光学高分子材料
光学高分子材料 光学高分子材料及其性能介绍在2010年03月19日星期五1403高分子材 料应用于光学领域最早由Arthur Kingston开始他于1934年取得了注射成型塑料 透镜的专利并将其用在了照相机中ol937年R.F.Hunter公司制造出了全塑料透镜 的照相机。在二战期间光学高分子材料被广泛用来制作望远镜、瞄准镜、放大 镜及照相机上的透镜。曲于受材料的品种少、质量差、加工工艺落后等条件的限 制战后在光学领域中的应用曾一度下降。60年代后随着合成技术的发展光学高 分子的品种不断增加加工工艺也得到了改善同时出现了表面改性技术这些因素 促成了光学高分了的迅速发展并形成了独立的光学高分了市场。与传统无机光 学材料相比尽管光学高分子材料的耐热性、耐候性、耐磨性、耐溶剂性、抗吸湿 性及光学均一性双折射、光学畸变较差折射率、色散范围较窄热膨胀系数较大 但是聚合物光学材料具有密度小、耐冲击、成本低、加工成型容易等优点近年来 得到了广泛的应用。常用光学高分 子材料有烯丙基二甘醇二碳酸酯等几种热固 性树脂和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚4■甲基戊烯・1、苯乙烯. 丙烯腊共聚物等热塑性光学树脂。表1-1列出了一些常用光学高分子材料的特性。 曲于传统光学塑料的性能无法满足人们对高性能光学元器件的要求因此近年來 乂开发了一些新型光学塑料。如KT- 153螺烷树脂H本东海光学公司研制的这种 螺烷树脂是一种含螺烷核的化合物树脂具有特殊脂环基结构的中基丙烯酸酯类 的均聚物或共聚物的树脂这种树脂是由苯乙烯、甲基丙烯酸乙酯和三浣苯乙烯 作为共聚单体铸塑时形成三维交联结构APO树脂是口本三井石油工业公司新开 发的一种光盘基板材料是由乙烯与双环链烯及三环链烯等环状烯坯共聚合成的 非晶态聚烯烧共聚物MR系列树脂是H本三井东亚公司于20世纪80年代后期研 制岀的新型光学树脂它是由带有芳环的异锹酸酯与多硫醇化合物通过聚加成反 应得到的一类硫代氨基甲酸酯树脂。MH系列树脂是日本合成橡胶公司合成的具 有多环官能基的透明聚合物可注射成型用于制作透镜或其它光学元件。还有其 它一些近年来研制出来的光学树脂如德国巴依尔公司研制的E818光学树脂1993 年HOYA公司推出的EYAS树脂1997年HOYA公司推出目前已经商M化的折射率 最高的眼睛片用树脂材料等。 光学透明材料由于与光电子技术的发展密切相关而将因此成为一种日益垂 要的材。它不仅在光学透镜、信 息光盘、(红外)光纤、非线性光学元件、液晶显 示、发光二极管、复制衍射光栅等光电子领域而且作为建材、总机等用的风档、 眼镜片有重要广泛的应用和应用前景。光学透明材料可分为光学玻璃、光学晶体 和光学透明高分子材料(或光学塑料)三大类,一共有数百品种。其中以光学透明高 分子材料的发展历史为最短,它始于二次世界大战期间的美国,迄今只有半个世纪 的历史。但随着科学技术和工业生产水平的迅速提高,要求光学元件和仪器日趋 轻量化、小型化、低成本和高性能,由此使光学透明材料在当今的发展也以光学 特性优良、热稳定性好、机械强度高、耐化学性能强、质轻等高性能、低成本和 有特殊功能为目标。光学透明高分子材料由于能克服光学玻璃和光学晶体(即无 机光学材料)固有的缺陷,具有易加T成双面非球面透镜等复杂光学元件,质轻、成 本低、抗冲击等优点,目前在全世界的年产量已达万吨级,在许多应用领域基本上 替代了无机光学材料。可以说,光学透明高分子材料应用的H趋广泛是目前光学 行业发展的一个主要特点。 光学高分子材料种类繁多应用也不尽相同但一般都包含三大类技术指标光 学性能、机械性能、热学性能。 光学性能主更包括折射率和色散、透过率、黄色指数及光学稳定性。折射率 和色散是光学材料的最基本性能。在透镜设计中为使透镜超薄和低曲率必须寻求 高折射率的光学材料而校正色差耍求有两组阿贝数不同的材料即冕牌系列低色 散阿贝数50和火石系列高色散阿贝数40。光学玻璃的折射率和色散有较人的选 择余地而光学塑料的选择范围却十分有限尤其是冕牌系列光学塑料。透明塑料 折射率的测定最常用的方法是折射仪法。阿贝折射仪是最广泛用于测定折射率的 折射仪。 透过率是表征树脂透明程度的一个重耍性能指标一种树脂的透过率越高其 透光性就越好。透过率的定义为透过材料的光通量T2占入射到材料表面上的光 通量T1的百分率。任何一•种透明材料的透光率都达不到100即使是透明性最好 的光学玻璃的透光率一般也难以超过95o聚合物光学材料在紫外和可见光区的 透光性和光学 玻璃相近在近红外以上区域不可避免的出现碳氢振动所引起的吸 收。通常光学塑料在可见光区透光率的损失主要由以下三个因素造成光的反射光 的散射光的吸收。 黄色指数是无色透明材料质量和老化程度的一项性能指标由分光光度计的 读数计算而得描述了试样从无色透明或白色到黄色的颜色变化。这一实验最常用 于评价一种材料在真实或模拟的日照下的颜色变化。而对于透明塑料材料来说 由于原料纯度或加工条件等因索的影响可能自身带有一定颜色。光学树脂如同多 数有机物质一样存 在着耐候和耐老化问题因此树脂的结构和加工工艺以及使用 环境对树脂的光学性能有较大的影响。在一定使用期限内光学参数的稳定性尤为 关键这个指标直接决定产品的使用性能。采用人工加速老化中的全紫外线老化 的方法检测树脂的光学稳定性。全紫外线老化法主要模拟阳光中的紫外线.全紫 外线强度比相应太阳紫外强度高几倍。正是短波紫外线对有机材料老化起了主 要作用这样会大人地提高了老化加速率也是全紫外老化的最突出优点。同时可以 进行温度、湿度、雨淋等环境因素的模拟。这一老化方法其紫外强度等参数可 以监控试验重复性好。 韧性耐冲击性能和表面硬度耐磨性是光学高分子材料的重要机械性能。 冲击强度是衡量材料韧性的一种强度指标。冲击强度是使材料在冲击力的作 用下折断通常把折断时截面吸收的能量定义为材料的冲击韧性。冲击实验主要有 弯曲梁式摆锤式冲击、落锤式冲击和高速拉伸试验三类。 无定型聚合物的韧性主更与其分子结构有关。主链上酯键、瞇键、碳■碳键 可以自由旋转因而材料具有较好的韧性如PC是光学塑料中抗冲击性能最好的材 料带有较 大侧基的聚合物如PVCPMMAPS等因主链上可以自由旋转的-基团较少 或旋转时不对称因而韧性相对较差。 硬度是衡量材料表面抵抗机械压力的能力可定义为材料对形变特别是永久 形变、压痕或刻痕的抵抗能力。对于透明塑料材料特别是光学树脂的硬度通常可 以采用铅笔硬度。 耐磨性与结构关系密切。交联树脂比未交联树脂耐磨性显著提高如用于制造 眼镜片的CR-39树脂、KT-153树脂都是交联树脂。光学树脂駛度较低、表面易被 擦伤这一缺点现在已经很容易克服采用表面增强技术如涂覆耐磨材料、真空镀膜 等可以使树脂的表面硬度和光学玻璃一样优良。 高聚物的耐热性主要是指聚合物受热下的变形高聚物的耐热性主要指玻璃 化温度、软化温度等。有机玻璃在玻璃态下使用而超过这个温度将变为高弹态或 黏流态此时即使受到较小的力也会产生较大的形变而不能保持其外形尺寸。玻 璃化转变温度是在恒定的较小负荷下测得的温度形变曲线上发生玻璃化转变较 窄温度范围的中间值。在实际使用中高聚物总是处于受力