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光學高分子材料及其性能
添加時間:2017-03-15 點擊量:
高分子材料應用于光學領域最早由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中。1937年,R.F.Hunter公司制造出了全塑料透鏡的照相機。在二戰期間光學高分子材料被廣泛用來制作望遠鏡、瞄準鏡、放大鏡及照相機上的透鏡。由于受材料的品種少、質量差、加工工藝落后等條件的限制,戰后在光學領域中的應用曾一度下降。60年代后,隨著合成技術的發展,光學高分子的品種不斷增加,加工工藝也得到了改善,同時出現了表面改性技術,這些因素促成了光學高分子的迅速發展,并形成了獨立的光學高分子市場。

與傳統無機光學材料相比,盡管光學高分子材料的耐熱性、耐候性、耐磨性、耐溶劑性、抗吸濕性及光學均一性(雙折射、光學畸變)較差,折射率、色散范圍較窄,熱膨脹系數較大,但是聚合物光學材料具有密度小、耐沖擊、成本低、加工成型容易等優點,近年來得到了廣泛的應用。常用光學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樹脂。表1-1列出了一些常用光學高分子材料的特性。

由于傳統光學塑料的性能無法滿足人們對高性能光學元器件的要求,因此近年來又開發了一些新型光學塑料。如KT-153螺烷樹脂,日本東海光學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,具有特殊脂環基結構的甲 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,鑄塑時形成三維交聯結構;APO樹脂,是日本三井石油工業公司新開發的一種光盤基板材料,是由乙烯與雙環鏈烯及三環鏈烯等環狀烯烴共聚合成的非晶態聚烯烴共聚物;MR系列樹脂,是日本三井東亞公司于20世紀80年代后期研制出的新型光學樹脂,它是由帶有芳環的異氰酸酯與多硫醇化合物通過聚加成反應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元件。還有其它一些近年來研制出來的光學樹脂,如德國巴依爾公司研制的E818光學樹脂;1993年HOYA公司推出的EYAS樹脂;1997年HOYA公司推出目前已經商品化的折射率最高的眼睛片用樹脂材料等。

光學高分子材料種類繁多,應用也不盡相同,但一般都包含三大類技術指標:光學性能、機械性能、熱學性能。
光學性能主要包括折射率和色散、透過率、黃色指數及光學穩定性。
折射率和色散是光學材料的最基本性能。在透鏡設計中,為使透鏡超薄和低曲率必須尋求高折射率的光學材料,而校正色差要求有兩組阿貝數不同的材料,即冕牌系列(低色散,阿貝數>50)和火石系列(高色散,阿貝數<40)。光學玻璃的折射率和色散有較大的選擇余地,而光學塑料的選擇范圍卻十分有限,尤其是冕牌系列光學塑料。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重要性能指標,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不到100%,即使是透明性最好的光學玻璃的透光率一般也難以超過95%。
聚合物光學材料在紫外和可見光區的透光性和光學玻璃相近,在近紅外以上區域不可避免的出現碳氫振動所引起的吸收。通常,光學塑料在可見光區透光率的損失主要由以下三個因素造成:光的反射;光的散射;光的吸收。
黃色指數是無色透明材料質量和老化程度的一項性能指標,由分光光度計的讀數計算而得,描述了試樣從無色透明或白色到黃色的顏色變化。這一實驗最常用于評價一種材料在真實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。

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