7.6.2. Флуоресцирующие полимеры.
В целом ряде областей применения от полимеров требуются определённые оптические характеристики (прозрачность, яркая окраска и пр.) Способность преобразовывать энергию излучения одного спектрального состава в излучение с другим спектральным составом также является важнейшим свойством полимеров и используется при изготовлении пластмассовых сцинтилляторов, активных элементов для лазерной техники, флуоресцирующих пигментов и красок и пр.
Известно, что многие органические соединения обладают способностью люминесцировать (светиться) под действием излучений различного типа. Если источником возбуждающей энергии служат УФ-лучи и лучи коротковолновой части видимой области спектра (фотолюминесценция), то это и будет флуоресценция.
Чтобы полимер обладал люминесценцией, макромолекула должна иметь определённое строение, например, развитую систему сопряжённых связей, достаточно жёсткую структуру и т.д. Большинство флуоресцирующих полимеров, получаемых полимеризацией, представляют собой сополимеры низкомолекулярных люминофоров с винильными группами и традиционных ненасыщенных соединений. В качестве первых сомономеров обычно используют производные нафталина, антрацена, пирена, т.е. содержащих конденсированные бензольные кольца. В качестве второго сомономера применяют, как правило, стирол и производные акриловых и метакриловых кислот. Для поликонденсационных полимеров структуры, содержащие коденсированные бензольные или гетероциклы, должны обладать как минимум двумя функциональными группами. В настоящее время синтезировано большое количество полимеров различной природы, обладающих флуоресценцией.
Важной областью применения флуоресцирующих полимеров является регистрация ионизирующих излучений – пластмассовые сцинтилляторы (ПС). Чаще всего в качестве основы для ПС используют полистирол и его производные.
Другой областью использования флуоресцирующих полимеров – создание конвертирующих полимерных композиций. Метод конвертирования предназначен для сбора света с источника любой площади и объёма. При конвертировании наряду с уменьшением сечения светового пучка происходит сдвиг его спектра в длинноволновую область.
Конвертор – полимерная пластина с введённым в неё лиминофором – является промежуточным приёмником: световой поток от сцинтиллятора падает на большую грань пластины и выходит в виде более длиноволнового свечения через меньшую грань пластины на приёмник света, например, фотоэлектронный умножитель. Чаще всего для этих целей используют полиметилметакрилат, а в качестве люминофора – производные кватерфенила.
Несколько лет назад появились светодиодные индикаторы на основе органических электролюминесцентных соединений OLED – Organic Light-Emitting Diode. Первое сообщение (1990 г.) об электролюминесценции полимера принадлежит исследовательской группе Кембриджского института под руководством Ричарда Френда. Это оказался полипарафениленвинилен (РРV) – полимер с чередующимися сопряжёнными двойными связями, излучающий в жёлто-зелёной области.
Светоизлучающая структура состояла всего из трёх слоёв: тонкий слой полимера находился между слоем смешанного оксида индия – олова и катодным электродом.
Год спустя будущий лауреат Нобелевской премии по химии Алан Хиггер и его сотрудники по Калифорнийскому университету в Санта-Барбаре представляет аналог РРV – растворимый в хлороформе и ксилоле поли-[2-метокси-5-(2`-этилгексилокси)-1,4-фенилвинилен] (МЕН-РРV) с оранжевым цветом свечения.
В настоящее время получены полимеры, излучающие практически во всей видимой области спектра, включая белый цвет и ИК-область, причём яркость свечения превосходит яркость экрана большинства телевизоров. Индикаторы получались небольшой толщины - всего несколько микрон.
Такие индикаторы применяются в мобильных телефонах, цифровых фотоаппаратах, электронных часах, автомобильной аудиоаппаратуре и других приборах.
Ещё одна область применения флуоресцирующих материалов – лазерная техника. Основными параметрами лазеров является порог генерации, эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию стимулированного излучения, частота генерации, а также стабильность активного вещества в работе. Одним из важных преимуществ полимерных лазеров является возможность получения (при соответствующем выборе люминофора) интенсивного когерентного излучения почти любой длины волны в диапазоне 330 – 1270 нм (0,33 – 1,27 мкм, т.е. от ближней УФ, всей видимой и части ИК области спектра.) Вспомним:
0,01 – 0,38 - 0,76 - 2,5 мкм
УФ видим. ИК
Полимерные лазеры представляют собой полимер с введённым в него органическим люминофором. Введение люминофоров в полимер ограничивается их растворимостью как в мономере, так и в полимере. Полимер должен обладать высокой прозрачностью как в области возбуждения люминофора, так и в области генерации, фотостойкостью и лучевой прочностью, технологичностью, хорошо механически обрабатываться. Наибольшее применение нашли ПММА, затем полистирол (ПС) и полиуретан (ПУ). ПС и ПУ имеют более высокую лучевую прочность, чем ПММА.
Строго говоря, в случае полимерных лазеров используются оптические свойства полимеров. Безусловно, это тоже функциональное применение полимеров и довольно обширное.