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多种光学塑料的材料特点及用途

导读:光学塑料对温度和湿度等环境的变化更为灵敏。塑料的热膨胀系数比玻璃大出一个数量级,光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大6倍到50倍,一般来讲塑料光学零件的最高连续工作温度不得高于80---120摄氏度。光学塑料的吸湿性也比玻璃大得多

一、光学塑料分类

塑料材料一般分为热塑性和热固性塑料。热塑性塑料指的是可反复加热仍可塑的塑料。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)

环氧光学塑料

 

二、主要的光学塑料

1.聚甲基丙烯酸甲脂PMMA

Polymethylmethacrylate, 简称PMMA,也称Acrylic。摩尔量约为50万---100万,(摩尔量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α射线和β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,隐形眼镜,光纤,光盘基板等零件。

 

2.聚苯乙烯 PS

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=1.59—1.660,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,吸湿性小吸只有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0.45%,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(6.5—6.7)* 10-5 K-1,密度为1.06kg/m3---1.08kg/m3。

 

3.苯乙烯和丙烯酸脂的共聚物,简称: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1.533—1.567之间变化,vd=35,可以被用来作样正色差的第二种材料,但它一般只用来作薄透镜。

 

4.SAN

SAN的化学结构式

5.聚碳酸脂 PC

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。

聚碳酸脂(PC)

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的机械特性是韧而刚,无缺口抗冲击强度在热塑性塑料中名列前茅,成型收缩率稳定在0.5%--0.7%。

聚碳酸脂(PC)的机械性能

聚碳酸脂(PC)的热性能

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在水中正常吸湿性为0.15%,温水中肖水为0.35%,沸水中吸水为0.58%,能耐60摄氏度的水温。

由于PC的光学常数与PS相似,所以可以和PMMA组成消色差透镜。

光学塑料的折射率是波长λ(μm)的函数,可以用下列公式计算:

n2(λ)=A0+A1λ2+A2λ-2+A3λ-4+A4λ-6+A5λ-8

PMMA、PS、PC的系数

6.TPX

TPX是日本三井化学株式会社所生产的4-甲基戊烯(4-methylpentene-1)的聚合物,TPX是其商品名,化学名称为Methylpentene copolymer,简称PMP,三井化学株式会社是全球唯一的TPX生产制造商。

聚4-甲基戊烯-1是一种高结晶透明塑料,密度:0.82-0.83;吸水率:0.01%;熔点:240℃;维卡软化点160℃~170℃;收缩率:1.5%~3.0%;透光率:90%~92%(目前已商业化的高透明度树脂中唯一的结晶性聚合体)。

TPX制造的杯子

7.烯丙基二甘醇碳酸脂 ADC

Allgl diglycol carbonate,简称ADC或CR-39。ADC光学性能好、化学稳定性强、耐高温(长期使用可耐100℃,短期可耐150℃)、表面硬度比PMMA高40倍,是现有光学塑料中硬度最大的。

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,浇注在玻璃模具中,一般在140℃的温度下用17H的时间固化成型。

Nd=1.498,vd=53---57,白光透过率92%,耐磨性,抗冲击,化学腐蚀的能力强,能经受持续100℃的高温,短时间内能耐150℃,由于它的收缩率很大(在固化时收缩率达14%)因此它主要用于眼镜片。

 

8.PET

PET最常用途是透明饮料瓶。

PET饮料瓶

由于PET大分子链具有良好的规制性,为它提供了较高的结晶性能,结晶度越大密度越大,通常密度为1.2~1.38g/cm3。其分子链比较刚硬,分子间的强作用力赋予它具有良好的刚性和强度,对非极性气体等物质具有良好的阻隔性能和耐蜕变性能,膨胀系数小、尺寸稳定性高。

PET是一种典型的高结晶性聚合物,其熔点在225~260℃之间,玻璃化温度在70~80℃之间,在180℃左右达到最大结晶速度。PET 是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物,表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具有优良的物理机械性能,长期使用温度可达120℃,电绝缘性优良,甚至在高温高频下,其电性能仍较好,但耐电晕性较差,抗蠕变性,耐疲劳性,耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。PET塑料分子结构高度对称,具有一定的结晶取向能力,故而具有较高的成膜性和成性。PET塑料具有很好的光学性能和耐候性,非晶态的PET塑料具有良好的光学透明性。

另外PET塑料具有优良的耐磨耗摩擦性和尺寸稳定性及电绝缘性。PET做成的瓶具有强度大、透明性好、无毒、防渗透、质量轻、生产效率高等因而受到了广泛的应用到了广泛应用。

 

9.PSU

PSU化学结构式

PSU为高性能工程塑料,硬度和冲击强度高,耐蒸气、耐水解、无毒、耐高温蒸气消毒、高透明、尺寸稳定性好,可在-100至175度下长期使用。比如用于制备透明宠物箱。

PSU制品

10.MS

MS化学结构式

11.OZ—1000

聚三环癸甲基丙烯酸脂OZ—1000及1011,1012,1013等系列,是日本日立化工公司开发出一种新型脂环树脂。

OZ1000光学塑料色散低、透过率高、双折射小、饱和吸水率仅为PMMA的1/10,其光学性能可与PMMA相媲美,且耐热性优于PMMA,适用于高精度透镜的精密成型。

 

12.ARTON

由日本合成橡胶公司(JSR)开发的,在热塑性树脂中它的比重最轻,吸水率很小,优于PMMA,有良好的透过,色差小,双折射率比PC的小,耐热性好于PMMA和PC,拉伸强度优于PMMA,弯曲弹性模量优于PC,因此它很适合作非球面透镜。

 

13.环烯烃共聚物,简称COC

COC的主要性能

14.环烯烃聚合物 COP

Cyclo—olefinpolymer,简称COP。是日本瑞翁公司开发的另一种非晶型聚烯烃(Zeonex480等)。Zeonex480与PC,PMMA的性能比较:

Zeonex480与PC,PMMA的性能比较

三、八种主要光学塑料特性

PMMA/PS/NAS/SAN/PC/TPX/Zeonex/Artonp性能比较

PMMA/PS/NAS/SAN/PC/TPX/Zeonex/Artonp性能比较(图1)

PMMA/PS/NAS/SAN/PC/TPX/Zeonex/Artonp性能比较(图2)

四、光学玻璃和光学塑料的光学性能

1.光学玻璃 Vs 光学塑料

光学玻璃与光学塑料性能比较

2.光学塑料的优缺点

光学塑料的优点:

①能进行大批量生产,降低制造成本;

②可以设计非常复杂的形状;

③重量轻,耐冲击;

④可以同时压出光学面和定位面. 减少系统装配成本;

⑤零件的质量一致。

光学塑料的缺点:

①对温度和湿度等环境的变化更为灵敏。塑料的热膨胀系数比玻璃大出一个数量级,光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大6倍到50倍,一般来讲塑料光学零件的最高连续工作温度不得高于80---120摄氏度。光学塑料的吸湿性也比玻璃大得多;

②注射成型过程影响表面面形精度.由于材料在成型过程中的流动模式和冷却,固化收缩,光学零件的面形精度会受到影响。大多数光学塑料零件在成型时的收缩率一般是模具尺寸的0.1%~0.6%,随材料和生产过程的不同而不同;

③由于聚合时分子的取向性和模压时产生的内应力,光学塑料零件存在不同程度的双折射。

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