的制备可以采用在高分子中加入光敏添加剂如羰基化合物、金属络合物、含有芳环结构的物质、卤化物等，也可以采用在高分子中加入一些天然具有光功能的物质或基团等，或者在一些单体中加入一些天然具有光功能的物质或基团然后进行聚合反应生成光功能高