辛企民《光學塑料非球面製造技術》 2023年
一，光學塑料大致分類：
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（polymethyl methacrylate 簡稱pmma，也稱acrylic）
摩爾量約為50萬---100萬，（摩爾量對聚合物的效能有很大的影響）
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元件恢復到它原來尺寸的效能要比玻璃好,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,油脂和弱鹼的效能優良,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,微透鏡陣列,**眼鏡,光纖,光碟基板等零件.
2,聚苯乙烯(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效能,抗劃傷效能都不如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,高階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,要合效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元件.
為改善ps的效能,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,光學上主要用作視窗,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,聚碳酸脂(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,溫度公升高到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膠中名列前茅,成型收縮率穩定在0.5%--0.
7%.機械效能
熱效能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.
光學塑膠的折射率是波長λ(μm)的函式,可以用下列公式計算:
n2(λ)=a0+a1λ2+a2λ-2+a3λ-4+a4λ-6+a5λ-8
三種塑膠係數如下:
4,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,它和各效能優於聚苯乙烯.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.
5,烯丙基二甘醇碳酸脂(allgl diglycol carbonate,簡稱adc或cr-39)
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.
6.新品種
1 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.
2 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.
3 環烯烴共聚物,簡稱coc
coc的主要效能
4 環烯烴聚合物(cyclo—olefin polymer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的效能比較
八種主要光學塑膠特性
常用塑料材料
2.1 塑料的組成與工藝特性 一 塑料的組成 塑料的基本組成 塑料是以合成樹脂為主要成分，加入適量的新增劑組成的。1 合成樹脂合成樹脂是由低分子化合物經聚合反應所獲得的高分子化合物，如聚乙烯 聚氯乙烯 酚醛樹脂等。樹脂受熱軟化後，可將塑料的其他組分加以粘合，並決定塑料的主要效能，如物理效能 化學效能...
常用塑料材料
1.abs 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯共聚物 典型應用範圍 汽車 儀表板，工具艙門，車輪蓋，反光鏡盒等 電冰箱，大強度工具 頭髮烘乾機，攪拌器，食品加工機，割草機等 機殼體，打字機鍵盤，娛樂用車輛如高爾夫球手推車以及噴氣式雪撬車等。注塑模工藝條件 乾燥處理 abs材料具有吸濕性，要求在加工之前進行乾燥處...
塑料材料複習
塑料材料的分類 1 按照分子結構分 聚烯烴塑料,如 ldpe hdpe lldpe pp eva 聚苯乙烯類塑料 如 ps asa acs mbs as 乙烯基塑料，如 pvc丙烯酸塑料，如 pmma 尼龍 聚醯胺 如 透明尼龍，mc尼龍，pa 聚苯醚酯，如 pom ppo noryl pps ps...