第五章功能高分子-感光性

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第五章 感光性高分子
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,发展之势 方兴未艾。
CH CHCOC1 OCOCH 酚醛树脂 CH2 CH n
CH3 环氧树脂 C CH3 聚甲基丙烯 酸羟乙酯 CH2 CH3 C
n
O
CH2
CH
CH2
O CH
n
+
OCOCH
COO 苯乙烯 CH2 CH
CH2CH2
OCO
(Cr2O2=)、酸性铬酸离子 (HCrO4-)以及铬酸离子
(CrO4=)等形式存在。其中只有 HCrO4-是光致活 化的。它吸收250nm,350nm和440nm附近的光而 激发。因此,使用的高分子化合物必须是供氢体, 否则不可能形成HCrO4-。
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第五章 感光性高分子
当pH>8时,HCrO4-不存在,则体系不会发
CH2
CH OH
n
+ Cl
CH2
CH O
n + HCl
R CH2 CH O + n + HCl
R CH2 CH O n
R
R
O CH2 CH n
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第五章 感光性高分子
(3)芳香族叠氮化合物 十 高分子
在有机化合物中,叠氮基是极具光学活性的。
即使是最简单的叠氮化合物叠氮氢也能直接吸收光
而分解为亚氮化合物和氮。
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N2+
第五章 感光性高分子
(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。用这两种方法制备感 光性高分子各有其优缺点。下面分别介绍。
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第五章 感光性高分子
hv
HN 3
HN
N2
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第五章 感光性高分子
同样,烷基叠氮化合物和芳基叠氮化合物都可 直接吸收光而分解为中间态的亚氮化合物与氮。
RN3
hv
RN
+ N2
N3
hv
N
+ N2
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第五章 感光性高分子
烷基叠氮化合物中的烷基是孤立存在的,吸收 光波后,两者能量不连续,因此需吸收较短的波长 才能激发(300nm以下),而芳香族叠氮化合物在 300nm以上有大的吸收,这认为是被芳香环所吸收 的能量转移至叠氮基的缘故。换言之,芳香族叠氮 化合物中的芳香环和叠氮基在能量上是连续的。因 此,在用于感光高分子时,都采用芳香族叠氮化合 物。此外,一元叠氮化合物在感光高分子应用中用 处不大,有用的是二元叠氮化合物。
生光化学反应。利用这一特性,在配制感光液时,
加入氨水使之成碱性,可长期保存,不会反应。成 膜时,氨挥发而使体系变为酸性,光化学反应能正 常进行。
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第五章 感光性高分子
(2)芳香族重氮化合物 + 高分子 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:
R R N2+ Xhv -N2 R + + X(Ⅱ) +X (Ⅰ)
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第五章 感光性高分子
对双叠氮化合物的研究证明,其光分解并非是 吸收一次光而产生两个亚氮化合物的,而是两个叠 氮基团分步激发的。
N3
R
N3
hv
N3
R
N
hv
N
R
N
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第五章 感光性高分子
芳香族叠氮化合物品种繁多,通过与各种高 分子组合,已经研制出一大批芳香族叠氮类感光 高分子。按其使用形式来看,可分成两大类。 (a)水溶性芳香族双叠氮类感光高分子 例如如下的典型例子。
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Fra Baidu bibliotekCH
CH
第五章 感光性高分子
续表6-2
肉桂叉乙酰基
O
C O
CH
CH
CH
CH
300~400
O CH CH C
苄叉苯乙酮基

O C CH CH
250~400
苯乙烯基吡啶基 α-苯基马来酰亚胺 基
+
N
CH
CH
视R而定 200~400
SO3N3
CO N CO
N3 ,
C CH
叠氮基
重氮基
260~470
300~400
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。
[ CH2 O [ CH2 CH ] n OH + CH CH C Cl CH ] n O C CH O CH
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第五章 感光性高分子
2 感光性高分子材料 2.1 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,光二 聚型,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。
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第五章 感光性高分子
(1)重铬酸盐 + 亲水性高分子
重铬酸盐导致高分子化合物光固化的反应机理 尚不十分清楚。但一般认为经过两步反应进行。 首先,在供氢体(如聚乙烯醇)的存在下,六 价铬吸收光后还原成三价铬,而供氢体放出氢气生 成酮结构。
CH OH CH2 + Cr [VI] hv C O
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CH2
+ Cr + H2 [Ⅲ]
第五章 感光性高分子
然后,三价铬与具有酮结构的PVA配位形成交联固化 结构,完成第二阶段反应。
C O C O CH2 + Cr[III] O C
CH2
C O
CH2
Cr[III] O CH2 C CH2
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第五章 感光性高分子
在重铬酸盐水溶液中,Cr[VI]能以重铬酸离子
光聚合型
带感光基团的聚合物
感光化合物 + 高分子型
感 电 子 束 和 X 射 线 的 高 分 子
光 聚 合 性 单 体 + 高 分 子 化 合 物
单 独 光 聚 合 物
其 他 带 感 光 基 的 高 分 子
光 降 解 性 高 分 子
带 重 氮 基 和 叠 氮 基 的 高 分 子
聚 乙 烯 醇 肉 桂 酸 酯 及 类 似 聚 合 物
CH2 CH N CH CH2 CH
O CH CH N CH
CH2
CH2
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第五章 感光性高分子
3.2.2 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。
第五章 感光性高分子
1 概述 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。
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第五章 感光性高分子
(b)溶剂型芳香族双叠氮类感光高分子
这类双叠氮化合物以柯达公司推出的下列品种 为代表。
O N3 C
4,4'-二叠氮二苯甲酮
N3
N3
CH2
4,4'-二叠氮二苯基甲烷
N3
N3
CH
CH
N3
4,4'-二叠氮芪
O N3 CH CH C CH CH N3 N3 CH
O CH N3
4,4'-二叠氮苄叉丙酮
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第五章 感光性高分子
上述反应中,(I)是光分解反应,而(II)
是热分解反应。两者的比例取决于取代基的效应。
取代基的吸电子能力越大,则(I) 越容易发生。 但从感光高分子的实用角度看,无论反应(I) 还
是反应(II)均可引起光固化作用,因此,并不需
要加以区别。
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第五章 感光性高分子
例如下面是一种已实用的芳香族重氮化合物:
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第五章 感光性高分子
该聚合物受光照形成丁烷环而交联。
CH2
CH
n CH hv CH CH2 OCO CH n CH2 CH n CH CH CH2 OCO CH n
OCOCH + CH
OCOCH CH
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第五章 感光性高分子
下面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。
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第五章 感光性高分子
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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第五章 感光性高分子
(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6—2中。 表6—2 重要的感光基团
基团名称
烯基 肉桂酰基
O C O
结构式
C C
吸收波长 /nm
<200 300
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。
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第五章 感光性高分子
其反应过程如下:
R ClN2 R N2Cl R R +2N2+2Cl
第五章 感光性高分子
其中开发比较成熟并有实用价值的感光性高分
子材料主要是指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。
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第五章 感光性高分子
所谓光致抗蚀,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。
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第五章 感光性高分子
(4)根据骨架聚合物种类分类 PVA系,聚酯系,尼龙系,丙烯酸酯系,环氧 系,氨基甲酸酯(聚氨酯)系等。 (5)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,光聚合型等。 图6—1表明了上述分类间的相互关系。
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第五章 感光性高分子
感光性高分子
其 他 的 感 光 性 化 合 物 + 高 分 子
重 氮 和 叠 氮 基 化 合 物 + 高 分 子
重 铬 酸 盐 + 高 分 子
图5—1 感光性高分子分类
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第五章 感光性高分子
3.2 重要的感光性高分子
3.2.1 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。
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。 印刷工业是光刻胶应用的另一重要领域。1954 年首先研究成功的聚乙烯醇肉桂酸酯就是首先用于 印刷技术,以后才用于电子工业的。与传统的制版 工业相比,用光刻胶制版,具有速度快、重量轻、 图案清晰等优点。尤其是与计算机配合后,更使印 刷工业向自动化、高速化方向发展。
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第五章 感光性高分子
作为感光性高分子材料,应具有一些基本的性 能,如对光的敏感性、成像性、显影性、膜的物理 化学性能等。但对不同的用途,要求并不相同。如 作为电子材料及印刷制版材料,对感光高分子的成 像特性要求特别严格;而对粘合剂、油墨和涂料来 说,感光固化速度和涂膜性能等则显得更为重要。
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第五章 感光性高分子
4,4'-二(4'-叠氮苄叉)环己酮
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第五章 感光性高分子
将这些叠氮化合物与天然橡胶、合成橡胶或将它们环 化的环化橡胶配合,即可得到性能优良的感光性高分子。 其光固化反应主要是亚氮化合物向双键的加成。
CH2 CH + N3 CH CH2 O CH CH CH N3 + CH CH2 CH2 hv -2N2
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第五章 感光性高分子
N3 CH SO3Na CH SO3Na N3 N3 NaO3S N3
SO3Na
4, 4'-二叠氮芪 -2, 2'- 二磺酸钠
1, 5-二叠氮萘 -3, 7-二磺酸钠
它们可与水溶性高分子或亲水性高分子配合组 成感光高分子。常用的高分子有聚乙烯醇、聚乙烯 吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、甲基纤维素、乙烯醇—马 来酸酐共聚物、乙烯醇—丙烯酰胺共聚物、聚乙烯 醇缩丁醛、聚醋酸乙烯酯等。
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