14种光学塑料的材料特点

1、14 种光学塑料的材料特点一、光学塑料分类 塑料材料一般分为热塑性和热固性 塑料。热塑性塑料指的是可反复加热仍可塑的塑料。光学塑 料大部分为热塑性塑料，常用的有： 聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA 聚苯乙烯（PS）聚碳酸脂 （PC）等。 热固性塑 料：指的是在所用的合成树脂在加热初期软化， 具有可塑性， 继续加热则随着化学反应燮硬使形状固定不再发生变化。常 用的材料有： 烯丙基二甘醇碳酸脂（ CR-39） 环氧光学塑 料二、主要的光学塑料 1. 聚甲基丙烯酸甲脂 PMMA Polymethylmethacrylate ， 简称 PMM，A 也称 Acrylic 。摩 尔量约为 50 万-100 万，

2、（摩尔量对聚合物的性能有很大的 影响） nd=1.491 ，色散系数 Vd=57.2 ，是“王冕”材料，透 过率约 92%，加速老化后 240H 透过率仍能达到 92%，在室外 使用10年后只降到88%能透过波长270nm以上的紫外光。PMMA总透过X射线和丫射线，其薄片能透过a射线和B射线， 但是能吸收中子线。PMMA密度为1.19kg/m3，在20C*109Pa 时的平均吸水率为 2%，在所有光学塑料中它的吸水率最高， 弹性模量为 3.16*109Pa ，泊松比为 0.32 ，抗张强度为 （462-703） *109Pa。PMMA勺线形膨胀系数为 8.3*10-5K-1，比K9玻璃大10倍

3、，但PMMA从高温冷却时的光学记忆 即组件恢复到它原来尺寸的性能要比玻璃好，它的折射率随温度的变化 dn/dt为-8.5*10-5 ，比K9玻璃大出约 30倍， 但是它是负值。热导率为 0.192W/(m*k) ，比热容为 1465J/(kg*k),它的玻璃化温度为 105 C,熔化温度为180 C。 PMM；耐稀无机酸去污液， 油脂和弱碱的性能优良，耐浓无机酸中等，不耐醇，酮，溶于芳烃，氯化烃有机溶剂，为强碱 及温热的NaOH KOH所侵蚀，与显影液不起反应。PMMA有优良的耐气候性，在热带气候下曝晒多年，它的透明度和色 泽变化小。PMMA目前于广泛被用于制造照相机，摄录一体 机，投影机，光

4、盘读出头以及军用火控和制导系统中的非球 面透镜和反射镜，还用来制造菲涅尔透镜，微透镜数组，隐 形眼镜，光纤，光盘基板等零件。2.聚苯乙烯 PS Polystyrene ，简称 PS,也称 Styrene。 这是一种火石类热塑性光学塑料，尽管它的抗紫外辐射性 能，抗划伤性能都不如 PMM，A 但它折射率高， nd=1.59 1.660，阿贝系数小 Vd=30.8，所以当它和 PMMA&合时可以 成为对F和C谱线进行校正的消色差透镜，二级光谱的校正 一般比玻璃的消色差透镜还要更好一些。 它的透过率为 88%，它的双折射率较大，在阳光作用下聚苯乙烯容易变黄。 PS能自由着色，无嗅无味无毒，不致产生霉

5、菌，吸湿性小吸 只有0.02%。PS热变形温度为70-98 C,与配方及后处理 有关，它的最高连续使用温度为60-80 C,成型收缩率为0.45%，其零件经退火处理可减少内应力还可提高机械强度， 无前因热变形温度，采用退火清晰度一般比实际的热变形温 度低5-6 C。PS的导热系数不随温度发生变化，因此能作 良好的冷冻绝热材料。 PS 的比热容温度有明显变化，是塑 料中比热较低的一种，在高真空中和在 330-380 C内将剧烈 地热降解放出 43%的挥发物， 41%为苯乙烯， 2%是甲苯，并残 留下二聚三聚四聚及多聚物为 57%。 PS 能耐某些矿物油， 有机酸，碱，盐，低能醇及它们的水溶液，受

6、许多酮类，高 级脂肪酯等侵蚀而软化，溶于芳烃，如苯，甲苯，乙苯及苯 乙烯单体等。 PS 是最耐辐射的聚合物之一，要合性能发生 变化须施加很大量的辐射能。 PS 是树脂中易成型加工的品 种之一，具有成型温度和分解温度相差大，熔融粘度低，尺 寸稳定的特点，可用模压成型，也大量用于注塑成型，但它 的脆性比其它光学塑料大，因此易开裂，在切浇口时应注意 防止破裂，它还能用一般的金属或木材加工工具进行机械加 工，如钻，锯，切等。PS除与PMMAS成消色差的透镜外还 用于复制光栅组件。为改善PS的性能，开发出一些改良品种，如由 70%的聚苯乙烯和 30%和丙烯酸甲脂共聚形成新的 光学塑料 NAS。 另一种共

7、聚物是丙烯腈苯乙烯的共聚物称 为SAN主要用在工程塑料制品，光学上主要用作窗口，基 本保持了 PS的透明度，但仍有发黄的趋势，nd=1.567，最 高使用温度75-90 C,热变形温度82-105 C,线形膨胀系 数(6.5 6.7)* 10-5 K-1 ，密度为 1.06kg/m3-1.08kg/m33. 苯乙烯和丙烯酸脂的共聚物，简称 :NAS 70% 的苯乙烯和30%的丙烯酸脂的共聚物，它和各性能优于聚苯乙烯. 透过率可达 90%，折射率 nd 可达 1.533 1.567 之间变化， vd=35， 可以被用来作样正色差的第二种材料，但它一般只用来作薄 透镜。4.SAN5.聚碳酸脂PC

8、Polycarbonate ,称PG综合性能优良 的热塑性塑料，有良好的耐热性，耐寒性，并在较宽温度范 围内(-135 C -+120 C )保持高的机械强度，尺寸稳定性好， 温度升高到105 C时材料的线性尺寸增加 0.07%,有很高的 冲击强度，延展性好，具有均匀的成型收缩率，吸水率低， 在水中浸泡24H仅增重0.13%，但不易进行机械加工，注塑 成型是最常用的方法。 密度为 1.20kg/m3 ，本色呈淡黄色， 加点淡蓝色后得到无色透明制品 .nd=1.586 ， vd=34.0 ，透过 率为88% PC的机械特性是韧而刚，无缺口抗冲击强度在热 塑性塑料中名列前茅，成型收缩率稳定在 0.

9、5%-0.7% 。 PC在室温下耐水，稀酸，氧化剂，还原剂，盐，油，脂肪烃 的侵蚀，不耐碱，胺，酮，芳香烃的侵蚀，在很多有机液体 为蒸气中溶胀，并导致应力开裂，溶于二氯甲烷，二氯霉素 乙烷， 甲酚， 二恶烷中， 长期致于水中会水解破裂导致脆化。PC在水中正常吸湿性为 0.15%,温水中肖水为 0.35%,沸水中吸水为0.58%,能耐60摄氏度的水温。由于PC的光学常数与PS相似，所以可以和 PMMAS成消色差透镜。光学塑料的折射率是波长入（卩m）的函数，可以用下列公式计算 ： n2（入）=A0+A1 入 2+A2 入-2+A3 入-4+A4 入-6+A5 入-8 6.TPX TPX是日本三井化

10、学株式会社所生产的4-甲基戊烯（4-methylpentene-1 ）的聚合物，TPX是其商品名，化学名 称为Methylpentene copolymer ，简称PMP三井化学株式 会社是全球唯一的 TPX生产制造商。聚4-甲基戊烯-1是一种高结晶透明塑料，密度： 0.82-0.83 ；吸水率： 0.01%；熔 点：240C；维卡软化点160C170C；收缩率：1.5%3.0%; 透光率：90%92% （目前已商业化的高透明度树脂中唯一的 结晶性聚合体） 。7. 烯丙基二甘醇碳酸脂 ADC Allgldiglycol carbonate ，简称 ADC或 CR-39。ADC光学性能好、 化学

11、稳定性强、耐高温（长期使用可耐100C，短期可耐150C）、表面硬度比PMMA? 40倍，是现有光学塑料中硬度 最大的。 它是目前在光学领域中最主要的一种热固性材料， 因此这种材料通常用浇铸的方法成形，浇注在玻璃模具中， 一般在140C的温度下用17H的时间固化成型。Nd=1.498 ,vd=53-57 ，白光透过率 92%，耐磨性，抗冲击，化学腐蚀 的能力强，能经受持续 100 C的高温，短时间内能耐150 C,由于它的收缩率很大 （在固化时收缩率达 14%）因此它主要用 于眼镜片。8. PET PET 最常用途是透明饮料瓶。由于 PET 大分子链具有良好的规制性，为它提供了较高的结晶性能，

12、结晶度越 大密度越大，通常密度为 1.21.38g/cm3 。其分子链比较刚 硬，分子间的强作用力赋予它具有良好的刚性和强度，对非 极性气体等物质具有良好的阻隔性能和耐蜕变性能，膨胀系 数小、尺寸稳定性高。 PET 是一种典型的高结晶性聚合物， 其熔点在225260C之间，玻璃化温度在 7080C之间，在 180 C左右达到最大结晶速度。PET是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物，表面平滑有光泽。在较宽的温度范围内具 有优良的物理机械性能，长期使用温度可达120 C,电绝缘性优良，甚至在高温高频下，其电性能仍较好，但耐电晕性 较差， 抗蠕变性， 耐疲劳性， 耐摩擦性、 尺寸稳定性都很好。 PET

13、塑料分子结构高度对称，具有一定的结晶取向能力，故 而具有较高的成膜性和成性。PET塑料具有很好的光学性能和耐候性，非晶态的 PET塑料具有良好的光学透明性。另外PET塑料具有优良的耐磨耗摩擦性和尺寸稳定性及电绝缘 性。PET做成的瓶具有强度大、透明性好、无毒、防渗透、 质量轻、生产效率高等因而受到了广泛的应用到了广泛应 用。9. PSUPSU 为高性能工程塑料，硬度和冲击强度高，耐蒸气、耐 水解、无毒、耐高温蒸气消毒、高透明、尺寸稳定性好，可在-100 至 175 度下长期使用。比如用于制备透明宠物箱。10. MS 11.OZ 1000 聚三环癸甲基丙烯酸脂 OZ 1000 及 1011，10

14、12，1013 等系列，是日本日立化工公司开发出 一种新型脂环树脂。 OZ1000 光学塑料色散低、透过率高、 双折射小、饱和吸水率仅为 PMMA勺1/10，其光学性能可与 PMMA目媲美，且耐热性优于 PMMA适用于高精度透镜的精 密成型。12. ART0N由日本合成橡胶公司（JSR）开发的，在热塑性树 脂中它的比重最轻，吸水率很小，优于PMMA有良好的透过， 色差小，双折射率比 PC的小，耐热性好于 PMMAO PC,拉伸 强度优于PMMA弯曲弹性模量优于 PC因此它很适合作非 球面透镜。13. 环烯烃共聚物，简称 COC 14. 环烯烃聚合物 COPCyclo olefinpolymer ，简称COP是日本瑞翁公司开发的 另一种非晶型聚烯烃（Zeonex480等）。Zeonex480与PC,PMMA 的性能比较： 三、八种主要光学塑料特性PMMA/PS/NAS/SAN/PC/TPX/Zeonex/Artonp 性能比较 四、光学玻璃和光学塑料的光学性能 1. 光学玻璃 Vs 光学 塑料 2. 光学塑料的优缺点 光学塑料的优点 : 能进 行大批量生产，降低制造成本； 可以设计非常复杂的形 状； 重量轻， 耐冲击； 可以同时压出光学面和定位面 . 减少系统装配成本； 零件的质量一致。 光学塑料的缺点 :对温度和湿度等环境的变化更为灵敏经济危机学塑料的 热膨胀系数比玻璃大出一