旋光偶氮聚氨酯的合成、热光性能及低功耗聚合物热光开关的研究

摘要

波导光开关是光通信系统和光信息传输的关键，在光网络中扮演着重要的角色，它决定着光网络的运作，并且光网络需要记录长度以及跟踪点对点的连接，在这个过程中需要高效益的传输大量的数据。
　　 近年来，各种不同的材料都被用来研究光开关，在所有的材料中，聚合物是最有吸引力的材料，因其具有高热光系数，低导热系数，这些使得其热光系数的调制更加高效。此外用于光开关的有机聚合物材料要求分子在外界作用下具有两种可相互转变的稳定状态，偶氮苯基团就是满足这一要求的光学活性基团，它可以在光或热的作用下进行trans-cis或cis-trans异构化转变。很多光学聚合物材料要求非中心对称的包裹着活性物质。在微观的尺度上，可以通过在生色团分子上引入推拉电子基团上实现其中心不对称性;在宏观尺度上，可以通过引入手性单元来实现其中心不对称性。
　　 本文采用重氮偶合反应设计合成了含有手性单元和推拉电子基团的偶氮苯生色团分子，进一步制备偶氮聚氨酯类聚合物，并对合成的聚合物的结构进行了表征，测定了其熔点、旋光度、溶解性等物理性质，同时研究了聚合物的热稳定性、热光性能及低功耗热光开关的设计。
　　 (1)采用重氮-偶合反应方法合成了一种含有双偶氮单元的生色团分子，接着通过与酒石酸反应在生色分子上引入手型单元，再与异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)反应制备了含有双偶氮基团的聚氨酯。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。测定了聚合物材料在复合光光照射下的折射率(n)和热光系数(dn/dT)，通过热光系数的测量，计算了聚合物的介电常数(ε)、介电热光系数(dε/dT)和体积热膨胀系数(β)值。这些参数对于材料的光学应用具有重要意义。
　　 (2)制备了含有双偶氮基团的聚氨酯，采用衰减全反射(ATR)技术测定了聚合物材料薄膜在650nm波长和不同温度处的折射率(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。这些结果表明，该含手性单元的双偶氮聚氨酯旋光聚合物对研制新型数字热光开关材料具有一定的意义。
　　 (3)以对硝基苯胺、亚硝酸钠和手性试剂R(+)-α，甲基苄胺/S（-）-α-甲基苄胺为原料，采用重氮，偶合反应方法，合成了一种新型含有手性单元的偶氮非线性生色团有机分子。将生色分子与多元醇、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)制备含手性单元的偶氮苯聚氨酯。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物理性能。采用衰减全反射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)。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和分析。研究结果表明，该结构的Y型聚合物热光开关，在完成开关动作所需功耗低，响应时间约短，和传统结构的Y型聚合物热光开关相比较，在降低加热功耗和缩短开关时间方面有明显的改进。
　　 (4)以3，3'-二氯-4，4'-二-（4-氨基偶氮苯基）-二苯甲烷、亚硝酸钠和R(+)-α-甲基苄胺/S(-)-α-甲基苄胺为原料，采用重氮-偶合反应方法，合成了一种新的含双偶氮基团的非线性生色团有机分子。将生色分子与多元醇、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）制备含手性单元的双偶氮苯聚氨酯。利用傅里叶红外光谱(FT-IR)和紫外-可见光谱(UV-Vis)等分析手段聚合物进行了结构表征，并研究了聚合物材料物理性能。采用衰减全反射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)。采用CCD数字成像器件，研究了材料的传输损耗。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和分析。研究结果表明，通过在分支之间刻蚀出空气沟道，与传统结构的Y型聚合物热光开关相比较，制备的手性旋光双偶氮聚氨酯材料在降低加热功耗和缩短开关时间方面有明显的改进。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光开关

1．2．1 光开关的作用

1．2．2 光开关的种类

1．2．3 光开关性能参数及指标

1．3 应用于光开关的有机聚合物材料

1．3．1 有机聚合物应用于光开关的研究进展

1．3．2 偶氮聚合物

1．3．3 手性偶氮聚合物

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 侧链型手性双偶氮聚氨酯的合成、表征及热光性能

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 PU1的合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 PU1的紫外谱图

2．3．2 PU1的红外图谱

2．3．3 PU1的物理性能

2．3．4 PU1的热稳定性分析

2．3．5 PU1的热光性能

2．4 结论

第三章 侧链型手性双偶氮聚氨酯的合成、表征及其热光性能、传输损耗研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验主要仪器

3．2．2 实验主要仪器

3．2．3 PU2的合成

3．3 结果与讨论

3．3．1 PU2的紫外谱图

3．3．2 PU2的红外谱图

3．3．3 PU2的熔点、溶解性和旋光性

3．3．4 PU2的热稳定性分析

3．3．5 PU2的热光性能

3．3．6 光波导传输损耗的研究

3．4 结论

第四章 主链型旋光偶氮聚氨酯脲的合成、表征、热光性能的研究及光开关的模拟

4．1 引言

4．2 实验内容

4．2．1 实验主要试剂

4．2．2 实验主要仪器

4．2．3 PU3和PU4的合成路线

4．3 结果与讨论

4．3．1 PU3和PU4的紫外谱图

4．3．2 PU3和PU4的红外谱图

4．3．3 PU3和PU4的熔点、溶解性和旋光性

4．3．4 PU3和PU4的热分析

4．3．5 PU3和PU4的光致变色

4．3．6 PU3和PU4的溶致变色

4．3．7 PU3和PU4的热光性能研究

4．3．8 PU3和PU4的传输损耗

4．3．9 PU3和PU4的色散性能

4．3．10 新型低功耗Y型数字式热光开关的设计

4．4 结论

第五章 基于旋光双偶氮聚氨酯脲的热光开关的研究

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 PU5和PU6的合成路线

5．3 结果与讨论

5．3．1 PU5和PU6的紫外谱图

5．3．2 PU5和PU6的红外谱图

5．3．3 PU5和PU6的熔点、溶解性和旋光性

5．3．4 PU5和PU6的DSC分析

5．3．5 PU5和PU6的光致变色

5．3．6 PU5和PU6的溶致变色

5．3．7 PU5和PU6的热光性能研究

5．4 结论

第六章 论文总结

参考文献

致谢

在校期间发表论文