CN1410477A - 一种用于聚合物极化的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于聚合物极化的装置，涉及在常温或高温条件下对聚合物进行电晕极化以制备非线性薄膜材料的装置。包括加热台、电晕针，其特征在于，在由温度调节仪控制的加热台上放置要极化的聚合物薄膜，薄膜上方且平行于膜面放置一接电金属栅网，栅网上方放置一钨丝电晕针。加热台、薄膜、栅网和晕针放置在一密闭的圆柱形的盒子里，晕针电压8～12kV，栅极电压0.5～1.0kV。本发明用于聚合物薄膜极化，在电晕针和聚合物薄膜之间加一栅网电极来提高样品表面电位均匀性。

Description

一种用于聚合物极化的装置

(一)技术领域

本发明涉及在常温或高温条件下对聚合物进行电晕极化以制备非线性薄膜材料的装置，具体涉及一种用于聚合物极化的装置。

(二)背景技术

随着现代通讯的发展，快速电光开关和调制器件的需要，非线性光学(NLO)的研究和应用越来越受到人们的重视，尤其在最近几年，在众多非线性光学材料中，有机非线性光学材料(ONLOM)以其平坦的频率响应(从直流到光频)、非共振非线性系数大、非线性响应快、激光损伤阈值高、介电常数低、尤其分子结构多样性、优良的可加工性、易制成薄膜以及与半导体相容的制备工艺而成为制造光波导器件的重要材料。聚合物材料通常结构具有中心对称性，不具有二阶非线性，而当前可用于研制电光调制器件的聚合物材料必须是各向异性的，具有线性电光性，只有采用适当的极化手段，对聚合物进行充分极化，使材料中的非线性基元取向定位排列，从而表现出宏观的二阶非线性特性。现在制备极化薄膜有多种方法，如离子束注入、辐照、电场极化以及电晕极化等，其中电晕极化是采用电晕放电的方法对聚合物薄膜表面放电，使非线性生色团分子的偶极矩沿电场方向排列，极化迅速，在室温和高温下都能进行。当前国内外一般采用单纯针尖电晕极化，其缺点是极化均匀性、重复性差，不能有效得控制样品表面电位。

(三)发明内容

本发明针对单纯针尖电晕极化的“点”对“面”的空间格局，为了提高样品表面电位的不均匀性，提供一种新型的用于聚合物极化的装置。

本发明的技术方案如下：

一种用于聚合物极化的装置，包括加热台、电晕针，在由温度调节仪控制的加热台上放置要极化的聚合物薄膜，薄膜上方且平行于膜面放置一接电金属栅网，栅网上方放置一钨丝电晕针。

上述加热台、薄膜、栅网和晕针放置在一密闭的圆柱形的盒子里。

上述加热台由导热台、加热器和绝热垫组成。

上述金属栅网是20目～50目的平面金属栅网，以钨、铂、钼金属栅网为宜。

上述晕针与栅网的间距范围10～60mm。

上述栅网与薄膜间距范围5～8mm。

±50kV的高压电源输出直流高压，由YJ26J型双路直流稳压器调节，并由精密微安表(0-50μA)监控晕流，接入晕针。

上述晕针电压8～12kV。

上述金属栅网的栅极电压由FH-426B3kV高压电源提供，栅极电流由精密微安表(0-50μA)监控。上述栅极电压0.5～1.0kV。

上述聚合物薄膜的底电极良好接地。

本发明的用于聚合物极化的装置工作原理如下：

极化过程中，直流高压电场使晕针附近的空气分子电离，发生电晕放电，产生的正离子飞向聚合物薄膜表面并在薄膜表面大量聚集，这些正离子与地电极相互作用在薄膜内部形成一高的强极化电场，该电场使聚合物分子偶极矩沿电场方向排列，从而表现出宏观的二阶非线性光学性质。样品表面的电位分布反映了各点的电荷积累。当未加栅网时，样品表面电位的不均匀性是由于晕针“点”对平面样品“面”形成的空间不均匀电场造成的。在晕针和薄膜之间加一栅网后，由于栅网电压的作用，使得栅网与薄膜之间电场接近均匀电场，当正离子进入该空间时，接近均匀分布。当极化开始时，随着时间的增加，从孔眼处注入的正电荷慢慢地在网眼中心在样品上投影的a点积累(见附图2)，形成电位峰值，金属丝在薄膜表面的投影处形成电位谷值。这时表面电荷不均匀，形成自身场。在自身场的作用下，a处靠近薄膜的空间电荷将向网丝下电荷密度较低的b处移动，薄膜表面电荷分布不均匀性逐渐减少。a处不断注入电荷，薄膜表面电位不断提高，同时a处电荷不断向b处移动，随着时间的增加，a、b两处的电位差逐渐减少，直到网眼投影到薄膜的表面电位达到均匀。薄膜上方有许多网眼，情况相似，使得在较大范围内，薄膜表面电位大体相等。

本发明的装置工作过程如下：

温度调节仪设定好极化温度(可由薄膜的DSC曲线确定)，加热台开始加热的同时给晕针和栅极加直流电压，具体电压值随样品种类的不同而不同，可由精密微安表数值来确定。聚合物薄膜升温到极化温度，温度调节仪自动断开加热电源，并保持极化温度不变。在此温度下，极化约30分钟。然后切断加热电源，使薄膜降至室温，撤掉直流高压。

本发明的优良效果如下：

将加热台、薄膜、栅网和晕针放置在一密闭的圆柱形的盒子里，可大大避免外界环境对正离子的影响，如灰尘、空气湿度等；可方便加入氮气保护样品免受空气氧化；另外，可良好地保护操作人员免受高压危险。在电晕针和薄膜之间加一栅网电极来提高样品表面电位均匀性，建立一种用于聚合物薄膜极化的装置，为光通讯用聚合物材料的发展奠定基础。本发明的装置还可以用于对有机无机复合材料的极化处理。

(四)附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。其中，V1是针压，V2是栅压，1.电晕针，2.栅网，3.薄膜，4.电极，5.衬底，6.铜导热台，7.加热器，8.绝热垫，9.控温仪，10.密闭盒。

图2是本发明所用栅网的一个孔在聚合物表面的投影示意图。投影的a点正电荷密度较高，b处电荷密度较低，a处不断注入电荷，薄膜表面电位不断提高，同时a处电荷不断向b处移动，随着时间的增加，a、b两处的电位差逐渐减少，直到网眼投影到薄膜的表面电位达到均匀。

图3是实施例1测得的纯晕针和加栅极电晕极化后聚合物薄膜表面压电系数分布情况。其中，横坐标d是离中心的距离(以电晕针为中心)，单位厘米(cm)，纵坐标是压电系数d₃₃(库仑·牛顿^-1)。图中曲线点线是现有技术晕针极化情况，实线是本发明栅控电晕针极化情况。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体薄膜样品对本发明作进一步说明。

实施例1.

装置的结构如图1所示，在由温度调节仪9控制的加热台的铜导热台6上放置要极化的聚合物薄膜3，铜导热台6下是加热器7，加热器7下是绝热垫8。薄膜3上方且平行于膜面放置一20目接电钨金属栅网2，栅网平整，栅网上方放置一钨丝电晕针1。由导热台6、加热器7和绝热垫8组成的加热台、薄膜3、栅网2和晕针放置在一密闭的圆柱形的盒子10里。晕针1与膜面3的距离为19mm，栅网2与膜面3的间距6mm。

±50kV的高压电源输出直流高压，由YJ26J型双路直流稳压器调节，并由精密微安表(0-50μA)监控晕流，接入晕针，晕针电压V1为12kV。

上述金属栅网的栅极电压由FH-426B3kV高压电源提供，栅极电流由精密微安表(0-50μA)监控，栅极电压V2为0.8kV。

聚合物薄膜的底电极良好接地。聚合物薄膜是用旋涂法制备的掺杂为20％的3-(1，1-二氰基噻吩)-1-苯-4，5-二羟基-H-噻唑(DCNP)/聚醚醚酮(PEK-c)的聚合物薄膜，对其进行电晕极化。极化温度为145℃。

因为极化后聚合物薄膜的压电性在一定程度上反映了薄膜表面的电位，所以可由膜面压电系数分布可确定表面电位分布。附图3是测得的纯晕针和加栅极电晕极化后聚合物薄膜表面压电系数分布情况，可见纯晕针和栅控电晕极化样品中心的极化效果相近，但是栅控电晕极化在离中心1.0cm的范围压电系数分布均匀，而纯晕针极化，压电系数均匀分布范围很窄，充分说明栅控电晕极化大大提高了对样品的极化效果和极化均匀性。实施例2. 如实施例1所述的装置，所不同的是采用材料是旋涂法制成的掺杂15％的(4’-硝基苯)-3-偶氮-9-乙基-咔唑(NAEC)/聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)薄膜，它的极化温度为90℃，其它条件不变。极化后，在632.8nm波长下测得薄膜的电光系数γ₃₃为60.1pm/V，数值较大，说明该极化装置极化效果好。实施例3. 如实施例1所述的装置，所不同的是采用30目铂金属栅网。晕针1与膜面3的距离为25mm，栅网2与膜面3的间距7mm。实施例4. 如实施例1所述的装置，所不同的是采用40目钼金属栅网。

Claims (9)

1.一种用于聚合物极化的装置，包括加热台、电晕针，其特征在于，在由温度调节仪控制的加热台上放置要极化的聚合物薄膜，薄膜上方且平行于膜面放置一接电金属栅网，栅网上方置一钨丝电晕针。

2.如权利要求1所述的用于聚合物极化的装置，其特征在于，所述加热台、薄膜、栅网和晕针放置在一密闭的圆柱形的盒子里。

3.如权利要求1所述的用于聚合物极化的装置，其特征在于，所述金属栅网是20目～50目的平面金属栅网，以钨、铂、钼为宜。

4.如权利要求1所述的用于聚合物极化的装置，其特征在于，所述晕针与栅网的间距范围10～60mm。

5.如权利要求1所述的用于聚合物极化的装置，其特征在于，所述栅网与薄膜间距范围5～8mm。

6.如权利要求1所述的用于聚合物极化的装置，其特征在于，±50kV的高压电源输出直流高压，由YJ26J型双路直流稳压器调节，并由精密0-50μA微安表监控晕流，接入晕针。

7.如权利要求1或6所述的用于聚合物极化的装置，其特征在于，所述晕针电压8～12kV。

8.如权利要求1所述的用于聚合物极化的装置，其特征在于，所述金属栅网的栅极电压由FH-426B3kV高压电源提供，栅极电流由精密0-50μA微安表监控。

9.如权利要求1或8所述的用于聚合物极化的装置，其特征在于，所述栅极电压0.5～1.0kV。

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