偶氮聚氨酯脲的合成、表征及光开关性能研究

摘要

偶氮聚合物材料因其特殊的光响应性，具有潜在的应用价值而备受关注，可应用于光存储器、全息图像存储、光开关、光学计算、地势折射和索引光栅、液晶器件、光衍射器件等应用领域。在过去十几年中，已经合成出具有不同结构的偶氮聚合物，如侧链型偶氮聚合物、主链型偶氮聚合物、交联型偶氮聚合物和树枝状偶氮聚合物等。
　　 在光通信网络中，光开关及其阵列起到了重要的作用。随着通信系统的发展，低串扰、低损耗、低功耗及响应时间短的光开关才能更好的适用于光网络。近年来，由于聚合物波导材料在集成化多功能设备和大规模生产中具有潜在的应用价值，人们对有机聚合物光波导热光开关设备进行了深入的研究。聚合物材料有高的热光系数和低的导热系数，并且其的导热系数是传统硅材料的10倍，因而这种材料为开发低功耗的小型热光设备提供了条件。
　　 本文采用重氮偶合反应设计合成了含有偶氮基团的生色团分子，进一步采用聚合反应制备了偶氮聚氨酯脲。对合成的聚合物进行了结构表征，测定了其熔点、溶解性等物理性质，同时研究了其热稳定性、机械性能、热光性能及基于聚合物热光开关。
　　 (1)以聚醚二元醇、1，1'-偶氮双甲酰胺和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)为原料，合成了含有偶氮基团的主链型聚氨酯脲。对合成的聚合物进行红外、紫外和DSC分析。DSC分析表明，该类聚合物材料玻璃化转变温度较高，热稳定性较好。采用原子力显微镜(AFM)对聚合物薄膜的表面进行了分析。实验测定了聚合物材料在不同波长和不同温度下的折射率（n）和热光系数(dn/dT)。利用光束传播法(FD-BPM)结合有限元法对该热光开关进行了模拟和分析。结果发现，设计的基于聚合物的Y型、MZI型热光开关，响应速度快且功耗低。
　　 (2)以对硝基苯胺、亚硝酸钠和间苯二胺为原料，采用重氮-偶合反应，合成了4-（4'-硝基苯基-二氮烯基）苯基-1，3-二胺。将生色分子与二元醇、IPDI反应制备了侧链型偶氮苯聚氨酯脲。采用原子力显微镜(AFM)对聚合物薄膜的表面进行了分析。采用衰减全反射(ATR)技术测定了聚合物材料薄膜在不同温度和不同波长处的折射率（n），结果表明，材料具有较高的热光系数(dn/dT)。采用CCD数字成像器件，通过数字成像对光波导内部的传输光强进行测量，得到波导的传输损耗。利用光束传播法(FD-BPM)结合有限元法对该热光开关进行了模拟和分析。结果表明，该光功能型聚合物对研制新型数字热光开关具有一定的意义。
　　 (3)以2-氨基苯并噻唑、亚硝酸钠和间苯二胺为原料合成了一种新型杂环偶氮有机生色团分子，以生色分子与多元醇、IPDI为原料，制备出新型杂环类偶氮聚氨酯脲。利用傅里叶红外光谱(FT-IR)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等分析手段对聚合物进行了结构表征，并研究了聚合物材料的物理性能。采用CCD数字成像器件研究了材料的传输损耗。通过Sellmeyer方程，研究了材料的色散曲线和色散系数。利用光束传播法(FD-BPM)结合有限元法对该热光开关进行了模拟和分析。研究结果表明，聚合物热光开关与传统结构的热光开关相比较，有了明显的改进:完成开关动作所需功耗低且响应时间短。
　　 (4)采用重氮-偶合反应方法，以2-氨基-6-硝基苯并噻唑、亚硝酸钠和间苯二胺为原料，合成了一种含吸电子基团的杂环偶氮生色分子，并以生色分子与聚醚多元醇、IPDI为原料，合成了新型含吸电子基团的杂环偶氮聚氨酯脲。采用ATR技术测定了材料在不同波长和不同温度处的折射率(n)，得到热光系数(dn/dT)。实验研究了材料的传输损耗，结果表明材料的传输损耗较小。由Sellmeyer方程研究了材料的色散性能。利用光束传播法(FD-BPM)结合有限元法对该热光开关进行了模拟。这些参数对于材料的光学应用具有重要意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 偶氮聚合物材料

1．2．1 偶氮聚合物材料概述

1．2．2 偶氮苯聚合物体系

1．2．3 偶氮聚合物的光学活性及应用

1．3 光开关

1．3．1 光开关研究的意义

1．3．2 光开关的主要性能参数

1．3．3 光波导光开关分类

1．3．4 有机聚合物热光开关

1．3．5 热光开关的发展前景

1．4 本课题研究的目的和意义

1．5 本课题研究的主要内容

第二章 主链型偶氮聚氨酯脲的合成、表征及热光开关性能的研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验主要原料

2．2．2 实验主要仪器

2．2．3 主链型偶氮聚氨酯脲的合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 PU1和PU2的结构表征和形貌分析

2．3．2 PU1和PU2的物理性能

2．3．3 PU1和PU2的热光性能

2．3．4 光波导膜传输损耗的研究

2．3．5 PU1和PU2的色散性能

2．3．6 热光开关的设计与模拟

2．4 结论

第三章 侧链型偶氮聚氨酯脲的合成、光性能及低功耗光开关的研究

3．1 引言

3．2 实验内容

3．2．1 实验主要试剂

3．2．2 实验主要仪器

3．2．3 PU3和PU4的合成

3．3 结果与讨论

3．3．1 PU3和PU4的结构表征和形貌分析

3．3．2 PU3和PU4的物理性能

3．3．3 PU3和PU4的热光性能研究

3．3．4 PU3和PU4膜的传输损耗的研究

3．3．5 PU3和PU4的色散性能

3．3．6 Y型低功耗热光开关的模拟

3．4 结论

第四章 杂环偶氮聚氨酯脲的合成、物理性能及热光开关的研究

4．1 引言

4．2 实验内容

4．2．1 实验主要原料

4．2．2 实验主要仪器

4．2．3 PU5和PU6的合成

4．3 结果与讨论

4．3．1 PU5和PU6的结构表征

4．3．2 PU5和PU6的物理性能

4．3．3 PU5和PU6的热光性能研究

4．3．4 PU5和PU6的传输损耗研究

4．3．5 PU5和PU6的色散性能

4．3．6 低功耗热光开关的模拟

4．4 结论

第五章 含吸电子基团的杂环偶氮聚氨酯脲的制备及低功耗热光开关的研究

5．1 引言

5．2 实验内容

5．2．1 实验主要原料

5．2．2 实验主要仪器

5．2．3 PU7和PU8的合成

5．3 结果与讨论

5．3．1 PU7和PU8的结构表征

5．3．2 PU7和PU8的物理性能

5．3．3 PU7和PU8的热光性能研究

5．3．4 PU7和PU8的传输损耗研究

5．3．5 PU7和PU8的色散性能

5．3．6 低功耗光开关的模拟

5．4 结论

第六章 论文总结和展望

6．1 论文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文