高分子材料的光學(xué)性能（課堂PPT）

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(guò)介質(zhì)的現(xiàn)象光通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)入較致密的材料時(shí)當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí),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(duì)折射率與相對(duì)折射率）絕對(duì)折射

2、率與相對(duì)折射率 （1）絕對(duì)折射率）絕對(duì)折射率 材料相對(duì)于真空中的折射率稱(chēng)為絕對(duì)折射率。材料相對(duì)于真空中的折射率稱(chēng)為絕對(duì)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(duì)折射率）相對(duì)折射率 由于在實(shí)際工作中使用絕對(duì)折射率不方便，因此使用相由于在實(shí)際工作中使用絕對(duì)折射率不方便，因此使用相對(duì)折射率的概念。對(duì)折射率的概念。 相對(duì)于空氣的折射率稱(chēng)為相對(duì)折射率：材料相對(duì)于空氣相對(duì)于空氣的折射率稱(chēng)為相對(duì)折射率：材料相對(duì)于空氣的折射率稱(chēng)為相對(duì)折射率：的折射率稱(chēng)為相對(duì)折射率：n=va/v材料材料 42兩種材料間的相對(duì)折射率兩種材料間的相對(duì)折射率 如果光從材料如果光從材料1，通過(guò)界面?zhèn)魅氩?/p>

3、料，通過(guò)界面?zhèn)魅氩牧?時(shí)，與界面法向所時(shí)，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(duì)于材料相對(duì)于材料l的相對(duì)折射率。的相對(duì)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。材料的折射率永

4、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(shù)脂：樹(shù)脂：1.3-1.75（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(jiàn)光范圍的電磁輻射場(chǎng)中時(shí)，輻射的極化當(dāng)一種介質(zhì)材料置于可見(jiàn)光范圍的電磁輻射場(chǎng)中時(shí)，輻射的極化電場(chǎng)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(chǎng)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(jiàn)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(jiàn)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)，因此介質(zhì)對(duì)光波場(chǎng)

5、的響應(yīng)可用宏觀物理量的極化有關(guān)，因此介質(zhì)對(duì)光波場(chǎng)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(lái)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(lái)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?yàn)椴牧系臉O化和磁化作用，用。正是因?yàn)椴牧系臉O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(duì)于非磁性為介質(zhì)的導(dǎo)磁率。對(duì)

6、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(guò)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(guò)宏觀量介電常數(shù)來(lái)影響光在材料中的傳播速度。量介電常數(shù)來(lái)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)離子半徑增大時(shí)，其

7、當(dāng)離子半徑增大時(shí)，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率和小的分子體積

8、。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(jià)電子主要是價(jià)電子)云相對(duì)于分子骨架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的云相對(duì)于分子骨架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(lái)的可加量叫做摩爾折射度。文獻(xiàn)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(lái)的可加量叫做摩爾折射度。文獻(xiàn)中有多種定義。9101112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(tuán)，折射率按支化鏈的碳?xì)浠鶊F(tuán)，折射率按支化鏈直鏈直鏈脂環(huán)脂環(huán)均聚PP嵌段共聚P

9、P。 b、對(duì)PE而言，三種不同品種的光澤度大小如下： LDPELLDPEHDPE c、對(duì)PVC而言，乳液法PVC樹(shù)脂比懸浮法PVC樹(shù)脂的光澤度高。 d、對(duì)于PS樹(shù)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(shù)脂的特性48 對(duì)同一種樹(shù)脂而言，其具體特性不同，光澤度也不相對(duì)同一種樹(shù)脂而言，其具體特性不同，光澤度也不相同，在樹(shù)脂的特性中對(duì)光澤度有影響的特性主要有如下幾同，在樹(shù)脂的特性中對(duì)光澤度有影響的特性主要有如下幾種。種。 a、熔體流動(dòng)速率、熔體流動(dòng)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、分子量的影響、分子量的影響 分子量的

10、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(shù)脂，對(duì)其相應(yīng)制品的吸水率高的樹(shù)脂，對(duì)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(jìn)行干燥等，如不進(jìn)行干燥或干燥不徹底，會(huì)在制品表面產(chǎn)出水波紋、氣泡、銀絲、或干燥不徹底，會(huì)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、毛疵等，從而使衣面光澤度大大

11、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(duì)光澤度影響最大的為填料；在所有的塑料用添加劑中，對(duì)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(duì)光澤度的影響可分為如下幾個(gè)方面填料對(duì)光澤度的影響可分為如下幾個(gè)方面: a、填料的品種、填料的品種 不同填料品種對(duì)光澤度的影響不同。不同填料品種對(duì)光澤度的影響不同。除玻璃微珠外幾乎所有的填料都會(huì)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(huì)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(duì)填充制品光澤幾種填料對(duì)填充制品光澤

12、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(duì)填充制填料粒子的微觀形狀不同，對(duì)填充制品光澤度的影響也不同，其影響大小的次序?yàn)椋浩饭鉂啥鹊挠绊懸膊煌?，其影響大小的次序?yàn)椋?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(duì)填小。另外，填料粒度的分布寬度大小不同，對(duì)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。其影響規(guī)律為：填料粒度分布越寬，填充

13、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?yàn)樘盍系牧６确秶嗖钤酱?，填充制這主要是因?yàn)樘盍系牧６确秶嗖钤酱?，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(shí)，填充制品的表面光澤時(shí)，填充制品的表面光澤度為度為50%。當(dāng)。當(dāng)CaCO3填充量為填充量為15%時(shí)，填充品的時(shí)，填充品的光澤度則下降為光澤度則下降為32%。 5

14、1 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(chēng)其為消光表面。 選擇合適的樹(shù)脂與填料；添加消光劑，如無(wú)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(jī)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(duì)光的選擇性吸顯色的原因是由于著色劑對(duì)光的選擇性吸收而引起選擇性反射或選擇性透射，從而顯收而引起選擇性反射或選擇性

15、透射，從而顯現(xiàn)顏色?，F(xiàn)顏色。 從本質(zhì)上說(shuō)，某種物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收，從本質(zhì)上說(shuō)，某種物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收，是吸收了連續(xù)光譜中特定波長(zhǎng)的光量子，以是吸收了連續(xù)光譜中特定波長(zhǎng)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(duì)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(jì)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(jìn)行染色，即在塑料中配以不同分量的染料進(jìn)行比例混合。55二二. 色母粒色母粒 色母粒又名色種，色母（Color Master Batch）是一種新型高分子材料專(zhuān)

16、用著色劑，亦稱(chēng)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(shù)脂之中而得到的聚集體，可稱(chēng)顏料濃縮物（Pigment Concentration），所以它的著色力高于顏料本身。簡(jiǎn)單一點(diǎn)說(shuō)色母是一種把超常量的顏料或染料均勻載附于樹(shù)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(jī)顏料與無(wú)機(jī)顏料顏料又分為有機(jī)顏料與無(wú)機(jī)顏料 常用的有機(jī)顏料有：酞菁紅、酞菁藍(lán)、酞菁綠、耐曬大常用的有機(jī)顏料有：酞菁紅、酞菁藍(lán)、酞菁綠、耐曬大紅、大分子紅、大分子黃、永固黃、永固紫、

17、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(wú)機(jī)顏料有：鎘紅、鎘黃、鈦白粉、炭黑、氧化常用的無(wú)機(jī)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(zhuān)用色母一般選擇與制品樹(shù)脂相同的樹(shù)脂作為載體，是色母粒的基體。專(zhuān)用色母一般選擇與制品樹(shù)脂相同的樹(shù)脂作為載體，兩者的相容性最好，但同時(shí)也要考慮載體的流動(dòng)性。兩者的相容性最好，但同時(shí)也要考慮載體的流動(dòng)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(diǎn)應(yīng)比樹(shù)脂低，與樹(shù)脂有良促使顏料均勻分散并不再凝聚，分散劑的熔點(diǎn)應(yīng)比樹(shù)脂低，與樹(shù)脂有良好的相容性，和顏料有較好的親和力。最

18、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(jī)械方法將顏料均勻分散于塑料中。按結(jié)構(gòu)可分為有機(jī)顏料和無(wú)機(jī)著色性能，需要用機(jī)械方法將顏料均勻分散于塑

19、料中。按結(jié)構(gòu)可分為有機(jī)顏料和無(wú)機(jī)顏料。無(wú)機(jī)顏料熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性優(yōu)良，價(jià)格低，但著色力相對(duì)差，相對(duì)密度大；顏料。無(wú)機(jī)顏料熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性優(yōu)良，價(jià)格低，但著色力相對(duì)差，相對(duì)密度大；有機(jī)顏料著色力高、色澤鮮艷、色譜齊全、相對(duì)密度小，缺點(diǎn)為耐熱性、耐候性和遮有機(jī)顏料著色力高、色澤鮮艷、色譜齊全、相對(duì)密度小，缺點(diǎn)為耐熱性、耐候性和遮蓋力方面不如無(wú)機(jī)顏料。染料是可用于大多數(shù)溶劑和被染色塑料的有機(jī)化合物、優(yōu)點(diǎn)蓋力方面不如無(wú)機(jī)顏料。染料是可用于大多數(shù)溶劑和被染色塑料的有機(jī)化合物、優(yōu)點(diǎn)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(shí)易發(fā)生遷移。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(shí)

20、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(jià)格便宜，另外還具有對(duì)塑料的紫外線保護(hù)（抗老化）作炭黑是常用黑色顏料，價(jià)格便宜，另外還具有對(duì)塑料的紫外線保護(hù)（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(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)用炭黑，色素炭黑按其著色能力又分為高色素炭黑、中