高分子材料的光学性能a.ppt

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1、第第9 9章章 高分子材料的光学性能高分子材料的光学性能1 19.1光与高分子材料的相互作用光与高分子材料的相互作用R=Ir/I0称为反射系数；称为反射系数；=Ia/I0称为吸收系数；称为吸收系数；T=It/I0称为透射系数；称为透射系数；S=Is/I0称为散射系数称为散射系数 当光从一种介质进入另一种介质时（例如从空气进当光从一种介质进入另一种介质时（例如从空气进入固体）：透射、吸收、反射、散射。入固体）：透射、吸收、反射、散射。材料科学与工程学院材料科学与工程学院2 29.2高分子材料的线性光学性能高分子材料的线性光学性能线性光学的概念：线性光学的概念：介质的电极化强度介质的电极化强度P与

2、入射光波中的电场与入射光波中的电场E成简成简单的线性关系。单的线性关系。为介质极化率。为介质极化率。材料科学与工程学院材料科学与工程学院3 31.折射与折射率折射与折射率当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率折射率一、光的折射一、光的折射 材料科学与工程学院材料科学与工程学院4 4两种材料间的相对折射率两种材料间的相对折射率如果光从材料如果光从材料1，通过界面传入材，通过界面传入材料料2时，与界面法向所形成的入射时，与界面法向所形成的入射角角i1、折射角、折射角i2与两种

3、材料的折射与两种材料的折射率率n1和和n2现有下述关系现有下述关系:材料科学与工程学院材料科学与工程学院5 5电介质的相对介电系数与分子极化率之间的关系电介质的相对介电系数与分子极化率之间的关系 与折射率与折射率n之间的关系为之间的关系为=n2 材料科学与工程学院材料科学与工程学院6 6高分材料折射率的影响因素高分材料折射率的影响因素折射率一般按下列顺序增大折射率一般按下列顺序增大 大多数碳大多数碳-碳聚合物的折射率大约为碳聚合物的折射率大约为左右具有较大极化率和较小左右具有较大极化率和较小分子体积的苯环具有较高的折射率；分子体积的苯环具有较高的折射率；含有相同碳数的碳氢基团，折射率按支化链含

4、有相同碳数的碳氢基团，折射率按支化链直链直链脂环脂环nclad 光在芯和包层之间的界面上反光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。复进行全反射，并在光纤中传递下去。全反射的应用全反射的应用 材料科学与工程学院材料科学与工程学院1818光纤的折射率分布光纤的折射率分布 材料科学与工程学院材料科学与工程学院1919l当光照射到表面光洁度非常高的材料上，反射光线具有当光照射到表面光洁度非常高的材料上，反射光线具有明确的方向性，一般称之为明确的方向性，一般称之为镜反射镜反射。l当光照射到表面粗糙的材料上，反射光线没有方向性，当光照射到表面粗糙的材料上，反射光线没有方向性，称之为称之

5、为漫反射漫反射。3.界面反射与光泽界面反射与光泽 材料科学与工程学院材料科学与工程学院2020光泽度光泽度的测量以镜面为参照物，在规定的入射角下，试样的测量以镜面为参照物，在规定的入射角下，试样的镜面反射率与同等条件下基准面的反射率之比；一般光的镜面反射率与同等条件下基准面的反射率之比；一般光泽度常用百分数表示。泽度常用百分数表示。塑料制品的光泽度越高，说明其表面越光亮。但塑料制塑料制品的光泽度越高，说明其表面越光亮。但塑料制品的光泽度要比镜面低，需要高光泽度时，必须进行电品的光泽度要比镜面低，需要高光泽度时，必须进行电镀及抛光等二次增亮处理。镀及抛光等二次增亮处理。材料科学与工程学院材料科学

6、与工程学院2121u通常根据材料表面的光泽，可将材料的表面划分为：通常根据材料表面的光泽，可将材料的表面划分为：高光泽度表面：物体表面的光泽度为高光泽度表面：物体表面的光泽度为70-90，镜面，镜面玻璃表面的光泽度玻璃表面的光泽度100%；半光泽表面：物体表面的光泽度为半光泽表面：物体表面的光泽度为30%70%亚光表面也称蛋壳光泽表面：表面的光泽度为亚光表面也称蛋壳光泽表面：表面的光泽度为10%30%消光：表面的光泽度为消光：表面的光泽度为2%15%；高光泽表面和半光泽表面给人以刺眼的感觉。高光泽表面和半光泽表面给人以刺眼的感觉。材料科学与工程学院材料科学与工程学院22223.塑料光泽改性塑料

7、光泽改性改进塑料光泽的方法包括两个方面含义：改进塑料光泽的方法包括两个方面含义：一方面是提高塑料制品的表面光泽度，称为一方面是提高塑料制品的表面光泽度，称为增亮改性增亮改性；另一方面是降低制品的表面光泽度，称为另一方面是降低制品的表面光泽度，称为消光改性消光改性。材料科学与工程学院材料科学与工程学院2323（1 1）塑料增亮）塑料增亮A、塑料原料的选取、塑料原料的选取塑料原料可以分成塑料原料可以分成树脂树脂和添加剂两大类。和添加剂两大类。1）树脂的选择）树脂的选择树脂本身的特征对塑料制品的表面光泽度影响较大，是控制树脂本身的特征对塑料制品的表面光泽度影响较大，是控制塑料制品表面光泽度的最有效方

8、法。塑料制品表面光泽度的最有效方法。一般认为下列树脂对应制品的光泽性比较好：蜜胺树脂、一般认为下列树脂对应制品的光泽性比较好：蜜胺树脂、ABS、PP、HIPS、PA、POM、PMMA及及PPO等，其中蜜胺等，其中蜜胺树脂和树脂和ABS两种光泽性最突出。两种光泽性最突出。材料科学与工程学院材料科学与工程学院2424对同一种树脂而言，合成方法不同，制品光泽度也不相同对同一种树脂而言，合成方法不同，制品光泽度也不相同对对PP而言，不同聚合方法合成品种的光泽度大小如下：而言，不同聚合方法合成品种的光泽度大小如下：无规共聚无规共聚PP均聚均聚PP嵌段共聚嵌段共聚PP。对对PE而言，三种不同品种的光泽度大

9、小如下：而言，三种不同品种的光泽度大小如下：LDPELLDPEHDPE对对PVC而言，乳液法而言，乳液法PVC树脂比悬浮法树脂比悬浮法PVC树脂的光泽树脂的光泽度高度高对于对于PS树脂而言，高抗冲聚笨乙烯（树脂而言，高抗冲聚笨乙烯（HIPS）的光泽度大）的光泽度大于通用聚苯乙烯（于通用聚苯乙烯（GPPS）树脂的特性）树脂的特性 材料科学与工程学院材料科学与工程学院2525熔体流动速率熔体流动速率(MFR)一般越大，其相应制品的光泽度越一般越大，其相应制品的光泽度越大大分子量的影响分子量的影响分子量的影响主要体现在分子量分布宽度分子量的影响主要体现在分子量分布宽度上。分子量分布越宽，其相应制品的

10、光泽度下降上。分子量分布越宽，其相应制品的光泽度下降吸水率的影响吸水率的影响吸水率高的树脂，对其相应制品的光泽度吸水率高的树脂，对其相应制品的光泽度影响较大。影响较大。材料科学与工程学院材料科学与工程学院26262）添加剂的选择）添加剂的选择在所有的塑料用添加剂中，对光泽度影响最大的为填料在所有的塑料用添加剂中，对光泽度影响最大的为填料填料对光泽度的影响可分为如下几个方面填料对光泽度的影响可分为如下几个方面:填料的品种填料的品种几种填料对填充制品光泽度影响大小次序如下：金属几种填料对填充制品光泽度影响大小次序如下：金属盐盐玻璃纤维玻璃纤维滑石粉滑石粉云母云母填料的形状填料的形状其影响大小的其影

11、响大小的为：为：球状球状粒状粒状针状针状Eg，则有：，则有：（1）Eg3.1eV，不可能吸收可见光，无色透明，不可能吸收可见光，无色透明（2）Eg1.8eV，可见光的所有光子都能通过激发价带电子，可见光的所有光子都能通过激发价带电子向导带转移而被吸收，不透明向导带转移而被吸收，不透明（3）Eg=1.8eV3.1eV，有部分光子被吸收，部分光子透过，有部分光子被吸收，部分光子透过材料，带色透明材料，带色透明 材料科学与工程学院材料科学与工程学院35353.透明性的分类透明性的分类按材料的透光率大小，可将其分为如下三类：按材料的透光率大小，可将其分为如下三类：透明材料透明材料波长波长400nm80

12、0nm可见光的透光可见光的透光率在率在80%以上；以上；半透明材料半透明材料波长波长400nm800nm可见光的透可见光的透光率在光率在50%80%之间；之间；不透明材料不透明材料波长波长400nm800nm可见光的透可见光的透光率在光率在50%以下。以下。材料科学与工程学院材料科学与工程学院3636树脂分成如下几类树脂分成如下几类（1）透明性树脂）透明性树脂主要包括：主要包括：PMMA、PC、PS、PET、PES、系列、系列、CR-39、SAN（又称（又称AS）、）、TPX、HEMA及及BS（又（又称称K树脂）等。树脂）等。（2）半透明树脂）半透明树脂主要包括主要包括PP和和PA两种。两种。

13、（3）不透明树脂）不透明树脂主要包括主要包括ABS、POM、PTFE及酚醛树脂等。及酚醛树脂等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院3737增加塑料透明性方法增加塑料透明性方法 改进塑料透明性的原理：降低结晶度，控制洁净的改进塑料透明性的原理：降低结晶度，控制洁净的质量，提高折射率，降低双折射。质量，提高折射率，降低双折射。添加改进塑料的透明性，可以添加成核剂，这是增大添加改进塑料的透明性，可以添加成核剂，这是增大透明树脂透光率最有效的方法，它可以促进结晶的小透明树脂透光率最有效的方法，它可以促进结晶的小分子物质。它在树脂中可以起到晶核的作用。分子物质。它在树脂中可以起到晶核的作用。共混改进塑

14、料的透明性，就是在透明树脂中加入其他共混改进塑料的透明性，就是在透明树脂中加入其他树脂，提高透明性。树脂，提高透明性。双向拉伸改进塑料的透明性，可以使制品中原有的结双向拉伸改进塑料的透明性，可以使制品中原有的结晶颗粒破碎使晶体尺寸变小，到达提高透光率的目的晶颗粒破碎使晶体尺寸变小，到达提高透光率的目的 材料科学与工程学院材料科学与工程学院3838六、光学塑料六、光学塑料主要优点为：主要优点为：（1）成形方便，产品成本低。）成形方便，产品成本低。（2）耐冲击强度高。光学玻璃大）耐冲击强度高。光学玻璃大10倍。倍。（3）相对密度小，塑料比玻璃轻一倍。）相对密度小，塑料比玻璃轻一倍。（4）透光率好）

15、透光率好不足：不足：（1）导热性和耐热性差）导热性和耐热性差（2）线膨胀系数和折射率随温度的变化很大）线膨胀系数和折射率随温度的变化很大（4）耐磨性差，易擦伤，易产生静电而沾污灰尘）耐磨性差，易擦伤，易产生静电而沾污灰尘（5）不耐有机溶剂）不耐有机溶剂（6）光学塑料的折射率和色散系数范围没有玻璃的宽）光学塑料的折射率和色散系数范围没有玻璃的宽 材料科学与工程学院材料科学与工程学院3939表表9-3主要光学塑料的光线性能主要光学塑料的光线性能a光学塑料光学塑料相对密度相对密度折射率折射率光透过率光透过率/%阿贝数阿贝数(vd)线膨胀系数线膨胀系数/(10-5/oC)PMMA1.191.49194

16、575869PC1.21.5989317PS1.061.59903168CR-391.321.5092581012TPX0.871.479061.112SAN1.071.5698098357NAS1.091.5339042.4玻璃玻璃2.53.01.421.9290912183 材料科学与工程学院材料科学与工程学院4040 材料科学与工程学院材料科学与工程学院4141镜片的折射率是镜片一个重要的镜片的折射率是镜片一个重要的参数参数，一般有，等，一般有，等数字。这些数字代表镜片的光学折射率，即在镜片中心数字。这些数字代表镜片的光学折射率，即在镜片中心厚度厚度相同的情况下，相同度数同种材料的镜片，

17、折射率相同的情况下，相同度数同种材料的镜片，折射率高的比折射率低的镜片边缘更薄；数字越大，镜片越薄，高的比折射率低的镜片边缘更薄；数字越大，镜片越薄，价格也就越高。价格也就越高。材料科学与工程学院材料科学与工程学院42429.3高分子材料的非线性光学性能高分子材料的非线性光学性能1非线性光学性能的概念非线性光学性能的概念 非线性光学非线性光学NLO性质是指光频电磁波与材料相互作性质是指光频电磁波与材料相互作用使入射光相位、频率和其他传播特性发生变化的用使入射光相位、频率和其他传播特性发生变化的现象。现象。(2)和和(3)分别为二阶和三阶非线性极化率分别为二阶和三阶非线性极化率 材料科学与工程学

18、院材料科学与工程学院4343产生二次谐波产生二次谐波 混频，（混频，（a+b）（a-b）产生电光效应产生电光效应 二阶非线性光学效应二阶非线性光学效应 材料科学与工程学院材料科学与工程学院44442非线性光学高分子材料非线性光学高分子材料获得高非线性光学活性的高分子材料的方法：获得高非线性光学活性的高分子材料的方法：（1）将具有非线性光学活性的有机小分子溶解或分散在）将具有非线性光学活性的有机小分子溶解或分散在高分子基质中，例如，将高分子基质中，例如，将2-甲基甲基-4-硝基苯胺溶解或分散在硝基苯胺溶解或分散在偏氟乙烯的共聚物中，此时，聚合物仅起到载体的作用。偏氟乙烯的共聚物中，此时，聚合物仅

19、起到载体的作用。（2）在高聚物主链上接枝具有非线性光学活性的侧链，）在高聚物主链上接枝具有非线性光学活性的侧链，或让这种侧链与主链接枝交联，并制成驻极体。或让这种侧链与主链接枝交联，并制成驻极体。（3）合成主链中包含非线性光学活性单元的高聚物，在）合成主链中包含非线性光学活性单元的高聚物，在Tg以上进行极化，然后在保持极化的同时冷却到以上进行极化，然后在保持极化的同时冷却到Tg以下，以下，制成驻极体。制成驻极体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院4545非线性光学高分子材料的分类非线性光学高分子材料的分类(1)主客掺杂聚合物体系主客掺杂聚合物体系（2）侧链型极化聚合物）侧链型极化聚合物（3）

20、交联型极化聚合物）交联型极化聚合物（4）主链含生色团的聚合物）主链含生色团的聚合物 材料科学与工程学院材料科学与工程学院46469.4感光性高分子材料感光性高分子材料1概述概述感光性高分子是指在吸收了光能后，能在分子感光性高分子是指在吸收了光能后，能在分子内或分子间产生化学、物理变化的一类功能高分子内或分子间产生化学、物理变化的一类功能高分子材料。而且这种变化发生后，材料将输出其特有的材料。而且这种变化发生后，材料将输出其特有的功能。从广义上讲，按其输出功能，感光性高分子功能。从广义上讲，按其输出功能，感光性高分子包括包括光导电材料、光电转换材料、光能储存材料、光导电材料、光电转换材料、光能储

21、存材料、光记录材料、光致变色材料和光致抗蚀材料光记录材料、光致变色材料和光致抗蚀材料等。等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院4747其中开发比较成熟并有实用价值的感光性高分其中开发比较成熟并有实用价值的感光性高分子材料主要是指子材料主要是指光致抗蚀材料和光致诱蚀材料光致抗蚀材料和光致诱蚀材料，产，产品包括品包括光刻胶、光固化粘合剂、感光油墨、感光涂光刻胶、光固化粘合剂、感光油墨、感光涂料料等。等。在光作用下能迅速发生化学和物理变化的高分子，在光作用下能迅速发生化学和物理变化的高分子，或者通过高分子或小分子上光敏基团所引起的光化学或者通过高分子或小分子上光敏基团所引起的光化学反应和相应的物理

22、性质（如溶解度、颜色和导电性等）反应和相应的物理性质（如溶解度、颜色和导电性等）变化而获得的高分子材料变化而获得的高分子材料 材料科学与工程学院材料科学与工程学院4848 材料科学与工程学院材料科学与工程学院4949光致抗蚀光致抗蚀，是指高分子材料经过光照后，分子，是指高分子材料经过光照后，分子结构从线型可溶性转变为结构从线型可溶性转变为网状不可溶性网状不可溶性，从而产生，从而产生了对溶剂的抗蚀能力。了对溶剂的抗蚀能力。光致诱蚀光致诱蚀正相反，当高分子材料受光照辐射后，正相反，当高分子材料受光照辐射后，感光部分发生感光部分发生光分解光分解反应，从而变为可溶性。反应，从而变为可溶性。材料科学与工

23、程学院材料科学与工程学院5050光聚合光聚合Photopolymerization51相关的光化学过程相关的光化学过程 材料科学与工程学院材料科学与工程学院5151光交联光交联 Photocrosslinking52 材料科学与工程学院材料科学与工程学院5252光致增溶光致增溶Photoinduced solubilization53 材料科学与工程学院材料科学与工程学院5353v曝光部分发生光交联而固化，显影后呈现图像曝光部分发生光交联而固化，显影后呈现图像 负性光刻胶负性光刻胶v受光照射后发生降解，经显影后，未曝光部分成像受光照射后发生降解，经显影后，未曝光部分成像 正性光正性光刻胶刻胶v

24、负性感光树脂负性感光树脂 有丙烯酸酯、肉桂酸酯、叠氮类等树脂有丙烯酸酯、肉桂酸酯、叠氮类等树脂v丙烯酸酯类丙烯酸酯类 工业上主要成分为工业上主要成分为:()丙烯酸酯或其预聚物；丙烯酸酯或其预聚物；()交联单体，如双丙烯酸酯等；交联单体，如双丙烯酸酯等；()光敏剂或光敏引发剂，光敏剂或光敏引发剂，如安息香及其它醚类化合物；如安息香及其它醚类化合物；()染料或颜料。染料或颜料。光刻胶光刻胶正、负性光刻胶可以用于制造集成电路、照相底片、印刷、激正、负性光刻胶可以用于制造集成电路、照相底片、印刷、激光光盘等很多方面。光光盘等很多方面。材料科学与工程学院材料科学与工程学院5454在光照下，高分子侧链上的

25、基团发生分解的感光性高分子。在光照下，高分子侧链上的基团发生分解的感光性高分子。受受光光照照的的部部分分溶溶于于显显影影液液（稀稀碱碱液液），而而未未受受光光照照部分则保持不变，显出图像，称为部分则保持不变，显出图像，称为正图像正图像。邻重氮醌邻重氮醌不溶于稀碱液不溶于稀碱液烯酮烯酮茚甲酸茚甲酸可溶于稀碱中可溶于稀碱中正性光刻胶正性光刻胶-光分解型高分子光分解型高分子 材料科学与工程学院材料科学与工程学院5555在光照下，分子链间能发生交联在光照下，分子链间能发生交联偶合反应偶合反应的感光性高分子。的感光性高分子。聚乙烯醇肉桂酸酯聚乙烯醇肉桂酸酯生成的交联产物不溶于有机溶剂。当用适当溶剂（显影

26、液）冲生成的交联产物不溶于有机溶剂。当用适当溶剂（显影液）冲洗时，未感光部分被冲洗下来，而感光部分因不溶解而保留下洗时，未感光部分被冲洗下来，而感光部分因不溶解而保留下来，结果得到与底片相反的图像（来，结果得到与底片相反的图像（负图像负图像,即负性光刻胶）。即负性光刻胶）。负性光刻胶负性光刻胶-光交联型高分子光交联型高分子 材料科学与工程学院材料科学与工程学院5656IC制作的光刻胶光光刻刻胶胶涂涂覆覆于于表表面面为为SiO2的的单单晶晶硅硅片片上上，在在单单晶晶硅硅片片上上制制作作出出集成微小电阻、电容、晶体管等微电子元器件。集成微小电阻、电容、晶体管等微电子元器件。硅基片n-掺杂n-掺杂p

27、-掺杂氧化物源极漏极栅极金属氧化物半导体（金属氧化物半导体（MOS）晶体管示意图）晶体管示意图57 材料科学与工程学院材料科学与工程学院5757光刻原理对底材进行区域对底材进行区域选择性保护，裸选择性保护，裸露区域被刻蚀。露区域被刻蚀。58 材料科学与工程学院材料科学与工程学院5858水溶性光刻胶水溶性光刻胶水溶性高分子水溶性高分子 +水溶性水溶性 多叠氮感光交联剂多叠氮感光交联剂水溶性高分子：聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酰胺等；水溶性高分子：聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酰胺等；水溶性叠氮光敏交联剂：水溶性叠氮光敏交联剂：不用苯系和卤代溶剂，环保59 材料科学与工程学院材料科学与工程学院5959对光刻

28、胶的要求对光刻胶的要求光刻胶的一般要求l要要求求有有很很好好的的成成膜膜性性。光光刻刻时时一一般般采采用用旋旋转转涂涂胶胶的的办办法法，即即在在硅硅片片的的中中心心滴滴一一滴滴光光刻刻胶胶，然然后后在在高高速速旋旋转转台台上上旋旋转转，使使光光刻刻胶胶均均匀匀分分布布在在硅硅片片上上成膜。成膜。l要求胶膜对二氧化硅有强的附着力。要求胶膜对二氧化硅有强的附着力。l要有足够的光敏性。要有足够的光敏性。l要要有有良良好好的的分分辨辨率率，所所谓谓分分辨辨率率就就是是光光刻刻可可达达到到的最细线条的宽度。的最细线条的宽度。l对光刻所用腐蚀液有良好的抗腐蚀性等等。对光刻所用腐蚀液有良好的抗腐蚀性等等。6

29、0 材料科学与工程学院材料科学与工程学院6060光致变色高分子光致变色高分子u 在光作用下能可逆的发生颜色变化的化合物叫光在光作用下能可逆的发生颜色变化的化合物叫光致变色化合物或光致变色体。致变色化合物或光致变色体。u （1 1）光化学过程：）光化学过程：光致变色往往与分子结构的光致变色往往与分子结构的变化联系在一起变化联系在一起,如互变异构、顺反异构、开环闭环如互变异构、顺反异构、开环闭环反应反应、氧化还原反应氧化还原反应等；（等；（2 2）光物理过程）光物理过程 材料科学与工程学院材料科学与工程学院6161u根据变色机理，可分为根据变色机理，可分为T T 类型和类型和P P 类型。类型。u

30、 T T 类型的化合物类型的化合物A A吸收一定波长的光后发生光致吸收一定波长的光后发生光致变色，产生有色体变色，产生有色体B B；而；而B B的热反应活化能较低，在的热反应活化能较低，在一定温度下可回复到一定温度下可回复到A A，成为无色体。，成为无色体。u P P 类型与类型与T T 类型的不同之处，在于消色过程仍是类型的不同之处，在于消色过程仍是光化学过程，而不是热化学过程。光化学过程，而不是热化学过程。材料科学与工程学院材料科学与工程学院6262u 光致变色功能高分子体系光致变色功能高分子体系，制备的途径有制备的途径有3种种：u（1 1）把光致变色体混在高分子内）把光致变色体混在高分子

31、内，使共混物具有使共混物具有光致变色功能光致变色功能；u（2 2）通过侧基或主链连接光致变色体的单体的均）通过侧基或主链连接光致变色体的单体的均聚或共聚制得光致变色高分子聚或共聚制得光致变色高分子；u（3 3）通过大分子反应）通过大分子反应，即与光致变色体反应即与光致变色体反应，得得到侧基含有光致变色体的高分子。到侧基含有光致变色体的高分子。材料科学与工程学院材料科学与工程学院6363光致变色高分子适于制造为光致色变器件：光致变色高分子适于制造为光致色变器件：u图像显示图像显示u光信息存储元件光信息存储元件u可变化密度的滤光可变化密度的滤光u摄影模板摄影模板u光控开关光控开关应应用用 材料科学

32、与工程学院材料科学与工程学院6464甲亚胺甲亚胺(methylimido)(methylimido)类光致变色高分子类光致变色高分子 甲亚胺基邻位羟基氢甲亚胺基邻位羟基氢(I)的分子内迁移形成反式酮的分子内迁移形成反式酮(II)，反式反式酮酮(II)热异构化为顺式酮热异构化为顺式酮(III)，顺式酮顺式酮(III)通过氢的热迁移通过氢的热迁移又能返回顺式醇。又能返回顺式醇。材料科学与工程学院材料科学与工程学院6565硫卡巴腙汞硫卡巴腙汞(thiocarbazone Hg)(thiocarbazone Hg)材料科学与工程学院材料科学与工程学院6666偶氮苯偶氮苯(azobenzene)(azo

33、benzene)类光致变色高分子类光致变色高分子 偶氮苯体系的光致色变特性是由于含有偶氮苯体系的光致色变特性是由于含有N=N，形成顺形成顺反异构化引起的。例如反异构化引起的。例如，对对2-乙酰胺基乙酰胺基2-顺顺2-偶氮苯的吸收峰偶氮苯的吸收峰为为320nm，反式异构体的极大吸收为反式异构体的极大吸收为360nm。虽然顺反异构。虽然顺反异构体的吸收峰值仅差体的吸收峰值仅差40nm，但是摩尔消光系数相差很大但是摩尔消光系数相差很大，反式反式异构体要比顺式异构体大异构体要比顺式异构体大4倍倍。l1Azobenzene 材料科学与工程学院材料科学与工程学院6767u 制备含偶氮苯结构的高分子有制备含

34、偶氮苯结构的高分子有3种方法种方法：u合成含有偶氮基团的乙烯衍生物合成含有偶氮基团的乙烯衍生物，均聚或与不饱和均聚或与不饱和单体进行自由基共聚制得侧链含有偶氮基团聚合物单体进行自由基共聚制得侧链含有偶氮基团聚合物;u高分子同偶氮化合物的化学反应高分子同偶氮化合物的化学反应；u通过共缩聚方法把偶氮苯结构引入到聚酰胺、尼龙通过共缩聚方法把偶氮苯结构引入到聚酰胺、尼龙66等的主链中。等的主链中。材料科学与工程学院材料科学与工程学院6868u大分子的构象对偶氮共聚物的光致变色性能有很大的影响，大分子的构象对偶氮共聚物的光致变色性能有很大的影响，对在侧链上含有偶氮基团的高聚物特别明显。对在侧链上含有偶氮

35、基团的高聚物特别明显。u共聚物在高共聚物在高pH值时，光致色变的速度比小分子的偶氮模值时，光致色变的速度比小分子的偶氮模型化合物慢。在低型化合物慢。在低pH值时，发色和消色反应速度均比小分值时，发色和消色反应速度均比小分子模型化合物快。子模型化合物快。u光致变色速率要比小分子模型化合物低些。一般偶氮类光光致变色速率要比小分子模型化合物低些。一般偶氮类光致色变高分子的热消色速率比较小，致色变高分子的热消色速率比较小，50%褪色时间为几到褪色时间为几到几十分钟。几十分钟。材料科学与工程学院材料科学与工程学院6969螺吡喃螺吡喃(spiropyran)(spiropyran)类光致变色高分子类光致变

36、色高分子 螺吡喃类是当前最令人感兴趣研究的一类光致变色化合物。螺吡喃类是当前最令人感兴趣研究的一类光致变色化合物。其光致变色机理是在紫外光作用下其光致变色机理是在紫外光作用下，分子中吡喃环的分子中吡喃环的CO键断键断裂裂，接着分子中一部分发生旋转接着分子中一部分发生旋转，变成开环体结构，使整个分变成开环体结构，使整个分子接近共平面的状态子接近共平面的状态，吸收光谱也因而发生红移。吸收光谱也因而发生红移。开环体吸收可见光又能回复到闭环化合物。激发态吸收波长开环体吸收可见光又能回复到闭环化合物。激发态吸收波长一般在一般在550nm左右。左右。Spiropyran 材料科学与工程学院材料科学与工程学

37、院7070 材料科学与工程学院材料科学与工程学院7171俘精酸酐俘精酸酐(Furylfulgide)类光致变色高分子类光致变色高分子俘精酸酐由于优良的光致变色性能俘精酸酐由于优良的光致变色性能，如无热褪色如无热褪色，良好的抗良好的抗疲劳能力等疲劳能力等，引起了广大研究者的注意。俘精酸酐是芳取代引起了广大研究者的注意。俘精酸酐是芳取代的二亚甲基丁二酸酐类化合物的统称。其分子通式见图的二亚甲基丁二酸酐类化合物的统称。其分子通式见图，式式中中A、B、C、D4个取代基中至少有一个是芳香环个取代基中至少有一个是芳香环，而且大多而且大多数情况下是芳杂环。数情况下是芳杂环。材料科学与工程学院材料科学与工程学

38、院7272Furylfulgide俘精酸酐类的光致变色反应俘精酸酐类的光致变色反应 材料科学与工程学院材料科学与工程学院7373二芳杂环基乙烯二芳杂环基乙烯(Diarylethene)类光致变色高分子类光致变色高分子 芳杂环基取代的二芳基乙烯类光致变色化合物普遍表现出芳杂环基取代的二芳基乙烯类光致变色化合物普遍表现出良好的热稳定性和耐疲劳性良好的热稳定性和耐疲劳性，是继螺吡喃、俘精酸酐之后极是继螺吡喃、俘精酸酐之后极有希望的新一代光致变色化合物。有希望的新一代光致变色化合物。芳杂环基取代的二芳基乙烯具有一个共轭的六电子的己三芳杂环基取代的二芳基乙烯具有一个共轭的六电子的己三烯母体结构烯母体结构

39、，和俘精酸酐类似和俘精酸酐类似，它的光致变色也是由于基于它的光致变色也是由于基于分子内的环化反应。分子内的环化反应。图图7二芳基乙烯类的光致变色反应二芳基乙烯类的光致变色反应 材料科学与工程学院材料科学与工程学院7474但从长远的实际应用角度看但从长远的实际应用角度看,光致变色聚合物必将有光致变色聚合物必将有一个更快的发展。今后研究的重点一个更快的发展。今后研究的重点:1.提高光致变色成分的浓度提高光致变色成分的浓度2.善于应用间隔基团善于应用间隔基团3.避免聚合过程中的凝胶化避免聚合过程中的凝胶化,以提高聚合物的溶解性以提高聚合物的溶解性4.寻找更方便的合成路线等。寻找更方便的合成路线等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院7575光敏感纳米粒子光敏感纳米粒子 材料科学与工程学院材料科学与工程学院7676光光/(pH或温度或温度)双重刺激响应纳米粒子双重刺激响应纳米粒子 材料科学与工程学院材料科学与工程学院7777