光學(xué)高分子材料簡述

1、光學(xué)高分子材料簡述前言：背投屏幕是背投顯示的終端，在很大程度上影響整個光學(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、運(yùn)輸 安裝方便等優(yōu)點，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?，F(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)

2、光學(xué)結(jié)構(gòu)來完成光能分布、實現(xiàn)屏幕功能的 這一類屏幕。主要有 FL 型(Fresnel lens-lenticular lenses) v FD 型(Frensnel lens Diffusion cover)、FLD 型(Fresnel lensLenticular lensesDiffusion cover)、 BS 型(FresnellensLenticular lenses-Black 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

3、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、成本高、合格率低的缺點，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

4、，R. F. Hunter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，并形成了獨立的光學(xué)高分子市場。用品文権與傳統(tǒng)無機(jī)光學(xué)材料相比，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

5、度小、耐沖擊、成本低、加工成型容易等優(yōu)點， 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甲基戊烯苯乙烯丙烯膳共聚物 等熱塑性光學(xué)樹脂。表列出了一些常用光學(xué)高分子材料的特性。衣i-i 一畔具整光學(xué)at料ffMiit與死爭能減的tlKLu 分 nr PSTCNA$MSR-Afwgr %1 5；1 49I.S9i.sa15?I.S61 50M34St31J4-J54051>QJ0.412d544rq 120 -inHIb (noi>> 10030-100KK100I99nwW90TWO*7MBFlir

6、Sth 護(hù) mm)L2-32-J2IwJ: 二 C（科7MC7Q-W 'i輕1 r( "ti 14*r_19413Q90140?00：0.4040.1toI Fl0J074*.4arO.B<?07 N0 8L11f2 S3119tewuLDT1 OTI3Z;Aft%DMA0 50»”4 &0 1-05Utlb叫忻f%'U、碎戸leg州垢營點尸桿由于傳統(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物；用品文権A0-H<

7、CHv-0H； C=CH-HC V:CH_HCK 鬲O-H>C CH； K)oz -1000樹脂,具有特殊脂環(huán)基結(jié)構(gòu)的甲基丙烯漲酣類的均聚韌或共聚物的:k AnnaFUR 代尊TS-26樹脂，這種樹脂是由苯乙烯、甲基丙烯酸乙酯和三漠苯乙烯作為共聚單體,鑄塑時形成三維交聯(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)狀烯炷共聚合成的非晶 態(tài)聚烯姪共聚物；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)的異氧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

8、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EYASW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

9、，阿貝數(shù)50）和火石系列（高色散，阿貝數(shù)V40）。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Ill品文檔（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% o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

10、出現(xiàn)碳?xì)湔駝铀鸬奈?。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)是無色透明材料質(zhì)量和老化程度的一項性能指標(biāo)，由分光光度計的讀數(shù)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。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，這個指標(biāo)直接決定產(chǎn)品的使用性能。采用人工加

11、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)材料老化起了主要作用，這樣會 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。同時可以進(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，通常把折斷時截面吸收的能量定義為材料的沖擊韌性。沖擊實驗主要有彎曲梁式（擺錘式）沖擊、落錘式?jīng)_擊和高速拉伸試驗三類。更

12、多詳情，請關(guān)注光電通網(wǎng)/站 Gdtone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、醴鍵、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)基的聚合物（女口 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)時不對稱，因而韌性相對較差44 o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?？?以采用鉛筆硬度。Ill品文檔耐磨性與結(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

13、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，而超過這個溫度將變?yōu)楦邚棏B(tài)或黏流 態(tài)，此時即使受到較小的力也會產(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

14、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非常重要的性能指標(biāo)。玻璃化轉(zhuǎn)變的實質(zhì)是鏈 段運(yùn)動隨溫度的降低被凍結(jié)或隨溫度的升高被激發(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，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)行實驗測量。常用的測定聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的方法有靜態(tài)熱機(jī)

15、械法TMA（如膨脹計法、溫度形變曲線法等）、動態(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)定性是其實際應(yīng)用中的一個重要性質(zhì)。通常隨著溫度的升高，聚合物 都會發(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 氮氣氛圍），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)