一、光學塑料分類
塑料材料一般分為熱塑性和熱固性塑料。
光學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覆加熱仍可塑的塑料。
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，繼續加熱則隨著化學反應燮硬使形狀固定不再發生變化。
常用的材料有：
烯丙基二甘醇碳酸脂（CR-39）樹脂眼鏡片
環氧光學塑料均屬於熱固性塑料。
二、主要的光學塑料
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，色散係數Vd=57.2,是「王冕」材料，透過率約92%，加速老化後240H透過率仍能達到92%，在室外使用10年後只降到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,抗張強度為(462---703) *109Pa.PMMA 的線形膨脹係數為8.3*10-5 K-1比K9玻璃大10倍,但PMMA從高溫冷卻時的光學記憶即組件恢復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,但是它是負值.熱導率為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耐稀無機酸去汙液,油脂和弱鹼的性能優良,耐濃無機酸中等,不耐醇,酮,溶於芳烴,氯化烴有機溶劑,為強鹼及溫熱的NaOH,KOH所侵蝕,與顯影液不起反應。
PMMA有優良的耐氣候性,在熱帶氣候下曝曬多年,它的透明度和色澤變化小。
PMMA目前於廣泛被用於製造照相機,攝錄一體機,投影機,光碟讀出頭以及軍用火控和制導系統中的非球面透鏡和反射鏡,還用來製造菲涅爾透鏡,微透鏡數組,隱形眼鏡,光纖,光碟基板等零件。
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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塑料,儘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,阿貝係數小Vd=30.8,所以當它和PMMA組合時可以成為對F和C譜線進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,不致產生黴菌,吸濕性小吸只有0.02%。
PS熱變形溫度為70--98℃,與配方及後處理有關,它的最高連續使用溫度為60--80℃,成型收縮率為0.45%,其零件經退火處理可減少內應力還可提高機械強度,無前因熱變形溫度,採用退火清晰度一般比實際的熱變形溫度低5--6℃。PS的導熱係數不隨溫度發生變化,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℃內將劇烈地熱降解放出43%的揮發物,41%為苯乙烯,2%是甲苯,並殘留下二聚三聚四聚及多聚物為57%。
PS能耐某些礦物油,有機酸,鹼,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,溶於芳烴,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,尺寸穩定的特點,可用模壓成型,也大量用於注塑成型,但它的脆性比其它光學塑料大,因此易開裂,在切澆口時應注意防止破裂,它還能用一般的金屬或木材加工工具進行機械加工,如鑽,鋸,切等。
PS除與PMMA組成消色差的透鏡外還用於複製光柵組件。
為改善PS的性能,開發出一些改良品種,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,主要用在工程塑料製品,光學上主要用作窗口,基本保持了PS的透明度,但仍有發黃的趨勢,nd=1.567,最高使用溫度75--90℃,熱變形溫度82--105℃,線形膨脹係數(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,它和各性能優於聚苯乙烯.透過率可達90%,折射率nd可達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。綜合性能優良的熱塑性塑料,有良好的耐熱性,耐寒性,並在較寬溫度範圍內(-135℃---+120℃)保持高的機械強度,尺寸穩定性好,溫度升高到105℃時材料的線性尺寸增加0.07%,有很高的衝擊強度,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%,但不易進行機械加工,注塑成型是最常用的方法。
密度為1.20kg/m3,本色呈淡黃色,加點淡藍色後得到無色透明製品.nd=1.586,vd=34.0,透過率為88%,PC的機械特性是韌而剛,無缺口抗衝擊強度在熱塑性塑料中名列前茅,成型收縮率穩定在0.5%--0.7%。回復「PC」，查看更多相關文章
機械性能
性能
數值
性能
數值
密度
1.2kg/m3
線膨脹係數
7.0*10-5K-1
吸水率
0.24%
熱變形溫度
135--143℃
拉伸強度
61.74MPa
長期使用最高溫度
110℃
彎曲強度
93.1MPa
電阻率
108Ω*m
缺口耐衝擊強度
127.4J/m
擊穿電壓強度
90mv/m
表面硬度
M70
耐電弧性
120/s
熱性能
性能
數值
性能
數值
結晶熔點
263℃
可燃性
自熄
熔融溫度
220--230℃
平均線膨脹係數(25-85℃) K-1
6.53*10-5 K-1
脆化溫度
<-100℃
玻璃化溫度
145-150℃
載荷下變形溫度
181.8986*104Pa時
45.4746*104Pa時
138℃
143℃
最高使用溫度
135℃
比熱容
1172J/(kg.k)
熱導率
0.1975w/(m.k)
PC在室溫下耐水,稀酸,氧化劑,還原劑,鹽,油,脂肪烴的侵蝕,不耐鹼,胺,酮,芳香烴的侵蝕,在很多有機液體為蒸氣中溶脹,並導致應力開裂,溶於二氯甲烷,二氯黴素乙烷,甲酚,二惡烷中,長期致於水中會水解破裂導致脆化。
PC在水中正常吸溼性為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。
由於PC的光學常數與PS相似,所以可以和PMMA組成消色差透鏡。
光學塑料的折射率是波長λ(μm)的函數,可以用下列公式計算:
n2(λ)=A0+A1λ2+A2λ-2+A3λ-4+A4λ-6+A5λ-8
三種塑料係數如下:
係數
PMMA
PS
PC
A0
2.185936
2.445984
2.428386
A1
8.0*10-6
2.2*10-5
-3.9*10-5
A2
1.45315*10-2
2.72989*10-2
2.87574*10-2
A3
-5.6315*10-4
3.0121*10-4
-1.979*10-4
A4
9.4903*10-5
8.8893*10-5
1.48359*10-4
A5
-3.9023*10-6
-1.7571*10-6
1.3865*10-6
6.TPX
TPX是日本三井化學株式會社所生產的4-甲基戊烯（4-methylpentene-1）的聚合物，TPX是其商品名，化學名稱為Methylpentene copolymer，簡稱PMP，三井化學株式會社是全球唯一的TPX生產製造商。
聚4-甲基戊烯-1是一種高結晶透明塑料，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%（目前已商業化的高透明度樹脂中唯一的結晶性聚合體）。
7.烯丙基二甘醇碳酸脂 ADC
Allgl diglycol carbonate,簡稱ADC或CR-39。ADC光學性能好、化學穩定性強、耐高溫（長期使用可耐100℃，短期可耐150℃）、表面硬度比PMMA高40倍，是現有光學塑料中硬度最大的。
它是目前在光學領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,抗衝擊,化學腐蝕的能力強,能經受持續100℃的高溫,短時間內能耐150℃,由於它的收縮率很大(在固化時收縮率達14%)因此它主要用於眼鏡片。
8.PET
PET最常用途是透明飲料瓶。
由於PET大分子鏈具有良好的規制性，為它提供了較高的結晶性能，結晶度越大密度越大，通常密度為1.2~1.38g/cm3。其分子鏈比較剛硬，分子間的強作用力賦予它具有良好的剛性和強度，對非極性氣體等物質具有良好的阻隔性能和耐蛻變性能，膨脹係數小、尺寸穩定性高。
PET是一種典型的高結晶性聚合物，其熔點在225~260℃之間，玻璃化溫度在70~80℃之間，在180℃左右達到最大結晶速度。PET 是乳白色或淺黃色、高度結晶的聚合物，表面平滑有光澤。在較寬的溫度範圍內具有優良的物理機械性能，長期使用溫度可達120℃，電絕緣性優良，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、尺寸穩定性都很好。PET塑料分子結構高度對稱，具有一定的結晶取向能力，故而具有較高的成膜性和成性。PET塑料具有很好的光學性能和耐候性，非晶態的PET塑料具有良好的光學透明性。
另外PET塑料具有優良的耐磨耗摩擦性和尺寸穩定性及電絕緣性。PET做成的瓶具有強度大、透明性好、無毒、防滲透、質量輕、生產效率高等因而受到了廣泛的應用到了廣泛應用。回復「PET」，查看更多相關文章
9.PSU
PSU為高性能工程塑料，硬度和衝擊強度高，耐蒸氣、耐水解、無毒、耐高溫蒸氣消毒、高透明、尺寸穩定性好，可在-100至175度下長期使用。比如用於製備透明寵物箱。
10.MS
11.OZ—1000
聚三環癸甲基丙烯酸脂OZ—1000及1011,1012,1013等系列，是日本日立化工公司開發出一種新型脂環樹脂。
OZ1000光學塑料色散低、透過率高、雙折射小、飽和吸水率僅為PMMA的1/10，其光學性能可與PMMA相媲美，且耐熱性優於PMMA，適用於高精度透鏡的精密成型。
12.ARTON
由日本合成橡膠公司(JSR)開發的,在熱塑性樹脂中它的比重最輕,吸水率很小,優於PMMA,有良好的透過,色差小,雙折射率比PC的小,耐熱性好於PMMA和PC,拉伸強度優於PMMA,彎曲彈性模量優於PC,因此它很適合作非球面透鏡。
13.環烯烴共聚物,簡稱COC
COC的主要性能：
nd
1.535
密度
1.02kg/cm3
表面硬度
M84-86
vd
56
吸水率(24H
<0.01%
熱變形溫度
75-170℃
透過率(厚3
mm,400-700nm
92%
彈性模量
2.756-3.448
*103Pa
玻璃轉化溫度
85-180℃
光彈性係數
*1018cm2/N
室溫
-2至-7
缺口耐衝
擊強度
J/m
22-27
線膨脹係數
6-7*10-5/K
13.環烯烴聚合物 COP
Cyclo—olefinpolymer,簡稱COP。是日本瑞翁公司開發的另一種非晶型聚烯烴(Zeonex480等)
Zeonex480與PC,PMMA的性能比較
性能
單位
Zeoner480
PC(光學級)
PMMA(光學級
Nd
-
1.525
1.586
1.491
Vd
-
55.8
34
57.2
光學彈性係數
*1018
Cm2/N
6.5
7.2
6.0
雙折射
nm
<25
<65
<20
密度
Kg/m3
1.01
1.20
1.19
飽和吸水率
%
<0.01
0.2
0.3
玻璃轉化溫度
℃
140
145
105
荷重彎曲溫度
℃
123
121
90
線膨脹係數
K-1
7*10-5
7*10-5
8*10-5
彎曲強度
MPa
101
93
115
拉伸強度
MPa
64.3
64
73
透過率
%
92
90
92
鉛筆硬度
-
H
B
3H
三、八種主要光學塑料特性
PMMA/PS/NAS/SAN/PC/TPX/Zeonex/Artonp性能比較
四、光學玻璃和光學塑料的光學性能
1.光學玻璃 Vs 光學塑料
特性
光學玻璃
光學塑料
Nd
1.44-1.95
1.49-1.61
Vd
20-90
26-57
折射率穩定性
+10-4
+5*10-4
折射率均勻性
<10-5
<5*10-4
光壓常數Pa -1
<6*10-12
<3.5*10-12
應力雙折射係數 Pa-1
<3*10-12
<4.0*10-12
熱光學常數(dn/dt) K-1
(-10 - +10)*10-6
(-100 - -160)*10-6
密度kg/cm3
2.3-6.2
1.05-1.32
彈性模量
(50-80)*103
(2-4)*103
硬度N/mm2
(3-7)*103
120-190
熱膨脹係數
(5-10)*10-6
(70-100)*10-6
熱穩定性
910-1030
360-420
熱導率W/m. K-1
0.5-1.4
0.14-0.23
比熱容J/kg. K-1
0.308
1.2-1.4
2.光學塑料的優缺點
光學塑料的優點:
①能進行大批量生產,降低製造成本；
②可以設計非常複雜的形狀；
③重量輕,耐衝擊；
④可以同時壓出光學面和定位面. 減少系統裝配成本；
⑤零件的質量一致。
光學塑料的缺點:
①對溫度和溼度等環境的變化更為靈敏經濟危機學塑料的熱膨脹係數比玻璃大出一個數量級,光學塑料的折射率溫度係數比玻璃要大6倍到50倍，一般來講塑料光學零件的最高連續工作溫度不得高於80---120攝氏度.光學塑料的吸溼性也比玻璃大得多；
②注射成型過程影響表面面形精度.由於材料在成型過程中的流動模式和冷卻，固化收縮，光學零件的面形精度會受到影響。大多數光學塑料零件在成型時的收縮率一般是模具尺寸的0.1%~0.6%,隨材料和生產過程的不同而不同；
③由於聚合時分子的取向性和模壓時產生的內應力,模壓成型 光學塑料零件存在不同程度的雙折射。
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