光功能高分子材料
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第五章 光功能高分子材料
5.1 概述
光功能高分子材料是指能够对光能进行传 输、吸收、存储、转换的一类高分子材料，在 光的作用下能够表现出特殊的性能。
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。
根据高分子材料在光的作用下发生的反应 类型以及表现出的功能进系厚度为l，浓度为c，则有：
lg Tlg IIolc
（5-5）
精品课件
12
式(5-5)称为比尔-兰布达(Beer-Lambert)
定
律。其中，ε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。
表征光吸收的更实用的参数是光密度D，它由
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）。
精品课件
8
1 Ein N st h e N iv/n h c
1.1(9n71m05k) J1.2(4n1m 03()eV)（5-3）
其中，N为阿伏加德罗常数
（6.023×1023）。用公式(5-3)可计算出各种不同
精品课件
14
2、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。 光化学第二定律（ Stark-Einstein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）
精品课件
400
299
红外线 103～106 10-1～102 紫外线
300
399
可见光
800
147
200
599
700
171
100
1197
600
201
X射线
10-1
106
500
239
γ射线
10-3
108
精品课件
10
表5-2 化学键键能
化学键 O－O N－N C－S C－N
键能 /(kJ/mol)
138.9
化学键 C－Cl
式(5-6)来定义：
D l1 gTlg IoIlc
（5-6）
兰布达—比尔定律仅对单色光严格有效。
精品课件
13
发色团：在分子结构中能够吸收紫外和 可见光的基团。
当光子被分子的发色团吸收后，光子能量转 移到分子内部，引起分子电子结构改变，外层电 子可以从低能态跃迁到高能态，此时分子处于激 发态，激发态分子所具有的能量称为激发能。
15
3、 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。
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16
4、三线态和单线态 根据泡利（Pauli）不相容原理，成键轨道上的
160.7
C－C
259.4
C－O
291.6
N－H
键能 /(kJ/mol)
328.4
347.7
351.5
390.8
化学键 C－H
键能 /(kJ/mol)
413.4
H－H
436.0
O－H
462.8
C=C
607
精品课件
11
1、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I0与透射出体系的光强I之比：
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γ射线等。
精品课件
6
（1）光吸收和分子的激发态 现代光学理论认为，光具有波粒二相性。光的
微粒性是指光有量子化的能量，这种能量是不连续 的。光的最小能量微粒称为光量子，或称光子。光 的波动性是指光线有干涉、绕射、衍射和偏振等现
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。
波长的光的能量 (表5-1)。作为比较，表5-2中给
出了各种化学键的键能。由表中数据可见，
λ=200～800nm的紫外光和可见光的能量足以使大
部分化学键断裂。
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9
表5-1 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
106～107
10-1～102
6、光导电材料 在光的作用下电导率能发生显 著变化的高分子材料。
7、光致变色高分子材料 在光的作用下其吸收 波长发生明显变化，从而材料外观颜色发生变 化的高分子材料。
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5
二、光物理和光化学原理
从光化学和光物理原理可知，包括高分子在 内许多物质吸收光子以后，可以从基态跃迁到激 发态，处于激发态的分子容易发生光化学变化 （光聚合反应、光降解反应）和光物理变化（光 致发光、光导电）。
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2
一、光功能高分子材料及其分类
1、光敏涂料 当聚合物在光照射下可以发生光 聚合或者光交联反应，有快速光固化性能时， 这种材料可以作为材料表面保护。 2、光刻胶或光致抗蚀剂 在光的作用下可以发 生光化学反应（光交联或者光降解），反应后 其溶解性能发生显著变化的聚合物，具有光加 工性能，可以作为集成电路工业的材料。
象，具有波长和频率。光的波长λ和频率ν之间有
如下的关系：
c
（5-1）
c为光在真空中的传播速度(2.998×108m/s)。
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7
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：
Ehhc
（5-2）
其中，h为普朗克常数（6.62×10-34 J·s）。
在光化学中所用的量是每摩尔分子所吸收的能
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3
3、光稳定剂 能够大量吸收光能，并且以无害 方式将其转化为热能，以阻止聚合材料发生光 降解和光氧化反应，具有抗老化作用。
4、高分子荧光剂和高分子夜光剂 有光致发光 功能的光功能高分子材料是荧光或磷光量子效 率较高的聚合物，可以用于各种分析仪器和显 示器件的制备。
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4
5、光能转换聚合物 能够吸收太阳光，并具有 能将太阳能转化成化学能或电能的装置，称为 光能转换装置，其中起能量转换作用的聚合物 称为光能转换聚合物。
5.1 概述
光功能高分子材料是指能够对光能进行传 输、吸收、存储、转换的一类高分子材料，在 光的作用下能够表现出特殊的性能。
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。
根据高分子材料在光的作用下发生的反应 类型以及表现出的功能进系厚度为l，浓度为c，则有：
lg Tlg IIolc
（5-5）
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12
式(5-5)称为比尔-兰布达(Beer-Lambert)
定
律。其中，ε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。
表征光吸收的更实用的参数是光密度D，它由
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）。
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8
1 Ein N st h e N iv/n h c
1.1(9n71m05k) J1.2(4n1m 03()eV)（5-3）
其中，N为阿伏加德罗常数
（6.023×1023）。用公式(5-3)可计算出各种不同
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14
2、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。 光化学第二定律（ Stark-Einstein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）
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400
299
红外线 103～106 10-1～102 紫外线
300
399
可见光
800
147
200
599
700
171
100
1197
600
201
X射线
10-1
106
500
239
γ射线
10-3
108
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表5-2 化学键键能
化学键 O－O N－N C－S C－N
键能 /(kJ/mol)
138.9
化学键 C－Cl
式(5-6)来定义：
D l1 gTlg IoIlc
（5-6）
兰布达—比尔定律仅对单色光严格有效。
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13
发色团：在分子结构中能够吸收紫外和 可见光的基团。
当光子被分子的发色团吸收后，光子能量转 移到分子内部，引起分子电子结构改变，外层电 子可以从低能态跃迁到高能态，此时分子处于激 发态，激发态分子所具有的能量称为激发能。
15
3、 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。
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4、三线态和单线态 根据泡利（Pauli）不相容原理，成键轨道上的
160.7
C－C
259.4
C－O
291.6
N－H
键能 /(kJ/mol)
328.4
347.7
351.5
390.8
化学键 C－H
键能 /(kJ/mol)
413.4
H－H
436.0
O－H
462.8
C=C
607
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11
1、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I0与透射出体系的光强I之比：
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γ射线等。
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（1）光吸收和分子的激发态 现代光学理论认为，光具有波粒二相性。光的
微粒性是指光有量子化的能量，这种能量是不连续 的。光的最小能量微粒称为光量子，或称光子。光 的波动性是指光线有干涉、绕射、衍射和偏振等现
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。
波长的光的能量 (表5-1)。作为比较，表5-2中给
出了各种化学键的键能。由表中数据可见，
λ=200～800nm的紫外光和可见光的能量足以使大
部分化学键断裂。
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表5-1 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
106～107
10-1～102
6、光导电材料 在光的作用下电导率能发生显 著变化的高分子材料。
7、光致变色高分子材料 在光的作用下其吸收 波长发生明显变化，从而材料外观颜色发生变 化的高分子材料。
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二、光物理和光化学原理
从光化学和光物理原理可知，包括高分子在 内许多物质吸收光子以后，可以从基态跃迁到激 发态，处于激发态的分子容易发生光化学变化 （光聚合反应、光降解反应）和光物理变化（光 致发光、光导电）。
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一、光功能高分子材料及其分类
1、光敏涂料 当聚合物在光照射下可以发生光 聚合或者光交联反应，有快速光固化性能时， 这种材料可以作为材料表面保护。 2、光刻胶或光致抗蚀剂 在光的作用下可以发 生光化学反应（光交联或者光降解），反应后 其溶解性能发生显著变化的聚合物，具有光加 工性能，可以作为集成电路工业的材料。
象，具有波长和频率。光的波长λ和频率ν之间有
如下的关系：
c
（5-1）
c为光在真空中的传播速度(2.998×108m/s)。
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7
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：
Ehhc
（5-2）
其中，h为普朗克常数（6.62×10-34 J·s）。
在光化学中所用的量是每摩尔分子所吸收的能
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3、光稳定剂 能够大量吸收光能，并且以无害 方式将其转化为热能，以阻止聚合材料发生光 降解和光氧化反应，具有抗老化作用。
4、高分子荧光剂和高分子夜光剂 有光致发光 功能的光功能高分子材料是荧光或磷光量子效 率较高的聚合物，可以用于各种分析仪器和显 示器件的制备。
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5、光能转换聚合物 能够吸收太阳光，并具有 能将太阳能转化成化学能或电能的装置，称为 光能转换装置，其中起能量转换作用的聚合物 称为光能转换聚合物。