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1、第20卷第2期武汉工业大学学报Vol.20No.21998年6月JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYJun.1998光学透明材料的现状和研究进展É:3光学透明高分子材料官建国袁润章(新材料研究所)摘要:比较了无机光学透明材料和光学透明高分子材料的特性,评述了光学透明高分子材料及其应用的现状,重点分析了用聚合物共混或共聚改性技术,高分子及其单体的分子设计技术等手段研制新型光学透明高分子材料的进展。关键词:光学透明材料;高分子材料;有机2无机纳米复合;光学塑料中图法分类号:O43光
2、学透明材料由于与光电子技术的发展密切相关而将因此成为一种日益重要的材料。它不仅在光学透镜、信息光盘、(红外)光纤、非线性光学元件、液晶显示、发光二极管、复制衍射光栅等光电子领域而且作为建材、飞机等用的风档、眼镜片有重要广泛的应用和应用前景。光学透明材料可分为光学玻璃、光学晶体和光学透明高分子材料(或光学塑料)三大类,一共有数百品种。其中以光学透明高分子材料的发展历史为最短,它始于二次世界大战期间的美国,迄今只有半个世纪的历史。但随着科学技术和工业生产水平的迅速提高,要求光学元件和仪器日趋轻量化、小型化、低成本和高
3、性能,由此使光学透明材料在当今的发展也以光学特性优良、热稳定性好、机械强度高、耐化学性能强、质轻等高性能、低成本和有特殊功能为目标。光学透明高分子材料由于能克服光学玻璃和光学晶体(即无机光学材料)固有的缺陷,具有易加工成双面非球面透镜等复杂光学元件,质轻、成本低、抗冲击等优点,目前在全世界的年产量已达万吨级,在许多应用领域基本上替代了无机光学材料。可以说,光学透明高分子材料应用的日趋广泛是目前光学行业发展的一个主要特点。本文首先将比较光学透明高分子材料与无机光学材料(主要是光学玻璃)的机械、化学和光学性能,然后结
4、合国内外情况评述光学透明高分子材料及其应用的现状。在此基础上进一步从开发技术手段的角度讨论研制新型光学透明高分子材料的进展。1光学透明高分子材料的性能评价作为光学透明材料的特性有:折射率及其随温度的变化、色散指数、双折射性和透光率等光学特性;抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、耐冲击性和表面硬度等机械性能;密度和热变形温度、热传导率、比热、线膨胀系数等以热特性为中心的物理性能;吸水率、耐酸、碱和有机溶剂等化学特性。其中最重要的特性是折射率随温度的变化、吸水率、双折射性和热变形温度。在这些特性中,与无机光学材料相比,光学
5、透明高分子材料在发展中显示出了如下明显优势:加工性能好,容易加工成非球面透镜或任意形状的复杂光学元件;密度小;冲击强度高、不易破裂、安全;成本低,生产的自动化程度高;光学特性可调范围宽,如易得到低折射率、高色散的材料或从近红外到近紫外透光率均好的材料。光学透明高分子材料的缺点主要是:易燃、耐热性差、高温使用极限低,一般小于140℃;耐候性弱、易光老化;硬度低、易擦伤产生划痕,降低透光率;耐有机溶剂能力差,吸湿性大;由于材料内部的均匀性较差,易产生较大的双折射(或畸变);折射率随温度变化大,线膨胀系数大。2光学透明
6、高分子材料及其应用的现状经过半个世纪的迅速发展,光学透明高分子材料的种类已有数百种。既有应用面广的工业化产品也有热塑性光学塑料如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PSt)、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PET)、聚丙烯酸酯、苯乙烯2丙烯腈共聚物(SAN)、聚42甲基212戊烯(TPX)和热固性光学塑料如CR239透明环氧树脂等10多种。其中以PM2MA、PSt、PC和CR239为最通用的高分子光学透明材料。PMMA具有与冕牌玻璃同等的光学特性,是光学塑料收稿日期:1997211207.官建国:男,1969年生,博
7、士;武汉:武汉工业大学新材料研究所(430070).3本项目部分得到了材料复合新技术国家重点实验室开放基金和国家自然科学基金的资助.12武汉工业大学学报1998年6月中应用最广的品种,俗称有机玻璃,但其耐热性差,玻璃化转变温度只有93℃,易吸湿变形。PSt价格便宜,加工容易,且透明性和力学强度较好,折射率相当于火石玻璃,但其双折射大。PC是通用光学塑料中强度最好的品种,耐热性可达140℃,但双折射也较大,而且抗应力和耐溶剂开裂能力差。CR239是第一种可广泛使用的热固性光学塑料,其化学式如下:它的表面硬度很高,耐
8、热性好,短暂工作温度可达150℃,耐酸碱和有机溶剂,厚为3mm时对可见光的透过率为80～92%,能全部吸收350nm以下的紫外线。在这里顺便需提及的是:即使对这些最通用的光学透明高分子材料而言,尽管国内的PMMA、PSt和PC等一些光学透明高分子材料品种早已有了工业化产品,但由于国内工艺条件等因素的限制,只有国产的PMMA能大量使用,[1]而且产品与国外相比,在产量、质量
