光学高分子材料简述及性能表征

《光学高分子材料简述及性能表征》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光学高分子材料简述及性能表征（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、光学高分子材料简述及性能表 征光学高分子材料简述及性能表征摘要：高分子材料在光学领域得到了广泛的应 用，作为大型光学元器件的背投屏幕更是利用先 进的高分子材料技术获得了各种优异的性能。简 单介绍了背投屏幕的分类、材料和制造工艺，以 及光学高分子材料的历史、分类和新的发展，以 及主要性能表征。前言：背投屏幕是背投显示的终端，在很大 程度上影响整个光学显示系统的性能。背投屏幕 分为背投软质屏幕、背投散射屏幕和背投光学屏 幕。背投软质屏幕具备廉价、运输安装方便等优 点，但是亮度均匀性比较差、严重的“亮斑效应”、 光能利用率低、可视角度小等。分辨率低和对比 度低。散射屏幕视角大、增益低、“亮斑效应”

2、明显。采用不同的工艺制造。有些采用在压克力 板材表面进行雾化处理，增加散射。有些应用消 眩光玻璃模具复制表面结构，基材内添加光扩散 剂及调色剂制造。有些为降低成本直接在透明塑 料板材表面粘贴背投软质屏幕制造。现在应用最 广泛的就是微结构光学型背投影屏幕。光学型背 投影屏幕指的是利用微细光学结构来完成光能 分布、实现屏幕功能的这一类屏幕。主要有FL型(Fresnel lens-lenticular lenses)、FD 型 (Frensnel lens-Diffusion cover)、 FLD 型 ( Fresnel lens-Lenticular lenses-Diffusioncover）

3、、BS 型（Fresnel lens-Lenticular lenses-Black strips）。微光学结构复制主要采用模压或铸造等复 制技术。铸塑又称浇铸，它是参照金属浇铸方法 发展而来的。该成型方法是将已准备好的浇铸原 料（通常是单体，或经初步聚合或缩聚的浆状聚 合物与单体的溶液等）注入一定的模具中，使其 发生聚合反应而固化，从而得到与模具型腔相似 的制件。这种方法也称为静态铸塑法。静态铸塑 技术可用来将电铸镍模具板上的微光学图形转 移到塑料表面。铸塑法得到的制件无针眼，无内 力应变，无分子取向。重要的是，对于非晶态塑 料来说，静态铸塑得到的制件相对于其它工艺一 般具有更高的透光率，表

4、现出优越的光学性质。 背投光学屏幕属于大尺寸微光学元件，由于体积 较大用模压工艺生产存在加工设备复杂、成本 高、合格率低的缺点，主要用浇铸工艺来生产。正文：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。1937年，RFHunter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。由于受材料的品种少、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

5、 得到了改善，同时岀现了表面改性技术，这些因 素促成了光学高分子的迅速发展，并形成了独立 的光学高分子市场。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 烯腈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。尢学茨1*1 1 1

6、舶缚解IBK-7SF-2PM MAPSPCNASMSCRJ9 L - -J1J21.641“l.5131MJIMTSfl$ 叱X10030.432巧-14-it44b Idim)-二ioiw妙】8JO-I.ZfrdC cTH90界1r円rsuv70-80 110-W! fc .L * .-B0-1M亠LHmew7&-WTOtOTO?D- 1Kt421KM 00-L】対90M liOUH*XM ；2LOOl(叱 I XIO-*)1.10.7OJ07QJt.a2SJss1 g.2!.D7帀IJ2*C.2-0.4弱THQS7J 农0 23Q.l-O*p0： fliF f b 戢折戟* wuv r u

7、v 2DQ0 StfGtiSA t=，由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，因此近年来又开发了 一些新型光学塑料。如KT-153螺烷树脂，日本 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；月一H叭 /HrO.O-HjC C|3-0OZ-1000树脂，具有特殊脂环基结构的甲基 丙烯酸酯类的均聚物或共聚物的；R：大的TS-26树脂，这种树脂是由苯乙烯、甲 基丙烯酸乙酯和三溴苯乙烯作为共聚单体，铸塑 时形成三维交联结构；APO树脂，是日本三井 乙烯与双环链烯及三环链烯等环状烯烃共聚合 成的非晶态聚烯烃共聚物；MR系列树脂，是日 本三井东亚公司于20世纪80年代后期

8、研制出 的新型光学树脂，它是由带有芳环的异氰酸酯与 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；993年HOYA 公司推出的EYAS树脂；1997年HOYA公司推 出目前已经商品化的折射率最高的眼睛片用树 脂材料等。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。光学性能主要包括折射率和色散、透过率、 黄色指数及光学稳定性。折射率和色散是光

9、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，而校正色差要求有两组阿贝 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 折射率和色散有较大的选择余地，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要性 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%

10、，即使 是透明性最好的光学玻璃的透光率一般也难以 超过95%。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素的影响， 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

11、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，这样会大大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

12、。 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要与其分子结构有关。主链上酯键、醚键、硯碳键可以自由旋转, 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PVC, PMMA, PS 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44 。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

13、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 树脂硬度较低、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

14、际使用中，高聚物总是处于受 力的情况下，因此不是以静态的玻璃化温度作为 耐热温度，而是测量高聚物在一定外力下达到一定形变值时的温度作为耐热温度，常用的有马丁 耐热温度、维卡软化温度及热变形温度。 玻璃化转变温度是聚合物材料的一种普遍 现象，它是一种聚合物材料使用的上限温度，因 此玻璃化转变温度是聚合物的一个非常重要的 性能指标。玻璃化转变的实质是链段运动随温度 的降低被冻结或随温度的升高被激发的结果。在 玻璃化转变前后分子的运动模式有很大的差异。 因此，当聚合物发生玻璃化转变时，其物理和力 学性能必然有急剧的变化。除形变和模量外，聚 合物的比热容、比容积、热膨胀系数、折射率和 介电常数等都表现

15、出突变或不连续的变化。因 此，根据这些性质上的变化，可以对聚合物的玻 璃化转变进行实验测量。常用的测定聚合物玻璃 化转变的方法有静态热机械法TMA （如膨胀计 法、温度形变曲线法等）、动态力学测量法DMA （如扭辫法和扭摆法等）、热力学方法（如示差 扫描量热法DSC或差热分析法DTA）等。玻璃化转变温度（Tg）可直接反映出聚合 物耐热性的高低，Tg的高低与聚合物的分子结 构有关。在聚合物材料中，链的刚性越大， Tg 越高；使体系交联也可提高耐热性。IllIII聚合物的热稳定性是其实际应用中的一个 重要性质。通常随着温度的升高，聚合物都会发 生从玻璃态、高弹态到黏流态的力学变化，最后 聚合物会在温度达到一定程度分解，从而破坏聚 合物。聚合物的分解温度就是其热稳定性的重要 指标之一。热失重法（TG）是目前最常用的一 种表征聚合物分解温度的方法，即在程序升温的 环境中（空气或氮气氛围），测试