高分子光电功能材料及其应用研究

郭林承

（黑龙江大学电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080）

如今，对光功能高分子材料进行研究是发展光物理科学以及光化学科学的重要手段。近些年来，现代科学技术在不断发展。在功能材料研究领域中，针对光功能高分子的研究就显得愈发的重要和迫切。光功能高分子材料的研究、发展以及运用受到社会各界的广泛关注。如今，光功能高分子材料的应用领域已经得到了极大的扩展，已经从原来的精细化工、印刷、电子等领域扩展到农业、国防、医疗、纤维以及塑料等诸多领域之中，并且呈现出欣欣向荣的景象。

一、关于光敏涂料

关于光敏涂料，其最早是由古代埃及人利用薰衣草和沥青提炼而成，他们将提炼出来的混合物均匀地涂抹在亚麻布上，并将其制作成保存木乃伊的箱子。根据史料记载，在十九世纪，还有人利用不饱和植物油制作油墨，并将其运用到印刷领域。目前，光敏涂料在社会中被广泛地运用，它与传统自然干燥或热固化涂料相比，优势非常明显。首先，光敏涂料的固化速度非常迅速[1]。一般情况下，光敏涂料可以在数十秒内进行固化，对于场所的要求比较低，非常实用。其次，光敏涂料不需要进行加热处理，对能源的消耗非常少，这一特点非常适用于一些不适合高温烘烤的材料。再次，光敏涂料造成的污染非常小，因为光敏涂料从液体状态转化为固体状态是分子量增加和分子间交联的结果，并不是一般涂料那种由溶剂挥发所进行的液态到固态的转变。最后，光敏涂料非常容易进行操作，可以极大地提高相关企业的生产效率以及经济效益。除此之外，需要指出的是，光敏涂料也存在着一定的缺陷，比如它非常容易受到紫外线的限制，且不适合用于一些物体的表面涂层（复杂物体的表面涂层）[2]。此外，光敏涂料的价格并不便宜，这导致它不能被广泛地运用，限制了它的应用范围。光敏涂料的前景是非常乐观的，在这个追求环保的年代，它有着其他涂料所不具备的优势，必将会在今后的工业生产以及日常生活中发光发热。

二、关于光致变色高分子材料

光致变色，它是一种物理化学现象，早在一百多年前，人们就已经发现了这种现象。1867年，Pritsche发现黄色的并四苯在空气、光的作用下发生了褪色现象，并且所生成的物质在经过受热之后，又重新生成了并四苯。1867年，Meer对二硝基甲烷的钾盐经过光照而发生颜色变化进行了报道。1899年，Markwald针对1，4-二氢-2，3，4，4-四氯萘-1-酮在光的照射下发生了可逆的颜色变化行为进行了详细的研究，并且他将这种现象统称为“光诱导的热力学可逆光色互变”。起初，在20世纪二三十年代，人们对于这种光致变色现象并未特别重视。直到20世纪50年代，这种光致变色现象才被Yhirshbery 命名。在阳光的照射下，光致变色聚合物的化学结构将会发生某种可逆的变化，所以这也会导致可见光的吸收光谱发生变化，从外观上来看是表面颜色发生了变化[3]。一般情况下，这种光致变色聚合物主要分成两种：一种是其本身具备光致功能，比如说，对聚合物进行光照后，它会发生相应的反应或者降解，从而使颜色发生相应的变化。最常见的是通过接枝或者共聚反应将共价键以光致变色结构单元放在聚合物的侧链或者主链上。另一种是聚合物与小分子光致变材料进行混合，科学家根据这一现象可以制造各种建筑装饰玻璃、目镜，能自动调节室内光线的窗玻璃、伪装材料。在国防领域，光致变色高分子材料对光线的强度反应十分灵敏，因此，光致变色高分子材料也被用来制造相关的探测紫外线。工作人员也可以将光致变色高分子材料涂抹在飞船的相应位置，通过这样的方式，快速、精准地测量出高辐射的剂量。工作人员还可以将光致变色高分子材料制造成多层滤光器，通过有效控制辐射光的强度，减少紫外线对人体的危害。目前，最为常用的防伪技术有两种。第一种是运用人的肉眼去观察，并获取相关的防伪信息，这种方式主要依靠个人的防伪鉴定经验，不确定性较大。第二种就是通过检查钱币上面的防伪标记来验证钱币的真伪，主要的检验原理是检验光致变色材料，这种方式对于个人防伪经验并不依赖，可信度较高。因此，光致变色材料在防伪领域中备受瞩目。除此之外，光致变色材料还具备信息的存储功能，科学家发现它在受到不同波长以及不同强度的光照后，其颜色会进行重复变化。我们可以利用该特点将其制作成存储元件，并将其广泛地运用到计算机领域之中。此外，光致变色高分子材料还能被运用到其他领域之中。例如，它可以被用作墙壁纸、指甲漆以及漆雕艺品等装饰品。我们还可以将其加入一般的涂料之中，将其运用到丝网印刷油墨或者涂料之中去。我们还可以将其制造成建筑物的调光玻璃窗、飞机的屏风玻璃，减少日照给人体带来的危害。我们甚至可以将其制造成护目镜，用于电焊施工的防护。总之，光致变色高分子材料在各个领域之中被广泛地运用，并且发挥着重要的作用和价值。

三、关于光导电高分子材料

光导电高分子材料是一种特殊材料，这种材料在无光照射时是绝缘体，在有光照射时它又转变成导体，能够导电。这种功能在实际的运用中具有重要的使用价值，例如，它可以运用在无人机中，也可以运用在复印机中。但是光导电高分子材料的价格相对较高，严重地增加了成本，从而导致市场的份额占比相对较低。然而，光导电高分子材料因为其无毒、制作工艺简单、光导性能强等特点，被广泛地运用到各领域之中。我们可以利用以上优点将其制造成太阳能电池，这种太阳能电池不仅具备较高的光电转化率，而且无毒害，性价比非常高。但是这种太阳能电池也有一定的缺陷，它不能全部使用光导电高分子材料进行制造，而是采用复合生产的方式。主要原因是光导电高分子材料本身的导电性较差，导致载流子的迁移率很低。

除了上述用途之外，光导电高分子材料最主要的应用领域是静电复印。光导高分子材料通过静电作用，将带有相反电荷的油墨进行吸附，所以它也被广泛地运用于静电复印领域[4]。新一代的有机光导电材料是（PVK-TNF）聚乙烯咔唑-硝基芴酮，当它处于无光照条件下，它无法通电，是良好的绝缘体。但是一旦经过光照，并且当光照达到一定的时间后，它就会转变成导体。出现这种情况的主要原因是当（PVKTNF）聚乙烯咔唑-硝基芴酮吸取一定的光后，分子就会处于激发状态，进而形成大量的载流子，从而变化成导体。尽管大多数有机高分子材料都是绝缘体，但是也存在一部分有机高分子材料显示出了光导电性。有机高分子材料的固有性质使得它在新一代光导电材料中占据了重要的位置。

四、关于光降解高分子材料

高分子材料有着其他材料所不具备的强大功能，比如说内腐蚀性、耐候性等，这使得其在国防建设、尖端物品制造领域被广泛地运用。如今，光降解高分子材料已经逐渐发展成为人们日常生活不可缺少、不可代替的材料之一。同样，也正是因为此，由高分子所构成的废物也越积越多。这些废物因为很难在自然条件下分解，给人们的环境造成了极大的危害。因此，当务之急就是积极研发如何回收再利用高分子材料，例如，采用化学方法对高分子材料进行降解，之后再回收和利用，或者将其进行焚烧。但是焚烧不仅不能彻底解决问题，而且可能造成严重的环境污染，也容易对大气造成污染。在这样的背景下，利用光降解这些高分子材料就逐渐受到人们的关注。在光照下，聚合物受到光氧作用吸收光能，并且发生相应的链式反应，从而对高分子材料进行降解，形成对环境影响很小的化合物。这一类对光十分敏感的聚合物被统称为光降解高分子材料。

我国关于光降解高分子材料的研究相对比较缓慢，而国外已经在20世纪70年代就开始进行了相关的研究，最早开发的就是光降解塑料。在当时，光降解塑料的生产工艺就已经比较成熟了，并且产量也得到了保障。光降解塑料被运用于垃圾袋、农用地膜、易拉罐拉环等多个领域，但是因为它的价格较为昂贵，降解的过程以及降解的程度很难得到控制，所以到了20世纪90年代，相关的研究速度有所放缓。中国科学院以及相关的研究所同样也在20世纪70年代开展了光降解高分子材料的研究，但是进展非常缓慢，除了因为早期技术的问题，还因为光降解高分子材料的价格昂贵，又只能在有光的条件下进行降解。受到各种因素的制约，能够降解为小分子化合物且成功进入生态循环系统的高分子材料只有一小部分，绝大部分高分子材料只能进行逐步降解。大部分塑料废物会被埋藏在土壤之中，因为缺少光照的环境，这就使得大多数降解是不完全的。阳光中的紫外长波是进行降解的重要因素。很多高分子物质受到300nm以下的短长光照时，就可以显示出光降解性，但是受到300nm以上的光照时，光降解却鲜有发生[5]。因此，高分子材料中的各种杂质以及各种吸光性添加剂在对光进行吸收的过程中就发挥了重要的作用，研究人员会在这些材料中加入一些带有颜色的颜料，也就是在这些高分子材料中加入发色基因。其中，发色基因主要是聚酰胺和聚砜。比较好的光降解材料是一些烯类单体和一氧化碳的共聚物或者是采用一些其他方式引入酮基。含有双键的高分子材料（比如聚异戊二烯和聚丁二烯），他们在光和氧的作用下也能迅速进行分解。因此，采取少量的丙烯或者丁二烯和乙烯的共聚也可以得到光降解的聚丙烯以及聚乙烯。

光降解高分子材料主要的制备方式有两种，其中一种是合成型光降解高分子材料，它主要是通过共聚反应在高分子主链上引入感光基团（如羰基），而赋予其光降解特性，并且可以通过控制羰基的含量高低来控制降解的活性。一般情况下，研究人员会采用光敏单体（比如甲基乙烯酮、甲基丙烯酮）或烯烃类单体与一氧化碳发生共聚。通过这样的方式，研究人员可以合成含羰基结构的光降解型材料，比如PET、PS以及PE等。在其中，科学家对乙烯共聚类光降解聚合物的研究最多，这主要是因为PE降解为分子量低于500的聚合物非常容易被土壤中的微生物所吸收，进行生态循环。这对环境保护具有极大的作用。如今，在工业生产中，我们已经实现了光降解聚合物的制造，比如乙烯-CO共聚物，它可以被用于蔬菜大棚薄膜、农用地膜、包装袋等。另外一种则是添加型光降解高分子材料，这种方式需要研究人员在高分子材料中添加光敏剂。在光和氧的作用下，光敏剂可以成功地分解成具有活性的自由基，从而顺利引发聚合物分子键的断裂，达到降解的目的。目前，在工业生产中，主要使用的光敏剂有过渡金属络合物、多核芳香化合物以及某些光敏聚合物等。光降解发生的程度取决于光敏剂的种类以及含量。光降解高分子材料主要被用于包装材料领域和农用材料领域之中，工业生产技术已相当成熟，市场占有率达到了70%～80%，但是其降解方式受到了很大的限制，价格相对比较贵，这导致其在未来的发展过程中可能会被其他新技术取代。

五、其他光功能高分子材料

光功能高分子材料的种类繁多，按照它们的功能、反应类型进行分类的话，除了上述四种之外，还有光学塑料、光纤、光致抗蚀剂以及高分子光稳定剂等。其中，光致抗蚀剂也叫作光刻胶，通过紫外线、电子束以及离子束等光源的照射或者辐射，他们的溶解度会发生变化。我们可以利用光致抗蚀剂这一特性制造耐蚀刻薄膜材料，这种材料主要运用于集成电路。高分子光稳定剂主要是由高分子紫外线吸收剂以及光氧化稳定剂构成的。高分子材料在进行加工、储存、运输以及使用的过程中，会受到不同程度的光、氧、热等化学物质的作用，它们的性能会发生变化，所以高分子材料具备良好的抗光老化能力是非常重要的。

总之，对高分子材料进行研究是非常有必要的，它不仅能够广泛地运用到人们的日常生活中，而且能被运用到其他领域，并发挥重要的作用。因此，广大研究人员应该积极运用新思维、新方法，与时俱进地创造高分子材料研究的新局面，全面提高人类的生活品质。