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光學(xué)高分子材料及其性能
添加時(shí)間:2017-03-15 點(diǎn)擊量:
高分子材料應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域最早由Arthur Kingston開始,他于1934年取得了注射成型塑料透鏡的專利,并將其用在了照相機(jī)中。1937年,R.F.Hunter公司制造出了全塑料透鏡的照相機(jī)。在二戰(zhàn)期間光學(xué)高分子材料被廣泛用來制作望遠(yuǎn)鏡、瞄準(zhǔn)鏡、放大鏡及照相機(jī)上的透鏡。由于受材料的品種少、質(zhì)量差、加工工藝落后等條件的限制,戰(zhàn)后在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用曾一度下降。60年代后,隨著合成技術(shù)的發(fā)展,光學(xué)高分子的品種不斷增加,加工工藝也得到了改善,同時(shí)出現(xiàn)了表面改性技術(shù),這些因素促成了光學(xué)高分子的迅速發(fā)展,并形成了獨(dú)立的光學(xué)高分子市場(chǎng)。

與傳統(tǒng)無機(jī)光學(xué)材料相比,盡管光學(xué)高分子材料的耐熱性、耐候性、耐磨性、耐溶劑性、抗吸濕性及光學(xué)均一性(雙折射、光學(xué)畸變)較差,折射率、色散范圍較窄,熱膨脹系數(shù)較大,但是聚合物光學(xué)材料具有密度小、耐沖擊、成本低、加工成型容易等優(yōu)點(diǎn),近年來得到了廣泛的應(yīng)用。常用光學(xué)高分子材料有烯丙基二甘醇二碳酸酯等幾種熱固性樹脂和聚甲 基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚4-甲 基戊烯-1、苯乙烯-丙烯腈共聚物等熱塑性光學(xué)樹脂。表1-1列出了一些常用光學(xué)高分子材料的特性。

由于傳統(tǒng)光學(xué)塑料的性能無法滿足人們對(duì)高性能光學(xué)元器件的要求,因此近年來又開發(fā)了一些新型光學(xué)塑料。如KT-153螺烷樹脂,日本東海光學(xué)公司研制的這種螺烷樹脂是一種含螺烷核的化合物;

OZ-1000樹脂,具有特殊脂環(huán)基結(jié)構(gòu)的甲 基丙烯酸酯類的均聚物或共聚物的;

TS-26樹脂,這種樹脂是由苯乙烯、甲 基丙烯酸乙酯和三溴苯乙烯作為共聚單體,鑄塑時(shí)形成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu);APO樹脂,是日本三井石油工業(yè)公司新開發(fā)的一種光盤基板材料,是由乙烯與雙環(huán)鏈烯及三環(huán)鏈烯等環(huán)狀烯烴共聚合成的非晶態(tài)聚烯烴共聚物;MR系列樹脂,是日本三井東亞公司于20世紀(jì)80年代后期研制出的新型光學(xué)樹脂,它是由帶有芳環(huán)的異氰酸酯與多硫醇化合物通過聚加成反應(yīng)得到的一類硫代氨基甲酸酯樹脂。MH系列樹脂,是日本合成橡膠公司合成的具有多環(huán)官能基的透明聚合物,可注射成型,用于制作透鏡或其它光學(xué)元件。還有其它一些近年來研制出來的光學(xué)樹脂,如德國(guó)巴依爾公司研制的E818光學(xué)樹脂;1993年HOYA公司推出的EYAS樹脂;1997年HOYA公司推出目前已經(jīng)商品化的折射率最高的眼睛片用樹脂材料等。

光學(xué)高分子材料種類繁多,應(yīng)用也不盡相同,但一般都包含三大類技術(shù)指標(biāo):光學(xué)性能、機(jī)械性能、熱學(xué)性能。
光學(xué)性能主要包括折射率和色散、透過率、黃色指數(shù)及光學(xué)穩(wěn)定性。
折射率和色散是光學(xué)材料的最基本性能。在透鏡設(shè)計(jì)中,為使透鏡超薄和低曲率必須尋求高折射率的光學(xué)材料,而校正色差要求有兩組阿貝數(shù)不同的材料,即冕牌系列(低色散,阿貝數(shù)>50)和火石系列(高色散,阿貝數(shù)<40)。光學(xué)玻璃的折射率和色散有較大的選擇余地,而光學(xué)塑料的選擇范圍卻十分有限,尤其是冕牌系列光學(xué)塑料。透明塑料折射率的測(cè)定最常用的方法是折射儀法。阿貝折射儀是最廣泛用于測(cè)定折射率的折射儀。
透過率是表征樹脂透明程度的一個(gè)重要性能指標(biāo),一種樹脂的透過率越高,其透光性就越好。透過率的定義為:透過材料的光通量(T2)占入射到材料表面上的光通量(T1)的百分率。任何一種透明材料的透光率都達(dá)不到100%,即使是透明性最好的光學(xué)玻璃的透光率一般也難以超過95%。
聚合物光學(xué)材料在紫外和可見光區(qū)的透光性和光學(xué)玻璃相近,在近紅外以上區(qū)域不可避免的出現(xiàn)碳?xì)湔駝?dòng)所引起的吸收。通常,光學(xué)塑料在可見光區(qū)透光率的損失主要由以下三個(gè)因素造成:光的反射;光的散射;光的吸收。
黃色指數(shù)是無色透明材料質(zhì)量和老化程度的一項(xiàng)性能指標(biāo),由分光光度計(jì)的讀數(shù)計(jì)算而得,描述了試樣從無色透明或白色到黃色的顏色變化。這一實(shí)驗(yàn)最常用于評(píng)價(jià)一種材料在真實(shí)或模擬的日照下的顏色變化。而對(duì)于透明塑料材料來說,由于原料純度或加工條件等因素的影響,可能自身帶有一定顏色。

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