《光敏高分子材料》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料,*,第七章 光敏高分子材料,10/7/2024,1,材料,7.1 概述,光敏性高分子（photosensitive polymer, light-sensitive polymer）,又称,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，感光性高分子包括,光导电材料、光电转换材料、光能储存材料、光记录材料、光致变色材料和光致抗蚀材料等。,10/7/2024,2,材料,例如：,光交联,：光敏涂料、光敏油墨、负性光刻胶,光照下发生结构异构（顺式-反式）,：光致变色,材料,10/7/2024,3,材料,其中开发比较成熟并有实用价值的感光性高分,子材料主要有,光致抗蚀材料和光致诱蚀材料,，产,品包括,光刻胶、光固化粘合剂、感光油墨、感光涂,料,等。,本章中主要介绍,光致抗蚀材料、光致诱蚀材料,光敏涂料,10/7/2024,4,材料,光致抗蚀,，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,网状不可溶性,，从而产生了对溶剂的,抗蚀能力,。而,光致诱蚀,正相反，当高分子材料受光照辐射后，感光部分发生,光分解,反应，从而变为,可溶性,。目前广泛使用的,预涂感光版,，就是将感光材料树脂预先涂敷在亲水性的基材上制成的。晒印时，树脂若发生光交联反应，则溶剂显像时未曝光的树脂被溶解，感光部分树脂保留了下来。反之，晒印时若发生光分解反应，则曝光部分的树脂分解成可溶解性物质而溶解。,10/7/2024,5,材料,光刻胶,是微电子技术中细微图形加工的关键材,料之一。特别是近年来大规模和超大规模集成电路,的发展，更是大大促进了光刻胶的研究和应用。,10/7/2024,6,材料,感光性粘合剂、油墨、涂料是近年来发展较快,的精细化工产品。与普通粘合剂、油墨和涂料等相,比，前者具有固化速度快、涂膜强度高、不易剥,落、印迹清晰等特点，适合于大规模快速生产。尤,其对用其他方法难以操作的场合，感光性粘合剂、,油墨和涂料更有其独特的优点。例如,牙齿修补粘合,剂,，用光固化方法操作，既安全又卫生，而且快速,便捷，深受患者与医务工作者欢迎。,10/7/2024,7,材料,感光性高分子作为功能高分子材料的一个重要分支，自从1954年由,美国柯达公司的Minsk,等人开发的,聚乙烯醇肉桂酸酯,成功应用于印刷制版以后，在理论研究和推广应用方面都取得了很大的进展，应用领域已从电子、印刷、精细化工等领域扩大到塑料、纤维、医疗、生化和农业等方面。,10/7/2024,8,材料,一、光化学反应的基础知识,1. 光的性质和光的能量,物理学的知识告诉我们，,光是一种电磁波,。在,一定波长和频率范围内，它能引起人们的视觉，这,部分光称为,可见光,。广义的光还包括不能为人的肉,眼所看见的,微波、红外线、,紫外线,、,X 射线,和,射,线,等。,10/7/2024,9,材料,在光化学反应中，光是以光量子为单位被吸收,的。一个光量子的能量由下式表示：,其中，,h,为,普朗克常数,（6.6210,-34,Js）。,在光化学中有用的量是每摩尔分子所吸收的能,量。假设每个分子只吸收一个光量子，则,每摩尔分,子吸收的能量称为一个,爱因斯坦（Einstein），,实,用单位为,千焦尔（kJ）或电子伏特（eV）,。,(7-1),10/7/2024,10,材料,其中，,N,为,阿伏加德罗常数,（6.02310,23,）。,用公式(7-2)可计算出各种不同波长的光的能,量 (表7-1)。作为比较，表7-2中给出了各种化学,键的键能。由表中数据可见，=200800nm的紫,外光和可见光的能量足以使大部分化学键断裂。,(7-2),10/7/2024,11,材料,表7-1 各种波长的能量,光线名称,波长 /nm,能量 /kJ,光线名称,波长 /nm,能量 /kJ,微 波,10,6,10,7,10,-1,10,-2,400,299,红外线,10,3,10,6,10,-1,10,2,紫外线,300,399,可见光,800,147,200,599,700,171,100,1197,600,201,X射线,10,-1,10,6,500,239,射线,10,-3,10,8,10/7/2024,12,材料,表7-2化学键键能,化学键,键能 /(kJ/mol),化学键,键能 /(kJ/mol),化学键,键能 /(kJ/mol),OO,138.9,CCl,328.4,CH,413.4,NN,160.7,CC,347.7,HH,436.0,CS,259.4,CO,351.5,OH,462.8,CN,291.6,NH,390.8,C = C,607,10/7/2024,13,材料,2 光的吸收,发生光化学反应必然涉及到光的吸收。光的吸,收一般用,透光率,来表示，记作T，定义为,入射到体,系的光强I,0,与透射出体系的光强I之比,：,如果吸收光的体系厚度为,l,，浓度为,c,，则有：,(7-3),(7-4),10/7/2024,14,材料,其中，称为,摩尔消光系数,。它是吸收光的物,质的特征常数，也是光学的重要特征值，仅与,化合,物的性质,和光的波长有关。,一个概念：,发色团,：在分子结构中能够吸收紫外和可见光的基团,10/7/2024,15,材料,3 光化学定律,光化学第一定律（Gtotthus-Draper定律）：,只有被吸收的光才能有效地引起化学反应。,10/7/2024,16,材料,光化学第二定律,： （,StarkEinstein定律,）,一个分子只有在吸收了一个光量子之后，才能,发生光化学反应。,（吸收一个光量子的能量，只可,活化一个分子，使之成为激发态）,10/7/2024,17,材料,4 分子的光活化过程,从光化学定律可知，,光化学反应的本质是分子,吸收光能后的活化,。当分子吸收光能后，只要有足,够的能量，分子就能被活化。,分子的活化有两种途径，,一是分子中的电子受,光照后能级发生变化而活化，二是分子被另一光活,化的分子传递来的能量而活化,，即分子间的能量传,递。下面我们讨论这两种光活化过程。,10/7/2024,18,材料,5 分子的电子结构,按量子化学理论解释，,分子轨道是由构成分子,的原子价壳层的原子轨道线性组合而成,。换言之，,当两个原子结合形成一个分子时，参与成键的两个,电子并不是定域在自己的原子轨道上，而是跨越在,两个原子周围的整个轨道(分子轨道)上的。,10/7/2024,19,材料,轨道能量和形状示意图,成键轨道,10/7/2024,20,材料,下面仅举,甲醛,分子的例子来说明各种化学键。,甲醛分子的分子轨道、能级和跃迁类型,10/7/2024,21,材料,6 三线态和单线态,根据,鲍里（Pauli）不相容原理,，成键轨道上的,两个电子能量相同，自旋方向相反，因此，能量处,于最低状态，称作,基态,。分子一旦吸收了光能，电,子将从原来的轨道激发到另一个能量较高的轨道。,由于电子激发是跃进式的、不连续的，因此称为,电,子跃迁,。电子跃迁后的状态称为,激发态,。,10/7/2024,22,材料,大多数分子的基态是单线态S,0,;,电子受光照激发后，从能量较低的成键轨道进,入能量较高的反键轨道。如果此时被激发的电子保,持其,自旋方向不变,，称为,激发单线态,S,1,;,如果被激发的电子在激发后,自旋方向发生了改,变,，体系处于三线态，称为,激发三线态,，用符号T,表示。,10/7/2024,23,材料,电子跃迁示意图,10/7/2024,24,材料,电子从基态最高占有分子轨道激发到最低空分,子轨道的能量最为有利。因此，在光化学反应中，,最重要的是与反应直接相关的第一激发态S,1,和T,1,。,S,1,和T,1,在性质上有以下的区别：,(a) 三线态T,1,比单线态S,1,的能量低。,(b) 三线态T,1,的寿命比单线态S,1,的长。,(c) 三线态T,1,的自由基性质较强，单线态 S,1,的,离子性质较强。,10/7/2024,25,材料,7 电子激发态的行为,一个激发到较高能态的分子是不稳定的，除了,发生化学反应外，它还将竭力尽快采取不同的方式,自动地放出能量，回到基态。,多原子分子，其激发态就有多种失去激发能的途径，如：,10/7/2024,26,材料,(a) 电子状态之间的非辐射转变，放出热 能；,(b) 电子状态之间辐射转变，放出荧光或磷光；,(c) 分子之间的能量传递。,(d) 化学反应。,10/7/2024,27,材料,8 电子跃迁的类型,电子跃迁除了发生从成键轨道向反键轨道的跃,迁外，还有从非键轨道（孤电子）向反键轨道的跃,迁。电子跃迁可归纳并表示为如下四种：,(a) *跃迁(从轨道向*轨道跃迁)；,(b) *跃迁；,(c) n *跃迁；,(d) n *跃迁。,10/7/2024,28,材料,从能量的大小看，,n *和 *的跃迁能,量较小， *的跃迁能量最大,。,因此在光化学反应中，n *和 *的跃,迁是最重要的两类跃迁形式。最低能量的跃迁是 n * 跃迁。但是，高度共轭体系中的轨道具有的能量高于 n 轨道的能量，因此有时 *跃迁反而比n *跃迁容易。,10/7/2024,29,材料,电子跃迁相对能量,*,*,n,n ,*, ,*,n ,*,10/7/2024,30,材料,表7-3 n ,*,和 ,*,跃迁性质比较,性 质,n ,*, ,*,最大吸收波长,270350nm（长）,180nm（短）,消光系数,100,1000,取代基效应,给电子基团使吸收波长向紫移动,给电子基团使吸收波长向红移动,吸收光谱图形,宽,窄,单线态寿命,10,-6,s（长）,10,-7,10,-9,s（短）,三线态寿命,10,-3,s（短）,10,-1,10s（长）,10/7/2024,31,材料,根据这些性质上的差别，可帮助我们推测化学,反应的机理。例如，,甲醛分子,的模式结构图为：,分子中有2个电子和2个n电子（还有一对孤,电子处于能级较低的氧原子,SP,轨道上，故不包括n,电子中)。这些电子所在各轨道的能级和电子跃迁,如下图所示。一般地讲，轨道的能级比n轨道,的低，所以 *跃迁比n *跃迁需要较高的,能量（较短的波陡）的光。,10/7/2024,32,材料,事实上，,甲醛分子,的n *跃迁可由吸收260 nm 的光产生，而 *跃迁则必须吸收155 nm的光。,甲醛轨道能级和电子迁跃,*,*, ,*,n ,*,n ,*,10/7/2024,33,材料,9 分子间的能量传递,在光照作用下，电子除了在分子内部发生能级的变化外，还会发生分子间的跃迁，即分子间的能量传递。,电荷转移跃迁示意图,10/7/2024,34,材料,在分子间的能量传递过程中，受激分子通过,碰撞,或,较远距离,的传递，将能量转移给另一个分,子，本身回到基态。而接受能量的分子上升为激,发态。因此，分子间能量传递的条件是：,(1) 一个分子是电子给予体，另一个分子是电,子接受体；,(2) 能形成电荷转移络合物。,10/7/2024,35,材料,分子间的电子跃迁有三种情况。,第一种是某一激发态分子 D* 把激发态能量转,移给另一基态分子A，形成激发态 A*，而 D*本身,则回到基态，变回 D。,A* 进一步发生反应生成新,的化合物。,10/7/2024,36,材料,例如，用波长366nm的光照射,萘和二苯酮,的溶液，得到萘的,磷光,。但萘并不吸收波长366nm的光，而二苯酮则可吸收。因此认为二苯酮在光照时被激发到其三线态后，通过长距离传递把能量传递给萘；萘再于T,1,状态下发射磷光。,10/7/2024,37,材料,10/7/2024,38,材料,从这个例子还可看到，为使分子间发生有效的,能量传递，每对给予体和接受体之间必须在能量上,匹配。研究表明，,当给予体三线态的能量比接受体,三线态能量高约17kJ/mol时，能量传递可在室温下,的溶液中进行,。当然，传递速度还与溶液的扩散速,度有关。,10/7/2024,39,材料,第二种分子间的电子跃迁是两种分子先生成,络合物，再受光照激发，发生和 D或 A单独存在,时完全不同的光吸收。通过这种光的吸收，D 的,基态电子转移到 A 的反键轨道上,。下图 表示了这,种电子转移的情况。,hv,10/7/2024,40,材料,电荷转移络合物电子跃迁示意图,hv,10/7/2024,41,材料,10 光化学反应与增感剂,1） 光化学反应,在光化学反应研究的初期，曾认为光化学反应,与波长的依赖性很大。但事实证明，,光化学反应几,乎不依赖于波长,。因为能发生化学反应的激发态的,数目是很有限的，,不管吸收什么样的波长的光，最,后都成为相同的激发态，即S,1,和T,1,，而其他多余能,量都通过各种方式释放出来了。,10/7/2024,42,材料,分子受光照激发后，可能发生如下的反应：,10/7/2024,43,材料,例如，用光直接照射,纯马来酸,或,纯富马酸,，得,到的都是马来酸与富马酸的比例为31的混合物，,这是从激发态直接得到生成物的例子。,10/7/2024,44,材料,而如果用光照射有,溴存在的马来酸水溶液,，只,能得到热力学上稳定的富马酸。在此过程中，溴分,子先光分解成溴自由基(Br,，激发态)，然后它加成,到基态马来酸上，使马来酸中的双键打开，经由自,由基中间体，结构旋转成热力学稳定的反式。最后,脱掉Br,，成为反式的富马酸。,10/7/2024,45,材料,10/7/2024,46,材料,2） 增感剂,在光化学反应中，直接反应的例子并不多见，,较多的和较重要的是分子间能量转移的间接反应。,它是某一激发态分子D*将激发态能量转移给另一,基态分子A，使之成为激发态 A*，而自己则回 到,基态。A*进一步发生反应成为新的化合物。,10/7/2024,47,材料,这时，A被D增感了或光敏了，故D称为,增感剂,或,光敏剂,。而反过来，D*的能量被A所获取，这种,作用称为猝灭，故A称为,猝灭剂,。在上一节的例子,中，,二苯酮即为增感剂,，而,萘则为猝灭剂,。,增感剂是光化学研究和应用中的一个十分重要,的部分，它使得许多本来并不具备光化学反应能力,的化合物能进行光化学反应，从而大大扩大了光化,学反应的应用领域。,10/7/2024,48,材料,由于增感需要时间，因此增感剂引起的化学反,应一般都在三线态进行。单线态寿命很短，通常不,能有效地激发被增感物质。,作为增感剂，必须具备以下的基本条件：,（1） 增感剂三线态的能量必须比被增感物质,的三线态能量大，以保证能量转移的顺利进行,。一,般至少应高17 kJ/mol；,10/7/2024,49,材料,（2）增感剂三线态必须有足够长的寿命，以,完成能量的传递；,（3）增感剂的量子收率应较大。,（4）增感剂吸收的光谱应与被感物质的吸收,光谱一致，且范围更宽,，即被增感物质吸收的光波,长应在增感剂的吸收光谱范围内。,感光性高分子所涉及的光化学反应绝大多数是,通过增感剂的能量传递而实现的。,10/7/2024,50,材料,二、 高分子光化学反应类型,光交联,聚合,交联,光降解:,直接光降解、间接光降解。,前者是指有机物分子吸收光能后进一步发生的化学反应。后者是周围环境存在的某些物质吸收光能成激发态，再诱导一系列有机污染的反应,10/7/2024,51,材料,三、 感光性高分子材料,3.1 感光性高分子的分类,（1）根据光反应的类型分类,光交联型，光聚合型，光氧化还原型，光分解型等。,（2）根据感光基团的种类分类,重氮型，叠氮型，肉桂酰型，丙烯酸酯型等。,（3）根据物理变化分类,光致不溶型，光致溶化型，光降解型，光导,电型，光致变色型等。,10/7/2024,52,材料,（4）根据聚合物的形态和组成分类,感光性化合物（增感剂）+ 高分子型，带感光,基团的聚合物型等。,下,图表明了上述分类间的相互关系。,10/7/2024,53,材料,感光性高分子,感光性高分子分类,10/7/2024,54,材料,3.2 重要的感光性高分子,高分子化合物增感剂,这类感光性高分子是由高分子化合物与增感剂,混合而成。它们的组分除了高分子化合物和增感剂,外，还包括溶剂和添加剂（如增塑剂和颜料等）。,增感剂可分为两大类：无机增感剂和有机增感,剂。代表性的无机增感剂是,重铬酸盐,类；有机增感,剂则主要有,芳香族重氮化合物,，,芳香族叠氮化合物,和,有机卤化物,等，下面分别介绍。,10/7/2024,55,材料,（1）芳香族重氮化合物 高分子,芳香族重氮化合物是有机化学中用来合成偶氮,类染料的重要中间体，它们对于光有敏感性这一特,性早已为人们所注意，并且有不少应用成果，如用,作复印感光材料等。芳香族重氮化合物与高分子配,合组成的感光高分子，已在电子工业和印刷工业中,广泛使用。,芳香族重氮化合物在光照作用下发生光分解反,应，产物有自由基和离子两种形式：,10/7/2024,56,材料,10/7/2024,57,材料,例如下面是一种已实用的芳香族重氮化合物：,双重氮盐 十 聚乙烯醇感光树脂,这种感光树脂在光照射下其重氮盐分解成自由,基，分解出的自由基残基从聚乙烯醇上的羟基夺氢,形成聚乙烯醇自由基。最后自由基偶合，形成在溶,剂中不溶的交联结构。,该光固化过程中，实际上常伴随有热反应。,10/7/2024,58,材料,10/7/2024,59,材料,具有感光基团的高分子,从严格意义上讲，上一节介绍的感光材料并不,是真正的感光性高分子。因为在这些材料中，高分,子本身不具备光学活性，而是由小分子的感光化合,物在光照下形成活性种，引起高分子化合物的交,联。在本节中将介绍真正意义上的感光高分子，在,这类高分子中，感光基团直接连接在高分于主链,上，在光作用下激发成活性基团，从而进一步形成,交联结构的聚合物。,10/7/2024,60,材料,（1）感光基团的种类,在有机化学中，许多基团具有光学活性，其中,以肉桂酰基最为著名。此外，重氮基、叠氮基都可,引入高分子形成感光性高分子。一些有代表性的感,光基团列于表7-5中。,表7-5 重要的感光基团,基团名称,结 构 式,吸收波长 /nm,烯基,200,肉桂酰基,300,10/7/2024,61,材料,肉桂叉乙酰基,300400,苄叉苯乙酮基,250400,苯乙烯基吡啶基,视R而定,叠氮基,260470,重氮基,300400,10/7/2024,62,材料,（2）具有感光基团的高分子的合成方法,这类本身带有感光基团的感光性高分子有两,种合成方法。一种是通过高分子反应在聚合物主,链上接上感光基团，另一种是通过带有感光基团,的单体进行聚合反应而成。,10/7/2024,63,材料,通过高分子的化学反应在普通的高分子上连接,上感光基团，就可得到感光性高分子。这种方法的,典型实例是1954年由美国柯达（Kodak）公司开发,的聚乙烯醇肉桂酸酯，它是将聚乙烯醇用肉桂酰氮,酯化而成的。,该聚合物受光照形成丁烷环而交联。,10/7/2024,64,材料,10/7/2024,65,材料,肉桂酰氯与含羟基聚合物的反应,10/7/2024,66,材料,以上的例子都是将具有感光基团的化合物与高,分子反应制得感光性高分子的。在某些情况下，与,高分子反应的化合物本身并不具备感光基团，但在,反应过程中却能产生出感光基团的结构。例如聚甲,基乙烯酮与芳香族醛类化合物缩合就能形成性质优,良的感光性高分子。,10/7/2024,67,材料,感光性单体聚合法,用这种方法合成感光性高分子，一方面要求单,体本身含有感光性基团，另一方面又具有可聚合的,基团，如双键、环氧基、羟基、羧基、胺基和异氰,酸酯基等。但也有一些情况下，单体并不具有感光,性基团，聚合过程中，在高分子骨架中却新产生出,感光基。,10/7/2024,68,材料, 乙烯类单体,乙烯类单体的聚合已有十分成熟的经验，如通,过自由基、离子、配位络合等方法聚合。因此，用,含有感光基团的乙烯基单体聚合制备感光性高分子,一直是人们十分感兴趣的。经过多年的研究，已经,用这种方法合成出了许多感光性高分子。例如：,10/7/2024,69,材料,10/7/2024,70,材料,在实际聚合时，由于肉桂酰基或重氮基也有一,定反应活性，所以感光基团的保护存在许多困难。,例如，肉桂酸乙烯基单体中由于两个不饱和基团过,分靠近，结果容易发生环化反应而失去感光基团。,因而在这种感光性乙烯基单体的聚合技术方面，还,有许多问题有待解决。,10/7/2024,71,材料,一般来说，自由基聚合易发生环化反应，而离子型聚合则不易发生环化反应，但难以得到高相对分子质量聚合物。因而在这种感光性乙烯基单体的聚合技术方面，还有许多问题有待解决。,10/7/2024,72,材料, 开环聚合单体,在这类单体中，作为聚合功能基的是环氧基，,可以通过离子型开环聚合制备高分子，同时又能有,效地保护感光基团，因此是合成感光性高分子较有,效的途径。例如肉桂酸缩水甘油酯和氧化查耳酮环,氧衍生物的开环聚合都属此类。,10/7/2024,73,材料,10/7/2024,74,材料, 缩聚法,这是目前合成感光性高分子采用最多的方法。,含有感光基团的二元酸，二元醇、二异氰酸酯等单,体都可用于这类聚合，并且能较有效地保护感光基,团。下面是这类聚合的典型例子。,10/7/2024,75,材料,10/7/2024,76,材料,10/7/2024,77,材料,重要的带感光基团的高分子,（a）聚乙烯醇肉桂酸酯及其类似高分子,孤立的烯烃只有吸收短波长（180210nm）,的光才能进行反应，这是因为它只发生 *跃,迁的缘故。而当它与具有孤对电子的某些基团结合,时，则会表现出长波长的n*吸收，使光化学反,应变得容易。肉桂酸酯中的羧基可提供孤对电子，,并且双键与苯环有共轭作用，因此能以更长的波长,吸收，引起光化学反应。,10/7/2024,78,材料,聚乙烯醇肉桂酸酯在光照下侧基可发生光二聚,反应，形成环丁烷基而交联，其结构如下图表示。,10/7/2024,79,材料,这个反应在240350nm的紫外光区域内可有,效地进行。但在实用中，希望反应能在波长更长的,可见光范围内进行。研究发现，,加入少量三线态光,敏剂能有效地解决这一问题,。,聚乙烯醇肉桂酸酯有效的光敏剂:,对硝基苯胺 等,10/7/2024,80,材料,（b）具有重氮基和叠氮基的高分子,前面已经介绍过，芳香族的重氮化合物和叠,氮化合物具有感光性。将它们引入高分子链，就成,为氮基树脂和叠氮树脂。这是两类应用广泛的感光,高分子。,10/7/2024,81,材料,聚丙烯酰胺型重氮树脂：, 具有重氮基的高分子,10/7/2024,82,材料, 具有叠氮基的高分子,第一个叠氮树脂是1963年由梅里尔（Merrill）,等人将部分皂化的PVAc用叠氮苯二甲酸酐酯化而,成的。这种叠氮树脂比聚乙烯醇肉桂酸酯的感度还,高。如果加了光敏剂，则其感度进一步提高。,10/7/2024,83,材料,10/7/2024,84,材料,3.3 光聚合型感光性高分子,因光照射在聚合体系上而产生聚合活性种（自,由基、离子等）并由此引发的聚合反应称为光聚合,反应。,光聚合型感光高分子就是通过光照直接将单,体聚合成所预期的高分子的。可用于印刷制版、复,印材料、电子工业和以涂膜光固化为目的的紫外线,固化油墨、涂料和粘合剂等。,10/7/2024,85,材料,大多数乙烯基单体在光的作用下能发生聚合反,应。如,甲基丙烯酸甲酯,在光照作用下的自聚现象是,众所周知的。实际上，光聚合体系可分为两大类：,一类是单体直接吸收光形成活性种而聚合的,直接光,聚合,；,另一类是通过光敏剂（光聚合引发剂）吸收,光能产生活性种，然后引发单体聚合的,光敏聚合。,10/7/2024,86,材料,在光敏聚合中，也有两种不同情况，既有光敏,剂被光照变成活性种，由此引起聚合反应的，也有,光敏剂吸收光被激发后，它的激发能转移给单体而,引起聚合反应的。,已知能进行直接光聚合的单体有,氯乙烯、苯乙,烯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、甲基乙烯酮,等。但,在实际应用中，光敏聚合更为普遍，更为重要。本,节主要介绍这一类光敏聚合。,10/7/2024,87,材料,（1）光敏剂,如前所述，虽然许多单体在光照作用下能进行,直接光聚合，但直接光照合往往要求较短波长的光,（较高的光能），聚合速度较低。而使用了光敏剂,以后，可大大降低引发的活化能，即可使聚合在较,长波长的光照作用下进行。这就是光敏剂被普遍采,用的原因。用于光敏聚合的光敏剂主要有表7-6所,示的物质。,10/7/2024,88,材料,表7-6 重要的光聚合体系光敏剂,类 别,感光波长 /nm,化合物例,羰基化合物,360420,安息香及醚类；稠环醌类,偶氮化合物,340400,偶氮二异丁腈；重氮化合物,有机硫化物,280400,硫醇；烷基二硫化物,卤化物,300400,卤化银；溴化汞；四氯化碳,色素类,400700,四溴萤光素/胺；核黄素；花菁色素,有机金属化合物,300450,烷基金属类,金属羰基类,360400,羰基锰,金属氧化物,300380,氧化锌,10/7/2024,89,材料,几类重要的光敏剂的光分解机理如下：,有机羰基化合物，例如,安息香及其醚类,是最重要的光敏剂，它们是按下列反应进行光分解而产生自由基的。,10/7/2024,90,材料,所产生的两种自由基都有引发活性。安息香醚,类分子中的取代基R一般为不同长度的烷基、羟烷,基等，例如安息香甲醚、安息香乙醚都是常用的光,敏剂。,偶氮二异丁腈(AIBN)常用作热聚合引发剂，,但它吸收光能后也可分解产生自由基。,.,10/7/2024,91,材料,在光固化涂料应用方面，二苯甲酮类光敏剂也,是较重要的。但二苯甲酮单独应用时无效，必须与,含有活泼氢的化合物并用，如脂肪胺。固化速度随,胺的烷基碳原子数增大而增大，研究认为，这种光,固化机理是由于形成-氨基自由基引起的。,10/7/2024,92,材料,具有光聚合引发能力的光敏剂很多，光分解机理各不相同，因此，在光聚合实际应用中，光敏剂的选择十分重要。其中，最重要的条件是对热要稳定，不会发生暗反应，其次是聚合的量子效率要尽可能高，否则，不易形成高相对分子质量产物。,10/7/2024,93,材料,（2）光聚合体系,光聚合体系可分为单纯光聚合体系和光聚合单,体高分子体系两类。以单体和光敏剂组成的单纯,光聚合体系由于在聚合时易发生体积收缩的情况，,且一般得不到足够的感度和性能良好的薄膜，因此,较少使用。将有良好成膜性并含有可反应官能团的,预聚物与光聚合单体混合,使用，可明显提高光固化,的感度，得到预期效果的薄膜。,10/7/2024,94,材料,（a）光聚合单体,由于光聚合型感光材料是在操作中经光照固化,的，因此，适用于该体系的单体必须满足一个基本,前提，即在常温下必须是不易挥发的。一切气态的,或低沸点的单体都是不适用的。含丙烯酸酯基和丙,烯酰胺基的双官能团单体容易与其他化合物反应，,而且聚合物的性质也较好，因此是用得最多的光聚,合单体。表7-7列出的是常用的多官能团光聚合,单体。,10/7/2024,95,材料,表7-7 常用的多官能团光聚合单体,名 称,结 构 式,相对分子质量,乙二醇二丙烯酸酯,170,二乙二醇二丙烯酸酯,241,三乙二醇二丙烯酸酯,258,聚乙二醇二丙烯酸酯,聚乙二醇二甲基丙烯酸酯,聚丙二醇二丙烯酸酯,聚丙二醇二甲基丙烯酸酯,10/7/2024,96,材料, 多元醇的丙烯酸酯,这类单体是光聚合单体的典型代表，它们都是,沸点200的高沸点液体，很容易发生光聚合，,形成的固化膜性能优良。当它们与其他含不饱和基,的高分子混合使用时，能得到各种性能不同的固化,膜。因此是感光树脂凸版，紫外光固化油墨、涂料,等的不可缺少的光聚合单体。,10/7/2024,97,材料,丙烯酰胺,丙烯酰胺类单体较易进行光聚合。它们大多数,是水溶性的，使用十分方便。此外，它们极易与含,有酰胺基的聚合物混合。常用的丙烯酰胺类单体见,表7-8。,10/7/2024,98,材料,表7-8 常用的丙烯酰胺类单体,名 称,结 构 式,N-丙烯酰羟乙基马来酰亚胺,N, N-双(-丙烯酰氧乙基)苯胺,己内酰胺、丁二胺缩合物的双丙烯酰胺,六氢1, 3, 5三丙烯基5三吖嗪,10/7/2024,99,材料,多元羧酸的不饱和酯,用甲基丙烯酸-羟乙酯或烯丙醇酯化苯二甲,酸、偏苯三酸、均苯四酸等，可得到多官能团的不,饱和酯。这类单体经光照聚合后，通常能形成较坚,韧的固化膜，适合于印刷制版和光致抗蚀剂。典型,品种如下：,10/7/2024,100,材料,10/7/2024,101,材料,（b）预聚物, 环氧树脂型,环氧树脂有良好的粘结性和成膜性。在环氧预,聚物中，每个分子中至少有两个环氧基，通过它们,与其他不饱和基化合物反应，则可成为光聚合性预,聚物。例如，用双酚A型环氧树脂与丙烯酸反应，,生成环氧树脂的丙烯酸酯（二丙烯酸双酚A二缩水,甘油醚酯）。,10/7/2024,102,材料,10/7/2024,103,材料,这是一种感光性良好的光固化涂料预聚物，,一般与丙烯酸酯类单体并用。,10/7/2024,104,材料, 不饱和聚酯型,在分子侧基中或分子末端上含有不饱和基的聚,酯，是一类极其重要的感光材料，在印刷制版、涂,料等方面均有广泛的用途。,10/7/2024,105,材料,由聚乙二醇、顺丁烯二酸酐和甲基丙烯酸缩水,甘油酯合成的齐聚物，可用作水显影的高感度感光,性树脂版。,10/7/2024,106,材料,聚乙烯醇型,聚乙烯醇因其结构中含有大量功能性羟基，作,为光聚合预聚体而引入不饱和基是很方便的。,例如，将N-羟甲基丙烯酰胺与PVA反应，产物,可用于水显影的印刷凸版。,10/7/2024,107,材料,其他,含有可反应性基团的聚酰胺、聚丙烯酸、硅,酮树脂等都可与不饱和单体反应，形成感光性预,聚体，在印刷制版、涂料、油墨方面均有应用。,10/7/2024,108,材料,四、光敏高分子的用途,光敏涂料,射线固化涂料,感光性油墨,光致抗蚀剂（光刻胶）,印刷制版用感光性树脂,光降解塑料,其他方面的应用,10/7/2024,109,材料,光敏涂料,传统的涂料是溶剂型的，有些涂料中溶剂的含量高达50以上。这些涂料在干燥成膜的过程中一是靠溶剂的自身的蒸发，二是依靠烘烤，它们都是引起大气污染的主要祸首之一。,取而代之的新型涂料主要有四种：,高固份涂料、水性涂料、粉末涂料及,紫外光固化涂料,- 环保涂料,省能耗(Energy),无污染(Ecology),速率快（Efficiency）,经济（Economy）,10/7/2024,110,材料,10/7/2024,111,材料,光敏涂料的种类,光敏涂料的组成,常用的光敏剂,目前光敏涂料主要存在哪些问题？改进方法？,光敏涂料的最新研究进展,思考，作业,10/7/2024,112,材料,光致抗蚀剂,在材料表而进行选择性腐蚀时，一般都采用保护腐蚀，即将表面用适当的抗腐蚀材料保护起来，而只裸出待腐蚀的区域，然后进行化学或电化学腐蚀当腐蚀到一定深度后，去除保护层，就可在其表而得到所需的几何图形。,10/7/2024,113,材料,在半导体器件和集成电路制造中，要在硅片等材料上获得一定几何图形的抗蚀保护涂层是运用感光性树脂材料在控制光照(主要是UV光）下，短时间内发生化学反应使得这类材料的溶解性、熔融性和附着力在曝光后发生明显的变化；再经各种不同的方法显影后获得的。这种方法称为“光化学腐蚀法”也称为“,光刻法,”。这种作为抗蚀涂层用的感光性树脂组成物称为“,光致抗蚀剂,”,10/7/2024,114,材料,光刻工艺过程,10/7/2024,115,材料,光刻过程中感光树脂的作用？,10/7/2024,116,材料,