Nanoporous materials for optical applications

Abstract

In this work, a new process of generating nanobubbles* in transparent polymers was developed. The azo-chemical initiators AIBN (Azobisisobutyronitrile) and ABVN (2,2’-Azobis(2,4-dimethylvaleronitrile)) were used as chemical blowing agents (CBA) that deliver nitrogen gas to form the bubbles. Specifically, the photo initiator Irgacure 819, which could be activated by a longer wavelength of UV (405 nm) than that of AIBN (345 nm), was added to the solution in order to minimize the decomposition of the azo chemicals during the first stage of sample preparation by UV-pre-curing. As a result, the CBAs remained unreacted, thus they could decompose and be used merely as a blowing agent. In addition, the post-foaming processes were conducted under the different foaming conditions to investigate critical factors affecting the nucleation and growth of bubbles. The results were discussed based on thermodynamics, mainly by conventional nucleation theory (CNT). Finally, stepwise optimization of those factors led to the generation of nanobubbles. This technique could be applicable to UV curable polymer systems in general. This novel approach was used to make prototype optical devices, such as security mark coating and light out-coupling in optical waveguide. This study also gives important information about the nucleation and growth of bubbles in meta-stable state of polymers, which could help to verify the background theories.

In dieser Arbeit wurde ein neues Verfahren zur Herstellung von Nanobläschen in transparenten Polymeren entwickelt. Die azo-chemischen Initiatoren AIBN (Azobisisobutyronitril) und ABVN (2,2'-Azobis(2,4-Dimethylvaleronitril)) wurden als chemische Treibmittel (CBA) verwendet, die Stickstoff zur Bildung der Blasen abgeben. Der Photoinitiator Irgacure 819, der durch längeres UV-Licht (405 nm) als AIBN (345 nm) aktiviert werden kann, wurde zu der Lösung gegeben, um die Zersetzung der Azochemikalien während der ersten Stufe, der Probenvorbereitung durch UV-Vorhärtung, zu minimieren. Die nicht umgesetzten CBAs, zersetzten sich bei Erwärmung und fungierten als Treibmittel. Die Bedingungen der Aufschäumprozesse wurden variiert, um kritische Faktoren zu untersuchen, die Keimbildung und Wachstum von Blasen beeinflussen. Die Ergebnisse wurden auf der Grundlage der Thermodynamik im Kontext der konventionellen Keimbildungstheorie diskutiert. Die schrittweise Optimierung dieser Faktoren führte zur Erzeugung von Nanobläschen. Diese Technik könnte allgemein auf UV-härtbare Polymersysteme anwendbar sein. Dieser neuartige Ansatz wurde verwendet, um für optische Anwendungen Prototypen herzustellen, wie z.B. Beschichtung von Sicherheitsmarkierungen und Lichtauskopplung in optischen Wellenleitern. Diese Studie liefert auch wichtige Informationen zu Keimbildung und Wachstum von Blasen im metastabilen Zustand von Polymeren, die zur Verifizierung der Hintergrundtheorien beitragen könnten.