高分子光電功能材料及其應用研究

郭林承

（黑龍江大學電子工程學院，黑龍江哈爾濱 150080）

如今，對光功能高分子材料進行研究是發展光物理科學以及光化學科學的重要手段。近些年來，現代科學技術在不斷發展。在功能材料研究領域中，針對光功能高分子的研究就顯得愈發的重要和迫切。光功能高分子材料的研究、發展以及運用受到社會各界的廣泛關注。如今，光功能高分子材料的應用領域已經得到了極大的擴展，已經從原來的精細化工、印刷、電子等領域擴展到農業、國防、醫療、纖維以及塑料等諸多領域之中，并且呈現出欣欣向榮的景象。

一、關于光敏涂料

關于光敏涂料，其最早是由古代埃及人利用薰衣草和瀝青提煉而成，他們將提煉出來的混合物均勻地涂抹在亞麻布上，并將其制作成保存木乃伊的箱子。根據史料記載，在十九世紀，還有人利用不飽和植物油制作油墨，并將其運用到印刷領域。目前，光敏涂料在社會中被廣泛地運用，它與傳統自然干燥或熱固化涂料相比，優勢非常明顯。首先，光敏涂料的固化速度非常迅速[1]。一般情況下，光敏涂料可以在數十秒內進行固化，對于場所的要求比較低，非常實用。其次，光敏涂料不需要進行加熱處理，對能源的消耗非常少，這一特點非常適用于一些不適合高溫烘烤的材料。再次，光敏涂料造成的污染非常小，因為光敏涂料從液體狀態轉化為固體狀態是分子量增加和分子間交聯的結果，并不是一般涂料那種由溶劑揮發所進行的液態到固態的轉變。最后，光敏涂料非常容易進行操作，可以極大地提高相關企業的生產效率以及經濟效益。除此之外，需要指出的是，光敏涂料也存在著一定的缺陷，比如它非常容易受到紫外線的限制，且不適合用于一些物體的表面涂層（復雜物體的表面涂層）[2]。此外，光敏涂料的價格并不便宜，這導致它不能被廣泛地運用，限制了它的應用范圍。光敏涂料的前景是非常樂觀的，在這個追求環保的年代，它有著其他涂料所不具備的優勢，必將會在今后的工業生產以及日常生活中發光發熱。

二、關于光致變色高分子材料

光致變色，它是一種物理化學現象，早在一百多年前，人們就已經發現了這種現象。1867年，Pritsche發現黃色的并四苯在空氣、光的作用下發生了褪色現象，并且所生成的物質在經過受熱之后，又重新生成了并四苯。1867年，Meer對二硝基甲烷的鉀鹽經過光照而發生顏色變化進行了報道。1899年，Markwald針對1，4-二氫-2，3，4，4-四氯萘-1-酮在光的照射下發生了可逆的顏色變化行為進行了詳細的研究，并且他將這種現象統稱為“光誘導的熱力學可逆光色互變”。起初，在20世紀二三十年代，人們對于這種光致變色現象并未特別重視。直到20世紀50年代，這種光致變色現象才被Yhirshbery 命名。在陽光的照射下，光致變色聚合物的化學結構將會發生某種可逆的變化，所以這也會導致可見光的吸收光譜發生變化，從外觀上來看是表面顏色發生了變化[3]。一般情況下，這種光致變色聚合物主要分成兩種：一種是其本身具備光致功能，比如說，對聚合物進行光照后，它會發生相應的反應或者降解，從而使顏色發生相應的變化。最常見的是通過接枝或者共聚反應將共價鍵以光致變色結構單元放在聚合物的側鏈或者主鏈上。另一種是聚合物與小分子光致變材料進行混合，科學家根據這一現象可以制造各種建筑裝飾玻璃、目鏡，能自動調節室內光線的窗玻璃、偽裝材料。在國防領域，光致變色高分子材料對光線的強度反應十分靈敏，因此，光致變色高分子材料也被用來制造相關的探測紫外線。工作人員也可以將光致變色高分子材料涂抹在飛船的相應位置，通過這樣的方式，快速、精準地測量出高輻射的劑量。工作人員還可以將光致變色高分子材料制造成多層濾光器，通過有效控制輻射光的強度，減少紫外線對人體的危害。目前，最為常用的防偽技術有兩種。第一種是運用人的肉眼去觀察，并獲取相關的防偽信息，這種方式主要依靠個人的防偽鑒定經驗，不確定性較大。第二種就是通過檢查錢幣上面的防偽標記來驗證錢幣的真偽，主要的檢驗原理是檢驗光致變色材料，這種方式對于個人防偽經驗并不依賴，可信度較高。因此，光致變色材料在防偽領域中備受矚目。除此之外，光致變色材料還具備信息的存儲功能，科學家發現它在受到不同波長以及不同強度的光照后，其顏色會進行重復變化。我們可以利用該特點將其制作成存儲元件，并將其廣泛地運用到計算機領域之中。此外，光致變色高分子材料還能被運用到其他領域之中。例如，它可以被用作墻壁紙、指甲漆以及漆雕藝品等裝飾品。我們還可以將其加入一般的涂料之中，將其運用到絲網印刷油墨或者涂料之中去。我們還可以將其制造成建筑物的調光玻璃窗、飛機的屏風玻璃，減少日照給人體帶來的危害。我們甚至可以將其制造成護目鏡，用于電焊施工的防護。總之，光致變色高分子材料在各個領域之中被廣泛地運用，并且發揮著重要的作用和價值。

三、關于光導電高分子材料

光導電高分子材料是一種特殊材料，這種材料在無光照射時是絕緣體，在有光照射時它又轉變成導體，能夠導電。這種功能在實際的運用中具有重要的使用價值，例如，它可以運用在無人機中，也可以運用在復印機中。但是光導電高分子材料的價格相對較高，嚴重地增加了成本，從而導致市場的份額占比相對較低。然而，光導電高分子材料因為其無毒、制作工藝簡單、光導性能強等特點，被廣泛地運用到各領域之中。我們可以利用以上優點將其制造成太陽能電池，這種太陽能電池不僅具備較高的光電轉化率，而且無毒害，性價比非常高。但是這種太陽能電池也有一定的缺陷，它不能全部使用光導電高分子材料進行制造，而是采用復合生產的方式。主要原因是光導電高分子材料本身的導電性較差，導致載流子的遷移率很低。

除了上述用途之外，光導電高分子材料最主要的應用領域是靜電復印。光導高分子材料通過靜電作用，將帶有相反電荷的油墨進行吸附，所以它也被廣泛地運用于靜電復印領域[4]。新一代的有機光導電材料是（PVK-TNF）聚乙烯咔唑-硝基芴酮，當它處于無光照條件下，它無法通電，是良好的絕緣體。但是一旦經過光照，并且當光照達到一定的時間后，它就會轉變成導體。出現這種情況的主要原因是當（PVKTNF）聚乙烯咔唑-硝基芴酮吸取一定的光后，分子就會處于激發狀態，進而形成大量的載流子，從而變化成導體。盡管大多數有機高分子材料都是絕緣體，但是也存在一部分有機高分子材料顯示出了光導電性。有機高分子材料的固有性質使得它在新一代光導電材料中占據了重要的位置。

四、關于光降解高分子材料

高分子材料有著其他材料所不具備的強大功能，比如說內腐蝕性、耐候性等，這使得其在國防建設、尖端物品制造領域被廣泛地運用。如今，光降解高分子材料已經逐漸發展成為人們日常生活不可缺少、不可代替的材料之一。同樣，也正是因為此，由高分子所構成的廢物也越積越多。這些廢物因為很難在自然條件下分解，給人們的環境造成了極大的危害。因此，當務之急就是積極研發如何回收再利用高分子材料，例如，采用化學方法對高分子材料進行降解，之后再回收和利用，或者將其進行焚燒。但是焚燒不僅不能徹底解決問題，而且可能造成嚴重的環境污染，也容易對大氣造成污染。在這樣的背景下，利用光降解這些高分子材料就逐漸受到人們的關注。在光照下，聚合物受到光氧作用吸收光能，并且發生相應的鏈式反應，從而對高分子材料進行降解，形成對環境影響很小的化合物。這一類對光十分敏感的聚合物被統稱為光降解高分子材料。

我國關于光降解高分子材料的研究相對比較緩慢，而國外已經在20世紀70年代就開始進行了相關的研究，最早開發的就是光降解塑料。在當時，光降解塑料的生產工藝就已經比較成熟了，并且產量也得到了保障。光降解塑料被運用于垃圾袋、農用地膜、易拉罐拉環等多個領域，但是因為它的價格較為昂貴，降解的過程以及降解的程度很難得到控制，所以到了20世紀90年代，相關的研究速度有所放緩。中國科學院以及相關的研究所同樣也在20世紀70年代開展了光降解高分子材料的研究，但是進展非常緩慢，除了因為早期技術的問題，還因為光降解高分子材料的價格昂貴，又只能在有光的條件下進行降解。受到各種因素的制約，能夠降解為小分子化合物且成功進入生態循環系統的高分子材料只有一小部分，絕大部分高分子材料只能進行逐步降解。大部分塑料廢物會被埋藏在土壤之中，因為缺少光照的環境，這就使得大多數降解是不完全的。陽光中的紫外長波是進行降解的重要因素。很多高分子物質受到300nm以下的短長光照時，就可以顯示出光降解性，但是受到300nm以上的光照時，光降解卻鮮有發生[5]。因此，高分子材料中的各種雜質以及各種吸光性添加劑在對光進行吸收的過程中就發揮了重要的作用，研究人員會在這些材料中加入一些帶有顏色的顏料，也就是在這些高分子材料中加入發色基因。其中，發色基因主要是聚酰胺和聚砜。比較好的光降解材料是一些烯類單體和一氧化碳的共聚物或者是采用一些其他方式引入酮基。含有雙鍵的高分子材料（比如聚異戊二烯和聚丁二烯），他們在光和氧的作用下也能迅速進行分解。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備方式有兩種，其中一種是合成型光降解高分子材料，它主要是通過共聚反應在高分子主鏈上引入感光基團（如羰基），而賦予其光降解特性，并且可以通過控制羰基的含量高低來控制降解的活性。一般情況下，研究人員會采用光敏單體（比如甲基乙烯酮、甲基丙烯酮）或烯烴類單體與一氧化碳發生共聚。通過這樣的方式，研究人員可以合成含羰基結構的光降解型材料，比如PET、PS以及PE等。在其中，科學家對乙烯共聚類光降解聚合物的研究最多，這主要是因為PE降解為分子量低于500的聚合物非常容易被土壤中的微生物所吸收，進行生態循環。這對環境保護具有極大的作用。如今，在工業生產中，我們已經實現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、農用地膜、包裝袋等。另外一種則是添加型光降解高分子材料，這種方式需要研究人員在高分子材料中添加光敏劑。在光和氧的作用下，光敏劑可以成功地分解成具有活性的自由基，從而順利引發聚合物分子鍵的斷裂，達到降解的目的。目前，在工業生產中，主要使用的光敏劑有過渡金屬絡合物、多核芳香化合物以及某些光敏聚合物等。光降解發生的程度取決于光敏劑的種類以及含量。光降解高分子材料主要被用于包裝材料領域和農用材料領域之中，工業生產技術已相當成熟，市場占有率達到了70%～80%，但是其降解方式受到了很大的限制，價格相對比較貴，這導致其在未來的發展過程中可能會被其他新技術取代。

五、其他光功能高分子材料

光功能高分子材料的種類繁多，按照它們的功能、反應類型進行分類的話，除了上述四種之外，還有光學塑料、光纖、光致抗蝕劑以及高分子光穩定劑等。其中，光致抗蝕劑也叫作光刻膠，通過紫外線、電子束以及離子束等光源的照射或者輻射，他們的溶解度會發生變化。我們可以利用光致抗蝕劑這一特性制造耐蝕刻薄膜材料，這種材料主要運用于集成電路。高分子光穩定劑主要是由高分子紫外線吸收劑以及光氧化穩定劑構成的。高分子材料在進行加工、儲存、運輸以及使用的過程中，會受到不同程度的光、氧、熱等化學物質的作用，它們的性能會發生變化，所以高分子材料具備良好的抗光老化能力是非常重要的。

總之，對高分子材料進行研究是非常有必要的，它不僅能夠廣泛地運用到人們的日常生活中，而且能被運用到其他領域，并發揮重要的作用。因此，廣大研究人員應該積極運用新思維、新方法，與時俱進地創造高分子材料研究的新局面，全面提高人類的生活品質。