大学材料科学与工程经典第七章——光敏高分子材(参考课件)
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认证考试光敏高分子
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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。
发色团：在分子结构中能够吸收紫外和 可见光的基团。
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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。
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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
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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。
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能
量
A
成键轨道
=
2
A
-
B
B 1= A + B
(7-1)
其中，h为普朗克常数（6.62×10-34 J·s）。 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）。
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1 Ein N st h e N iv/n h c
A A-B
B
（孤立原子）（分子） （孤立原子）
轨道能量和形状示意图
本章中主要介绍: 光致抗蚀材料、光致诱蚀材料 光敏涂料
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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。
光敏高分子材料
化学键 C－H － H－H － O－H － C=C
2、光的吸收 、 发生光化学反应必然涉及到光的吸收。 发生光化学反应必然涉及到光的吸收。光的吸 透光率来表示 收一般用透光率来表示，记作T，定义为入射到体 收一般用透光率来表示，记作 ，定义为入射到体 系的光强I 与透射出体系的光强I之比 之比： 系的光强 0与透射出体系的光强 之比：
表7-2 化学键键能
键能 /(kJ/mol) 328.4 347.7 351.5 390.8 键能 /(kJ/mol) 413.4 436.0 462.8 607
化学键 键能 /(kJ/mol) 化学键 O－O － N－N － C－S － C－N － 138.9 160.7 259.4 291.6 C－Cl － C－C － C－O － N－H －
感光性高分子作为功能高分子材料的一个重要分支， 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 年由美国柯达公司的 等人开发的聚乙烯 自从 年由美国柯达公司的 等人开发的 醇肉桂酸酯成功应用于印刷制版以后， 醇肉桂酸酯成功应用于印刷制版以后，在理论研究和推 成功应用于印刷制版以后 广应用方面都取得了很大的进展，应用领域已从电子、 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、 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。 和农业等方面。
T = I Io
(7-3)
如果吸收光的体系厚度为l，浓度为 ，则有： 如果吸收光的体系厚度为 ，浓度为c，则有：
lg T = lg I I o = − ε lc
(7-4)
其中， 称为摩尔消光系数。 称为摩尔消光系数 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 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。 物的性质和光的波长有关。 和光的波长有关 发色团：在分子结构中能够吸收紫外和 发色团： 可见光的基团。 可见光的基团。
功能高分子材料课件第七章光敏高分子材料
力学性能
硬度
光敏高分子材料通常具有一定的硬度 ，能够抵抗外部压力和摩擦力，保持 稳定的性能。
韧性
耐磨性
良好的耐磨性使光敏高分子材料能够 在长期使用中保持表面的光滑度和清 晰度。
光敏高分子材料具有一定的韧性，能 够在承受冲击和弯曲时保持完整性。
电学性能
导电性
部分光敏高分子材料具有导电性，能够传输电荷，在电场作用下 产生电学响应。
目前，研究者们正在研究如何通过合成新型的环境友好型光敏高分子材料，以实现 环保和可持续发展的目标。
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感谢您的观看
电致变色
一些光敏高分子材料在电场作用下能够发生颜色变化，从而实现 电致变色效应。
光导电性
一些光敏高分子材料在光的照射下能够导电，具有光导电性，可 用于光电转换器件。
04 光敏高分子材料的发展趋 势与挑战
新材料开发
新型光敏高分子材料的研发
随着科技的不断进步，新型光敏高分子材料不断涌现，如聚合物分散液晶、聚合 物稳定液晶等，这些新材料具有更高的光敏性能和稳定性，为光敏高分子材料的 应用拓展提供了更多可能性。
高性能光敏高分子材料
高性能光敏高分子材料是指具有 优异性能的光敏高分子材料，如 高感度、高分辨率、快速响应等
。
这类材料在光电子、生物医学、 信息存储等领域具有广泛的应用
前景。
目前，研究者们正在不断探索新 型的高性能光敏高分子材料，以 提高其性能并拓展其应用领域。
多功能性光敏高分子材料
01
多功能性光敏高分子材料是指具有多种功能的光敏 高分子材料，如光、电、磁等多功能一体化。
生物医学应用
光敏高分子材料在生物医学领域的应用不断拓展。利用光敏高分子材料的感光性质，可以实现光动力治疗、光热 治疗等新型治疗方法，为肿瘤治疗、皮肤病治疗等领域提供新的治疗手段。同时，光敏高分子材料还可以应用于 药物控制释放、生物成像等领域，为生物医学研究提供新的工具和手段。
第七章.光敏高分子材料
7.1.2.2 光交联反应：分为链聚合、非链聚合两类 光交联反应：分为链聚合、
反应物带有不饱和基团的线型高分子如丙烯酸酯acrylic 链 聚 合：反应物带有不饱和基团的线型高分子如丙烯酸酯 ester、不饱和聚酯unsaturated polyester、不饱和聚乙烯醇 、不饱和聚酯 、 unsaturated polyvinyl alchool、不饱和聚酰胺 、不饱和聚酰胺unsaturated polyamine 等。 非链聚合：具有硫醇和双键的分子间发生加成聚合反应， 非链聚合：具有硫醇和双键的分子间发生加成聚合反应，或在 连聚合反应中失去氢和卤原子而成为活性自由基的 饱和大分子。 饱和大分子。 由于速度较慢，所以要加入交联剂，如重铬酸盐 由于速度较慢，所以要加入交联剂， bichromate、重氮盐diazonium salt、芳香叠氮化合物 、重氮盐 、 aroma diazoimido compound
物质吸收光需要特定的分子结构，分子中对光敏感、 物质吸收光需要特定的分子结构，分子中对光敏感、能吸收紫 外和可见光的部分称为发色团(chromophore)。 。 外和可见光的部分称为发色团
光子
分子中 发色团
能量转移
分子内部 电子结构 改变
外层电子 可以从低 能态跃迁 到高能态
高能态 激发态
化学反应 物理反应
4）激发态的淬灭excited state quench：能加速激发态分子衰减到基态或 ）激发态的淬灭 ： 者低能态的过程。芳香胺 者低能态的过程。芳香胺(aromatic amine)，脂肪胺 aliphatic amine) ，脂肪胺( 是常见的有效淬灭剂，对光化学，物理都重要。 是常见的有效淬灭剂，对光化学，物理都重要。 5）分子间或分子内的能量转移过程：吸收光子级产生激发态的能量可 ）分子间或分子内的能量转移过程： 以在不同分子或者同一分子的不同发色基团之间转移， 以在不同分子或者同一分子的不同发色基团之间转移，转移出能量 的一方为能量给体，另一方为能量受体。 的一方为能量给体，另一方为能量受体。 辐射能量转移机理： 辐射能量转移机理：能量受体接受了能量给体发 成为激发态。能量给体则回到基态。 射出的光子而 成为激发态。能量给体则回到基态。 能量转移方式 无辐射能量转移机理：能量给体和受体直接作用， 无辐射能量转移机理：能量给体和受体直接作用， 给体失去能量回到基态， 给体失去能量回到基态，受体接受能量跃迁到高 能态，完成转移过程。 能态，完成转移过程。
7第七章--光敏高分子材料
能够使激发态分子以非光形式衰减到基态或者低能态的过程 称为激发态的淬灭。
淬灭过程是光化学反应的基础之一。芳香胺和脂肪胺是常见 的有效淬灭剂，空气中的氧分子也是淬灭剂。
2020/4/14
5、分子间或分子内的能量转移过程 激发态的能量可以在不同分子或者同一分子的不同发色团之
间转移。 能量转移在光物理和光化学过程中普遍存在，特别是在聚合
移和化学反应，导致聚合物链断裂。 ②、光氧化降解过程
首先在光作用下产生的自由基，并与氧气反应生成过氧化合 物。过氧化物是自由基引发剂，产生的自由基进一步引起聚合物 的降解反应。
2020/4/14
③、催化光降解过程 当聚合物中含有光敏剂时，光敏剂分子可以将其吸收的光能
转递给聚合物，促使其发生降解反应。 光降解反应的表现： 不利方面----使高分子材料老化、机械性能变坏； 有利方面----可以使废弃聚合物被光降解消化，对环境保护有利；
2020/4/4
这种树脂具有环氧树脂的优点。
2020/4/14
②、不饱和聚酯 光敏涂料用的不饱和聚酯类光敏树脂是线性不饱和聚酯，一
般由含不饱和双键的二元酸与二元醇进行缩合反应而生成。 如，由l.2-丙二醇、邻苯二甲酸酐和马来酸酐缩聚可生成不
饱和聚酯类光敏树脂。
不饱和聚酯光敏涂料具有坚韧、硬度高和耐溶剂性好等特 点。
光敏剂应具有稳定的三线激发态。其激发能与被敏化物质 （如，光引发剂）要相匹配。
常见的光敏剂多为芳香酮类化合物。如苯乙酮和二甲苯酮。
②、光引发剂 光引发剂是指，吸收适当波长和强度的光能后，可以发生光
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物理过程至某一激发态，若该激发态的激发能大于化合物中某一 键断裂所需的能量，因而发生光化学反应，该化学键断裂，生成 自由基或者离子，成为光聚合反应的活性种。具备上述功能的化 合物均可以用作光引发剂。
淬灭过程是光化学反应的基础之一。芳香胺和脂肪胺是常见 的有效淬灭剂，空气中的氧分子也是淬灭剂。
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5、分子间或分子内的能量转移过程 激发态的能量可以在不同分子或者同一分子的不同发色团之
间转移。 能量转移在光物理和光化学过程中普遍存在，特别是在聚合
移和化学反应，导致聚合物链断裂。 ②、光氧化降解过程
首先在光作用下产生的自由基，并与氧气反应生成过氧化合 物。过氧化物是自由基引发剂，产生的自由基进一步引起聚合物 的降解反应。
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③、催化光降解过程 当聚合物中含有光敏剂时，光敏剂分子可以将其吸收的光能
转递给聚合物，促使其发生降解反应。 光降解反应的表现： 不利方面----使高分子材料老化、机械性能变坏； 有利方面----可以使废弃聚合物被光降解消化，对环境保护有利；
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这种树脂具有环氧树脂的优点。
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②、不饱和聚酯 光敏涂料用的不饱和聚酯类光敏树脂是线性不饱和聚酯，一
般由含不饱和双键的二元酸与二元醇进行缩合反应而生成。 如，由l.2-丙二醇、邻苯二甲酸酐和马来酸酐缩聚可生成不
饱和聚酯类光敏树脂。
不饱和聚酯光敏涂料具有坚韧、硬度高和耐溶剂性好等特 点。
光敏剂应具有稳定的三线激发态。其激发能与被敏化物质 （如，光引发剂）要相匹配。
常见的光敏剂多为芳香酮类化合物。如苯乙酮和二甲苯酮。
②、光引发剂 光引发剂是指，吸收适当波长和强度的光能后，可以发生光
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物理过程至某一激发态，若该激发态的激发能大于化合物中某一 键断裂所需的能量，因而发生光化学反应，该化学键断裂，生成 自由基或者离子，成为光聚合反应的活性种。具备上述功能的化 合物均可以用作光引发剂。
《光敏型高分子》PPT课件
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11.1.2.1 光交联（光聚合）反应
光交联（或光聚合）反应是指化合物由于 吸收了光能而发生化学反应，引起产物分子 量增加的过程，此时反应物是小分子单体， 或者分子量较低的低聚物。当反应物为线性 聚合物时，光化学反应的结果是在高分子链 之间发生交联，生成网状聚合物，此时称其 为光交联反应。光聚合的主要特点是反应的 温度适应范围宽，可以在很大的温度范围内 进行，特别适合于低温聚合反应。
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11.1.1.3 光量子效率
物质分子在吸收光后跃迁至激发单 线态后，从激发态开始的转变过程有 多种，光量子效率被用来描述荧光过 程或磷光过程中光能利用率，其定义 为物质分子每吸收单位光强度后，发 出的荧光强度与入射光强度的比值称 为荧光效率；发出的磷光强度与入射 光强度的比值称为磷光量子效率：
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11.1.1.5 分子间或分子内的能量转移过程
吸收光子后产生激发态的能量可以在不同分子或者 同一分子的不同发色团之间转移，转移出能量的一方 为能量给体，另一方为能量受体。能量转移可以通过 辐射能量转移机理完成，其中能量受体接收了能量给 予体发射出的光子而成为激发态，能量给予体则回到 基态，一般表现为远程效应。也可以通过无辐射能量 转移机理完成，能量给体和能量受体直接发生作用， 给予体失去能量回到基态或者低能态，受体接受能量 而跃迁到高能态，完成能量转移过程。这一过程要求 给体与受体在空间上要互相接近，因此是一个邻近效 应。能量转移在光物理和光化学过程中普遍存在。
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11.1.1.4 激发态的猝灭
能够使激发态分子以非光形式衰减到基态或者低 能态的过程叫激发态的猝灭，猝灭过程通常表现出 光量子效率降低，荧光强度下降，甚至消失。根据 猝灭的机理不同，猝灭过程可以分成动态猝灭和静 态猝灭两种。当通过猝灭剂和发色团碰撞引起猝灭 时，称为动态猝灭；当通过发色团与猝灭剂形成不 发射荧光的基态复合物导致猝灭时称这一过程为静 态猝灭。猝灭过程是光化学反应的基础之一，芳香 胺和脂肪胺是常见的有效猝灭剂，空气中的氧分子 也是猝灭剂。猝灭剂的存在对光化学和光物理过程 都有重要影响。
11.1.2.1 光交联（光聚合）反应
光交联（或光聚合）反应是指化合物由于 吸收了光能而发生化学反应，引起产物分子 量增加的过程，此时反应物是小分子单体， 或者分子量较低的低聚物。当反应物为线性 聚合物时，光化学反应的结果是在高分子链 之间发生交联，生成网状聚合物，此时称其 为光交联反应。光聚合的主要特点是反应的 温度适应范围宽，可以在很大的温度范围内 进行，特别适合于低温聚合反应。
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11.1.1.3 光量子效率
物质分子在吸收光后跃迁至激发单 线态后，从激发态开始的转变过程有 多种，光量子效率被用来描述荧光过 程或磷光过程中光能利用率，其定义 为物质分子每吸收单位光强度后，发 出的荧光强度与入射光强度的比值称 为荧光效率；发出的磷光强度与入射 光强度的比值称为磷光量子效率：
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11.1.1.5 分子间或分子内的能量转移过程
吸收光子后产生激发态的能量可以在不同分子或者 同一分子的不同发色团之间转移，转移出能量的一方 为能量给体，另一方为能量受体。能量转移可以通过 辐射能量转移机理完成，其中能量受体接收了能量给 予体发射出的光子而成为激发态，能量给予体则回到 基态，一般表现为远程效应。也可以通过无辐射能量 转移机理完成，能量给体和能量受体直接发生作用， 给予体失去能量回到基态或者低能态，受体接受能量 而跃迁到高能态，完成能量转移过程。这一过程要求 给体与受体在空间上要互相接近，因此是一个邻近效 应。能量转移在光物理和光化学过程中普遍存在。
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11.1.1.4 激发态的猝灭
能够使激发态分子以非光形式衰减到基态或者低 能态的过程叫激发态的猝灭，猝灭过程通常表现出 光量子效率降低，荧光强度下降，甚至消失。根据 猝灭的机理不同，猝灭过程可以分成动态猝灭和静 态猝灭两种。当通过猝灭剂和发色团碰撞引起猝灭 时，称为动态猝灭；当通过发色团与猝灭剂形成不 发射荧光的基态复合物导致猝灭时称这一过程为静 态猝灭。猝灭过程是光化学反应的基础之一，芳香 胺和脂肪胺是常见的有效猝灭剂，空气中的氧分子 也是猝灭剂。猝灭剂的存在对光化学和光物理过程 都有重要影响。
光敏高分子材料
S2
vr
ic
T2
S1
isc
abs
T1
f1 ic phos
isc
S0
Jablonsky光能耗散图
一、高分子光物理和光化学基本原理
光量子效率
• 用来描述激发能以荧光过程或者磷光过程耗散时 的光能利用率。
荧光（磷光）效率
荧光（磷光）强度 入射光强度
F
/(q
*
A)
影响因素： 1）分子结构：共轭结构的分子体系量子效率较高 2）取代基：卤素（荧光量子效率 ，磷光量子效率 ）
表达式为：
E h hc
• 用入射光与投射光的比值表示化合物对光的吸收 程度，可以用Beer-Lambert公式表示：
log I 0 cl
I
一、高分子光物理和光化学基本原理
激发能的耗散
• 分子吸收光子后从基态跃迁到激发态，其获得的激发能有三种 可能的转化方式：
– 发生光化学反应 – 以发射光的形式耗散能量 – 通过其他方式转化成热能
增加了级间窜跃
3）化合物浓度：荧光强度随浓度先增加后降低
溶质对产生的荧光有再吸收作用
一、高分子光物理和光化学基本原理
激发态的猝灭 • 能够使激发态分子以非光形式衰减到基态或者低能态
的过程叫激发态的猝灭。（能量转移过程） • 根据猝灭的机理不同，可以分为：
– 动态猝灭:通过猝灭剂和发色团碰撞引起猝灭。 – 静态猝灭:通过发色团与猝灭剂形成不发射荧光的基态复合物
完成猝灭。 • 常见猝灭剂：芳香胺、脂肪胺、（空气中的氧分子）
一、高分子光物理和光化学基本原理
分子间或分子内的能量转移过程 • 两种机理：
– 辐射能量转移机理：远程效应 – 无辐射能量转移机理：近程效应
光敏高分子材料
光敏高分子材料1. 概述光敏高分子材料是一种特殊的高分子材料，它具有对光的敏感性，能够在受到光的照射后发生一系列化学或物理变化。
这种材料具有广泛的应用潜力，在光学、光电子学、生物医学等领域得到了广泛的关注和研究。
2. 光敏高分子材料的分类根据光敏高分子材料的结构和机理，可以将其分为以下几类：2.1 光致变色材料光致变色材料能够在受到光照后改变其颜色，这种变色效应是由于材料内部的化学或物理结构发生了改变所致。
光致变色材料有着广泛的应用，如液晶显示屏、光学存储介质等。
2.2 光敏聚合物光敏聚合物能够在受到光照后发生聚合反应，从而改变其物理或化学性质。
这种材料常用于光刻工艺、光刻胶、光纤光缆等领域。
2.3 光敏降解材料光敏降解材料可以在光照下发生分解反应，从而改变物质的性质或失去其功能。
这种材料常用于药物递送系统、可降解材料等领域。
2.4 光敏流变材料光敏流变材料在受到光照后会发生形态变化，从而改变其流变特性。
这种材料常用于可调谐光学器件、人工肌肉等领域。
3. 光敏高分子材料的制备方法光敏高分子材料的制备方法多种多样，以下是几种常见的方法：3.1 光化学方法光化学方法是通过光照下进行化学反应来制备光敏高分子材料。
这种方法可以控制反应的位置、速率和产物，具有较高的选择性和灵活性。
3.2 光修饰方法光修饰方法是将已有的高分子材料用光敏分子进行修饰，从而赋予材料光敏性。
这种方法无需从头合成材料，节省了制备成本。
3.3 模板聚合方法模板聚合方法是在模板分子的作用下进行聚合反应，制备具有特定结构和功能的光敏高分子材料。
这种方法可以控制材料的形貌和性能。
4. 光敏高分子材料的应用领域光敏高分子材料具有广泛的应用潜力，以下是几个典型的应用领域：4.1 光刻工艺光敏高分子材料可用于光刻工艺中的光刻胶，用于制备微电子器件。
其优点是可调谐性好、制备成本低，能够满足不同工艺需求。
4.2 光学存储介质光敏高分子材料可用于制备光学存储介质，实现信息的写入和读出。
第7章 光敏高分子材料
一、光化学和光物理原理
• 光（包括可见光、紫外光和红外线）是光敏高分 子材料各种功能发生的基本控制因素，一切功能 的产生都是材料吸收光以后发生相应物理化学变 化的结果。物质吸收光子以后，可以从基态跃迁 到激发态，处在激发态的分子容易发生各种变化， 这种变化可以是化学的，如光聚合光降解；也可 以是物理的，如光致发光、光导电。
• 光导聚合物的应用 • 1、在静电复印和激光打印中的应用 • 2、光导材料在图象传感器方面的应用
利用在光照射下分子互变异构储存太阳能
思考题
1、简述光交联和光聚合。 2、简要介绍Jablonsky光能耗散图。 3、光敏涂料的光源选择有哪些方面可以考虑？ 4、光刻胶的定义。 5、简述深紫外光致刻蚀剂的原理及优点。 6、要提高光导电体的光电流，需要哪些条件。 7、光导电聚合物可能有哪三种结构形式？ 8、举例说明光照射下分子互变异构储存太阳能。
6）高分子光导材料 在光照下，电导率能显著增加的材料称为光导材料。 光检 测元件， 光电子器件。
7）光致变色高分子 材料吸收光以后，分子结构发生改变，引起吸收波长发生 显著变化，从而材料外观颜色发生变化的高分子材料为光致变色材料。
8）高分子光力学材料 在光作用下，材料分子结构的变化，引起外型尺寸变化， 光控机械运动。
电子束和x射线作为激发源。。。。
第三节 高分子光稳定剂
材料的老化；光老化；光化学反应；自由基； 一 、光降解和光氧化
光的吸收 光吸光度 光量子效率 高分 子材料中的吸光性添加剂和杂质对光的吸 收重要，染料和颜料
引发机理 自由基的产生 过氧自由基 光 敏物质
二、光稳定剂的作用机制
聚合物抗老化的两种方式：
光照引起分子结构改变。从而导致聚合物整 体尺寸改变的可逆变化称为光力学现象。
光敏高分子材料(1)幻灯片PPT
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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。
5
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。
6
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。
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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π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，π轨道的能级比n轨道 的低，所以π →π*跃迁比n →π*跃迁需要较高的 能量（较短的波陡）的光。
B
（孤立原子）（分子）（孤立原子）
轨道能量和形状示意图
( * ) 2
( ) 1
2 ( * ) 1 ( )
20
O
下面仅举甲醛分子的例子来说明各种化学键。
HC H
SP*
E Px C
σ* π*
n
n
Px Py Pz
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。
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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。
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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。
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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π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，π轨道的能级比n轨道 的低，所以π →π*跃迁比n →π*跃迁需要较高的 能量（较短的波陡）的光。
B
（孤立原子）（分子）（孤立原子）
轨道能量和形状示意图
( * ) 2
( ) 1
2 ( * ) 1 ( )
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O
下面仅举甲醛分子的例子来说明各种化学键。
HC H
SP*
E Px C
σ* π*
n
n
Px Py Pz
光敏型高分子课件
光敏型高分子课件
表11-2 可用于光聚合反应的单体结构
结构名称 丙烯酸基
化学结构
结构名称
化学结构
C H 2 = C H C O O
乙烯基硫醚 基
C H 2 = C H S
甲基丙烯 酸基
C H 2 = C H ( C H 3 )C O O乙烯基胺基
C H 2 = C H N H
丙烯酰胺 基
顺丁烯二 酸基
光敏型高分子课件
表11-3 光引发剂的种类和使用波长
种类
羰基化 合物
感光波长 代表化合
/nm
物
360～420 安息香
种类 卤化物
感光波长 /nm
300～400
代表化合 物
卤化银、 溴化汞
偶氮化 340～400 偶氮二异 色素类 400～700 核黄素
合物
丁腈
有机硫 280～400 硫醇，硫 有机金属 300～450 烷基金属
敏感，能吸收紫外和可见光的部分被称为发色
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，此时我们
称分子处于激发态，激发态分子具有的能量称
为激发能。激发态的产生与光子能量和光敏材
料分子结构有对应关系。只有满足特定条件激
发态才会产生。激发态是一种不稳定状态，很
光敏型高分子课件
11.1.1.5 分子间或分子内的能量转移过程
吸收光子后产生激发态的能量可以在不同分子或 者同一分子的不同发色团之间转移，转移出能量的一 方为能量给体，另一方为能量受体。能量转移可以通 过辐射能量转移机理完成，其中能量受体接收了能量 给予体发射出的光子而成为激发态，能量给予体则回 到基态，一般表现为远程效应。也可以通过无辐射能 量转移机理完成，能量给体和能量受体直接发生作用， 给予体失去能量回到基态或者低能态，受体接受能量 而跃迁到高能态，完成能量转移过程。这一过程要求 给体与受体在空间上要互相接近，因此是一个邻近效 应。能量转移在光物理和光化学过程中普遍存在。
表11-2 可用于光聚合反应的单体结构
结构名称 丙烯酸基
化学结构
结构名称
化学结构
C H 2 = C H C O O
乙烯基硫醚 基
C H 2 = C H S
甲基丙烯 酸基
C H 2 = C H ( C H 3 )C O O乙烯基胺基
C H 2 = C H N H
丙烯酰胺 基
顺丁烯二 酸基
光敏型高分子课件
表11-3 光引发剂的种类和使用波长
种类
羰基化 合物
感光波长 代表化合
/nm
物
360～420 安息香
种类 卤化物
感光波长 /nm
300～400
代表化合 物
卤化银、 溴化汞
偶氮化 340～400 偶氮二异 色素类 400～700 核黄素
合物
丁腈
有机硫 280～400 硫醇，硫 有机金属 300～450 烷基金属
敏感，能吸收紫外和可见光的部分被称为发色
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，此时我们
称分子处于激发态，激发态分子具有的能量称
为激发能。激发态的产生与光子能量和光敏材
料分子结构有对应关系。只有满足特定条件激
发态才会产生。激发态是一种不稳定状态，很
光敏型高分子课件
11.1.1.5 分子间或分子内的能量转移过程
吸收光子后产生激发态的能量可以在不同分子或 者同一分子的不同发色团之间转移，转移出能量的一 方为能量给体，另一方为能量受体。能量转移可以通 过辐射能量转移机理完成，其中能量受体接收了能量 给予体发射出的光子而成为激发态，能量给予体则回 到基态，一般表现为远程效应。也可以通过无辐射能 量转移机理完成，能量给体和能量受体直接发生作用， 给予体失去能量回到基态或者低能态，受体接受能量 而跃迁到高能态，完成能量转移过程。这一过程要求 给体与受体在空间上要互相接近，因此是一个邻近效 应。能量转移在光物理和光化学过程中普遍存在。
《光敏高分子》PPT课件 (2)
CH3 —C—
CH3
O —O—CH2—
O
OH
OH
O
A + O
O
CH2=CHCOOH 叔胺 CH2=CHC—O—CH2CH—A—CHCH2—O—CCH=CH2
环氧特点：粘结力强，耐腐蚀。
引入丙烯酸、酸酐、富马酸是为了引入双键，提供光交联反应
活性点。
精选课件ppt
32
2）不饱和聚酯unsaturated polyester： 为了引入双键，以不饱和羧酸衍生物与二元醇缩合生成酯类。
性能：流平性levelling property，机械性能mechanical property， 化学稳定性chemical stability，光泽brilliance，粘结力cohesive force， 固化速度curing speed等。
精选课件ppt
35
1）流平性：涂料被涂刷之后，其表面在张力作用下迅速平整光滑 的过程。
含重氮萘醌的正性光刻胶临重氮醌在紫外光作用下失去n2后进行重排转变成烯酮然后经过水解产生可溶于稀碱的茚酸它是一类广泛使用的正性光刻采用含有叠氮醌类化合物的材料经光照后会发生光分解反应由油溶性变为水溶性可以制成正性胶光刻胶根据在显影过程中曝光区域的去除或保留可分为两种正性光刻胶positivephotoresist和负性光刻胶negativephotoresist正性光刻胶之曝光部分发生光化学反应会溶于显影液而未曝光部份不溶于显影液仍然保留在衬底上将与掩膜上相同的图形复制到衬底上
SiO2 Si
Positive
Resist Base
Coat
Mask
Negative
Expose
Develop
精选课件ppt
大学材料科学与工程课件第七章-光敏高分子材
生物技术
将生物技术与光敏高分子 材料相结合，开发具有生 物活性的光敏材料，用于 生物医学领域。
环保与可持续发展
绿色合成方法
开发环保、低能耗的合成方法，减少光敏高分子 材料生产过程中的环境污染。
可降解材料
研究可降解的光敏高分子材料，降低废弃物对环 境的影响。
循环利用
实现光敏高分子材料的循环利用，提高资源利用 率，降低能源消耗。
生物医学应用
将光敏高分子材料应用于生物医学领域，如光动力治疗、光热治疗等，通过光敏反应产生的能量对病变组织进行 无创治疗，提高治疗效果并降低副作用。
05
光敏高分子材料的未来展 望
新技术融合
纳米技术
利用纳米材料的光学、电 学和化学特性，提高光敏 高分子材料的性能和稳定 性。
3D打印技术
结合3D打印技术，实现光 敏高分子材料的个性化定 制和复杂结构制造。
01
02
03
导电性
部分光敏高分子材料具有 一定的导电性，可以用场作用下能够发生颜色变 化，可用于制造电致变色 器件。
光电效应
一些光敏高分子材料能够 将光能转换为电能，用于 制造光电传感器和太阳能 电池。
04
光敏高分子材料的发展趋 势与挑战
新材料开发
创新应用场景
智能传感器
利用光敏高分子材料的感光特性，开发用于检测环境变化和生物 信息的智能传感器。
生物医学工程
将光敏高分子材料应用于生物医学工程领域，如药物传递、组织工 程和生物成像等。
能源领域
利用光敏高分子材料的能量转换和存储特性，开发高效的光伏电池 和储能器件。
感谢观看
THANKS
特性
具有优异的光敏性、稳定性和良好的 加工性能，能够实现光固化、光引发 、光交联等反应，广泛应用于光刻胶 、感光树脂、光敏涂料等领域。
电子教案与课件：《功能高分子材料》第7章 光敏高分子材料
III. The types of photo-sensitive polymer
• 2. Photosensitive coating materials: • some materials could be polymerization or cross-
linking by light action and solidification quickly called photosensitive coating materials—light solidification coating
I.The definition of photo-active polymer:
• The polymers show some special chemical or physical properties when light (UV or visual light) is used to action on the polymers.
Chapter Seven: Chemistry of Photoactive Polymers
Q1: What is “light”？ Electromagnetic wave? Energy? Particle—photon? Q2: What are abilities of “light”？ Energy transmission? Energy change in form? Photo-chemistry reaction? Q3: What colour of light you can see?
Jablonsky dissipation of light
S2
vr
ic
T2
S1
isc
abs
功能高分子相关材料课件第七章光敏高分子相关材料
材料
8
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γ射 线等。
2019/9/20
材料
9
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：
(2) 能形成电荷转移络合物。
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材料
35
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。
D hv D* A D + A*
2019/9/20
材料
第七章 光敏高分子材料
2019/9/20
材料
1
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
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材料
11
表7-1 各种波长的能量
光线名称 波长 /nm 能量 /kJ 光线名称
微 波 106～107 10-1～10-2
红外线 103～106 10-1～102 紫外线
可见光
800
147
波长 /nm 400 300 200
能量 /kJ 299 399 599
700
171
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Ehhc (7-1)
其中，h为普朗克常数（6.62×10-34 J·s）。 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）。
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1 Ein N st h e N iv/n h c
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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。
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表7-1 各种波长的能量
光线名称 波长 /nm 能量 /kJ 光线名称
微 波 106～107 10-1～10-2
红外线 103～106 10-1～102 紫外线
可见光
800
147
波长 /nm 400 300 200
能量 /kJ 299 399 599
700
171
100
1197
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。
2
2021/2/17
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 ………………
3
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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
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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。
5
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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。
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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。
化学键 C－H H－H O－H C=C
键能 /(kJ/mol)
413.4 436.0 462.8 607
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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I0与透射出体系的光强I之比：
T I Io
(7-3)
如果吸收光的体系厚度为l，浓度为c，则有：
600
201
X射线
10-1
106
500
239
γ射线
10-3
108
12
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表7-2化学键键能
化学 键
键能 /(kJ/mol)
化学 键
O－O
138.9
C－Cl
N－N
160.7
C－C
C－S
259.4
C－O
C－N
291.6
N－H
键能 /(kJ/mol)
328.4 347.7 351.5 390.8
1.197105kJ1.24103(eV)
(nm) (nm)
(7-2)
其中，N为阿伏加德罗常数（6.023×1023）。 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，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。
第七章 光敏高分子材料
1
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
lg Tlg IIolc (7-4)
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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。
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
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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。
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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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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。
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γ射 线等。
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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：
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。
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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。
其中，h为普朗克常数（6.62×10-34 J·s）。 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）。
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1 Ein N st h e N iv/n h c
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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。
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11
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表7-1 各种波长的能量
光线名称 波长 /nm 能量 /kJ 光线名称
微 波 106～107 10-1～10-2
红外线 103～106 10-1～102 紫外线
可见光
800
147
波长 /nm 400 300 200
能量 /kJ 299 399 599
700
171
100
1197
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。
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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 ………………
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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
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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。
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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。
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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。
化学键 C－H H－H O－H C=C
键能 /(kJ/mol)
413.4 436.0 462.8 607
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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I0与透射出体系的光强I之比：
T I Io
(7-3)
如果吸收光的体系厚度为l，浓度为c，则有：
600
201
X射线
10-1
106
500
239
γ射线
10-3
108
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表7-2化学键键能
化学 键
键能 /(kJ/mol)
化学 键
O－O
138.9
C－Cl
N－N
160.7
C－C
C－S
259.4
C－O
C－N
291.6
N－H
键能 /(kJ/mol)
328.4 347.7 351.5 390.8
1.197105kJ1.24103(eV)
(nm) (nm)
(7-2)
其中，N为阿伏加德罗常数（6.023×1023）。 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，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。
第七章 光敏高分子材料
1
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
lg Tlg IIolc (7-4)
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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。
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
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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。
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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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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。
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γ射 线等。
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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：
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。
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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。