高分子材料的光学性能课件

高分子材料的光学性能课件第一节第一节 光通过介质的现象光通过介质的现象一一.折射折射 1折射率的定义折射率的定义 1）定义）定义 光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光在介质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础）。播速度的降低而产生的（以真空中的光速为基础）。当光从真空进入较致密的材料时当光从真空进入较致密的材料时,其速度是降低的。折射其速度是降低的。折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比率定义为：光在真空和材料中的速度之比。即：即：cn材料真空高分子材料的光学性能课件2）绝对折射率与相对折射率）绝对折射率与相对折射率（1）绝对折射率）绝对折射率 材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率。材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率。一般将真空中的折射率定为一般将真空中的折射率定为1。（2）相对折射率）相对折射率 由于在实际工作中使用绝对折射率不方便，因此使由于在实际工作中使用绝对折射率不方便，因此使用相对折射率的概念。用相对折射率的概念。相对于空气的折射率称为相对折射率：材料相对于相对于空气的折射率称为相对折射率：材料相对于空气的折射率称为相对折射率：空气的折射率称为相对折射率：n=va/v材料材料 高分子材料的光学性能课件2两种材料间的相对折射率两种材料间的相对折射率 如果光从材料如果光从材料1，通过界面传入材料，通过界面传入材料2时，时，与界面法向所形成的入射角与界面法向所形成的入射角i1、折射角、折射角i2与两与两种材料的折射率种材料的折射率n1和和n2现有下述关系现有下述关系:21211221sinsinnnnii式中：式中：v1及及v2分别表示光在材料分别表示光在材料l及及2中的传播速度，中的传播速度，n21为材料为材料2相对于材料相对于材料l的的相对折射率。相对折射率。材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。两种折射率相比，折射率材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。两种折射率相比，折射率较大者，光的传播速度较慢。材料的折射率永远是大于较大者，光的传播速度较慢。材料的折射率永远是大于l的正数。如空气的的正数。如空气的n=1.0003，固体氧化物，固体氧化物n=1.32.7，硅酸盐玻璃，硅酸盐玻璃n=1.51.9，树脂：，树脂：1.3-1.7高分子材料的光学性能课件3影响折射率的因素影响折射率的因素（1）折射率与极化率的关系 当一种介质材料置于可见光范围的电磁辐射场中时，辐射的当一种介质材料置于可见光范围的电磁辐射场中时，辐射的极化电场引起其中带电的结构单元周期性的位移，辐射导极化电场引起其中带电的结构单元周期性的位移，辐射导致该材料的宏观极化。在可见光的频率范围内仅出现电子致该材料的宏观极化。在可见光的频率范围内仅出现电子极化。由于光的传播与介质的极化有关，因此介质对光波极化。由于光的传播与介质的极化有关，因此介质对光波场的响应可用宏观物理量场的响应可用宏观物理量-极化率或介电常数来描述。极化率或介电常数来描述。光波除了与材料中的电结构作用外，还与磁结构作用。正光波除了与材料中的电结构作用外，还与磁结构作用。正是因为材料的极化和磁化作用，是因为材料的极化和磁化作用，“拖住拖住”了电磁波的步伐，了电磁波的步伐，使电磁波的传播速度变慢。根据麦克斯威尔电磁波理论，使电磁波的传播速度变慢。根据麦克斯威尔电磁波理论，光在介质中的传播速度应为：光在介质中的传播速度应为：cv式中：式中：c为真空中的光速，为真空中的光速，为介质的介电常数，为介质的介电常数，为介质的导磁率。对于非磁性为介质的导磁率。对于非磁性材料，材料，1。在下面讨论中，介质材料一般都是非磁性材料。在下面讨论中，介质材料一般都是非磁性材料。高分子材料的光学性能课件ccvcn材料n 该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。材料的极化性质与构成材料原该式反映了光的折射率和材料的介电常数的关系。材料的极化性质与构成材料原子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关。这些微观因素通过宏观子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关。这些微观因素通过宏观量介电常数来影响光在材料中的传播速度。量介电常数来影响光在材料中的传播速度。高分子材料的光学性能课件（2）折射率与离子半径的关系）折射率与离子半径的关系 当离子半径增大时，其当离子半径增大时，其增大，因而增大，因而n也也随之增大。因此，可以用大离子得到高折随之增大。因此，可以用大离子得到高折射率的材料，如射率的材料，如PbS的的n=3.912，用小离子，用小离子得到低折射率的材料，如得到低折射率的材料，如SiCl4的的n=1.412。高分子材料的光学性能课件（3）折射率与摩尔折光度、分子体积的关系）折射率与摩尔折光度、分子体积的关系 折射率与材料介质摩尔折射度成正比，与分子体积成反比；而摩折射率与材料介质摩尔折射度成正比，与分子体积成反比；而摩尔折射度与介质极化率成正比，所以要提高折射率，要求材料具有大尔折射度与介质极化率成正比，所以要提高折射率，要求材料具有大的极化率和小的分子体积。的极化率和小的分子体积。高分子材料的光学性能课件 摩尔折射度摩尔折射度(R)是由于在光的照射下分是由于在光的照射下分子中电子子中电子(主要是价电子主要是价电子)云相对于分子骨架云相对于分子骨架的相对运动的结果。这种把光学折射与化的相对运动的结果。这种把光学折射与化学结构联系起来的可加量叫做摩尔折射度。学结构联系起来的可加量叫做摩尔折射度。文献中有多种定义。文献中有多种定义。高分子材料的光学性能课件高分子材料的光学性能课件高分子材料的光学性能课件高分子材料的光学性能课件可以看出，具有较大极化率和较小分子体积的苯环具有较高的折射率；含有相同碳数可以看出，具有较大极化率和较小分子体积的苯环具有较高的折射率；含有相同碳数的碳氢基团，折射率按支化链的碳氢基团，折射率按支化链直链直链脂环脂环芳环的顺序变大。芳环的顺序变大。此外，分子中引入除此外，分子中引入除F以外的卤族元素、以外的卤族元素、S、P、砜基、稠环、重金属离子等均可提高、砜基、稠环、重金属离子等均可提高折射率，而分子中含有甲基和折射率，而分子中含有甲基和F原子时折射能力降低。原子时折射能力降低。高分子材料的光学性能课件 这些基团和元素的引入提高了光学树脂的折射率，同时也带来了一些不足：（1）引入芳香族或稠环化合物可提高折射率，但聚合物的色散较大；（2）引入除F以外的卤素可提高折射率，但树脂的密度增大，耐候性差，易发黄；（3）引入重金属离子如铅、镧、铌或二氧化钛、硫化铅、硫化铁纳米微粒等可提高折射率，但树脂的密度增大、抗冲性降低、实用困难；（4）引入脂肪族多环化合物，可提高折射率，且色散较低，但折射率提高的范围有限；（5）引入S、N、P等元素可提高折射率，特别是在聚合物中引入S是提高折射率的最有效方法，且色散好，环境稳定性好。高分子材料的光学性能课件（4）与材料的结构、晶型的关系均质介质（各向同性的材料）均质介质（各向同性的材料）如非晶态如非晶态(无定型体无定型体)和立方晶体材料，当光通过时，和立方晶体材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率。光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率。非均匀介质（除立方晶体以外的其他晶型，都是非非均匀介质（除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质）均质介质）光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动方向相双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线的现象，射光线的现象，双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关。性能都和双折射有关。nnn/高分子材料的光学性能课件（5）材料所受的内应力）材料所受的内应力 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力大，平行于受拉主应力方向的方向的n小。因此产生双折射。小。因此产生双折射。树脂中的双折射主要是由于加工过程中残留的内应力导致链段或基团取向，树脂中的双折射主要是由于加工过程中残留的内应力导致链段或基团取向，因而应力与双折射有一定的关系，即：因而应力与双折射有一定的关系，即：C为应力光学系数，为应力光学系数，为应力。经验表明，脂肪族聚合物具有较低的应力光学系数，如为应力。经验表明，脂肪族聚合物具有较低的应力光学系数，如PMMA和和OZ-1000（聚三环癸甲基丙烯酸脂）双折射很小，基本是各向同性的；含（聚三环癸甲基丙烯酸脂）双折射很小，基本是各向同性的；含有易极化和取向的苯环的芳香族聚合物则具有较大的应力光学系数，如有易极化和取向的苯环的芳香族聚合物则具有较大的应力光学系数，如PS和和PC，苯环位于主链比位于侧链时应力光学系数增加更大；，苯环位于主链比位于侧链时应力光学系数增加更大；树脂大分子链树脂大分子链上含有共聚单元，容易产生双折射现象；树脂中添加其它助剂，由于助剂上含有共聚单元，容易产生双折射现象；树脂中添加其它助剂，由于助剂与树脂之间的折射率不同而产生双折射。与树脂之间的折射率不同而产生双折射。Cnn/高分子材料的光学性能课件折射率的表示折射率的表示 折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率率n 随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出所用的光的波长。一般常用的折射率时必须指出所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。来比较不同材料的折射率。nD是指用钠光谱中的是指用钠光谱中的D线（线（D=589.3nm，黄，黄色）为光源测出的折射率。色）为光源测出的折射率。高分子材料的光学性能课件二色散1定义：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质，称为色散。2.色散的表示方法（1）平均色散：nFnC，有时用表示。nF：是指用氢光谱中的F线（F=486.1nm，蓝色）为光源测出的折射率。nC：是指用氢光谱中的C线（C=656.3nm，红色）为光源测出的折射率。高分子材料的光学性能课件（2）色散系数D：也叫阿贝数、色散倒数或倒数相对色散，这是最常用的数值。CFDDnnn1高分子材料的光学性能课件3应用实例应用实例1）光学玻璃的分类）光学玻璃的分类 以上光学常数中最常用的是以上光学常数中最常用的是：折射率：折射率 nD，平均色散，平均色散nFnC由此可以算由此可以算出阿贝数，阿贝数是光学玻璃的重要性质之一，例如光学玻璃就是按阿贝数出阿贝数，阿贝数是光学玻璃的重要性质之一，例如光学玻璃就是按阿贝数的大小分成两大类：冕牌玻璃（的大小分成两大类：冕牌玻璃（D大）和火石玻璃（大）和火石玻璃（D小，小，nFnC大，大，nD变化范围大）。变化范围大）。2）消除光学系统中的色差）消除光学系统中的色差 阿贝数也是光学系统中消色差经常使用的参数。阿贝数也是光学系统中消色差经常使用的参数。由于光学玻璃（树脂）一般都或多或少具有色散现象，白光可以被棱镜由于光学玻璃（树脂）一般都或多或少具有色散现象，白光可以被棱镜分解成七色光谱，若入射光不是单色光，当通过棱镜时，由于色散，将使屏分解成七色光谱，若入射光不是单色光，当通过棱镜时，由于色散，将使屏上出现模糊的彩色光斑，使成像失真。所以光学系统中往往采用复合透镜来上出现模糊的彩色光斑，使成像失真。所以光学系统中往往采用复合透镜来消除色差。即用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜消除色差。即用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，可以消除色差，这叫做消色差镜头（所有光学系统中不用单片透镜）。头，可以消除色差，这叫做消色差镜头（所有光学系统中不用单片透镜）。高分子材料的光学性能课件第二节第二节 材料的透光性材料的透光性 透光率和雾度表征材料透光性透光率和雾度表征材料透光性 透光率是表征树脂透明程度的一个重要性能指标，一种树脂的透光率透光率是表征树脂透明程度的一个重要性能指标，一种树脂的透光率越高，其透光性就越好。透光率的定义为：透过材料的光通量（越高，其透光性就越好。透光率的定义为：透过材料的光通量（T2）占入）占入射到材料表面上光通量（射到材料表面上光通量（T1）的百分率，即：）的百分率，即：Tt（T2/T1）100%透光率的测定通常以标准透光率的测定通常以标准C光源的一束平行光垂直照射透明或半透明光源的一束平行光垂直照射透明或半透明膜、片或板上，测定透过材料的光通量与射到材料上光通量之比。膜、片或板上，测定透过材料的光通量与射到材料上光通量之比。任何一种透明材料的透光率都达不到任何一种透明材料的透光率都达不到100，即使是透明性最好的光学，即使是透明性最好的光学玻璃的透光率一般也难以超过玻璃的透光率一般也难以超过95。通常，光学树脂在可见光区的透光。通常，光学树脂在可见光区的透光率的损失主要由以下三个因素造成：光的反射、散射和吸收率的损失主要由以下三个因素造成：光的反射、散射和吸收高分子材料的光学性能课件一反射一反射1反射系数（反射率）反射系数（反射率）当光投射到材料表面时一般产生反射、透过和当光投射到材料表面时一般产生反射、透过和吸收。这三种基本性质都与折射率有关。吸收。这三种基本性质都与折射率有关。m（%）+A（%）+T（%）=100%1）反射系数的定义）反射系数的定义 当光线由介质当光线由介质1入射到介质入射到介质2时，时，光在介质面上分成了反射光和折射光，光在介质面上分成了反射光和折射光，如图如图42所示。这种反射和折射，可以所示。这种反射和折射，可以连续发生。例如当光线从空气进入介质连续发生。例如当光线从空气进入介质时，一部分反射出来了，另一部分折射时，一部分反射出来了，另一部分折射进入介质。当遇到另一界面时，又有一进入介质。当遇到另一界面时，又有一部分发生反射，另一部分折射进入空气。部分发生反射，另一部分折射进入空气。由于反射，使得透过部分的强度减弱。因此由于反射，使得透过部分的强度减弱。因此对于透明材料，希望光能够尽可能多地透过。对于透明材料，希望光能够尽可能多地透过。需要知道光强度的这种反射损失，使光尽可需要知道光强度的这种反射损失，使光尽可能多地透过。能多地透过。高分子材料的光学性能课件设光的总能量流w为 W=W+W W，W，W分别为单位时间通过位面积的入射光、反射光和折射光的能量流。则反射系数（反射率）m=W/W或 m=被反射的光强度/入射光强度=L/I0当角度很小时，即垂直入射时:m)1n1n(WW22121高分子材料的光学性能课件2透射系数根据能量守恒定律（光在界面上的现象），W=W+W (1m)称为透射系数 在垂直入射的情况下，光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率n21。m1WW1WW 高分子材料的光学性能课件3界面的反射损失由Fresnel关系式可得：式中，n1、n2是两种介质的折射率，r是光在每个界面的反射损失。若光线是从空气照射在介质表面上，n11。如PS的nD为1.59，则光线在两个表面的损失共约为10。上式在光线入射角大于30后不再适用212212)()(nnnnr高分子材料的光学性能课件当光从介质射入空气的入射角与光在介质空气界面的折射率呈下列关系时：sini11/n，就会发生内反射，即光线不能射入空气，而全部折回介质。对大多数聚合物来说，n1.5，i1最小为42。光线在聚合物内全反射，会使透明聚合物显得格外明亮，利用这一现象可以将透明聚合物制成发亮的制品，如车的尾灯、交通标志等；也能纺丝做成光纤使用。高分子材料的光学性能课件实例：由于陶瓷、玻璃、树脂等材料的折射率较空气的大，所以反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。为了减小这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从而大大减小了界面的反射损失。为了调节玻璃的n，常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃n不同的透明薄膜，使玻璃表面的m增加或减少。如在玻璃表面涂以对红外线反射率高的金属膜（An、Cu、Ag、Cr、Ni等），用作建筑物反射太阳能的隔热玻璃，可以调节室内空调的能力，并增加建筑物外表的美观热反射玻璃。高分子材料的光学性能课件二介质对光的吸收二介质对光的吸收1、定义、定义光在介质中传播时会有能量的损失，使透过介质的光在介质中传播时会有能量的损失，使透过介质的光强度减弱的现象，这就是光的吸收光强度减弱的现象，这就是光的吸收2、光吸收的本质、光吸收的本质 光在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原光在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量；介质中的价电子当吸收光子子振动而消耗能量；介质中的价电子当吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动能量而激发，当尚未退激而发出光子时，在运动中与其它分子碰撞，从而构成光能的衰减。中与其它分子碰撞，从而构成光能的衰减。高分子材料的光学性能课件2）朗伯特定律 即使在对光不发生散射的透明介质，如玻璃、水溶液中，光也要会有能量的损失，即光的吸收。设有一块厚度为x的平板材料，入射光的强度为I0，通过此材料后光强度为I。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失 dI，它正比于在此处的光强度和薄层的厚度dx，即 -dI=Idxx0IIdxIdI0 xIIln0 x0eII 式中式中为物质对光的吸收系数，其单位为为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。取决于材料的性质和光的取决于材料的性质和光的波长。波长。越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。越大材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。不同的材料不同的材料差别很大，空气的差别很大，空气的l0-5cm-1，玻璃的，玻璃的=10-2cm-1，金属的，金属的则则达几万到几十万，所以金属实际上是不透明的。达几万到几十万，所以金属实际上是不透明的。光强度随厚度的变化符合指数衰减规律光强度随厚度的变化符合指数衰减规律,此式称此式称为朗伯特定律为朗伯特定律高分子材料的光学性能课件2光吸收与光波长的关系 材料吸收光的能量大小一般要看通过材料的光的波长而定。根据光的波长，可将光进行如下划分：射线X射线紫外光（10400nm）可见光(400760nm)红外光(760106nm)无线电波(0.1mm103m)高分子材料的光学性能课件高分子材料的光学性能课件若材料对可见光各波长的吸收是相等的，光线通过玻璃后，光谱组成无变化，白光仍是白光，只是减弱了它的强度而已。如果材料对光谱内各波长的光吸收不等，有选择性，则由玻璃出来的光线必定改变了原来的光谱组成，就获得了有颜色的光。材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光能后，由代能级（E1）向高能级（E2）跃迁（即从基态向激发态）。当两个能级的能量差（E2-E1=h=Eg，h为普照朗克常数，v为频率）等于可见光的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。Eg越小，吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深（显示的颜色为低波长段的颜色）；反之，能级差Eg愈大，吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。1）对可见光区（）对可见光区（400760nm）高分子材料的光学性能课件例1，金属金属对光能吸收很强烈。这是因为金属的价电子处于未满带，Eg很小，很容易吸收光子后呈激发态，用不着跃迁到导带即能发生碰撞而发热。所以吸收系数大，不透明。例2，光学玻璃和光学树脂玻璃有良好的透光性，吸收系数很小（Eg大），这是由于共价电子所处的能带是填满了的，它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带（激发态），所以在一定范围内，吸收系数很小（所以一般无色玻璃在可见光区，几乎没有吸收，近红外也是透明的）。高分子材料的光学性能课件2）紫外区（紫外区（10400nm）对于一般无色透明的材料（如玻璃）的对于一般无色透明的材料（如玻璃）的紫外吸收现象比较特殊，不同于离子着色，紫外吸收现象比较特殊，不同于离子着色，并不出现吸收峰，而是一个连续的吸收区。并不出现吸收峰，而是一个连续的吸收区。透光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分透光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线，通常称为吸收极限，小于吸收极限界线，通常称为吸收极限，小于吸收极限的波长完全吸收，大于吸收极限的波长则的波长完全吸收，大于吸收极限的波长则全部透过。全部透过。聚合物光学材料在紫外光区和可见光区的透光性与光学玻璃相近。聚合物光学材料在紫外光区和可见光区的透光性与光学玻璃相近。高分子材料的光学性能课件3）红外区（）红外区（760106nm）一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱。吸收主要一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱。吸收主要是由于红外光（电磁波）的频率与材料中分子振子（或相是由于红外光（电磁波）的频率与材料中分子振子（或相当于分子大小的原子团）的本征频率相近或相同引起共振当于分子大小的原子团）的本征频率相近或相同引起共振消耗能量所致。即在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振消耗能量所致。即在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。聚合物光学材料在近红外以上区域不可避免地出现碳氢等基团的振动吸收。聚合物光学材料在近红外以上区域不可避免地出现碳氢等基团的振动吸收。高分子材料的光学性能课件3选择性吸收与均匀吸收选择性吸收与均匀吸收 吸收还可分为选择吸收和均匀吸收。吸收还可分为选择吸收和均匀吸收。前面已介绍选择性吸收，即同一物质对某一前面已介绍选择性吸收，即同一物质对某一种波长的吸收系数可以非常大，而对另一种波长种波长的吸收系数可以非常大，而对另一种波长的吸收系数可以非常小。这种现象称为选择吸收。的吸收系数可以非常小。这种现象称为选择吸收。透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。透明材料的选择吸收使其呈不同的颜色。如果介质在可见光范围对各种波长的吸收程如果介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同，则称为均匀吸收。在此情况下，随着吸度相同，则称为均匀吸收。在此情况下，随着吸收程度的增加，颜色从灰变到黑。收程度的增加，颜色从灰变到黑。高分子材料的光学性能课件三介质对光的散射三介质对光的散射 1散射的概念散射的概念 光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，使光偏离原光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，使光偏离原来的方向从而引起散射，从而减弱光束强度。来的方向从而引起散射，从而减弱光束强度。散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而引起的。散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而引起的。由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的材料，由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式:Sx0eIII为光束通过厚度为为光束通过厚度为x的试件后，在光前进方向上的剩余强度。的试件后，在光前进方向上的剩余强度。S为散射系数，为散射系数，与散射与散射(质点质点)的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关，其的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关，其单位为单位为cm-1。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则可得到如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则可得到 x)S(0eII高分子材料的光学性能课件2.散射系数最大时的质点直径散射系数最大时的质点直径（1）条件）条件 材料：含有材料：含有1(体积体积)Ti02散射质点的玻璃。散射质点的玻璃。入射光：入射光：D=0.589m（589nm）相对折射率：）相对折射率：n21=1.8（2）散射最强时）散射最强时,质点的直径为质点的直径为)m(48.0)1n(21.4dmax从上式可知：入射光的波长不同，散射系数达最大时的质点直径也不同。从上式可知：入射光的波长不同，散射系数达最大时的质点直径也不同。高分子材料的光学性能课件（3）散射系数与波长的关系 从图4.6中还可以看出，曲线由左右两条不同形状的曲线所组成，各自有着不同的规律。前提条件：散射质点的体积浓度不变，讨论：d时，随着d，S；d时，S达最大值。所以可根据散射中心尺寸和波长的相对大小，分别用不同的散射基因和规律进所以可根据散射中心尺寸和波长的相对大小，分别用不同的散射基因和规律进行处理，可求出行处理，可求出S与其他因素的关系。与其他因素的关系。通常，散射质点的折射率与基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。通常，散射质点的折射率与基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射。造成聚合物光散射的原因是聚合物结构不均因，如分子量分布不均匀，无序相造成聚合物光散射的原因是聚合物结构不均因，如分子量分布不均匀，无序相于结晶相共存等。于结晶相共存等。一般只有结晶聚合物的散射比较严重。高分子材料的光学性能课件四、影响材料透光性的因素。四、影响材料透光性的因素。1）吸收系数）吸收系数这部分损失较小，在影响透光率中不占主导地位这部分损失较小，在影响透光率中不占主导地位 对于陶瓷、玻璃、树脂等材料，材料的吸收率或吸收系数在可见对于陶瓷、玻璃、树脂等材料，材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的，在可见光吸收损失相对来说是比较小的，在影光范围内是比较低的，在可见光吸收损失相对来说是比较小的，在影响透光率的因素中不占主要地位。响透光率的因素中不占主要地位。2）反射系数）反射系数这部分损失较大这部分损失较大材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。另一方面，材料表面材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。另一方面，材料表面的光洁度也影响透光性能。的光洁度也影响透光性能。光学树脂在可见光区是透明的，对于光的吸收和散光学树脂在可见光区是透明的，对于光的吸收和散射而引起的透光率的下降一般很小。透光率的损失主要由于光在界面的反射引起，为射而引起的透光率的下降一般很小。透光率的损失主要由于光在界面的反射引起，为提高透镜的透光率，通常可以采用蒸镀增透膜的方式。提高透镜的透光率，通常可以采用蒸镀增透膜的方式。3）散射系数）散射系数影响较大影响较大 这一因素最影响陶瓷材料的透光率。对于常见的塑料产品这一因素最影响陶瓷材料的透光率。对于常见的塑料产品，散射也影响其，散射也影响其透光率的主要因素。透光率的主要因素。高分子材料的光学性能课件雾度，又称浊度，用来衡量透明或半透明材料不清晰或浑浊雾度，又称浊度，用来衡量透明或半透明材料不清晰或浑浊的程度。雾度的产生是由于材料内部或外部表面光散射造的程度。雾度的产生是由于材料内部或外部表面光散射造成的云雾状或浑浊的外观。成的云雾状或浑浊的外观。雾度的定义为：材料的散射光通量与透过材料光通量的百分雾度的定义为：材料的散射光通量与透过材料光通量的百分数。数。雾度的测定方法是：以标准雾度的测定方法是：以标准C光源的一束平行光垂直照射到光源的一束平行光垂直照射到透明或半透明膜、片或板上，由于内部和表面的散射，使透明或半透明膜、片或板上，由于内部和表面的散射，使部分平行光偏离入射方向大于部分平行光偏离入射方向大于2.5的散射光通量与透过的散射光通量与透过材料光通量之比的百分数。材料光通量之比的百分数。可以说雾度是用来衡量一种材料光散射程度的指标。可以说雾度是用来衡量一种材料光散射程度的指标。一般说来，透光率与雾度之间成反比关系，即透光率高的材一般说来，透光率与雾度之间成反比关系，即透光率高的材料，雾度低；反之亦然。但是并不总是如此，如毛玻璃的料，雾度低；反之亦然。但是并不总是如此，如毛玻璃的透光率高，但其雾度也比较大。所以说雾度和透光率是既透光率高，但其雾度也比较大。所以说雾度和透光率是既相互独立又相互联系的两个光学指标。相互独立又相互联系的两个光学指标。高分子材料的光学性能课件透光率和雾度二个指标主要表征材料的透光性，而透光率和雾度二个指标主要表征材料的透光性，而折光指数、双折射及色散三个指标主要用于表征折光指数、双折射及色散三个指标主要用于表征材料的透光质量。作为透镜使用的树脂，希望其材料的透光质量。作为透镜使用的树脂，希望其折射率大一点。折射率越大，其厚度可相应减小。折射率大一点。折射率越大，其厚度可相应减小。双折射即材料的平行方向与垂直方向折射率的差值。双折射即材料的平行方向与垂直方向折射率的差值。双折射越大，越容易造成图像产生外影等现象。双折射越大，越容易造成图像产生外影等现象。材料之所以产生双折射现象，主要是由于树脂的材料之所以产生双折射现象，主要是由于树脂的分子结构和分子的取向两方面决定的。分子结构和分子的取向两方面决定的。色散可用阿贝数表示，一般材料的折射率越大，阿色散可用阿贝数表示，一般材料的折射率越大，阿贝数越小，色散越强。贝数越小，色散越强。高分子材料的光学性能课件透明性的分类透明性的分类 按材料的透光率大小，可将其分为如下三类：按材料的透光率大小，可将其分为如下三类：透明材料透明材料波长波长400nm800nm可见光的透光率在可见光的透光率在80%以上；以上；半透明材料半透明材料波长波长400nm800nm可见光的透光率在可见光的透光率在50%80%之间；之间；不透明材料不透明材料波长波长400nm800nm可见光的透光率在可见光的透光率在50%以下。以下。按上述的分类方法，可将树脂分成如下几类。（1）透明性树脂主要包括：PMMA、PC、PS、PET、PES、J.D系列、CR-39、SAN（又称AS）、TPX、HEMA及BS（又称K树脂）等。其中PES为聚醚砜，J.D系列光学树脂为PES的共聚衍生物，SAN为苯乙烯/丙烯腈共聚物，TPX为聚甲基戊烯-1，BS为25%丁二烯/75%苯乙烯共聚物，CR-39为双烯丙基二甘醇碳酸酯聚合物，HEMA为聚甲基丙烯酸羟乙酯。（2）半透明树脂主要包括PP和PA两种。（3）不透明树脂主要包括ABS、POM、PTFE及酚醛树脂等。高分子材料的光学性能课件 改进塑料透明性的原理：降低结晶度，控制洁净的质量，提高折射率，降低双折射。添加改进塑料的透明性，可以添加成核剂，这是增大透明树脂透光率最有效的方法，它可以促进结晶的小分子物质。它在树脂中可以起到晶核的作用。共混改进塑料的透明性，就是在透明树脂中加入其他树脂，提高透明性。双向拉伸改进塑料的透明性，可以使制品中原有的结晶颗粒破碎使晶体尺寸变小，到达提高透光率的目的高分子材料的光学性能课件第三节 塑料的光泽一.塑料光泽的概念塑料的光泽即塑料制品表面的光亮程度，具体衡量指标有光泽度和光洁度两种。1.光泽度当光的反射是指材料表面光当光的反射是指材料表面光泽度非常高的情况下的反射，反射光线具有度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为明确的方向性，一般称之为镜反射镜反射。光泽度的测量以镜面为参照物，。光泽度的测量以镜面为参照物，在规定的入射角下，试样的镜面反射率与同等条件下基准面的反射率在规定的入射角下，试样的镜面反射率与同等条件下基准面的反射率之比；一般光泽度常用百分数表示。之比；一般光泽度常用百分数表示。塑料制品的光泽度越高，说明其表面越光亮。但塑料制品的光泽度要比塑料制品的光泽度越高，说明其表面越光亮。但塑料制品的光泽度要比镜面低，需要高光泽度时，必须进行电镀及抛光等二次增亮处理。镜面低，需要高光泽度时，必须进行电镀及抛光等二次增亮处理。高分子材料的光学性能课件 通常根据材料表面的光泽，可将材料的表面划分为：高光泽度表面：物理表面的光泽度为70-90，镜面玻璃表面的光泽度100%；半光泽表面：物体表面的光泽度为30%70%：亚光表面也称蛋壳光泽表面：表面的光泽度为10%30%；消光：表面的光泽度为2%15%；高光泽表面和半光泽表面给人以刺眼的感觉。高分子材料的光学性能课件2.光洁度光洁度 光洁度是对物体表面状态的一种量度，表征物体光洁度是对物体表面状态的一种量度，表征物体表面的光滑度及平整程度。光洁度的概念现在常表面的光滑度及平整程度。光洁度的概念现在常用粗糙度来代替。光照射到粗糙不平的材料表面用粗糙度来代替。光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生相当的漫反射。上时，发生相当的漫反射。对一不透明材料，测量单一入射光束在不同方向对一不透明材料，测量单一入射光束在不同方向上的反射能量。漫反射的原因是由于材料表面粗上的反射能量。漫反射的原因是由于材料表面粗糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方糙，在局部地方的入射角参差不一，反射光的方向也各式各样，致使总的反射能量分散在各个方向也各式各样，致使总的反射能量分散在各个方向上，形成漫反射。材料表面越粗糙，镜反射所向上，形成漫反射。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小。占的能量分数越小。高分子材料的光学性能课件3.塑料光泽改性 改进塑料光泽的方法包括两个方面含义，一方面是提高塑料制品的表面光泽度，称为增亮改性；另一方面是降低制品的表面光泽度，称为消光改性。高分子材料的光学性能课件（1）塑料增亮A、塑料原料的选取、塑料原料的选取 塑料原料的合理选取是提高塑料制品表面光洁度最基本的因素,原料选取得好，则光泽度提高容易；反之，则比较困难。塑料原料可以分成树脂树脂和添加剂两大类。1）树脂的选择）树脂的选择 树脂本身的特征对塑料制品的表面光泽度影响较大，是控制塑料制品表面光泽度的最有效方法。不同的树脂品种其相应制品的光泽性大不相同，一般认为下列树脂对应制品的光泽性比较好：蜜胺树脂、ABS、PP、HIPS、PA、POM、PMMA及PPO等，其中蜜胺树脂和ABS两种光泽性最突出。高分子材料的光学性能课件 对同一种树脂而言，合成方法不同，其树脂对应制品光泽度也不相同。例如：a、对PP而言，不同聚合方法合成品种的光泽度大小如下：无规共聚PP均聚PP嵌段共聚PP。b、对PE而言，三种不同品种的光泽度大小如下：LDPELLDPEHDPE c、对PVC而言，乳液法PVC树脂比悬浮法PVC树脂的光泽度高。d、对于PS树脂而言，高抗冲聚笨乙烯（HIPS）的光泽度大于通用聚苯乙烯（GPPS）树脂的特性高分子材料的光学性能课件 对同一种树脂而言，其具体特性不同，光泽度也不相对同一种树脂而言，其具体特性不同，光泽度也不相同，在树脂的特性中对光泽度有影响的特性主要有如下几同，在树脂的特性中对光泽度有影响的特性主要有如下几种。种。a、熔体流动速率、熔体流动速率(MFR)一般越大，其相应制品的光泽一般越大，其相应制品的光泽度越大。度越大。b、分子量的影响、分子量的影响 分子量的影响主要体现在分子量分分子量的影响主要体现在分子量分布宽度上。分子量分布越宽，其相应制品的光泽度下降。布宽度上。分子量分布越宽，其相应制品的光泽度下降。c、吸水率的影响、吸水率的影响 吸水率高的树脂，对其相应制品的吸水率高的树脂，对其相应制品的光泽度影响较大。如分子中含有酯基（光泽度影响较大。如分子中含有酯基（-COOR）及酞胺）及酞胺基（基（-CONH2）的）的PA、PI、PSF及及PC等，如不进行干燥等，如不进行干燥或干燥不彻底，会在制品表面产出水波纹、气泡、银丝、或干燥不彻底，会在制品表面产出水波纹、气泡、银丝、斑纹、毛疵等，从而使衣面光泽度大大下降。斑纹、毛疵等，从而使衣面光泽度大大下降。高分子材料的光学性能课件2）添加剂的选择）添加剂的选择 在所有的塑料用添加剂中，对光泽度影响最大的为填料；在所有的塑料用添加剂中，对光泽度影响最大的为填料；其次还有增塑剂、稳定剂及阻燃剂等，但影响较小。其次还有增塑剂、稳定剂及阻燃剂等，但影响较小。填料对光泽度的影响可分为如下几个方面填料对光泽度的影响可分为如下几个方面:a、填料的品种、填料的品种 不同填料品种对光泽度的影响不同。不同填料品种对光泽度的影响不同。除玻璃微珠外几乎所有的填料都会使填充制品的光泽度下除玻璃微珠外几乎所有的填料都会使填充制品的光泽度下降，只是下降幅度不同而已。降，只是下降幅度不同而已。几种填料对填充制品光泽几种填料对填充制品光泽度影响大小次序如下：金属盐度影响大小次序如下：金属盐玻璃纤维玻璃纤维滑石粉滑石粉云母云母 b、填料的形状、填料的形状 填料粒子的微观形状不同，对填充制填料粒子的微观形状不同，对填充制品光泽度的影响也不同，其影响大小的次序为：品光泽度的影响也不同，其影响大小的次序为：球状球状粒粒状状针状针状片状片状高分子材料的光学性能课件c、填料的粒度、填料的粒度 填料的粒度越小，填抖制品的光泽度下降幅度填料的粒度越小，填抖制品的光泽度下降幅度小。另外，填料粒度的分布宽度大小不同，对填小。另外，填料粒度的分布宽度大小不同，对填充制品的光泽度影响也不同。其影响规律为：填充制品的光泽度影响也不同。其影响规律为：填料粒度分布越宽，填充制品的表面光泽度越低。料粒度分布越宽，填充制品的表面光泽度越低。这主要是因为填料的粒度范围相差越大，填充制这主要是因为填料的粒度范围相差越大，填充制品的表面越凸凹不平，入射光越易产生漫反射现品的表面越凸凹不平，入射光越易产生漫反射现象。象。d、填料的填充量、填料的填充量 填料的填充增大，填充制品填料的填充增大，填充制品的表面光泽度降低。以的表面光泽度降低。以CaCO3填充填充PP 体系为例，体系为例，当当CaCO3填充量为填充量为5%时，填充制品的表面光泽时，填充制品的表面光泽度为度为50%。当。当CaCO3填充量为填充量为15%时，填充品的时，填充品的光泽度则下降为光泽度则下降为32%。高分子材料的光学性能课件 具体方法：除了原料的合理选取外，还有添加增亮的方法、共混增亮方法、形态控制增亮方法、成型设备光洁度的控制、二次加工增亮方法及表面涂层增亮方法等。高分子材料的光学性能课件（2）塑料消光 塑料消光方法与增亮方法正好相反，其改性目的是降低塑料的表面光泽。一般要使其光泽度下降到15以下，才可称其为消光表面。选择合适的树脂与填料；添加消光剂，如无定型二氧化硅；提高模具的表面粗糙度；塑料表面涂层固体微粒；塑料表面机械消光高分子材料的光学性能课件第四节第四节 塑料的颜色塑料的颜色 一着色的原因一着色的原因 显色的原因是由于着色剂对光的选择性吸显色的原因是由于着色剂对光的选择性吸收而引起选择性反射或选择性透射，从而显收而引起选择性反射或选择性透射，从而显现颜色。现颜色。从本质上说，某种物质对光的选择性吸收，从本质上说，某种物质对光的选择性吸收，是吸收了连续光谱中特定波长的光量子，以是吸收了连续光谱中特定波长的光量子，以激发吸收物质本身原子的电子跃迁。激发吸收物质本身原子的电子跃迁。高分子材料的光学性能课件二二.色母粒色母粒 色母粒又名色种，色母（Color Master Batch）是一种新型高分子材料专用着色剂，亦称颜料制备物（Pigment Preparation）。它由颜料或染料、载体和添加剂三种基本要素所组成，是把超常量的颜料或染料均匀地载附于树脂之中而得到的聚集体，可称颜料浓缩物（Pigment Concentration），所以它的着色力高于颜料本身。简单一点说色母是一种把超常量的颜料或染料均匀载附于树脂之中而制得的聚集体。高分子材料的光学性能课件色母的基本成分为：色母的基本成分为：1.颜料或染料颜料或染料 颜料又分为有机颜料与无机颜料颜料又分为有机颜料与无机颜料 常用的有机颜料有：酞菁红、酞菁蓝、酞菁绿、耐晒大常用的有机颜料有：酞菁红、酞菁蓝、酞菁绿、耐晒大红、大分子红、大分子黄、永固黄、永固紫、偶氮红等红、大分子红、大分子黄、永固黄、永固紫、偶氮红等 常用的无机颜料有：镉红、镉黄、钛白粉、炭黑、氧化常用的无机颜料有：镉红、镉黄、钛白粉、炭黑、氧化铁红、氧化铁黄等铁红、氧化铁黄等高分子材料的光学性能课件2.载体载体 是色母粒的基体。专用色母一般选择与制品树脂相同的树脂作为载体，是色母粒的基体。专用色母一般选择与制品树脂相同的树脂作为载体，两者的相容性最好，但同时也要考虑载体的流动性。两者的相容性最好，但同时也要考虑载体的流动性。3.分散剂分散剂 促使颜料均匀分散并不再凝聚，分散剂的熔点应比树脂低，与树脂有良促使颜料均匀分散并不再凝聚，分散剂的熔点应比树脂低，与树脂有良好的相容性，和颜料有较好的亲和力。最常用的分散剂为：聚乙烯低好的相容性，和颜料有较好的亲和力。最常用的分散剂为：聚乙烯低分子蜡、硬脂酸盐。分子蜡、硬脂酸盐。4.添加剂添加剂 如阻燃、增亮、抗菌、抗静电、抗氧化等品种，除非客户提出要求，如阻燃、增亮、抗菌、抗静电、抗氧化等品种，除非客户提出要求，一般情况下色母中并不含有上述添加剂。一般情况下色母中并不含有上述添加剂。