交联型光敏聚合物的全息光学压力传感性能研究.pdf

Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用传感器技术与应用,2023,11(3),301-308 Published Online May 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/jsta https:/doi.org/10.12677/jsta.2023.113034 文章引用文章引用:刘亮,魏明昭,刘鸿鹏.交联型光敏聚合物的全息光学压力传感性能研究J.传感器技术与应用,2023,11(3):301-308.DOI:10.12677/jsta.2023.113034 交联型光交联型光敏敏聚合物聚合物的全息光学压力的全息光学压力 传感性能研究传感性能研究 刘刘 亮亮1*，魏明昭，魏明昭2，刘鸿鹏，刘鸿鹏2 1碧水源分离膜科技有限公司，北京 2中国民航大学理学院物理系，天津 收稿日期：2023年4月8日；录用日期：2023年5月22日；发布日期：2023年5月31日 摘摘 要要 本文制备了菲醌本文制备了菲醌(PQ)掺杂聚掺杂聚甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸月桂酯共聚基底甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸月桂酯共聚基底(MMA-co-LMA)光敏光敏聚合物聚合物，这是一种具有弹性恢复能力的交联型聚合物材料。实验研究了新型聚合物的这是一种具有弹性恢复能力的交联型聚合物材料。实验研究了新型聚合物的全息性能全息性能，测量了短曝光测量了短曝光条条件下全息光栅件下全息光栅衍射效率衍射效率随随时间时间的的演变。改变演变。改变MMA共聚单体分子的掺杂率作为主要参数来评价全息性能的共聚单体分子的掺杂率作为主要参数来评价全息性能的提高提高，实验结果表明，实验结果表明MMA的最佳的最佳质质量百分比为量百分比为7.5wt%，衍射效率的最大值，衍射效率的最大值可以可以达到达到55%。应用该新型应用该新型材料采用全息干涉方式记录全息体光栅，并将其作为传感响应单元进行压力传感测试，实验证明了以该材料采用全息干涉方式记录全息体光栅，并将其作为传感响应单元进行压力传感测试，实验证明了以该材料研制全息压力传感器的可行性及应用潜力。本文研究的全息性能优化与压力传感实验结果为开发全材料研制全息压力传感器的可行性及应用潜力。本文研究的全息性能优化与压力传感实验结果为开发全息压力传感器提供了重要的实验基础。息压力传感器提供了重要的实验基础。关键词关键词 光致光致聚合物，全息传感器，压力传感，体光栅聚合物，全息传感器，压力传感，体光栅 Study on Holographic Optical Pressure Sensing Performance of Cross-Linked Photosensitive Polymers Liang Liu1*,Mingzhao Wei2,Hongpeng Liu2 1Bishuiyuan Separation Membrane Technology Co.,Ltd.,Beijing 2Department of Physics,College of Science,Civil Aviation University of China,Tianjin Received:Apr.8th,2023;accepted:May 22nd,2023;published:May 31st,2023 *通讯作者。刘亮 等 DOI:10.12677/jsta.2023.113034 302 传感器技术与应用 Abstract This article prepared a photosensitive polymer based on poly(methyl methacrylate)and laury l methacrylate copolymer(MMA co LMA)doped with phenanthraquinone(PQ),which is a cross-linked polymer material with elastic recovery ability.The holographic performance of the novel polymer was experimentally studied,and the evolution of holographic grating diffraction effi-ciency over time was measured under short exposure conditions.The improvement of holograph-ic performance was evaluated by changing the doping rate of MMA comonomer molecules as the main parameter.The experimental results showed that the optimal mass percentage of MMA was 7.5wt%,and the maximum diffraction efficiency could reach 55%.The application of this new material uses holographic interferometry to record holographic volume gratings,and uses them as sensing response units for pressure sensing testing.The experiment proves the feasibility and application potential of developing holographic pressure sensors using this material.The holo-graphic performance optimization and pressure sensing experimental results studied in this ar-ticle provide an important experimental basis for the development of holographic pressure sen-sors.Keywords Photopolymer,Holographic Sensor,Pressure Sensor,Volume Grating Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 压力传感器件是一种能够将外界施加的压力信号定量地反馈为某种可用输出的装置，是工业领域中较为常见的传感器，广泛应用于航天航空、医学、机械制造等领域。光学压力传感器有助于改善现有压力传感器的传感能力，实现非接触测量等性能改善。全息传感器是一种基于体积光栅衍射特性的新型光学传感装置 1 2 3 4，具有直观反馈彩色全息图、定量的峰值波长偏移与较低的开发成本等优点。光敏聚合物由于具有与环境相互作用的能力，例如部分基底有弹性和吸湿能力，因此光敏聚合物成为记录体光栅和开发全息传感器的重要载体 5 6。基于光敏聚合物的全息传感器能够提供窄衍射光谱、高可视化和低制备成本，是一种具有竞争力的传感装置。菲醌掺杂的甲基丙烯酸甲酯光敏聚合物具有高厚度、高透射率和衍射效率 7 8 9。近年来，该材料在全息数据存储和相关光学衍射元件方面备受关注。近年来，全息传感器的传感性能研究，从气体、液体到材料的机械形变，都取得了显著的传感效果。采用甲基丙烯酸甲酯类光致聚合物作为全息压力传感器的光栅记录介质，能够有效改善装置的压力传感性能，同时为新型光学传感提供优质材料。本文研制了一种新型的菲醌(PQ)掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸月桂酯共聚基底(MMA-co-LMA)弹性光敏聚合物。到目前为止，还没有对这种新型材料进行详细的全息性能优化与压力传感性能测试。我们实验观察了短时曝光实验条件下衍射效率随时间的演化过程，在暗增长过程中提取了相应的分子扩散系数。证实了新材料的全息压力响应表现出高传感性能，明显的衍射光峰值波长偏移证明了基于弹性聚合物的全息压力传感器具有可行性。这些结果有助于优化材料的全息特性，加速全息压力传感器的研究进程。Open AccessOpen Access刘亮 等 DOI:10.12677/jsta.2023.113034 303 传感器技术与应用 2.材料与实验装置材料与实验装置 交联型光敏聚合物的组分包括菲醌(简写为 PQ)、偶氮二异丁腈(简写为 AIBN)、甲基丙烯酸甲酯(简写为 MMA)和甲基丙烯酸月桂酯(简写为 LMA)，化学原料均购于上海阿拉丁试剂有限公司。AIBN 热引发剂的作用是引发单体 MMA 和 LMA 发生共聚反应，热致聚合反应会产生氮气并导致聚合物体积收缩。MMA 是制备有机玻璃的常用单体，具有良好的稳定性和刚性，掺杂 PQ 的 PMMA 光敏聚合物已被证明是一种极具发展潜力的全息存储材料。考虑到进行全息光学压力传感的研究实际情况，需要加入改性单体降低基底的刚性，LMA 具有良好的低温流动性，能够改善聚合物的弹性，使得交联聚合物具有柔韧性，便于开展压力传感实验。PQ 作为光敏剂决定了聚合物的感光波段，在激光照射下，会与聚合物长链分子发生光致聚合反应。表 1 为光敏聚合物材料的主要组分。Table 1.Components of photosensitive polymer 表表 1.光敏聚合物材料的主要组分 原料名称 英文简写 分子式 物理状态 作用 偶氮二异丁腈 AIBN C8H12N4 白色透明结晶 热引发剂 甲基丙烯酸甲酯 MMA C5H8O2 无色液体 单体 甲基丙烯酸月桂酯 LMA C16H30O2 无色液体 单体 菲醌 PQ C14H8O2 橙黄色针状结晶 光敏剂 制备材料时采用将热致聚合过程与光致聚合分开的方法，能够有效避免材料中产生气泡或严重的体积收缩，提高聚合物的光学质量 10 11。首先将所有原来按照合适配比全部混合，在 55进行预聚合 2小时以上，充分排除热致聚合反应产生的氮气；然后过滤混合溶液，得到黄色澄清液体，倒入模具中，缓慢升温至液体逐渐粘稠；为防止材料在高温下发生爆聚，迅速降温至 60左右，等待样品固化，2448小时后脱模即可获得制备好的聚合物。图 1(a)为制备好的样品照片。Figure 1.(a)Material diagram,(b)Absorption spectrum of the sample,with MMA doping ratios of 7.5wt%and 12.0wt%,respectively 图图 1.(a)材料实物图；(b)样品的吸收谱，其中 MMA 掺杂比例分别为 7.5wt%与 12.0wt%样品的吸收光谱如图 1(b)所示。吸收谱使用光纤光谱仪配合宽频光源测量。宽频光源照射到材料上，经过材料透射进入 600 微米直径的光纤，测得的吸收光谱减去背景后，便获得样品的吸收光谱。由图可以看出，由于光敏单体 PQ 分子的掺杂浓度一致，其吸收曲线与典型 PQ-PMMA 光敏聚合物相似。MMA刘亮 等 DOI:10.12677/jsta.2023.113034 304 传感器技术与应用 分子对样品吸收的影响较弱，可被忽略。整体而言，光吸收归因于光敏分子的光敏性。Figure 2.Experimental setup for holographic grating record