光學(xué)高分子材料簡(jiǎn)述及性能表征
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摘要：高分子材料在光學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，作為大型光學(xué)元器件的背投屏幕更是利用先進(jìn)的高分子材料技術(shù)獲得了各種優(yōu)異的性能。簡(jiǎn)單介紹了背投屏幕的分類、材料和制造工藝，以及光學(xué)高分子材料的歷史、分類和新的發(fā)展，以及主要性能表征。
前言：背投屏幕是背投顯示的終端，在很大程度上影響整個(gè)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(jià)、運(yùn)輸安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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。現(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)光學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)完成光能分布、實(shí)現(xiàn)屏幕功能的這一類屏幕。主要有FL型（Fresnel lens-lenticular lenses）、FD型(Frensnel lens-Diffusion cover)、FLD型（Fresnel lens-Lenticular lenses-Diffusion cover）、BS型(Fresnel lens-Lenticular 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(lái)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(lái)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(wú)針眼，無(wú)內(nèi)力應(yīng)變，無(wú)分子取向。重要的是，對(duì)于非晶態(tài)塑料來(lái)說(shuō)，靜態(tài)鑄塑得到的制件相對(duì)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(diǎn)，主要用澆鑄工藝來(lái)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(kāi)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，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(lái)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(shí)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(dú)立的光學(xué)高分子市場(chǎng)。
與傳統(tǒng)無(wú)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)材料具有密度小、耐沖擊、成本低、加工成型容易等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)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(shù)脂和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚4-甲基戊烯-1、苯乙烯-丙烯腈共聚物等熱塑性光學(xué)樹(shù)脂。表1-1列出了一些常用光學(xué)高分子材料的特性。
由于傳統(tǒng)光學(xué)塑料的性能無(wú)法滿足人們對(duì)高性能光學(xué)元器件的要求，因此近年來(lái)又開(kāi)發(fā)了一些新型光學(xué)塑料。如KT-153螺烷樹(shù)脂，日本東海光學(xué)公司研制的這種螺烷樹(shù)脂是一種含螺烷核的化合物；
OZ-1000樹(shù)脂，具有特殊脂環(huán)基結(jié)構(gòu)的甲基丙烯酸酯類的均聚物或共聚物的；
TS-26樹(shù)脂，這種樹(shù)脂是由苯乙烯、甲基丙烯酸乙酯和三溴苯乙烯作為共聚單體，鑄塑時(shí)形成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)；APO樹(shù)脂，是日本三井石油工業(yè)公司新開(kāi)發(fā)的一種光盤(pán)基板材料，是由乙烯與雙環(huán)鏈烯及三環(huán)鏈烯等環(huán)狀烯烴共聚合成的非晶態(tài)聚烯烴共聚物；MR系列樹(shù)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(shù)脂，它是由帶有芳環(huán)的異氰酸酯與多硫醇化合物通過(guò)聚加成反應(yīng)得到的一類硫代氨基甲酸酯樹(shù)脂。MH系列樹(shù)脂，是日本合成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(lái)研制出來(lái)的光學(xué)樹(shù)脂，如德國(guó)巴依爾公司研制的E818光學(xué)樹(shù)脂；1993年HOYA公司推出的EYAS樹(shù)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(shù)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(guò)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(jì)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，阿貝數(shù)>50)和火石系列(高色散，阿貝數(shù)<40)。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(cè)定最常用的方法是折射儀法。阿貝折射儀是最廣泛用于測(cè)定折射率的折射儀。
透過(guò)率是表征樹(shù)脂透明程度的一個(gè)重要性能指標(biāo)，一種樹(shù)脂的透過(guò)率越高，其透光性就越好。透過(guò)率的定義為：透過(guò)材料的光通量（T2）占入射到材料表面上的光通量(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(guò)95%。
聚合物光學(xué)材料在紫外和可見(jiàn)光區(qū)的透光性和光學(xué)玻璃相近，在近紅外以上區(qū)域不可避免的出現(xiàn)碳?xì)湔駝?dòng)所引起的吸收。通常，光學(xué)塑料在可見(jiàn)光區(qū)透光率的損失主要由以下三個(gè)因素造成：光的反射；光的散射；光的吸收。
黃色指數(shù)是無(wú)色透明材料質(zhì)量和老化程度的一項(xiàng)性能指標(biāo)，由分光光度計(jì)的讀數(shù)計(jì)算而得，描述了試樣從無(wú)色透明或白色到黃色的顏色變化。這一實(shí)驗(yàn)最常用于評(píng)價(jià)一種材料在真實(shí)或模擬的日照下的顏色變化。而對(duì)于透明塑料材料來(lái)說(shuō)，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(shù)脂如同多數(shù)有機(jī)物質(zhì)一樣存在著耐候和耐老化問(wèn)題，因此樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)和加工工藝以及使用環(huán)境對(duì)樹(shù)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(gè)指標(biāo)直接決定產(chǎn)品的使用性能。采用人工加速老化中的全紫外線老化的方法檢測(cè)樹(shù)脂的光學(xué)穩(wěn)定性。全紫外線老化法主要模擬陽(yáng)光中的紫外線．全紫外線強(qiáng)度比相應(yīng)太陽(yáng)紫外強(qiáng)度高幾倍。正是短波紫外線對(duì)有機(jī)材料老化起了主要作用，這樣會(huì)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(diǎn)。同時(shí)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(yàn)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(shí)截面吸收的能量定義為材料的沖擊韌性。沖擊實(shí)驗(yàn)主要有彎曲梁式（擺錘式）沖擊、落錘式?jīng)_擊和高速拉伸試驗(yàn)三類。
無(wú)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、醚鍵、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(如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(shí)不對(duì)稱，因而韌性相對(duì)較差[44] 。
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(duì)形變（特別是永久形變）、壓痕或刻痕的抵抗能力。對(duì)于透明塑料材料，特別是光學(xué)樹(shù)脂的硬度通常可以采用鉛筆硬度。
耐磨性與結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。交聯(lián)樹(shù)脂比未交聯(lián)樹(shù)脂耐磨性顯著提高，如用于制造眼鏡片的CR-39樹(shù)脂、KT-153樹(shù)脂都是交聯(lián)樹(shù)脂。光學(xué)樹(shù)脂硬度較低、表面易被擦傷這一缺點(diǎn)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(shù)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(guò)這個(gè)溫度將變?yōu)楦邚棏B(tài)或黏流態(tài)，此時(shí)即使受到較小的力也會(huì)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(cè)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(shí)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(cè)量高聚物在一定外力下達(dá)到一定形變值時(shí)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(gè)非常重要的性能指標(biāo)。玻璃化轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)是鏈段運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)，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(duì)聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。常用的測(cè)定聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變的方法有靜態(tài)熱機(jī)械法 TMA（如膨脹計(jì)法、溫度形變曲線法等）、動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)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(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要性質(zhì)。通常隨著溫度的升高，聚合物都會(huì)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(huì)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?dú)夥諊瑴y(cè)試試樣的質(zhì)量對(duì)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(huì)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)量變化和溫度變化的信息記錄下來(lái)，就可得到物質(zhì)的質(zhì)量溫度的關(guān)系曲線，即熱失重曲線。用熱失重法可求得質(zhì)量和質(zhì)量變化與溫度的關(guān)系，求質(zhì)量變化速率與溫度的關(guān)系，則需將質(zhì)量對(duì)溫度求導(dǎo)，即微商熱重法（DTG），描述質(zhì)量變化速率的曲線即為微商熱重曲線。
不同的應(yīng)用要求光學(xué)高分子材料的其他特性要求，如耐化學(xué)品性能、電性能等等，這里就不一一敘述。總之，高分子材料正在光學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。同時(shí)由于與國(guó)際水平的較大差距，值得各位同仁共同努力，提高基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的水平。
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