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 PMMA ，也称 Acrylic 。摩尔 量约为 50万-100 万，(摩尔

2、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能透过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 的线形膨胀系数为 8.3*10-5 K-1 ，比 K9

3、玻璃大 10倍，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。 PMMA 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

4、用于制造照相机， 摄录一体机，投影机，光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 PMMA ，但它折射率高，nd=1.591.660，阿贝系数小 Vd=30.8 ，所以当它和 PMMA 组合时可以成为对 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

5、能自由着色，无嗅无味无毒，不致产生霉菌，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

6、，碱，盐，低能醇及它们的水溶液，受许多酮类，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 PMMA 组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

7、形成新的光学 塑料 NAS 。 另一种共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/m3 。3.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

8、一般只用来作薄 透镜。4.SAN5聚碳酸脂 PC Polycarbonate,称PC。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

9、强度在热 塑性塑料中名列前茅，成型收缩率稳定在0.5%-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 PMMA 组成消色差透镜。 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

10、入-4+A4 入-6+A5 入-8 6.TPX TPX 是日本三井化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： 240 C；维卡软化点 160 C170 C ;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 Allgl

11、diglycol carbonate，简称 ADC 或 CR-39。ADC 光学性能好、 化学稳定性强、耐高温（长期使用可耐100C，短期可耐150C）、表面硬度比PMMA高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

12、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，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 180C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

13、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 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

14、用于制备透明宠物箱10. MS11.OZ 1000 聚三环癸甲基丙烯酸脂 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 的 1/10，其光学性能可 与 PMMA 相媲美，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 PMMA 和 PC,拉伸强度优于 PMMA，弯曲弹性模量优于

15、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 olefi叩olymer，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