光學(xué)高分子材料簡述及性能表征

1、光學(xué)高分子材料簡述及性能表征摘要：高分子材料在光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，作為大型光學(xué)元器件的背投屏幕更是利用先進(jìn)的高分子材料技術(shù)獲得了各種優(yōu)異的性能。簡單介紹了背投屏幕的分類、材料和制造工藝，以及光學(xué)高分子材料的歷史、分類和新的發(fā)展，以及主要性能表征。前言：背投屏幕是背投顯示的終端，在很大程度上影響整個(gè)光學(xué)顯示系統(tǒng)的性能。背投屏幕分為背投軟質(zhì)屏幕、背投散射屏幕和背投光學(xué)屏幕。背投軟質(zhì)屏幕具備廉價(jià)、運(yùn)輸安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但是亮度均勻性比較差、嚴(yán)重的“亮斑效應(yīng)”、光能利用率低、可視角度小等。分辨率低和對比度低。散射屏幕視角大、增益低、“亮斑效應(yīng)”明顯。采用不同的工藝制造。有些采用在壓克力板材表面進(jìn)行

2、霧化處理，增加散射。有些應(yīng)用消眩光玻璃模具復(fù)制表面結(jié)構(gòu)，基材內(nèi)添加光擴(kuò)散劑及調(diào)色劑制造。有些為降低成本直接在透明塑料板材表面粘貼背投軟質(zhì)屏幕制造。現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的就是微結(jié)構(gòu)光學(xué)型背投影屏幕。光學(xué)型背投影屏幕指的是利用微細(xì)光學(xué)結(jié)構(gòu)來完成光能分布、實(shí)現(xiàn)屏幕功能的這一類屏幕。主要有FL型（Fresnel lens-lenticular lenses）、FD型(Frensnel lens-Diffusion cover)、FLD型（Fresnel lens-Lenticular lenses-Diffusion cover）、BS型(Fresnel lens-Lenticular lenses-Bla

3、ck strips)。微光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)制主要采用模壓或鑄造等復(fù)制技術(shù)。鑄塑又稱澆鑄，它是參照金屬澆鑄方法發(fā)展而來的。該成型方法是將已準(zhǔn)備好的澆鑄原料（通常是單體，或經(jīng)初步聚合或縮聚的漿狀聚合物與單體的溶液等）注入一定的模具中，使其發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，從而得到與模具型腔相似的制件。這種方法也稱為靜態(tài)鑄塑法。靜態(tài)鑄塑技術(shù)可用來將電鑄鎳模具板上的微光學(xué)圖形轉(zhuǎn)移到塑料表面。鑄塑法得到的制件無針眼，無內(nèi)力應(yīng)變，無分子取向。重要的是，對于非晶態(tài)塑料來說，靜態(tài)鑄塑得到的制件相對于其它工藝一般具有更高的透光率，表現(xiàn)出優(yōu)越的光學(xué)性質(zhì)。背投光學(xué)屏幕屬于大尺寸微光學(xué)元件，由于體積較大用模壓工藝生產(chǎn)存在加工設(shè)備復(fù)雜、成本

4、高、合格率低的缺點(diǎn)，主要用澆鑄工藝來生產(chǎn)。正文：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，RFHunter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。與傳統(tǒng)無機(jī)光學(xué)材料相比，

5、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

6、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

7、學(xué)樹脂，如德國巴依爾公司研制的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

8、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定最常用的方法是折射儀法。阿貝折射儀是最廣泛用于測定折射率的折射儀。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

9、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)最常用于評價(jià)一種材料在真實(shí)或模擬的日照下的顏色變化。而對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。光學(xué)樹脂如同多數(shù)有機(jī)物質(zhì)一樣存在著耐候和耐老化問題，因此樹脂的結(jié)構(gòu)和加工工藝以及使用環(huán)境對樹脂的光學(xué)性能有較大的影響。在一定使用期限內(nèi)，光學(xué)參數(shù)的穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵，這個(gè)指標(biāo)直接決定產(chǎn)品的使用性能。采用人工加速老化中的全紫外線老化的方法檢測樹脂的光學(xué)穩(wěn)定性。全紫外線老化法主要模擬陽光中的紫外線全紫外線強(qiáng)度比相應(yīng)太陽紫外強(qiáng)度高幾倍。正是短波紫外線對有機(jī)材料

10、老化起了主要作用，這樣會(huì)大大地提高了老化加速率，也是全紫外老化的最突出優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)可以進(jìn)行溫度、濕度、雨淋等環(huán)境因素的模擬。這一老化方法其紫外強(qiáng)度等參數(shù)可以監(jiān)控，試驗(yàn)重復(fù)性好。 韌性(耐沖擊性能)和表面硬度(耐磨性)是光學(xué)高分子材料的重要機(jī)械性能。沖擊強(qiáng)度是衡量材料韌性的一種強(qiáng)度指標(biāo)。沖擊強(qiáng)度是使材料在沖擊力的作用下折斷，通常把折斷時(shí)截面吸收的能量定義為材料的沖擊韌性。沖擊實(shí)驗(yàn)主要有彎曲梁式（擺錘式）沖擊、落錘式?jīng)_擊和高速拉伸試驗(yàn)三類。無定型聚合物的韌性主要與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。主鏈上酯鍵、醚鍵、碳-碳鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，因而材料具有較好的韌性，如PC是光學(xué)塑料中抗沖擊性能最好的材料;帶有較大側(cè)基的聚合

11、物(如PVC, PMMA, PS等)，因主鏈上可以自由旋轉(zhuǎn)的基團(tuán)較少或旋轉(zhuǎn)時(shí)不對稱，因而韌性相對較差44 。硬度是衡量材料表面抵抗機(jī)械壓力的能力，可定義為：材料對形變（特別是永久形變）、壓痕或刻痕的抵抗能力。對于透明塑料材料，特別是光學(xué)樹脂的硬度通?？梢圆捎勉U筆硬度。耐磨性與結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。交聯(lián)樹脂比未交聯(lián)樹脂耐磨性顯著提高，如用于制造眼鏡片的CR-39樹脂、KT-153樹脂都是交聯(lián)樹脂。光學(xué)樹脂硬度較低、表面易被擦傷這一缺點(diǎn)現(xiàn)在已經(jīng)很容易克服，采用表面增強(qiáng)技術(shù)(如涂覆耐磨材料、真空鍍膜等)，可以使樹脂的表面硬度和光學(xué)玻璃一樣優(yōu)良。高聚物的耐熱性主要是指聚合物受熱下的變形，高聚物的耐熱性主要指玻

12、璃化溫度、軟化溫度等。有機(jī)玻璃在玻璃態(tài)下使用，而超過這個(gè)溫度將變?yōu)楦邚棏B(tài)或黏流態(tài)，此時(shí)即使受到較小的力也會(huì)產(chǎn)生較大的形變而不能保持其外形尺寸。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是在恒定的較小負(fù)荷下測得的溫度形變曲線上發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變較窄溫度范圍的中間值。在實(shí)際使用中，高聚物總是處于受力的情況下，因此不是以靜態(tài)的玻璃化溫度作為耐熱溫度，而是測量高聚物在一定外力下達(dá)到一定形變值時(shí)的溫度作為耐熱溫度，常用的有馬丁耐熱溫度、維卡軟化溫度及熱變形溫度。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是聚合物材料的一種普遍現(xiàn)象，它是一種聚合物材料使用的上限溫度，因此玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是聚合物的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。玻璃化轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)是鏈段運(yùn)動(dòng)隨溫度的降低被凍結(jié)或隨

13、溫度的升高被激發(fā)的結(jié)果。在玻璃化轉(zhuǎn)變前后分子的運(yùn)動(dòng)模式有很大的差異。因此，當(dāng)聚合物發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，其物理和力學(xué)性能必然有急劇的變化。除形變和模量外，聚合物的比熱容、比容積、熱膨脹系數(shù)、折射率和介電常數(shù)等都表現(xiàn)出突變或不連續(xù)的變化。因此，根據(jù)這些性質(zhì)上的變化，可以對聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量。常用的測定聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的方法有靜態(tài)熱機(jī)械法 TMA（如膨脹計(jì)法、溫度形變曲線法等）、動(dòng)態(tài)力學(xué)測量法DMA（如扭辮法和扭擺法等）、熱力學(xué)方法（如示差掃描量熱法DSC或差熱分析法DTA）等。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）可直接反映出聚合物耐熱性的高低，Tg的高低與聚合物的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。在聚合物材料中，鏈的剛性越大，Tg越高；使體系交聯(lián)也可提高耐熱性。聚合物的熱穩(wěn)定性是其實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要性質(zhì)。通常隨著溫度的升高，聚合物都會(huì)發(fā)生從玻璃態(tài)、高彈態(tài)到黏流態(tài)的力學(xué)變化，最后聚合物會(huì)在溫度達(dá)到一定程度分解，從而破壞聚合物。聚合物的分解溫度就是其熱穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。熱失重法（TG）是目前最常用的一種表征聚合物分解溫度的方法，即在程序升溫的環(huán)境中（空氣或氮?dú)夥諊?，測試試樣的質(zhì)量對溫度的依賴關(guān)系。熱失重法的基本原理：聚合物在溫度的作用下，隨溫度的升高，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，如水分蒸發(fā)，失去結(jié)晶水，低分子易揮發(fā)物的逸出，物質(zhì)的分解和氧化等。若將物質(zhì)的質(zhì)量變化和溫度變化的信