PMMA塑料和PC光扩散的透光率,雾度,折射率,双折射和色散

塑料的光学特征包括两类:一类为传递特性,包括光的透过、反射、散射及折射等;另一类为光的转换特性,包括光的吸收、光热、光化、光电及光致变色等.
常用可表征光的传递特性指标有透光率、雾度、折射率、双折射及色散等.在上述指标中,透光率和雾度两个指标主要表征材料的透光性,而折射率、双折射及色散三个指标主要用于表征材料的透光质量.一种好的透明性材料,要求上述性能指标优异且均衡.

1.透光率(Tt)
透光率是表征树脂透明程度的一个最重要性能指标.一种树脂的透光率越高,其透明性就越好.
塑料制品透明的条件有两个:一为制品是非结晶体;二为虽部分结晶但颗粒细小,小于可见光波长范围,不妨碍太阳光光谱中可见光和近红外光的透过.
任何一种透明材料的透光率都达不到100%,即使是透明性最好的光学玻璃的透光率一般也难以超过95%.
造成人射光通量在媒体中损失的主要原因有如下几个方面.
(1)光的反射反射即入射光进入聚合物表面而返回的光通量.反射光通量占光在透过媒体时损失的大部分.
衡量光的反射程度可用反射率?表征,反射率可通过其折射率(n)进行计算,两者关系如下.
例如,PMMA的折射率n=1.492,则其R经计算为3.9%说明PMMA的反射光比较小,透光率大,透明性好.
(2)光的吸收入射到聚合物上的光通量既没有透过也没有反射部分的光通量即为光的吸收.优良的透明塑料光的吸收很小.
光线吸收的大小取决于聚合物本身的结构,主要指分子链上原子基团与化学键的性质.
例如,含有双键(冗键)的聚合物易于吸收可见光而产生能级的转移.
还以PMMA为例,其透光率一般为93%,反射率为3.9%,则其余3.1%即为光的吸收与光的散射两者之和.
(3)光的散射光的散射即光线入射到聚合物表面,既没有透过也没有反射和吸收的一部分光通量,其占有比重比较小.
造成光散射的原因有:制品表面粗糙不平,聚合物内部结构不均匀如分子量分布不均匀、无序相与结晶相共存等.
结晶聚合物的散射比较严重,只有结晶聚合物的晶体颗粒小于可见光波长时,才能像非晶聚合物那样不引起散射,光线全部透过,提高透明度.如PE、PP等结晶聚合物只有用快速冷却的方法才可得到低结晶度、晶体颗粒细的制品,取得一定的透明性;但对有些结晶塑料品种而言,要想控制太低的结晶度很困难,总有部分光被散射,造成薄膜的半透明.另外,通过拉伸的方法可使结去晶颗粒变细,并使透明度迅速提高,如可使BOPP膜的透明性迅迅速提高.只有TPX塑料比较特殊,其结晶颗粒比较小,无论结晶度大小,制品都透明.

2.雾度
雾度又称为浊度,它可衡量透明或半透明材料不清晰或混浊的程度,是表征散射的指标.雾度的产生是由于材料内部或外部表面光散射造成的云雾状或混浊的外观.雾度的定义为材料散射光通量与透过材料光通量之比的百分数.
上面介绍的透光率和雾度都是衡量材料透明性的重要指标,两者的关系如下.
一般说来,透光率与雾度之间成反比关系,即透光率高的材料,其雾度低;反之亦然.
但两者的关系并不总是如此,有时也有相反的结果.如毛玻璃的透光率较高,但其雾度也比较大.所以说透光率和雾度是既相互立又相互联系的两个光学指标.

3.折射率
折射即入射光与透过光两者方向之差.衡量材料折射的大小,可用折射率表征.折射率越大,材料的折射越严重.折射率可用光在空气中和在塑料中的传播速度之比来计算.
作为透镜蓋而使用的树脂,希望其折射率大一点.折射率越大,其厚度可相应减小.

4.双折射
双折射即材料的平行方向与垂直方向折射率的差值.双折射越大,越容易造成图像产生歪影等现象.所以说双折射降低了光学材料的透光质量,应尽力降低材料的双折射.
材料之所以产生双折射现象,主要是由树脂的分子结构和分子的取向两方面决定的.
(1)树脂的大分子链中含有苯环结构,产生双折射比较大如PMMA、PC及PS都有比较严重的双折射现象.其中PMMA的双折射率为0.006%;而PC、PS的双折射更为严重,尤其是PS,其双折射率高达0.8%,是PMMA的130多倍之多.而CR-39的分子链中无苯环结构,基本上无双折射现象,因而常用于光学镜类材料.
(2)树脂大分子链上含有共聚单元,容易产生双折射现象这是因为不同共聚单元的折射率不同而造成的.如J.D光学树脂,其大分子由双烯苯醚砜/苯乙烯/甲基丙烯酸甲酯三种共聚单元组成;由于存在三种不同折射率,必须适当地调整共聚组分的比例,否则双折射会比较大.
(3)树脂中添加其他助剂,由于助剂与树脂之间的折射率不同而容易产生双折射,所以选择助剂时要注意,特别是光学制品,要尽可能少加或不加助剂.
(4)树脂在加工过程中,物料流动的垂直方向与平行方向的取向度相差越大,其双折射也越大,为此光学制品大都采用浇铸方法成型,以防产生取向.
(5)塑料在加工过程中产生结;,造成在晶区和非晶区之间产生折射率差,从而产生双折射,因此,优异的光学塑料大邰为非晶塑料制品.

5.色散
材料的色散可用阿贝数表示,阿贝数Vd可用下式计算.
其中,nd、nf、nc分别为人射光波长589.3nm、486.1nm及、656.3nm时材料的折射率.
从式中可以看出,材料的阿贝数与材料折射率有关.一般材料的折射率越大,阿贝数越小,色散越强.
综合上述五种性能,一个良好透明材料的条件为高透光率、低雾度、高折射率、小双折射及小色散.

 

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