影響工程塑料透明性的因素

透明工程塑料簡介透明工程塑料一般指的是具有優(yōu)良光學(xué)透明性、低黃度指數(shù)與霧度，可采用模壓、注射、擠出、3D打印等成型工藝進行加工，主要應(yīng)用于光學(xué)部件制造的一類工程塑料。透明工程塑料主要包括聚烯烴，如環(huán)狀烯烴聚合物(COC或COP)等；聚酯類，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)，聚碳酸酯(PC)等；聚砜類，如聚芳砜(PSF)、聚醚砜(PES)等；聚酰胺(PA)類，如透明尼龍等；透明氟塑料類，如聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)共聚物等，以及透明聚酰亞胺(PI)等。實際應(yīng)用中，透明工程塑料既可以單獨作為工程塑料應(yīng)用于光學(xué)部件的制造，也可作為透明復(fù)合材料的基體應(yīng)用于光學(xué)工程中。傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中，透明工程塑料可作為鏡片應(yīng)用于眼鏡、透鏡等光學(xué)部件制造領(lǐng)域，作為透明組件(車燈、舷窗、內(nèi)飾等)應(yīng)用于汽車、飛機制造等領(lǐng)域，作為透明絕熱材料(TIM)應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，以及作為透明耗材應(yīng)用于增材制造(3D打印)等領(lǐng)域。而新興領(lǐng)域中，透明工程塑料可應(yīng)用于發(fā)光二級管(LED)照明、光催化降解廢水器件的透明基底，以及柔性電子、柔性太陽能電池、柔性傳感器等器件的光學(xué)部件等。因此，透明工程塑料的研制與開發(fā)近年來得到了廣泛的關(guān)注。影響工程塑料透明性的主要因素“透明”對于絕大多數(shù)工程塑料，尤其是光學(xué)工程塑料終端產(chǎn)品來說都是具有很高價值的特性。非晶型工程塑料往往具有良好的光學(xué)透明性，而對于高度結(jié)晶型材料，尤其是厚度較高的產(chǎn)品，如注塑件，結(jié)晶往往會導(dǎo)致光線的折射，從而使制品的透明性發(fā)生劣化。為了使結(jié)晶型工程塑料變得透明，一般采用的方法是將晶胞尺寸變得更小。較小的晶體可避免引起光線的折射。另外，通過添加劑技術(shù)也可提高一些半結(jié)晶型工程塑料的透光率。對于PET而言，除非加入特殊的添加劑促進結(jié)晶，PET本身也是一種結(jié)晶緩慢的材料。非晶型PET透明而堅硬，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)下會軟化(～80℃)。然而，如果該材料被加熱到120～130℃時，其往往由于結(jié)晶的形成而開始變得渾濁。再如，對于聚酰胺(尼龍)材料而言，非晶態(tài)尼龍是真正透明的，在正常的成型條件下不會結(jié)晶，但半結(jié)晶尼龍6工程塑料要實現(xiàn)透明性，往往需要快速的冷卻速度和薄壁設(shè)計。如果制品厚度超過1～1.5?mm或者冷卻時模具溫度較高，這些材料將開始出現(xiàn)與晶體形成相關(guān)的渾濁。綜合而言，對于純工程塑料而言，影響其光學(xué)透明性的主要因素是高分子本體的結(jié)晶特性。對于高分子/高分子共混材料而言，由于組分間極性不匹配而造成的相分離以及折射率差異是影響其光學(xué)透明性的主要原因。而對于高分子/無機復(fù)合工程塑料而言，由于高分子基體與無機增強材料間折射率的不匹配而造成的光散射是影響其光學(xué)透明性的主要因素。簡言之，工程塑料的透明性與高分子材料本體的性質(zhì)以及成型加工條件均有著密切的關(guān)系。（1）本體性質(zhì)本體性質(zhì)方面，如前所述，對于高分子材料而言，其結(jié)晶性雖然與其光學(xué)透明性之間不存在絕對的對應(yīng)關(guān)系，但一般而言，透明高分子材料在分子聚集態(tài)特征方面多是無定形的。高分子材料的結(jié)晶特性本質(zhì)上是非均質(zhì)的，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的結(jié)晶區(qū)域本身由相對完善的晶胞單元組成，但同時也存在著由于支化、無規(guī)立構(gòu)以及其它缺陷而引起的無定形區(qū)域。這種晶態(tài)的各向異性組成結(jié)構(gòu)特征就造成了在結(jié)晶性高分子材料內(nèi)部通常存在著三種情況的折射率波動，即高分子本體/空氣界面、結(jié)晶/非晶界面，以及結(jié)晶/結(jié)晶界面。上述折射率波動往往會在結(jié)晶高分子材料表面造成顯著的光散射現(xiàn)象，進而影響結(jié)晶型高分子材料的透明性。此外，對于存在芳香族共軛單元的高分子材料而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中如果存在較為強烈的分子內(nèi)或分子間電荷轉(zhuǎn)移(CT)相互作用，則易在電子給體與電子受體之間形成“電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物(CTC)”。該作用過程中會由于電荷的躍遷與轉(zhuǎn)移而對可見光產(chǎn)生顯著的吸收，因此使得高分子材料的顏色與透光率發(fā)生劣化。（2）成型加工成型加工方面，如前所述，對于具有低結(jié)晶度或者結(jié)晶速率較慢的工程塑料而言，快速冷卻(類似于金屬材料加工過程中的“淬火”)可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生更多的、更細(xì)的缺陷，較多的結(jié)晶聚集體，這有利于保持材料良好的透明性。但該成型工藝條件受限于材料的結(jié)晶特性和Tg的高低。例如，對于具有快速結(jié)晶速率和低Tg的高結(jié)晶型高分子材料，冷卻速率受限于熱傳遞速率以及結(jié)晶熱的釋放等因素，因此對最終材料的結(jié)晶特性影響較小。另外，快速冷卻還可能會在工程塑料制品中產(chǎn)生不良應(yīng)力。除此之外，模壓、擠出、注塑過程中在工程塑料表面或內(nèi)部造成的孔洞等缺陷也會影響材料的光學(xué)透明性。高分子材料內(nèi)部的孔洞缺陷可能成為光散射中心。雖然這些孔洞缺陷的尺寸較小，在通常狀態(tài)下對高分子材料的透明性的影響較小，但在結(jié)晶型高分子材料受到外力拉伸取向情況