08-光电高分子材料

高分子科学与社会发展功能高分子材料信息科学中的高分子材料1功能高分子简介•功能高分子（FunctionalPolymers）中的“Functional(功能)”与“Performance(性能)”的词义在英文中有很大区别。•一般说来，性能是指材料对外部作用的抵抗特性。功能则是指从外部向材料输入信号时，材料内部发生质和量的变化而产生输出的特性。•功能高分子是高分子学科中发展最快、研究最活跃的新领域。2功能与性能性能定义：材料对外部作用的抵抗性能例如，对外力的抵抗表现为材料的强度、模量等；对热抵抗表现为耐热性；对光、电、化学药品的抵抗则表现为材料的耐光性、绝缘性、防腐蚀性等。功能定义：指从外部向材料输入信号时，材料内部发生质和量的变化而产生输出的特性。例如，材料在受到外部光的输入时，材料可以输出电性能，称为材料的光电功能；材料在受到多种介质作用时，能有选择地分离出其中某些介质，称为材料的选择分离性。此外，如压电性、药物缓释放性等，都属于功能的范畴。3功能高分子与高性能高分子功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应的高分子材料。高性能高分子对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。从实用的角度看，对功能材料来说，人们着眼于它们所具有的独特的功能；而对高性能材料，人们关心的是它与通用材料在性能上的差异。4特种高分子和功能高分子是目前高分子学科中发展最快、研究最活跃的新领域。功能高分子材料的分类•力学功能材料•强化功能材料，弹性功能材料•化学功能材料•分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等•反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂等•生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等•物理化学功能材料•耐高温高分子，高分子液晶等•电学功能材料，如导电性高分子、超导性高分子、感电性高分子等•光学功能材料，如感光性高分子、导光性高分子、光敏性高分子等•能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等•生物化学功能材料•人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等•高分子药用材料，如药物活性高分子、缓释性高分子药物•生物分解材料，如可降解性高分子材料等。5功能高分子材料的发展与展望功能高分子发展的背景1.经济发展的需要•以石油为主要原料的高分子材料成本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外部条件促使下迅速地发展了起来。2.科学技术发展的需求•80～90年代，科学技术有了迅速发展。能源、信息、电子和生命科学等领域的发展，对高分子材料提出了新的要求。即要求高分子材料具有迄今还不曾有过的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材料。6功能高分子发展的背景3.新能源的要求•太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段。然而，按现在的能量转换效率，对单晶硅的需要量实在太大。以日本为例，若利用太阳能达到当前日本电力的1％，就需100μ的单晶硅至少2.7万吨。这相当于日本目前单晶硅总产量的90倍。为此，人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜的利用。4.交通和宇航技术的要求•既高速又节约能源是交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采用功能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。就目前的成就来看，波音757，767飞机采用Kavlar增强材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强的材料），可省油50％。汽车工业采用高分子材料而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的。7功能高分子发展的背景5.微电子技术的要求•高度集成化是微电子工业发展的趋势。存储容量将从目前的16K发展到256K。此时相应的电路细度仅为1.5μm。因此，高功能的光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的关键材料之一。6.生命科学的要求•人类对生命奥秘的探索，对建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分离介质的研制成功，使生命组成的各种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大减缓白色公害对人类的危害。8功能高分子的发展历程与展望最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明。20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。9功能高分子的发展历程与展望1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。10信息科学中的高分子材料•导电高分子材料•光敏高分子材料•高分子光传输材料11硅的终结者：导电高分子材料•什么是导电高分子？•要使高分子材料导电就必须能模拟金属的行为，亦即电子必须能不受原子的束缚而能自由移动，要达到此目的的第一个条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双键，亦称为“共轭”双键。•为了使共轭高分子导电，必须要做参杂。这和半导体经过参杂后提高导电率类似。12共轭高分子典型的共轭高分子包括：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻酚等13为什么要发展导电高分子•普通高分子材料的静电积聚•静电在工业生产中有很大的危害性。•每年因静电事故造成的损失超过百亿美元。•普通高分子材料对电磁波的屏蔽性差，通信设备常常因电磁波的入侵造成错误操作。导电高分子的发展已远远超过开始的设想14导电高分子的发明•白川英树HidekiShirakawa•白川1961年毕业于东京工业大学理工学部化学专业，曾在该校资源化学研究所任助教，1976年到美国宾夕法尼亚大学留学，1979年回国后到筑波大学任副教授，1982年升为教授。现在是日本筑波大学名誉教授。•2000年诺贝尔化学奖获得者15导电高分子的发明A.Heeger•希格：加州大学圣巴巴拉校区物理系及高分子暨有机固体学院院长。•2000年三人因合成导电高分子一起获得了诺贝尔化学奖。A.G.McDiarmid•麦克戴阿密德：美国宾夕法尼亚大学化学系教授。16塑料晶体管和塑料芯片•英国剑桥大学的科学家利用喷墨打印技术和设备，制造出一种塑料半导体新材料。•Xerox公司刚刚公布的新型有机聚合物塑料有望用于制造塑料晶体管等新型电子器件。•与硅晶体管相比，塑料晶体管的好处在于成本低廉，生产便捷，不需要专门化的昂贵制造设备和高度洁净的真空环境。17塑料内存•塑料内存采用了3D存储技术，数据被存储在成千上万的高分子层内，储存密度比硅材料高得多。•新产品将向当前市场上的以硅材料为主的半导体Flash闪存和内存发起挑战18电子纸•美国Lucent公司和EInk公司共同开发出了“电子纸”，它可以应用于电子书籍和电子报纸等。19电子纸20电致发光高分子材料•经过十几年的研究，有机化合物电致发光的研究已经取得了令人瞩目的成就，有机化合物发光材料构成的电致发光器件有着众多的优势：•可实现红绿蓝多色显示；•亮度高，无须背照明；•驱动电压低，节省能源；•器件薄，可实现小型化；•响应时间快，显示精度高，均远超过液晶显示器；•寿命可达10000小时以上。•有机发光材料的发光稳定性较差，而聚合物发光二极管不仅具有小分子有机电致发光材料的特点，而且有稳定、可弯曲、大面积、低成本的优点，已成为全世界发光材料研究的热点。21电致发光材料的基本原理•常用于电致发光材料的聚合物包括：聚对苯乙烯、聚咔唑、聚噻酚等。空穴注入（正极）空穴迁移电子注入（负极）电子迁移电子与空穴复合激子扩散激子复合电致发光辐射非辐射电致发热22塑料显示器•英国剑桥显示科技公司在有机发光二级管技术开发方面取得了重要进展，推出了基于导电树型聚合物的14英寸全彩显示器。23塑料显示器•下一代显示器24聚合物太阳能电池特点：柔韧性好、成本低、重量轻25光敏高分子材料•光敏高分子化学是高分子化学与光化学两个极为重要的学科交叉的产物。光化学是指在光作用下发生的化学变化。光化学反应的重要特点在于它的选择性，反应物分子只有吸收特定的波长的光才能发生反应。•一般化学反应的反应物要通过一个能量较高的过渡状态再生成产物（如爬山），与此不同，光化学反应的反应物好像是处于颠峰上的物质，它的反应意味着选择下山的路线。•与光化学关系较为密切的是紫外光，因为阳光中紫外线的含量较少。26光固化树脂•所谓光固化树脂是指通过光引发聚合反应。•光固化体系一般由三个组分构成，包括光敏引发剂、低聚物和单体（活性稀释剂，相当于溶剂）。•光敏引发剂在紫外光照时可释放出自由基或其它活性种，它们可以引发低聚物与单体聚合，生成交联的高分子固体。其过程可以表示如下：PI（光敏引发剂）紫外光R*（活性种）低聚物＋单体R*光固化树脂27光固化涂料•涂料在为人类带来好处的同时，也危害着人类的健康和生态环境。涂料中溶剂挥发对大气造成的污染，仅次于汽车尾气，居第二位。•为了解决涂料的溶剂问题，有如下三条途径。•尽量减少溶剂，对涂料中溶剂的用量进行限制，使用高固体组分含量的涂料。•使用水性涂料，即用水代替绝大部分溶剂的涂料（乳胶漆、水溶漆）。•使用无溶剂涂料，无溶剂涂料包括粉末涂料和光固化涂料。光固化涂料无溶剂的挥发，所以是一种“绿色”涂料。28光固化涂料的应用——家具建材•光固化涂料使这些木质品具有更加美观的光泽，更加耐磨经用。光固化涂料已在家具、木材、地板等方面得到了广泛的应用。29光固化涂料的应用30感光树脂——印刷术的发展•印刷术是我国伟大的四大发明之一，大约在七世纪中国就出现了雕版印刷；•我国宋代的毕昇发明了活字印刷术，把我国的印刷术大大地提高了一步；•1445年德国公藤保发明了金属铸造活字印刷。这种铸造铅字的热排凸印一直沿用至今。•铅字热排系统费时，铅的毒性、污染和排版的繁重劳动已与现代信息社会不相适应。31照相制版术——感光树脂版•照相制版术是照相术应用于印刷制版之产物。主要包括照相铜版和照相锌版，习惯上合称铜锌版。由法国人M.Cillot发明于1855年。•这种技术是将抗酸的沥青涂在铜板上，放进照相机后经一系列操作得到了凹凸的图像。32胶印PS版技术•现在有四种主要印刷方式：凸版印刷、平版印刷、凹版印刷和丝网印刷。下面简单介绍一下胶印PS版制版的原理。•胶印PS版（预涂版），即预先涂布好的感光树脂的板材，由感光层和版基组成。版基中常用的是铝板，感光层一般只有几个微米厚。•在预涂版上加上图文的底片，然后用紫外灯照射曝光，由于光化学反应，感光层的溶解性能便会明显变化，从而得到图像。33感光树脂的发展•感光树脂最早使用的是沥青，但沥青的光敏性较差，制作一张版往往需要数小时的曝光时间。•G.Sakow发现了重铬酸盐具有光敏性，将重铬酸盐和阿拉伯胶、明胶、蛋白等天然高分子物质混合便可得感光性的树脂。•由于重铬酸盐体系的光敏性要比沥青高的多，照相制版技术由此得到了迅速发展。近百年来重铬酸盐感光材料一直占据统治地位，至今重铬酸光敏体系仍在使用。但这种光敏体系含有铬盐，对人体有害，污染环境，而且保存性差，限制了它的发展。34新型感光树脂•进入20世纪，科学家研制出了许多新的感光高分子材料。如50年代美国柯达公司开发的聚乙烯醇肉桂酸酯感光树脂。•此外，还发展有重氮盐感光树脂。有重氮盐的高分子在水里是可以溶解的，但发生光化学反应后，重氮盐分解放出氮气，生成极性很小的以共价键相连的基团，使树脂变成水不溶的。•除重氮盐外，另一种重氮感光树脂是含有邻醌重氮基团的高分子。这种高分子不溶于碱水，邻醌重氮基在光照下