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一、光學(xué)塑料分類

塑料材料一般分為熱塑性和熱固性塑料。

光學(xué)塑料大部分為熱塑性塑料，常用的有：

聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）

聚苯乙烯（PS）

聚碳酸脂 （PC）等。

熱塑性塑料指的是可反復(fù)加熱仍可塑的塑料。

熱固性塑料：指的是在所用的合成樹脂在加熱初期軟化，具有可塑性，繼續(xù)加熱則隨著化學(xué)反應(yīng)燮硬使形狀固定不再發(fā)生變化。

常用的材料有：

烯丙基二甘醇碳酸脂（CR-39）樹脂眼鏡片

環(huán)氧光學(xué)塑料均屬于熱固性塑料。

二、主要的光學(xué)塑料

1.聚甲基丙烯酸甲脂PMMA

Polymethylmethacrylate， 簡稱PMMA，也稱Acrylic。摩爾量約為50萬---100萬，（摩爾量對聚合物的性能有很大的影響）nd=1.491，色散系數(shù)Vd=57.2,是“王冕”材料，透過率約92%，加速老化后240H透過率仍能達(dá)到92%，在室外使用10年后只降到88%，能透過波長270nm以上的紫外光。PMMA能透過X射線和Y射線，其薄片能透過α射線和β射線，但是能吸收中子線。

PMMA密度為1.19kg/m3，在20℃*109Pa時的平均吸水率為2%，在所有光學(xué)塑料中它的吸水率最高，彈性模量為3.16*109Pa,泊松比為0.32,抗張強(qiáng)度為(462---703) *109Pa.PMMA 的線形膨脹系數(shù)為8.3*10-5 K-1比K9玻璃大10倍,但PMMA從高溫冷卻時的光學(xué)記憶即組件恢復(fù)到它原來尺寸的性能要比玻璃好,它的折射率隨溫度的變化dn/dt為-8.5*10-5,比K9玻璃大出約30倍,但是它是負(fù)值.熱導(dǎo)率為0.192W/(m*k),比熱容為1465J/(kg*k),它的玻璃化溫度為105℃,熔化溫度為180℃。

PMMA耐稀無機(jī)酸去污液,油脂和弱堿的性能優(yōu)良,耐濃無機(jī)酸中等,不耐醇,酮,溶于芳烴,氯化烴有機(jī)溶劑,為強(qiáng)堿及溫?zé)岬腘aOH,KOH所侵蝕,與顯影液不起反應(yīng)。

PMMA有優(yōu)良的耐氣候性,在熱帶氣候下曝曬多年,它的透明度和色澤變化小。

PMMA目前于廣泛被用于制造照相機(jī),攝錄一體機(jī),投影機(jī),光盤讀出頭以及軍用火控和制導(dǎo)系統(tǒng)中的非球面透鏡和反射鏡,還用來制造菲涅爾透鏡,微透鏡數(shù)組,隱形眼鏡,光纖,光盤基板等零件。

回復(fù)“PMMA”，查看更多相關(guān)文章

2.聚苯乙烯 PS

Polystyrene，簡稱PS,也稱Styrene。這是一種火石類熱塑性光學(xué)塑料,盡管它的抗紫外輻射性能,抗劃傷性能都不如PMMA,但它折射率高,nd=1.59—1.660,阿貝系數(shù)小Vd=30.8,所以當(dāng)它和PMMA組合時可以成為對F和C譜線進(jìn)行校正的消色差透鏡,二級光譜的校正一般比玻璃的消色差透鏡還要更好一些。

它的透過率為88%,它的雙折射率較大,在陽光作用下聚苯乙烯容易變黃。

PS能自由著色,無嗅無味無毒,不致產(chǎn)生霉菌,吸濕性小吸只有0.02%。

PS熱變形溫度為70--98℃,與配方及后處理有關(guān),它的最高連續(xù)使用溫度為60--80℃,成型收縮率為0.45%,其零件經(jīng)退火處理可減少內(nèi)應(yīng)力還可提高機(jī)械強(qiáng)度,無前因熱變形溫度,采用退火清晰度一般比實際的熱變形溫度低5--6℃。PS的導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度發(fā)生變化,因此能作良好的冷凍絕熱材料。

PS的比熱容溫度有明顯變化,是塑料中比熱較低的一種,在高真空中和在330--380℃內(nèi)將劇烈地?zé)峤到夥懦?3%的揮發(fā)物,41%為苯乙烯,2%是甲苯,并殘留下二聚三聚四聚及多聚物為57%。

PS能耐某些礦物油,有機(jī)酸,堿,鹽,低能醇及它們的水溶液,受許多酮類,高級脂肪酯等侵蝕而軟化,溶于芳烴,如苯,甲苯,乙苯及苯乙烯單體等。

PS是最耐輻射的聚合物之一,要合性能發(fā)生變化須施加很大量的輻射能。

PS是樹脂中易成型加工的品種之一,具有成型溫度和分解溫度相差大,熔融粘度低,尺寸穩(wěn)定的特點,可用模壓成型,也大量用于注塑成型,但它的脆性比其它光學(xué)塑料大,因此易開裂,在切澆口時應(yīng)注意防止破裂,它還能用一般的金屬或木材加工工具進(jìn)行機(jī)械加工,如鉆,鋸,切等。

PS除與PMMA組成消色差的透鏡外還用于復(fù)制光柵組件。

為改善PS的性能,開發(fā)出一些改良品種,如由70%的聚苯乙烯和30%和丙烯酸甲脂共聚形成新的光學(xué)塑料NAS。

另一種共聚物是丙烯腈—苯乙烯的共聚物稱為SAN,主要用在工程塑料制品,光學(xué)上主要用作窗口,基本保持了PS的透明度,但仍有發(fā)黃的趨勢,nd=1.567,最高使用溫度75--90℃,熱變形溫度82--105℃,線形膨脹系數(shù)(6.5—6.7)* 10-5 K-1,密度為1.06kg/m3---1.08kg/m3。

3.苯乙烯和丙烯酸脂的共聚物,簡稱:NAS

70%的苯乙烯和30%的丙烯酸脂的共聚物,它和各性能優(yōu)于聚苯乙烯.透過率可達(dá)90%,折射率nd可達(dá)1.533—1.567之間變化,vd=35,可以被用來作樣正色差的第二種材料,但它一般只用來作薄透鏡。

4.SAN

5.聚碳酸脂 PC

Polycarbonate， 稱PC。綜合性能優(yōu)良的熱塑性塑料,有良好的耐熱性,耐寒性,并在較寬溫度范圍內(nèi)(-135℃---+120℃)保持高的機(jī)械強(qiáng)度,尺寸穩(wěn)定性好,溫度升高到105℃時材料的線性尺寸增加0.07%,有很高的沖擊強(qiáng)度,延展性好,具有均勻的成型收縮率,吸水率低,在水中浸泡24H僅增重0.13%,但不易進(jìn)行機(jī)械加工,注塑成型是最常用的方法。

密度為1.20kg/m3,本色呈淡黃色,加點淡藍(lán)色后得到無色透明制品.nd=1.586,vd=34.0,透過率為88%,PC的機(jī)械特性是韌而剛,無缺口抗沖擊強(qiáng)度在熱塑性塑料中名列前茅,成型收縮率穩(wěn)定在0.5%--0.7%?；貜?fù)“PC”，查看更多相關(guān)文章

機(jī)械性能

熱性能

PC在室溫下耐水,稀酸,氧化劑,還原劑,鹽,油,脂肪烴的侵蝕,不耐堿,胺,酮,芳香烴的侵蝕,在很多有機(jī)液體為蒸氣中溶脹,并導(dǎo)致應(yīng)力開裂,溶于二氯甲烷,二氯霉素乙烷,甲酚,二惡烷中,長期致于水中會水解破裂導(dǎo)致脆化。

PC在水中正常吸濕性為0.15%,溫水中肖水為0.35%,沸水中吸水為0.58%,能耐60攝氏度的水溫。

由于PC的光學(xué)常數(shù)與PS相似,所以可以和PMMA組成消色差透鏡。

光學(xué)塑料的折射率是波長λ(μm)的函數(shù),可以用下列公式計算:

n2(λ)=A0+A1λ2+A2λ-2+A3λ-4+A4λ-6+A5λ-8

三種塑料系數(shù)如下:

6.TPX

TPX是日本三井化學(xué)株式會社所生產(chǎn)的4-甲基戊烯（4-methylpentene-1）的聚合物，TPX是其商品名，化學(xué)名稱為Methylpentene copolymer，簡稱PMP，三井化學(xué)株式會社是全球唯一的TPX生產(chǎn)制造商。

聚4-甲基戊烯-1是一種高結(jié)晶透明塑料，密度：0.82-0.83；吸水率：0.01%；熔點：240℃；維卡軟化點160℃～170℃；收縮率：1.5%～3.0%；透光率：90%～92%（目前已商業(yè)化的高透明度樹脂中唯一的結(jié)晶性聚合體）。

7.烯丙基二甘醇碳酸脂 ADC

Allgl diglycol carbonate,簡稱ADC或CR-39。ADC光學(xué)性能好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)、耐高溫（長期使用可耐100℃，短期可耐150℃）、表面硬度比PMMA高40倍，是現(xiàn)有光學(xué)塑料中硬度最大的。

它是目前在光學(xué)領(lǐng)域中最主要的一種熱固性材料,因此這種材料通常用澆鑄的方法成形,澆注在玻璃模具中,一般在140℃的溫度下用17H的時間固化成型。

Nd=1.498,vd=53---57,白光透過率92%,耐磨性,抗沖擊,化學(xué)腐蝕的能力強(qiáng),能經(jīng)受持續(xù)100℃的高溫,短時間內(nèi)能耐150℃,由于它的收縮率很大(在固化時收縮率達(dá)14%)因此它主要用于眼鏡片。

8.PET

PET最常用途是透明飲料瓶。

由于PET大分子鏈具有良好的規(guī)制性，為它提供了較高的結(jié)晶性能，結(jié)晶度越大密度越大，通常密度為1.2~1.38g/cm3。其分子鏈比較剛硬，分子間的強(qiáng)作用力賦予它具有良好的剛性和強(qiáng)度，對非極性氣體等物質(zhì)具有良好的阻隔性能和耐蛻變性能，膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性高。

PET是一種典型的高結(jié)晶性聚合物，其熔點在225~260℃之間，玻璃化溫度在70~80℃之間，在180℃左右達(dá)到最大結(jié)晶速度。PET 是乳白色或淺黃色、高度結(jié)晶的聚合物，表面平滑有光澤。在較寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能，長期使用溫度可達(dá)120℃，電絕緣性優(yōu)良，甚至在高溫高頻下，其電性能仍較好，但耐電暈性較差，抗蠕變性，耐疲勞性，耐摩擦性、尺寸穩(wěn)定性都很好。PET塑料分子結(jié)構(gòu)高度對稱，具有一定的結(jié)晶取向能力，故而具有較高的成膜性和成性。PET塑料具有很好的光學(xué)性能和耐候性，非晶態(tài)的PET塑料具有良好的光學(xué)透明性。

另外PET塑料具有優(yōu)良的耐磨耗摩擦性和尺寸穩(wěn)定性及電絕緣性。PET做成的瓶具有強(qiáng)度大、透明性好、無毒、防滲透、質(zhì)量輕、生產(chǎn)效率高等因而受到了廣泛的應(yīng)用到了廣泛應(yīng)用?；貜?fù)“PET”，查看更多相關(guān)文章

9.PSU

PSU為高性能工程塑料，硬度和沖擊強(qiáng)度高，耐蒸氣、耐水解、無毒、耐高溫蒸氣消毒、高透明、尺寸穩(wěn)定性好，可在-100至175度下長期使用。比如用于制備透明寵物箱。

10.MS

11.OZ—1000

聚三環(huán)癸甲基丙烯酸脂OZ—1000及1011,1012,1013等系列，是日本日立化工公司開發(fā)出一種新型脂環(huán)樹脂。

OZ1000光學(xué)塑料色散低、透過率高、雙折射小、飽和吸水率僅為PMMA的1/10，其光學(xué)性能可與PMMA相媲美，且耐熱性優(yōu)于PMMA，適用于高精度透鏡的精密成型。

12.ARTON

由日本合成橡膠公司(JSR)開發(fā)的,在熱塑性樹脂中它的比重最輕,吸水率很小,優(yōu)于PMMA,有良好的透過,色差小,雙折射率比PC的小,耐熱性好于PMMA和PC,拉伸強(qiáng)度優(yōu)于PMMA,彎曲彈性模量優(yōu)于PC,因此它很適合作非球面透鏡。

13.環(huán)烯烴共聚物,簡稱COC

COC的主要性能：

13.環(huán)烯烴聚合物 COP

Cyclo—olefinpolymer,簡稱COP。是日本瑞翁公司開發(fā)的另一種非晶型聚烯烴(Zeonex480等)

Zeonex480與PC,PMMA的性能比較

三、八種主要光學(xué)塑料特性

PMMA/PS/NAS/SAN/PC/TPX/Zeonex/Artonp性能比較

四、光學(xué)玻璃和光學(xué)塑料的光學(xué)性能

1.光學(xué)玻璃 Vs 光學(xué)塑料

2.光學(xué)塑料的優(yōu)缺點

光學(xué)塑料的優(yōu)點:

①能進(jìn)行大批量生產(chǎn),降低制造成本；

②可以設(shè)計非常復(fù)雜的形狀；

③重量輕,耐沖擊；

④可以同時壓出光學(xué)面和定位面. 減少系統(tǒng)裝配成本；

⑤零件的質(zhì)量一致。

光學(xué)塑料的缺點:

①對溫度和濕度等環(huán)境的變化更為靈敏經(jīng)濟(jì)危機(jī)學(xué)塑料的熱膨脹系數(shù)比玻璃大出一個數(shù)量級,光學(xué)塑料的折射率溫度系數(shù)比玻璃要大6倍到50倍，一般來講塑料光學(xué)零件的最高連續(xù)工作溫度不得高于80---120攝氏度.光學(xué)塑料的吸濕性也比玻璃大得多；

②注射成型過程影響表面面形精度.由于材料在成型過程中的流動模式和冷卻，固化收縮，光學(xué)零件的面形精度會受到影響。大多數(shù)光學(xué)塑料零件在成型時的收縮率一般是模具尺寸的0.1%~0.6%,隨材料和生產(chǎn)過程的不同而不同；

③由于聚合時分子的取向性和模壓時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,模壓成型 光學(xué)塑料零件存在不同程度的雙折射。

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