光學(xué)透明高分子材料的應(yīng)用與發(fā)展

光學(xué)透明高分子材料的應(yīng)用與發(fā)展

光學(xué)透明高官材料是近年來開發(fā)的重要光學(xué)材料。它具有成本低、輕量、建模、性能高、易復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)。此外，它還具有許多良好的光學(xué)特性，如成本低、輕量、小型、性能高、易復(fù)制等。因此，它被廣泛應(yīng)用于建筑材料、航空航天、光學(xué)成像、光學(xué)透鏡、衍射光、非線性光學(xué)元件等。本文介紹了光學(xué)透明高官材料及其主要性能、現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)和日常生活的應(yīng)用和發(fā)展。1用改性聚氨酯材料材料進(jìn)入光電子時(shí)代,很多與我們息息相關(guān)的光電子元件都是采用光學(xué)透明材料制造的,如光纖、光盤、發(fā)光二極管、透明導(dǎo)電薄膜等,這些材料過去都是采用玻璃制造,但隨著科技的發(fā)展,越來越多的采用了光學(xué)透明高分子材料.材料的通光性能是我們使用中主要考慮的性能之一,有很多生產(chǎn)、生活中使用的光學(xué)透明高分子材料,因?yàn)橛糜诓煌瑘?chǎng)合,對(duì)其通光特性的要求也各不相同.以多種聚合物、交聯(lián)擴(kuò)鏈劑及催化劑等物質(zhì)合成的透明聚氨酯樹脂材料(PU)的性能較好,通光特性也較好,在10~20mm厚度,從紫外到可見光范圍內(nèi)測(cè)量,通過率可達(dá)91%~93%,且加工性能穩(wěn)定,可以作為普通光學(xué)玻璃的替代物.透明塑料的測(cè)定也說明了光學(xué)透明高分子材料的透光特性很優(yōu)異.實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)FRP(厚度0.85mm)等材料的測(cè)量表明,其太陽光透光率和普通的光學(xué)玻璃(厚度4.6mm)差不多,PMMA(厚度3.21mm)的太陽光透光率比普通玻璃(厚度4.6mm)還高.CR-39是由美國哥倫比亞研究室研制成功的,故又名哥倫比亞樹脂,連續(xù)使用溫度100℃,短暫工作溫度為150℃.可見光的透光率(89~92)%(厚度3mm時(shí)),能全部吸收波長(zhǎng)350mm以下的紫外光、紅外吸收(8~10)%(波長(zhǎng)780nm~1100nm),經(jīng)用真空鍍寬帶增透膜后,其透光率可達(dá)99%或更高,適于制造眼鏡鏡片.美國杜邦公司的F-46薄膜,是一種集熱器蓋層材料,其太陽透光率達(dá)90%以上,且入射角修正系數(shù)也很小,很適合房屋的采光、保溫.LoralDefenseSystems公司研制的一種交聯(lián)熱固性聚氨酯GAC-590,透光率達(dá)91.6%,并且具有耐高溫的特性,可用作沉積透明導(dǎo)電涂層的基底材料.2熱變形溫度和導(dǎo)熱系數(shù).熱變形比熱性能是高分子透明塑料的很顯著特點(diǎn),它涉及到產(chǎn)品制造生產(chǎn)和加工使用等一系列問題.由于用途不一,這類材料的熱形變溫度分布也很廣.如GAC-590的熱形變溫度為141℃,而一般有機(jī)玻璃的熱形變溫度只有114℃,聚碳酸酯的熱形變溫度是138℃.有些高分子光學(xué)透明材料的熱形變溫度可以很高,如道化學(xué)公司研制的AEC(芳香族聚酯碳酸脂共聚物),其熱形變溫度達(dá)160℃且仍可正常使用,沒有退火.一般來說,在熱塑成型后就可以再對(duì)這些材料進(jìn)行加工,通過固化處理達(dá)到使用所要求的性能.導(dǎo)熱系數(shù)也是高分子光學(xué)透明材料的重要性能指標(biāo)之一.一般玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)是6W/mK到7W/mK之間,高分子光學(xué)材料的導(dǎo)熱系數(shù)要低得多,因此隔熱效果也好.PPG公司研制的一種耐高溫彈性透明光學(xué)材料,其熱變形溫度達(dá)188℃,在F-111飛機(jī)上經(jīng)受一年的飛行考驗(yàn),沒有變色、分層、撕裂、銀紋、透光率下降和霧度增加現(xiàn)象.其使用環(huán)境溫度可以從-20℃到170℃,是使用溫度范圍很大的一種高分子透明光學(xué)材料.3光學(xué)高分子材料光學(xué)透明高分子材料無論是用在室外還是室內(nèi),或用在室外建筑上,甚至用于航空航天材料,其硬度、抗震、抗沖擊等性能都是需要認(rèn)真考慮的.目前人們常用的眼鏡很多就是光學(xué)樹脂材料,屬于光學(xué)透明高分子材料.如果這些材料硬度不夠,眼鏡容易磨損,很快就磨花而不能使用了.用在室外建筑、廣告等方面的光學(xué)高分子透明材料,硬度不夠則很容易損壞,還可能造成人員傷亡.航空航天使用的擋板材料,需要經(jīng)受很強(qiáng)的沖擊力考驗(yàn).GAC-590是多種聚合物、交聯(lián)擴(kuò)鏈劑及催化劑等物質(zhì)合成的透明聚氨酯樹脂材料(PU),其拉伸強(qiáng)度可達(dá)82.4MPa,彎曲強(qiáng)度為109.8MPa,是較耐磨的材料,可以代替有機(jī)玻璃,但其沖擊強(qiáng)度較低,不適宜做結(jié)構(gòu)材料;有機(jī)玻璃材料的拉伸強(qiáng)度是64.8MPa,彎曲強(qiáng)度為109.8MPa;聚碳酸酯類材料的拉伸強(qiáng)度為57.7MPa,彎曲強(qiáng)度為92.7MPa,但其韌性不是很好,物理抗老化性能也不令人滿意.實(shí)驗(yàn)表明,聚酯碳酸脂具有較強(qiáng)的抗沖擊性,不會(huì)產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象,可用于制造常規(guī)的透明件.4樹脂膠片的性能要求早期制作眼鏡都使用玻璃鏡片,隨著科技的發(fā)展,眼鏡片的制作越來越多的使用了光學(xué)透明高分子材料——樹脂類光學(xué)透明材料.因?yàn)檫@些光學(xué)透明高分子材料具有重量輕、透明度高、鏡片尺寸大、抗沖擊、易加工成型、可染色、材料充足、成本低廉等優(yōu)點(diǎn).采用任何材料設(shè)計(jì)眼鏡鏡片時(shí)都必須考慮折射率和色散.用普通鏡片設(shè)計(jì)眼鏡鏡片時(shí),盡管采用非球面設(shè)計(jì),因高度數(shù)近視鏡片較厚,因而重量也大,使得佩戴者感到壓力太大.故對(duì)眼鏡鏡片材料的選取就有一定的要求,而樹脂類鏡片由于重量輕,可以很容易的達(dá)到這個(gè)要求.目前樹脂鏡片的折射率分為4檔:即1.50左右為低折射率,1.55左右為中折射率,1.60左右為高折射率,大于1.65的為超高折射率.據(jù)報(bào)道,已有折射率為1.70的超高折射率的合成樹脂出現(xiàn),但國內(nèi)市場(chǎng)上還未見到.利用材料的高折射率可以設(shè)計(jì)較薄的鏡片,使得鏡片整體重量下降,但是提高折射率的同時(shí)會(huì)使阿貝數(shù)值下降,阿貝數(shù)值的下降又使鏡片的色差增大,這兩者性能是互相制約的.因此,要求樹脂鏡片具有高折射率,高阿貝數(shù),低比重已成為樹脂鏡片材料研究開發(fā)的主要目標(biāo).常見幾種樹脂材料的特性見表.光學(xué)透明高分子材料不僅用在眼鏡鏡片制作上,在光學(xué)的其他方面也有廣泛的應(yīng)用,如光盤、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、衍射光柵等需要鏡片的設(shè)備、儀器等,都可以用這些材料.目前,光學(xué)透明高分子材料在許多應(yīng)用領(lǐng)域基本替代了無機(jī)光學(xué)材料.但光學(xué)透明高分子材料本身現(xiàn)在還存在耐熱溫度低、折射率隨溫度變化大、線膨脹系數(shù)大、易產(chǎn)生劃痕、吸潮、化學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),不能完全滿足在光電子和其他領(lǐng)域應(yīng)用的要求,限