光敏高分子材料
光敏高分子材料
光敏高分子材料
光敏高分子材料是一类能够对光线产生响应的高分子材料。
它们在光照下会发
生化学或物理性质的变化，具有很强的应用潜力。
光敏高分子材料广泛应用于光刻、光纤通信、光学存储、光敏材料等领域，成为当今材料科学中备受关注的研究热点。
首先，光敏高分子材料具有优异的光学性能。
它们能够对特定波长的光线产生
高度选择性的响应，具有较高的吸收率和光敏度。
这使得光敏高分子材料在光学器件领域有着广泛的应用前景，如用于制备光刻胶、光学波导、光学薄膜等。
其次，光敏高分子材料在微纳加工领域具有重要意义。
利用光敏高分子材料的
光敏特性，可以实现微纳米级的精密加工，例如通过光刻技术制备微纳米结构、光子晶体等。
这为微纳加工领域的研究和应用提供了新的可能性，有助于推动微纳器件的发展和应用。
此外，光敏高分子材料还具有可调控性和可重复性的特点。
通过调整材料的化
学结构和光敏性能，可以实现对材料光敏性质的精确控制，满足不同应用领域的需求。
同时，光敏高分子材料的光敏特性通常具有很好的可重复性，能够多次响应光照而不失效，具有较长的使用寿命。
总的来说，光敏高分子材料具有广泛的应用前景和重要的科学研究意义。
随着
材料科学和光电技术的不断发展，光敏高分子材料必将在光学器件、微纳加工、光学通信等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的进步和发展做出更大的贡献。
希望未来能够有更多的科研工作者投入到光敏高分子材料的研究中，推动其在各个领域的应用和发展。
光敏高分子材料
光敏高分子材料1. 概述光敏高分子材料是一种特殊的高分子材料，它具有对光的敏感性，能够在受到光的照射后发生一系列化学或物理变化。
这种材料具有广泛的应用潜力，在光学、光电子学、生物医学等领域得到了广泛的关注和研究。
2. 光敏高分子材料的分类根据光敏高分子材料的结构和机理，可以将其分为以下几类：2.1 光致变色材料光致变色材料能够在受到光照后改变其颜色，这种变色效应是由于材料内部的化学或物理结构发生了改变所致。
光致变色材料有着广泛的应用，如液晶显示屏、光学存储介质等。
2.2 光敏聚合物光敏聚合物能够在受到光照后发生聚合反应，从而改变其物理或化学性质。
这种材料常用于光刻工艺、光刻胶、光纤光缆等领域。
2.3 光敏降解材料光敏降解材料可以在光照下发生分解反应，从而改变物质的性质或失去其功能。
这种材料常用于药物递送系统、可降解材料等领域。
2.4 光敏流变材料光敏流变材料在受到光照后会发生形态变化，从而改变其流变特性。
这种材料常用于可调谐光学器件、人工肌肉等领域。
3. 光敏高分子材料的制备方法光敏高分子材料的制备方法多种多样，以下是几种常见的方法：3.1 光化学方法光化学方法是通过光照下进行化学反应来制备光敏高分子材料。
这种方法可以控制反应的位置、速率和产物，具有较高的选择性和灵活性。
3.2 光修饰方法光修饰方法是将已有的高分子材料用光敏分子进行修饰，从而赋予材料光敏性。
这种方法无需从头合成材料，节省了制备成本。
3.3 模板聚合方法模板聚合方法是在模板分子的作用下进行聚合反应，制备具有特定结构和功能的光敏高分子材料。
这种方法可以控制材料的形貌和性能。
4. 光敏高分子材料的应用领域光敏高分子材料具有广泛的应用潜力，以下是几个典型的应用领域：4.1 光刻工艺光敏高分子材料可用于光刻工艺中的光刻胶，用于制备微电子器件。
其优点是可调谐性好、制备成本低，能够满足不同工艺需求。
4.2 光学存储介质光敏高分子材料可用于制备光学存储介质，实现信息的写入和读出。
第7章 光敏高分子材料
一、光化学和光物理原理
• 光（包括可见光、紫外光和红外线）是光敏高分 子材料各种功能发生的基本控制因素，一切功能 的产生都是材料吸收光以后发生相应物理化学变 化的结果。物质吸收光子以后，可以从基态跃迁 到激发态，处在激发态的分子容易发生各种变化， 这种变化可以是化学的，如光聚合光降解；也可 以是物理的，如光致发光、光导电。
• 光导聚合物的应用 • 1、在静电复印和激光打印中的应用 • 2、光导材料在图象传感器方面的应用
利用在光照射下分子互变异构储存太阳能
思考题
1、简述光交联和光聚合。 2、简要介绍Jablonsky光能耗散图。 3、光敏涂料的光源选择有哪些方面可以考虑？ 4、光刻胶的定义。 5、简述深紫外光致刻蚀剂的原理及优点。 6、要提高光导电体的光电流，需要哪些条件。 7、光导电聚合物可能有哪三种结构形式？ 8、举例说明光照射下分子互变异构储存太阳能。
6）高分子光导材料 在光照下，电导率能显著增加的材料称为光导材料。 光检 测元件， 光电子器件。
7）光致变色高分子 材料吸收光以后，分子结构发生改变，引起吸收波长发生 显著变化，从而材料外观颜色发生变化的高分子材料为光致变色材料。
8）高分子光力学材料 在光作用下，材料分子结构的变化，引起外型尺寸变化， 光控机械运动。
电子束和x射线作为激发源。。。。
第三节 高分子光稳定剂
材料的老化；光老化；光化学反应；自由基； 一 、光降解和光氧化
光的吸收 光吸光度 光量子效率 高分 子材料中的吸光性添加剂和杂质对光的吸 收重要，染料和颜料
引发机理 自由基的产生 过氧自由基 光 敏物质
二、光稳定剂的作用机制
聚合物抗老化的两种方式：
光照引起分子结构改变。从而导致聚合物整 体尺寸改变的可逆变化称为光力学现象。
第六章光敏高分子材料
义。
28
4. 涂层的光泽
作为涂料，生成涂层的光泽好坏无疑是非常重要的。 人们对光泽有两方面的要求，即低光泽涂料，如亚光漆；高 光泽涂料，如某些聚氨酯漆。降低光泽度可以加入消光剂，
常用的消光剂有研细的二氧化硅、石蜡，或者高分子合成蜡，
作用原理为增加表面的粗糙度。调节提高表面张力一般可以 提高涂层的光洁度。
第六章光敏高分子材料
1
6.1光敏高分子材料概述 6.2光敏涂料和光敏胶
研 究 内 容
6.3光致抗蚀剂 6.4高分子光稳定剂 6.5光致变色高分子材料 6.6光导电高分子材料 6.7高分子非线性光学材料 6.8高分子荧光材料 6.9与光能转换有关的高分子材料
2
6.1光敏高分子材料概述
3
6.1光敏高分子材料概述
2 CH2
CHCOOH
CH C O O CH2
O
CH CH2 O C CH CH2
21
2.不饱和聚酯
O H2C HC CH 3 1,2-丙二醇 O O O 不饱和聚酯型光敏涂料预聚体的合成 O O OH OH + O O 邻苯二甲酸酐 O O O O O O + O 马来酸酐 O O O
聚酯型光敏高分子涂料具有坚韧，硬度高和耐溶剂性好等特点。
27
3. 化学稳定性
涂料的化学稳定性包括耐受化学品和抗老化的能力。
涂料的化学成分不同对不同的化学品有不同的耐受能力，如
聚酯和聚苯乙烯体系对极性溶剂和水溶液有较好的耐受力， 含丙烯酸的涂料在水溶液中，特别是碱性溶液中稳定性较差。 除了提高涂料本身的化学稳定性之外，根据被徐物的使用环 境选择不同性能的光敏涂料，在应用方面可能更具有实用意
31
1.光源
光敏高分子材料
二、光敏涂料的组成与性能关系
• 光敏涂料的组成不涂层的性能关系密切，主要成份包括预聚物、光引 发剂、交联剂、热阻聚剂和光敏剂等。涂料的性能包括流平性、力学 性能、化学稳定性、光泽、黏结力和固化速度等。
•
1、流平性能
– 指涂料被涂刷后，其表面在张力作用下迅速平整光滑的过程。
– 影响因素：黏度、表面张力、润湿度 （取决于涂料的化学组成）
• 2、光引发剂不光敏剂
– 选择依据：光源的波长和涂料的种类
• 3、环境条件的影响
– 空气中的氧气有阻聚作用，在惰性气氛中有利于固化反应； – 环境气氛对光源的吸收作用，特别是采用紫外光时； – 温度
四、光敏胶
• 光敏胶也称为感光胶黏剂，是一种光能固化的胶黏剂，其作 用原理不光敏涂料相同。 • 优点：使用溶剂少，对环境污染小；
一、高分子光物理和光化学基本原 理
• 包括高分子在内的许多物质吸收光子以后，可以从 基态跃迁到激发态，处在激发态的分子容易发生各 种变化 • 光聚合反应或者光降解反应——光化学 • 光致发光或者光导电现象——光物理学
一、高分子光物理和光化学基本原理
光吸收和分子的激发态 • 光具有波粒二象性，同时光有具有能量，其能量 表达式为：
二、正性光致抗蚀剂
• 正性光致抗蚀剂的作用原理，主要发生光降解反应 或其他类型的光化学反应，反应的结果是光的溶解 性能提升或溶解属性发生改变，从而使曝光部分在 随后的显影过程中被除去。 • 酸催化酚醛树脂（油溶性——水溶性） • 深紫外光致抗蚀剂（键断裂）——甲基丙烯酸甲酯
优点：光刻精度大大提高
• 电子束和X射线光刻胶
应 用
• 光加工工艺是指在被加工材料表面涂覆保护用光刻胶，根据加
工要求，对保护用光刻胶进行选择性光化学处理，是部分区域
光敏高分子
❖㈠光交联型
❖ 采用聚乙烯醇月桂酸酯等作为光敏材料,在光的作用下,其分子中的双键 被打开，并使链与链之间发生交联，形成一种不溶性的网状结构，而起 到抗蚀作用，这是一种典型的负性光刻胶。柯达公司的产品KPR胶即属
此类。
❖负性光刻胶
❖ 树脂是聚异戊二烯，一种天然的橡胶；溶剂是二甲 苯；感光剂是一种经过曝光后释放出氮气的光敏剂， 产生的自由基在橡胶分子间形成交联。从而变得不 溶于显影液。负性光刻胶在曝光区由溶剂引起泡涨； 曝光时光刻胶容易与氮气反应而抑制交联。
5）粘结力：涂层和低物的粘结力 影响：相容性，界面接触程度，涂层表面张力，固化条件。
三. 感光高分子体系的设计与构成 从高分子设计角度考虑，首先引入感光性化合物（基团），形式如下：
1）将感光性化合物加入到高分子中：
线性高分子 小分子感光化合物
物理混合
感光高分子
线性高分子：含有活泼氢的线性高分子 含有双键的不饱和高分子
例如：光二聚交联抗蚀剂
❖ 聚肉桂酸酯类光刻胶。在之外光线下发生光 交联反应，常加入5-硝基厄、芳香酮作增感 剂，是良好的负性光刻胶。
再如：环化橡胶抗蚀剂
❖ 环化橡胶双叠氮体系光刻胶，也是一种负性 光刻胶。是利用芳香族双叠氮化合物作为环 化橡胶的交联剂，属于聚合物加感光化合物 型光刻胶。
❖ 叠氮类化合物在紫外光照射下发生分解，析 出N2，并产生氮烯（nitrenen，RN：），它 有很强的反应能力，可向不饱和键加成，还 可插入C-H和进行偶合。
光敏高分子的分类：
（1）光敏涂料： 当聚合物在光照射下可以发生光聚合或光交联反应，有快速光 固化性能。
（2）光成像材料（光刻胶photoresist——印刷线路板、印刷板） 在光的作用下可以发生光化学反应（光交联或降解），反应后溶 解性能发生显著变化的聚合材料，具有光加工性能，可以作为成 像体系的光敏材料。
光敏高分子材料
光敏高分子材料光敏高分子材料是一种广泛应用于光电子技术领域的材料。
它是一种能够对光线产生反应的高分子材料，能够被激活并使其分子链发生变化，从而实现对光线信号的感知、传递和响应。
光敏高分子材料的作用在生活和工业生产中有着广泛的应用。
在生活中，光敏高分子材料被广泛应用于印刷、复印、胶印和影像处理等领域。
这些应用涉及到文化、艺术、媒体等方面。
例如，光敏高分子材料可以用于生产印刷版，使得书籍、报纸、杂志等版面更加清晰、高质量。
同时，光敏高分子材料还可以用于生产照片胶片，其图像质量与颜色的还原度都是非常高的。
另外，光敏高分子材料还可以作为CD、DVD等储存介质，并且在工业生产中也有广泛的应用场景。
在工业生产领域，光敏高分子材料可以被用于生产半导体芯片、LED、激光器等器件，从事电子信息、通信和光电领域的研发与生产。
同时，光敏高分子材料还可以被应用于太阳能电池板和燃料电池领域，促进新能源技术研发，实现环保、低碳生产的目标。
光敏高分子材料的特性在许多领域中都具有独特的应用价值。
首先，光敏高分子材料的折射率可以被控制，其抗反射性能可以增强，从而达到提高透明度、减小反射的目标。
其次，光敏高分子材料可以耐高温、抗腐蚀，同时对机械性能要求不高，可以针对不同领域的应用进行定制化设计。
最后，光敏高分子材料因其反应速度快、精度高等特点，在一些需要高精度和快速响应的领域中表现出优异的表现。
尽管光敏高分子材料在许多领域都表现出了巨大的潜力，但与此同时，其应用的开发、设计、制造等领域也仍然存在较大的机会和挑战。
这需要在科技创新、资源整合、市场营销等方面作出更多努力，推动光敏高分子材料技术的发展与应用。
总的来说，光敏高分子材料在新材料领域内的应用越来越重要，随着科技进步的加速，光敏高分子材料的应用前景将越来越广，其在生活和工业领域中的应用将成为新的发展热点。
高分子光敏材料
在消除光辐射条件后通常还可以通过逆光化学过程
恢复原来的外观颜色。 应用：制造各种护目镜、能自动调节室内光线的 窗玻璃、建筑装饰玻璃、光闸、光信息存储和伪装 材料。
高分子荧光材料是材料在吸收特定辐射光后，
能够将吸收的光能一敷设方式耗散的性质。可 以将看不见得紫外光转化为可见光，将短波长 的光转化为长波长的光。 应用：在高分子转化膜、荧光涂料、荧光油 墨、荧光分析等方面有重要价值。荧光探针等 在防伪、交通标识有广泛的应用。
致抗蚀剂、光致变色高分子材料、高分子荧光 材料，高分子光导电材料、高分子光非线性材 料高分子光能转换材料和光控力学材料等。 其中一些以光化学过程为主，一些以光物理 过程为主，还有一些包括了光化学过程和光物 理过程
光交联反应：指反应物是线性聚合物，
在光引发下高分子链之间发生交联反应过
程，形成新的化学键，生成三维结构的网
状聚合物，分子量增大，并失去溶解能力。
光固化现象：指单体、低聚体或聚合体
基质在光诱导下的固化过应，材料的溶解度下降，产生光固化 现象，在被保护材料表面形成保护涂层。 应用：广泛应用于木材和金属表面的保护和装饰 以及印刷工业等领域。
优点：固化快、使用溶剂少、环境污染小、能源
光化学过程：材料吸收光能后可能发生光化
学反应，从而改变材料的分子结构
光物理过程：材料吸收光能后也可能发生光
物理变化，改变材料的外观或物理性质。
凡是能够有效吸收特定波长的光辐射，进而 发生光化学或光物理过程，并表现出明显特殊 有用性质的高分子材料都可称为光敏高分子材 料。
按功能分类：主要有光敏涂料、光敏胶、光
高分子09-2 姬灿龙 540904010213
定义：光敏高分子材料是在各种波长作用下
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Jablonsky光能耗散图
一、高分子光物理和光化学基本原理
光量子效率
• 用来描述激发能以荧光过程或者磷光过程耗散时 的光能利用率。
荧光（磷光）效率
荧光（磷光）强度 入射光强度
F
/(q
*
A)
影响因素： 1）分子结构：共轭结构的分子体系量子效率较高 2）取代基：卤素（荧光量子效率 ，磷光量子效率 ）
表达式为：
E h hc
• 用入射光与投射光的比值表示化合物对光的吸收 程度，可以用Beer-Lambert公式表示：
log I 0 cl
I
一、高分子光物理和光化学基本原理
激发能的耗散
• 分子吸收光子后从基态跃迁到激发态，其获得的激发能有三种 可能的转化方式：
– 发生光化学反应 – 以发射光的形式耗散能量 – 通过其他方式转化成热能
增加了级间窜跃
3）化合物浓度：荧光强度随浓度先增加后降低
溶质对产生的荧光有再吸收作用
一、高分子光物理和光化学基本原理
激发态的猝灭 • 能够使激发态分子以非光形式衰减到基态或者低能态
的过程叫激发态的猝灭。（能量转移过程） • 根据猝灭的机理不同，可以分为：
– 动态猝灭:通过猝灭剂和发色团碰撞引起猝灭。 – 静态猝灭:通过发色团与猝灭剂形成不发射荧光的基态复合物
完成猝灭。 • 常见猝灭剂：芳香胺、脂肪胺、（空气中的氧分子）
一、高分子光物理和光化学基本原理
分子间或分子内的能量转移过程 • 两种机理：
– 辐射能量转移机理：远程效应 – 无辐射能量转移机理：近程效应
激基缔合物和激基复合物
当处在激发态的分子和同种处于基态的分子相互作用，生成的分子 对被称为激基缔合物。
一、高分子光物理和光化学基本原 理
• 包括高子在内的许多物质吸收光子以后，可以从 基态跃迁到激发态，处在激发态的分子容易发生各 种变化
• 光聚合反应或者光降解反应——光化学 • 光致发光或者光导电现象——光物理学
一、高分子光物理和光化学基本原理
光吸收和分子的激发态
• 光具有波粒二象性，同时光有具有能量，其能量
当处在激发态的物质同另一种处在基态的物质发生相互作用，生成 的物质被称为激基复合物。
一、高分子光物理和光化学基本原理
光引发剂和光敏剂
光引发剂吸收光能后跃迁到激发态，当激发态能量高于分子键 断裂能量时，断键产生自由基，光引发剂被消耗。 光敏剂吸收光能后跃迁到激发态，然后发生分子内或分子间能 量转移，将能量传递给另一个分子，光敏剂回到基态。
光敏高分子材料
第一节 光敏高分子材料概述
• 光是一种能量形式，材料吸收光能后，在光能量的 作用下会发生物理或化学反应，产生一系列结构和 形态变化，从而表现出特定功能。
• 光敏高分子材料（也称为光功能高分子材料），是 指在光参量的作用下能够表现出某些特殊物理或化 学性能的高分子材料，是功能高分子材料中的重要 一类。
光引发剂和光敏剂的作用分别类似于化学反应中的 试剂和催化剂。
二、高分子光化学反应类型
光交联（光聚合）反应
1）光聚合反应 • 反应物为分子量较低的低聚物，发生光聚合反应，生成分子量
更大的线型聚合物，引起溶解度下降。
• 根据反应类型分类：光自由基聚合、光离子聚合、光固相聚合
• 为了增加光聚合反应的速度，经常需要加入光引发剂和光敏剂， 作用是提高光量子效率，有利于自由基等活性种的产生。
• 光引发剂和光敏剂的要求：
– 分子的吸收光谱范围要与光源波长相匹配，并具有足够高的消光系数 – 生成的自由基自结合率要尽可能小 – 光引发剂和光敏剂及其断裂产物不应参与链转移和链终止反应
• 光敏剂的作用机理：能量转移机理、夺氢机理、生成电荷转移 复合物机理
二、高分子光化学反应类型
2）光交联反应 • 光交联反应是指反应物是线型聚合物，在光引发下高分子链
• 作为光敏涂料的预聚物应该具有能进一步发生光聚 合或者光交联反应的能力，因此必须带有可聚合基 团。预聚物通常为小分子的低聚物或可溶性线性聚 合物，为了取得一定的粘度和合适的熔点，分子量 一般要求在1000~5000之间。
• 9）高分子光力学材料
第二节 光敏涂料和光敏胶
• 光敏涂料是聚合或交联组分直接混合在一起，在常 温无光照情况下是稳定的。涂料中含有光敏成分或 结构，利用光作为引发剂引发聚合或者交联反应， 从而达到光固化目的。
• 优点：污染小、材料消耗少 涂层交联度高、机械强度好
一、光敏涂料的结构类型
• 光敏涂料的基本组成中除了可以进一步聚合成膜的 预聚物为主要成分外，一般还包括交联剂、稀释剂、 光敏剂或者光引发剂、热阻聚剂和调色颜料。
合物（自由基引发剂），产生自由基引起光降解反应。 – 聚合物中含有光敏剂时，光敏分子可以将其吸收的光能传递给聚
合物，促使其发生降解反应。
二、高分子光化学反应类型
光异构化反应——（光致变色）
N
(P)
N
1.00
R
0.80
反式偶氮
hv 暗 NN
0.60 吸光度
0.40
0.20
顺式偶氮
R (P)
280
320
360
400
波 长(nm)
偶氮苯型聚合物光致互变异构反应及最大吸收波长变化
三、光敏高分子材料的分类
根据在光参量作用下表现出的功能和性质分类： • 1）高分子光敏涂料
特点：使用溶剂少、固化快
• 2）高分子光刻胶
具有光加工性能，主要用于集成电路、印刷电路板和照相 制版等
• 3）高分子光稳定剂
抗老化作用
之间发生交联反应过程，形成新的化学键，生成三维结构的 网状聚合物，分子量增大，并失去溶解能力。
• 常用交联剂有：重铬酸盐、重氮盐、芳香叠氮化合物等
二、高分子光化学反应类型
光降解反应 • 光降解反应是指在光的作用下聚合物链发生断裂，
分子量降低的光化学过程。
• 三种形式：
– 无氧光降解过程 – 光氧化过程——在光作用下产生的自由基与氧气反应生成过氧化
• 4）高分子荧光（磷光）材料
用于各种分析仪器和显示器件的制备、高效能膜的生产等
三、光敏高分子材料的分类
• 5）高分子光催化剂
用于制造聚合物型光电池和太阳能储能装置
• 6）高分子光导材料
制作光检测元件和光电子器件，静电复印和激光打印机的核心部 件
• 7）光致变色高分子材料
智能窗
• 8）高分子非线性光学材料