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1、光学塑料材料 辛企民 2004年 一，光学塑料大致分类：塑料材料一般分为热塑性和热固性塑料。光学塑料大部分为热塑性塑料，常用的有：聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）聚苯乙烯 （PS）聚碳酸脂 （PC）等。热塑性塑料指的是可反复加热仍可塑的塑料。热固性塑料：指的是在所用的合成树脂在加热初期软化，具有可塑性，继续加热则随着化学反应燮硬使形状固定不再发生变化。常用的材料有：烯丙基二甘醇碳酸脂（CR-39）树脂眼镜片 环氧光学塑料均属于热固性塑料。二，主要的光学塑料1， 聚甲基丙烯酸甲脂（Polymethyl methacrylate 简称PMMA，也称Acrylic） 摩尔量约为50万-100万，（摩尔量
2、对聚合物的性能有很大的影响）nd=1.491，色散系数Vd=57.2,是“王冕”材料，透过率约92%，加速老化后240H透过率仍能达到92%，在室外使用10年后只降到88%，能透过波长270nm以上的紫外光。PMMA能透过X射线和Y射线，其薄片能透过射线和射线，但是能吸收中子线。PMMA密度为1.19kg/m3，在20*109Pa时的平均吸水率为2%，在所有光学塑料中它的吸水率最高，弹性模量为3.16*109Pa,泊松比为0.32,抗张强度为(462-703) *109Pa.PMMA 的线形膨胀系数为8.3*10-5 K-1比K9玻璃大10倍,但PMMA从高温冷却时的光学记忆即组件恢复到它原来
3、尺寸的性能要比玻璃好,它的折射率随温度的变化dn/dt为-8.5*10-5,比K9玻璃大出约30倍,但是它是负值.热导率为0.192W/(m*k),比热容为1465J/(kg*k),它的玻璃化温度为105,熔化温度为180.PMMA耐稀无机酸去污液,油脂和弱碱的性能优良,耐浓无机酸中等,不耐醇,酮,溶于芳烃,氯化烃有机溶剂,为强碱及温热的NaOH,KOH所侵蚀,与显影液不起反应.PMMA有优良的耐气候性,在热带气候下曝晒多年,它的透明度和色泽变化小.PMMA目前于广泛被用于制造照相机,摄录一体机,投影机,光盘读出头以及军用火控和制导系统中的非球面透镜和反射镜,还用来制造菲涅尔透镜,微透镜数组,
4、隐形眼镜,光纤,光盘基板等零件.2,聚苯乙烯(Polystyrene 简称PS,也称Styrene)这是一种火石类热塑性光学塑料,尽管它的抗紫外辐射性能,抗划伤性能都不如PMMA,但它折射率高,nd=1.591.660,阿贝系数小Vd=30.8,所以当它和PMMA组合时可以成为对F和C谱线进行校正的消色差透镜,二级光谱的校正一般比玻璃的消色差透镜还要更好一些.它的透过率为88%,它的双折射率较大,在阳光作用下聚苯乙烯容易变黄.PS能自由着色,无嗅无味无毒,不致产生霉菌,吸濕性小吸只有0.02%.PS热变形温度为70-98,与配方及后处理有关,它的最高连续使用温度为60-80,成型收缩率为0.4
5、5%,其零件经退火处理可减少内应力还可提高机械强度,无前因热变形温度,采用退火清晰度一般比实际的热变形温度低5-6.PS的导热系数不随温度发生变化,因此能作良好的冷冻绝热材料.PS的比热容温度有明显变化,是塑料中比热较低的一种,在高真空中和在330-380内将剧烈地热降解放出43%的挥发物,41%为苯乙烯,2%是甲苯,并残留下二聚三聚四聚及多聚物为57%.PS能耐某些矿物油,有机酸,碱,盐,低能醇及它们的水溶液,受许多酮类,高级脂肪酯等侵蚀而软化,溶于芳烃,如苯,甲苯,乙苯及苯乙烯单体等.PS是最耐辐射的聚合物之一,要合性能发生变化须施加很大量的辐射能.PS是树脂中易成型加工的品种之一,具有成
6、型温度和分解温度相差大,熔融粘度低,尺寸稳定的特点,可用模压成型,也大量用于注塑成型,但它的脆性比其它光学塑料大,因此易开裂,在切浇口时应注意防止破裂,它还能用一般的金属或木材加工工具进行机械加工,如钻,锯,切等.PS除与PMMA组成消色差的透镜外还用于复制光栅组件.为改善PS的性能,开发出一些改良品种,如由70%的聚苯乙烯和30%和丙烯酸甲脂共聚形成新的光学塑料NAS.另一种共聚物是丙烯腈苯乙烯的共聚物称为SAN,主要用在工程塑料制品,光学上主要用作窗口,基本保持了PS的透明度,但仍有发黄的趋势,nd=1.567,最高使用温度75-90,热变形温度82-105,线形膨胀系数(6.56.7)*
7、 10-5 K-1,密度为1.06kg/m3-1.08kg/m3.3,聚碳酸脂(Polycarbonate 称PC) 综合性能优良的热塑性塑料,有良好的耐热性,耐寒性,并在较宽温度范围内(-135-+120)保持高的机械强度,尺寸稳定性好,温度升高到105时材料的线性尺寸增加0.07%,有很高的冲击强度,延展性好,具有均匀的成型收缩率,吸水率低,在水中浸泡24H仅增重0.13%,但不易进行机械加工,注塑成型是最常用的方法.密度为1.20kg/m3,本色呈淡黄色,加点淡蓝色后得到无色透明制品.nd=1.586,vd=34.0,透过率为88%,PC的机械特性是韧而剛,無缺口抗衝擊強度在熱塑性塑膠中
8、名列前茅,成型收縮率穩定在0.5%-0.7%.機械性能性能數值性能數值密度1.2kg/m3線膨脹係數7.0*10-5K-1吸水率0.24%熱變形溫度135-143拉伸強度61.74MPa長期使用最高溫度110彎曲強度93.1MPa電阻率108*m缺口耐衝擊強度127.4J/m擊穿電壓強度90mv/m表面硬度M70耐電弧性120/s熱性能性能數值性能數值結晶熔點263可燃性自熄熔融溫度220-230平均線膨脹係數(25-85) K-16.53*10-5 K-1脆化溫度-100玻璃化溫度145-150載荷下變形溫度181.8986*104Pa時45.4746*104Pa時138143最高使用溫度1
9、35比熱容1172J/(kg.k)熱導率0.1975w/(m.k)PC在室温下耐水,稀酸,氧化剂,还原剂,盐,油,脂肪烃的侵蚀,不耐碱,胺,酮,芳香烃的侵蚀,在很多有机液体为蒸气中溶胀,并导致应力开裂,溶于二氯甲烷,二氯霉素乙烷,甲酚,二恶烷中,长期致于水中会水解破裂导致脆化.PC在水中正常吸濕性為0.15%,溫水中肖水為0.35%,沸水中吸水為0.58%,能耐60攝氏度的水溫.由於PC的光學常數與PS相似,所以可以和PMMA組成消色差透鏡.光學塑膠的折射率是波長(m)的函數,可以用下列公式計算: n2()=A0+A12+A2-2+A3-4+A4-6+A5-8三種塑膠係數如下:係數PMMAPS
10、PCA02.1859362.4459842.428386A18.0*10-62.2*10-5-3.9*10-5A21.45315*10-22.72989*10-22.87574*10-2A3-5.6315*10-43.0121*10-4-1.979*10-4A49.4903*10-58.8893*10-51.48359*10-4A5-3.9023*10-6-1.7571*10-61.3865*10-64,苯乙烯和丙烯酸脂的共聚物,簡稱:NAS 70%的苯乙烯和30%的丙烯酸脂的共聚物,它和各性能优于聚苯乙烯.透过率可达90%,折射率nd可达1.5331.567之间变化,vd=35,可以被用来作
11、样正色差的第二种材料,但它一般只用来作薄透镜.5,烯丙基二甘醇碳酸脂(Allgl diglycol carbonate,简称ADC或CR-39)它是目前在光学领域中最主要的一种热固性材料,因此这种材料通常用浇铸的方法成形,澆注在玻璃模具中,一般在140的溫度下用17H的時間固化成型.Nd=1.498,vd=53-57,白光透過率92%,耐磨性,抗衝擊,化學腐蝕的能力強,能經受持續100的高溫,短時間內能耐150,由於它的收縮率很大(在固化時收縮率達14%)因此它主要用於眼鏡片.6.新品種 聚三環癸甲基丙烯酸脂OZ1000及1011,1012,1013等系列.是日本日立化工公司開發出一種新型脂環
12、樹脂. ARTON 由日本合成橡膠公司(JSR)開發的,在熱塑性樹脂中它的比重最輕,吸水率很小,優於PMMA,有良好的透過,色差小,雙折射率比PC的小,耐熱性好於PMMA和PC,拉伸強度優於PMMA,彎曲彈性模量優於PC,因此它很適合作非球面透鏡. 環烯烴共聚物,簡稱COCCOC的主要性能nd1.535密度1.02kg/cm3表面硬度M84-86vd56吸水率(24H0.01%熱變形溫度75-170透過率(厚3mm,400-700nm92%彈性模量2.756-3.448*103Pa玻璃轉化溫度85-180光彈性係數*1018cm2/N室溫-2至-7缺口耐衝擊強度J/m22-27線膨脹係數6-7
13、*10-5/K 環烯烴聚合物(Cycloolefin polymer簡稱COP)是日本瑞翁公司開發的另一種非晶型聚烯烴(Zeonex480等)Zeonex480與PC,PMMA的性能比較性能單位Zeoner480PC(光學級)PMMA(光學級Nd-1.5251.5861.491Vd-55.83457.2光學彈性係數*1018Cm2/N6.57.26.0雙折射nm256520密度Kg/m31.011.201.19飽和吸水率%0.010.20.3玻璃轉化溫度140145105荷重彎曲溫度12312190線膨脹係數K-17*10-57*10-58*10-5彎曲強度MPa10193115拉伸強度MPa
14、64.36473透過率%929092鉛筆硬度-HB3H八種主要光學塑膠特性材料性能聚甲丙烯酸甲脂(PMMA)聚苯乙烯PSNASSAN聚碳酸脂PC甲基戊烯TPX聚烯烴脂ZeonexArton FN nd (589.3nm Nc (656.3nm Nf (486.1nm1. 4911. 4881.4961. 5901. 5851.6041. 533-1.5671. 5581.5751.567-1.5711. 5631.5781. 5891. 5811.5981. 4671. 46641.4731. 5301. 5271.5371. 51(589nm)Vd57.230.83534.055.8折射率溫度系數(dn/dt)10-5-8.5
