高分子材料的光學(xué)性能

1、.1第第9章章 高分子材料的光學(xué)性能高分子材料的光學(xué)性能.2第一節(jié)第一節(jié) 光通過介質(zhì)的現(xiàn)象光通過介質(zhì)的現(xiàn)象一一.折射折射 1折射率的定義折射率的定義 1）定義）定義 光是具有一定波長的電磁波，光的折射可理解為光在介質(zhì)光是具有一定波長的電磁波，光的折射可理解為光在介質(zhì)中傳播速度的降低而產(chǎn)生的（以真空中的光速為基礎(chǔ)）。中傳播速度的降低而產(chǎn)生的（以真空中的光速為基礎(chǔ)）。 當(dāng)光從真空進入較致密的材料時當(dāng)光從真空進入較致密的材料時,其速度是降低的。折射率其速度是降低的。折射率定義為：光在真空和材料中的速度之比。定義為：光在真空和材料中的速度之比。 即：即： cn材料真空.32）絕對折射率與相對折射率）絕

2、對折射率與相對折射率 （1）絕對折射率）絕對折射率 材料相對于真空中的折射率稱為絕對折射率。材料相對于真空中的折射率稱為絕對折射率。 一般將真空中的折射率定為一般將真空中的折射率定為1。 （2）相對折射率）相對折射率 由于在實際工作中使用絕對折射率不方便，因此使用相由于在實際工作中使用絕對折射率不方便，因此使用相對折射率的概念。對折射率的概念。 相對于空氣的折射率稱為相對折射率：材料相對于空氣相對于空氣的折射率稱為相對折射率：材料相對于空氣的折射率稱為相對折射率：的折射率稱為相對折射率：n=va/v材料材料 .42兩種材料間的相對折射率兩種材料間的相對折射率 如果光從材料如果光從材料1，通過界

3、面?zhèn)魅氩牧?，通過界面?zhèn)魅氩牧?時，與界面法向所時，與界面法向所形成的入射角形成的入射角i1、折射角、折射角i2與兩種材料的折射率與兩種材料的折射率n1和和n2現(xiàn)有下現(xiàn)有下述關(guān)系述關(guān)系:21211221sinsinnnnii式中：式中：v1及及v2分別表示光在材料分別表示光在材料l及及2中的傳播速度，中的傳播速度，n21為材料為材料2相對于材料相對于材料l的相對折射率。的相對折射率。材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。兩種折射率相比，材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。兩種折射率相比，折射率較大者，光的傳播速度較慢。材料的折射率永遠(yuǎn)是大于折射率較大者，光的傳播速度較慢。材料的

4、折射率永遠(yuǎn)是大于l的正數(shù)。的正數(shù)。如空氣的如空氣的n =1.0003，固體氧化物，固體氧化物n=1.32.7，硅酸鹽玻璃，硅酸鹽玻璃n=1.51.9，樹脂：樹脂：1.3-1.7.5（1）折射率與極化率的關(guān)系）折射率與極化率的關(guān)系 當(dāng)一種介質(zhì)材料置于可見光范圍的電磁輻射場中時，輻射的極化當(dāng)一種介質(zhì)材料置于可見光范圍的電磁輻射場中時，輻射的極化電場引起其中帶電的結(jié)構(gòu)單元周期性的位移，輻射導(dǎo)致該材料的宏觀電場引起其中帶電的結(jié)構(gòu)單元周期性的位移，輻射導(dǎo)致該材料的宏觀極化。在可見光的頻率范圍內(nèi)僅出現(xiàn)電子極化。由于光的傳播與介質(zhì)極化。在可見光的頻率范圍內(nèi)僅出現(xiàn)電子極化。由于光的傳播與介質(zhì)的極化有關(guān)，因此介

5、質(zhì)對光波場的響應(yīng)可用宏觀物理量的極化有關(guān)，因此介質(zhì)對光波場的響應(yīng)可用宏觀物理量-極化率或極化率或介電常數(shù)來描述。光波除了與材料中的電結(jié)構(gòu)作用外，還與磁結(jié)構(gòu)作介電常數(shù)來描述。光波除了與材料中的電結(jié)構(gòu)作用外，還與磁結(jié)構(gòu)作用。正是因為材料的極化和磁化作用，用。正是因為材料的極化和磁化作用，“拖住拖住”了電磁波的步伐，使了電磁波的步伐，使電磁波的傳播速度變慢。根據(jù)麥克斯威爾電磁波理論，光在介質(zhì)中的電磁波的傳播速度變慢。根據(jù)麥克斯威爾電磁波理論，光在介質(zhì)中的傳播速度應(yīng)為：傳播速度應(yīng)為：cv式中：式中：c為真空中的光速，為真空中的光速，為介質(zhì)的介電常數(shù)，為介質(zhì)的介電常數(shù)，為介質(zhì)的導(dǎo)磁率。對于非磁性為介質(zhì)的

6、導(dǎo)磁率。對于非磁性材料，材料， 1。在下面討論中，介質(zhì)材料一般都是非磁性材料。在下面討論中，介質(zhì)材料一般都是非磁性材料。 3影響折射率的因素影響折射率的因素.6ccvcn材料n 該式反映了光的折射率和材料的介電常數(shù)的關(guān)系。材料的極化性質(zhì)與構(gòu)成材料原該式反映了光的折射率和材料的介電常數(shù)的關(guān)系。材料的極化性質(zhì)與構(gòu)成材料原子的原子量、電子分布情況、化學(xué)性質(zhì)等微觀因素有關(guān)。這些微觀因素通過宏觀子的原子量、電子分布情況、化學(xué)性質(zhì)等微觀因素有關(guān)。這些微觀因素通過宏觀量介電常數(shù)來影響光在材料中的傳播速度。量介電常數(shù)來影響光在材料中的傳播速度。 .7（2）折射率與離子半徑的關(guān)系）折射率與離子半徑的關(guān)系 當(dāng)離子

7、半徑增大時，其當(dāng)離子半徑增大時，其增大，因而增大，因而n也隨之增也隨之增大。因此，可以用大離子得到高折射率的材料，大。因此，可以用大離子得到高折射率的材料，如如PbS的的n=3.912，用小離子得到低折射率的材，用小離子得到低折射率的材料，如料，如SiCl4的的n=1.412。 .8（3）折射率與摩爾折光度、分子體積的關(guān)系）折射率與摩爾折光度、分子體積的關(guān)系 折射率與材料介質(zhì)摩爾折射度成正比，與分子體積成反比；而摩折射率與材料介質(zhì)摩爾折射度成正比，與分子體積成反比；而摩爾折射度與介質(zhì)極化率成正比，所以要提高折射率，要求材料具有大爾折射度與介質(zhì)極化率成正比，所以要提高折射率，要求材料具有大的極化

8、率和小的分子體積。的極化率和小的分子體積。摩爾折射度摩爾折射度(R)是由于在光的照射下分子中電子是由于在光的照射下分子中電子(主要是價電子主要是價電子)云相對于分子骨架的相對運動的云相對于分子骨架的相對運動的結(jié)果。這種把光學(xué)折射與化學(xué)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來的可加量叫做摩爾折射度。文獻中有多種定義。結(jié)果。這種把光學(xué)折射與化學(xué)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來的可加量叫做摩爾折射度。文獻中有多種定義。.9.10.11.12可以看出，具有較大極化率和較小分子體積的苯環(huán)具有較高的折射率；含有相同碳數(shù)可以看出，具有較大極化率和較小分子體積的苯環(huán)具有較高的折射率；含有相同碳數(shù)的碳?xì)浠鶊F，折射率按支化鏈的碳?xì)浠鶊F，折射率按支化鏈直鏈直鏈脂

9、環(huán)脂環(huán)均聚PP嵌段共聚PP。 b、對PE而言，三種不同品種的光澤度大小如下： LDPELLDPEHDPE c、對PVC而言，乳液法PVC樹脂比懸浮法PVC樹脂的光澤度高。 d、對于PS樹脂而言，高抗沖聚笨乙烯（HIPS）的光澤度大于通用聚苯乙烯（GPPS）樹脂的特性.48 對同一種樹脂而言，其具體特性不同，光澤度也不相對同一種樹脂而言，其具體特性不同，光澤度也不相同，在樹脂的特性中對光澤度有影響的特性主要有如下幾同，在樹脂的特性中對光澤度有影響的特性主要有如下幾種。種。 a、熔體流動速率、熔體流動速率(MFR)一般越大，其相應(yīng)制品的光澤一般越大，其相應(yīng)制品的光澤度越大。度越大。 b、分子量的影

10、響、分子量的影響 分子量的影響主要體現(xiàn)在分子量分分子量的影響主要體現(xiàn)在分子量分布寬度上。分子量分布越寬，其相應(yīng)制品的光澤度下降。布寬度上。分子量分布越寬，其相應(yīng)制品的光澤度下降。 c、吸水率的影響、吸水率的影響 吸水率高的樹脂，對其相應(yīng)制品的吸水率高的樹脂，對其相應(yīng)制品的光澤度影響較大。如分子中含有酯基（光澤度影響較大。如分子中含有酯基（-COOR）及酞胺）及酞胺基（基（-CONH2）的）的PA、PI、PSF及及PC等，如不進行干燥等，如不進行干燥或干燥不徹底，會在制品表面產(chǎn)出水波紋、氣泡、銀絲、或干燥不徹底，會在制品表面產(chǎn)出水波紋、氣泡、銀絲、斑紋、毛疵等，從而使衣面光澤度大大下降。斑紋、毛

11、疵等，從而使衣面光澤度大大下降。.492）添加劑的選擇）添加劑的選擇 在所有的塑料用添加劑中，對光澤度影響最大的為填料；在所有的塑料用添加劑中，對光澤度影響最大的為填料；其次還有增塑劑、穩(wěn)定劑及阻燃劑等，但影響較小。其次還有增塑劑、穩(wěn)定劑及阻燃劑等，但影響較小。填料對光澤度的影響可分為如下幾個方面填料對光澤度的影響可分為如下幾個方面: a、填料的品種、填料的品種 不同填料品種對光澤度的影響不同。不同填料品種對光澤度的影響不同。除玻璃微珠外幾乎所有的填料都會使填充制品的光澤度下除玻璃微珠外幾乎所有的填料都會使填充制品的光澤度下降，只是下降幅度不同而已。降，只是下降幅度不同而已。 幾種填料對填充制

12、品光澤幾種填料對填充制品光澤度影響大小次序如下：金屬鹽度影響大小次序如下：金屬鹽玻璃纖維玻璃纖維滑石粉滑石粉云母云母 b、填料的形狀、填料的形狀 填料粒子的微觀形狀不同，對填充制填料粒子的微觀形狀不同，對填充制品光澤度的影響也不同，其影響大小的次序為：品光澤度的影響也不同，其影響大小的次序為： 球狀球狀粒粒狀狀針狀針狀片狀片狀.50c、填料的粒度、填料的粒度 填料的粒度越小，填抖制品的光澤度下降幅度填料的粒度越小，填抖制品的光澤度下降幅度小。另外，填料粒度的分布寬度大小不同，對填小。另外，填料粒度的分布寬度大小不同，對填充制品的光澤度影響也不同。其影響規(guī)律為：填充制品的光澤度影響也不同。其影響

13、規(guī)律為：填料粒度分布越寬，填充制品的表面光澤度越低。料粒度分布越寬，填充制品的表面光澤度越低。這主要是因為填料的粒度范圍相差越大，填充制這主要是因為填料的粒度范圍相差越大，填充制品的表面越凸凹不平，入射光越易產(chǎn)生漫反射現(xiàn)品的表面越凸凹不平，入射光越易產(chǎn)生漫反射現(xiàn)象。象。d、填料的填充量、填料的填充量 填料的填充增大，填充制品填料的填充增大，填充制品的表面光澤度降低。以的表面光澤度降低。以CaCO3填充填充PP 體系為例，體系為例，當(dāng)當(dāng)CaCO3填充量為填充量為5%時，填充制品的表面光澤度時，填充制品的表面光澤度為為50%。當(dāng)。當(dāng)CaCO3填充量為填充量為15%時，填充品的光時，填充品的光澤度則

14、下降為澤度則下降為32%。 .51 具體方法：除了原料的合理選取外，還有添加增亮的方法、共混增亮方法、形態(tài)控制增亮方法、成型設(shè)備光潔度的控制、二次加工增亮方法及表面涂層增亮方法等。.52（2）塑料消光 塑料消光方法與增亮方法正好相反，其改性目的是降低塑料的表面光澤。一般要使其光澤度下降到15以下，才可稱其為消光表面。 選擇合適的樹脂與填料；添加消光劑，如無定型二氧化硅；提高模具的表面粗糙度；塑料表面涂層固體微粒；塑料表面機械消光.53第四節(jié)第四節(jié) 塑料的顏色塑料的顏色 一著色的原因一著色的原因 顯色的原因是由于著色劑對光的選擇性吸顯色的原因是由于著色劑對光的選擇性吸收而引起選擇性反射或選擇性透

15、射，從而顯收而引起選擇性反射或選擇性透射，從而顯現(xiàn)顏色?，F(xiàn)顏色。 從本質(zhì)上說，某種物質(zhì)對光的選擇性吸收，從本質(zhì)上說，某種物質(zhì)對光的選擇性吸收，是吸收了連續(xù)光譜中特定波長的光量子，以是吸收了連續(xù)光譜中特定波長的光量子，以激發(fā)吸收物質(zhì)本身原子的電子躍遷。激發(fā)吸收物質(zhì)本身原子的電子躍遷。.54 熱塑性塑料原料大部分是透明或呈乳白色，而精密塑件常常對顏色提出各種要求，光學(xué)儀器中的零件需要黑色以防止漏光和消除雜散光，外觀零件常根據(jù)設(shè)計需要而使用不同的顏色。所以在塑料制品的加工之前需要進行染色，即在塑料中配以不同分量的染料進行比例混合。.55二二. 色母粒色母粒 色母粒又名色種，色母（Color Mast

16、er Batch）是一種新型高分子材料專用著色劑，亦稱顏料制備物（Pigment Preparation）。它由顏料或染料、載體和添加劑三種基本要素所組成，是把超常量的顏料或染料均勻地載附于樹脂之中而得到的聚集體，可稱顏料濃縮物（Pigment Concentration），所以它的著色力高于顏料本身。簡單一點說色母是一種把超常量的顏料或染料均勻載附于樹脂之中而制得的聚集體。.56色母的基本成分為：色母的基本成分為： 1.顏料或染料顏料或染料 顏料又分為有機顏料與無機顏料顏料又分為有機顏料與無機顏料 常用的有機顏料有：酞菁紅、酞菁藍(lán)、酞菁綠、耐曬大常用的有機顏料有：酞菁紅、酞菁藍(lán)、酞菁綠、耐曬

17、大紅、大分子紅、大分子黃、永固黃、永固紫、偶氮紅等紅、大分子紅、大分子黃、永固黃、永固紫、偶氮紅等 常用的無機顏料有：鎘紅、鎘黃、鈦白粉、炭黑、氧化常用的無機顏料有：鎘紅、鎘黃、鈦白粉、炭黑、氧化鐵紅、氧化鐵黃等鐵紅、氧化鐵黃等.572.載體載體 是色母粒的基體。專用色母一般選擇與制品樹脂相同的樹脂作為載體，是色母粒的基體。專用色母一般選擇與制品樹脂相同的樹脂作為載體，兩者的相容性最好，但同時也要考慮載體的流動性。兩者的相容性最好，但同時也要考慮載體的流動性。 3.分散劑分散劑 促使顏料均勻分散并不再凝聚，分散劑的熔點應(yīng)比樹脂低，與樹脂有良促使顏料均勻分散并不再凝聚，分散劑的熔點應(yīng)比樹脂低，與

18、樹脂有良好的相容性，和顏料有較好的親和力。最常用的分散劑為：聚乙烯低好的相容性，和顏料有較好的親和力。最常用的分散劑為：聚乙烯低分子蠟、硬脂酸鹽。分子蠟、硬脂酸鹽。 4.添加劑添加劑 如阻燃、增亮、抗菌、抗靜電、抗氧化等品種，除非客戶提出要求，如阻燃、增亮、抗菌、抗靜電、抗氧化等品種，除非客戶提出要求，一般情況下色母中并不含有上述添加劑。一般情況下色母中并不含有上述添加劑。.58著色劑主要分顏料和染料兩種。顏料是不能溶于普通溶劑的著色劑，故要獲得理想的著色劑主要分顏料和染料兩種。顏料是不能溶于普通溶劑的著色劑，故要獲得理想的著色性能，需要用機械方法將顏料均勻分散于塑料中。按結(jié)構(gòu)可分為有機顏料和

19、無機著色性能，需要用機械方法將顏料均勻分散于塑料中。按結(jié)構(gòu)可分為有機顏料和無機顏料。無機顏料熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性優(yōu)良，價格低，但著色力相對差，相對密度大；顏料。無機顏料熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性優(yōu)良，價格低，但著色力相對差，相對密度大；有機顏料著色力高、色澤鮮艷、色譜齊全、相對密度小，缺點為耐熱性、耐候性和遮有機顏料著色力高、色澤鮮艷、色譜齊全、相對密度小，缺點為耐熱性、耐候性和遮蓋力方面不如無機顏料。染料是可用于大多數(shù)溶劑和被染色塑料的有機化合物、優(yōu)點蓋力方面不如無機顏料。染料是可用于大多數(shù)溶劑和被染色塑料的有機化合物、優(yōu)點為密度小、著色力高、透明度好，但其一般分子結(jié)構(gòu)小，著色時易發(fā)生遷移。為密度小、

20、著色力高、透明度好，但其一般分子結(jié)構(gòu)小，著色時易發(fā)生遷移。 白色顏料主要有鈦白粉、氧化鋅、鋅鋇白三種。鈦白粉分金紅石型和銳鈦型兩種白色顏料主要有鈦白粉、氧化鋅、鋅鋇白三種。鈦白粉分金紅石型和銳鈦型兩種結(jié)構(gòu)，金紅石型鈦白粉折射率高、遮蓋力高、穩(wěn)定、耐候性好。結(jié)構(gòu)，金紅石型鈦白粉折射率高、遮蓋力高、穩(wěn)定、耐候性好。 炭黑是常用黑色顏料，價格便宜，另外還具有對塑料的紫外線保護（抗老化）作炭黑是常用黑色顏料，價格便宜，另外還具有對塑料的紫外線保護（抗老化）作用和導(dǎo)電作用，不同生產(chǎn)工藝可以得到粒徑范圍極廣的各種不同炭黑，性質(zhì)差別也很用和導(dǎo)電作用，不同生產(chǎn)工藝可以得到粒徑范圍極廣的各種不同炭黑，性質(zhì)差別也很大。炭黑按用途分有色素炭黑和橡膠補強用炭黑，色素炭黑按其著色能力又分為高色大。炭黑按用途分有色素炭黑和橡膠補強用炭黑，色素炭黑按其著色能力又分為高色素炭黑、中