六种透明要求的透明类塑料材料的分析、选择、改性

项目 17 的六组任务 第一组：请为透明薄膜的生产选择两种合适的高分子材料； 第二组：请为透明管材的生产选择合适的高分子材料； 第三组：请为透明片材或板材的生产选择合适的高分子材料； 第四组：请为照明灯罩的生产选择合适的高分子材料； 第五组：请为稳形眼镜片的生产选择合适的高分子材料； 第六组：请为航空玻璃的生产选择合适的高分子材料。

教学目的

通过对项目 17 所涉及到六种透明要求的透明类塑料制品材料的分析、选择、改性的整个实施过程，使学生进一步了解并掌握完成一个完整项目的每个细节，初步形成实施每个细节过程的能力，最终达到根据产品需要对高分子材料进行合理分析、合理选择、合理改性的总能力；进而结合学生所选择出来的材料从理论上归纳、总结与高分子物理的研究对象直接相关的结构与性能的关系；同时在完成项目过程中对课程整体方案所规定的拓展能力进行初步的锻炼。

能力（技能）目标 能根据透明类塑料的不同用途要求，合理的

选择高分子材料；并能合理的分析所选择材料的结构、性能；如果不能直接选择到合适材料时，能 提出合理的改进意见与方案。

知识目标 被选用的高分子材料的主要结构特征、主要

性能及应用范围。其中第 17 个项目重点学习增加高分子光学性能知识。

素质目标 初步建立良好的学习方法； 资料收集的方法； 处理问题的方法； 团队合作的意识； 用户至上的意识； 安全环保意识； 表述与合理辩解能力。

参考资料 潘文群 , 高分子材料分析与测试 . 化学工业出版社

2005 ； 戚亚光 , 高分子材料改性 . 化学工业出版社 ,2005 ； 聂垣凯 , 橡胶材料与配方 , 化学工业出版社 , 2004 ； 王文广 , 塑料材料的选用 . 化学工业出版社 , 2002 ； 高俊刚 , 高分子材料 . 化学工业出版社 , 2002 ； 桑永 , 塑料材料与配方 . 化学工业出版社 , 2001

一、塑料的透明性 塑料的光学特征包括两类：一类为传递特性，包括

光的透过、反射、折射等；另一类为光的转换特性，包括光的吸收、光热、光化、光电、光致变色等。这里主要介绍与光的传递特性有关的性能指标，而将光的转换特性放在智能化塑料中介绍。

常用的可表征光的传递特性指标有 : 透光率 雾度、折射率、双折射及色散等。在上述指标中，透光率和雾度二个指标主要表征材料的透光性，而 折射率、双 折射及色散三个指标主要用于表征材料的透光质量。一种好的透明性材料，要求上述性能指标优异且均衡。

1 、透光率 透光率是表征树脂透明程度的一个最重要性能指标，

一种树脂的透光率越高，其透明性就越好。 塑料制品透明的条件有两个：一为制品为非结晶体；

二为虽部分结晶但颗粒细小，小于可见光波长范围，不妨碍太阳光光谱中可见光和近红外光的透过。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玻璃的透光率一般也难以超过 95% 。造成人射光通量在媒体中损失的主要原因有如下几个方面。

① 光的反射。反射即人射光迸人聚合物表面而返回的光通量。反射光通量占光在透过媒体时损失的大部分。

② 光的吸收。入射到聚合物上的光通量既没有透过也没有反射部分的光通量即为光的吸收。优良的透明塑料光的吸收很小。

光线吸收的大小取决于聚合本身的结构，主要指分子链上原子基团与化学键的性质。例如，含有双键（ π键）的聚合物易于吸收可见光而产生能级的转移。还以 PMMA 为例，其透光率一般为 93% ，反射率为 3.9% ，则其余 3.1% 即为光的吸收与光的散射两者之和。

③光的散射。光的散射即光线人射到聚合物表面，既没有透过也没有反射和吸收的一部分光通量，其占有比重比较小。

造成光散射的原因制品表面粗糙不平，聚合物内部结构不均匀如分子量分布不均匀、无序相与结晶相共存等。

结晶聚合物的散射比较严重，只有结晶聚合物的晶体颗粒小于可见光波长时，才能像非晶聚合物那样不引起散射，光线全部透过，提高透明度。

如 PE 、 PP 等结晶聚合物只有用快速冷却的方法才可得到低结晶度、晶体颗粒细的制品，取得一定的透明性 ; 但有些结晶塑料品种而言，要想控制太低的结晶度很困难，总有部分光被散射，造成薄膜的半透明。另外，通过拉伸的方法可使结晶颗粒变细，并使透明度迅速提高，如可使 BOPP 膜的透明性迅速提高。只用 TPX 塑料比较特殊，其结晶颗粒比较小，无论结晶度大小，制品都透明。

2 、雾度 雾度又称为浊度，它可衡量透明或半透明材料不清晰或混浊的程度。雾度的产生是由于材料内部或外部表面光散射造成的云雾状或混浊的外观。雾度的定义为材料散射光通量与透过材料光通量之比的百分数。也可以说雾度这个指标是用来衡量一种材料光散射程度的指标。

上面介绍的透光率和雾度都是衡量材料透明性的重要指标，两者的关系如下。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，其雾度低 ;反之亦然。但两者的关系并不总是如此，有时也有相反的结果。如毛玻璃的透光率较高，但其雾度也比较大。所以说透光率和雾度是即相互独立又相互联系的两个光学指标。

3 、折射率 折射即人射光与透过光两者方向之差，衡量材料折

射的大小，可用折射率表征。折射率越大，材料的折射越严重。折射率可用光在空气中和在塑料中的传播速度之比来计算。

作为透镜而使用的树脂，希望其折射率大一点。折射率越大，其厚度可相应减小。

4 、双折射 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歪影等现象。 所以说双折射降低了光学材料的透光质量，应尽力降低材料的双折射。

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。

① 树脂的大分子链中含有苯环结构，产生双折射比较大。如 PMMA 、 PC 及 PS 都有比较严重的双折射现象。其中 PMMA 的双折射率为 0.06×10-1 ；而 PC 、 PS 的双折射更为严重，尤其是 PS ，其双折射率高达 8×10-1 ，是 PMMA 的 130 多倍之多。而 CR-39 的分子链中无苯环结构，基本上无双折射现象，因而常用于光学镜类材料。

② 树脂大分子链上含有共聚单元，容易产生双折射现象，这是因为不同共聚单元的折射率不同而造成的。如 J∙D 光学树脂，其大分子由双烯苯醚砜 /苯乙烯 /甲基丙烯酸甲酯三种共聚单元组成；由于存在三种不同折射率，必须适当地调整共聚组分的比例，否则双折射会比较大。

③树脂中添加其他助剂，由于助剂与树脂之间的折射率不同而容易产生双折射，所以选择助剂时要注意。特别为光学制品，要尽可能少加或不加助剂。

④树脂在加工过程中，物科流动的垂直方向与平行方向的取向度相差越大，其双折射也越大。为此光学制品大都采用浇铸方法成型，以防产生取向。

⑤塑料在加工过程中的产生结晶，造成在晶区和非晶区之间产生折射率差，从而产生双折射。因此，优异的光学塑料大都为非晶塑料制品。

5 、色散 材料的色散可用阿贝数表示，阿贝数 Vd 可用下式计算： Vd= ( nd - 1 )(nf - nc )

其中 d 、 f 、 c 分别为人射光光波长 589.3nm 、486.lnm 及 656.3nm 时材料的折射率。

从式中可以看出，材料的阿贝数与材料折射率有关。一般材料的折射率越大，阿贝数越小，色散越强。

综合上述五种性能。一个良好透明材料的条件为：高透光率、低雾度、高折射率、小双折射及小色散。

二、常用透明塑料的特性按材料的透光率大小，可 将其分为三类：透

明材料即波长 400nm～ 800nm 可见光的透光率在 80% 以上；

半透明材料即波长 400nm～ 800nm 可见光的透光率在 50%～ 80%之间；不透明材料即波长 400nm～ 800nm

可见光的透光率在 50% 以下。据此可将树脂分成如下几类。

1 、透明性树脂绝大部分树脂都属于透明类，主要包括： PVC 、 P

MMA 、 PC 、 PS 、 PET 、 PES 、 J ∙D 系列、CR-39 、 S AN'(又称 AS) 、 TPX 、 HEMA 、 F4 、F3 、 EFP 、 PVF 、 PVDF 、 EP 、 PF 、 UP 、乙酸纤维素、硝酸纤维素、 EVA 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 -1-戊烯， 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 、 PE 、 PA 、 PVB( 聚乙烯缩丁醛 ) 等。

3 、不透明树脂绝对不透明的塑料品种很少，主要有 ABS 、

POM 等。 常用透明树脂的性能下表所示。

树脂 相对密度 吸水率 热变形 洛氏硬度 透光度 雾度 折射 % 温度 (M) % % Nd

三、透明塑料的具体选用 1 、日用透明类材料日用类透明塑料要求材料的透明性较好、价格低、易成型加工。

① 透明膜类。包装用 PE 、 PP 、 PS 、 PVC 及 PET 等①。农用 PE 、 PVC 及 PET 等。

② 透明片、板类。用 PP 、 PVC 、 PET 、 PMMA 及 PC 等③。

③透明管类。用 PVC 、 PA 等②。④透明瓶类。用 PVC 、 PET 、 PP 、 PS 及

PC 等。

2 、照明器材类材料照明器材主要包括各类灯罩类制品，用于透光。具

体的性能要求透光率高、抗冲击性好。常用的照明器材用塑料为 PS 、改性 PS 、 AS 、 PMMA 及 PC 等④。

3 、光学仪器类材料 光学仪器类主要指各类镜体材料，它包括眼镜、透镜、放大镜及望远镜等，具体又可分为硬质镜体和软质镜体 (隐形眼镜 ) 两类。

传统的光学仪器类制品所用的材料都为玻璃，但塑料具有与玻璃相妣美的透明性，又具有质轻、不易破碎等优点，正在逐步取代玻璃材料。

①硬质镜体。硬质镜体要求透明塑料的具体性能为：高透光率，应在 90% 以上。低雾度；低双折射，以防止出现图像歪斜、失真、重影等现象；高折射率，以尽可能减薄镜片的厚度；表面硬度高，可经反复搽洗；耐冲击性好，不易破碎；密度小，质轻。

最适宜的硬质镜体用透明塑料材料为 CR-39 和 J·D 两种，并以 CR-39 为主。在美国， 70% 的眼镜材料为 CR-39 ，在中国也可达到 30%～ 40% 。这两种材料的共同特点为透明性好、高折射率、低双折射、耐冲击、表面硬度高。

CR-39 为双烯丙基二甘醇碳酸酯聚合物，属热固性塑料，可浇铸成型。它的透光率高，硬度较好，耐冲击，耐热，双折射低，适于生产镜片。其主要缺点为耐磨差，折射率稍小。 CR-39 与高折射单体如二烯丙基邻苯二甲酸酯共聚后，其折光指数可提高到 1.546 。 CR-39 表面经涂层后，可提高其耐磨性。

J∙D 系 PES 的衍生共聚物，其组成为：双烯聚苯醚砜、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯；也属热固性树脂，可浇铸成型。 J ∙D 的折射率最大可达 1.62 ，硬 度最大可达到 6H(洛氏硬度为 332) ，其 成本仅为 PMMA 的 l/2 ， CR-39 的 1/6 ，是一种可与 CR-39竞争的光学材料。

硬质镜体制品一般采用浇铸法生产，这样可避免加工中产生取向，防止双折射增大。

②隐形眼镜。隐形眼镜用材料对性能的要求比硬质镜体更苛刻，具体要求如下：高透光率，应在 90%以上，低雾度；低双折射，以防止出现图像歪斜、失真、重影等现象；高折射率，以尽可能减薄镜片的厚度；高吸水性，一般生理盐水的吸收率不低于 30% ；柔软而有弹性；透氧性好，以利于眼球的生理呼吸；生理相容性好，与眼球接触无不良反应；卫生、无毒。

最适宜的隐形眼镜用材料为聚甲基丙烯酸羟乙酯 (HEMA)⑤，它的透光率高达 97% ，折射率为 1.43～ 1.45 ，吸水率为 39%～ 60% 。

HEMA 的聚合方法为：以 二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA) 为交联剂，使 HEMA 聚合成水凝胶状物质，再加入聚乙烯吡咯烷酮，使其吸水率从 40% 增大到 60% 。

4 、玻璃类材料 玻璃用透明塑料的性能要求为：透光率要高；表面硬度高；冲击强度高；易二次加工。

塑料玻璃又可分交通玻璃和建筑玻璃两类。 ①交通玻璃。交通玻璃包括航空玻璃、车辆玻璃和船舶玻璃等，要求其密度小。常用材料为 PMMA 和 PC 两种⑥， PMMA 为传统的玻璃材料，而 PC 则为近年来新开发的新型玻璃材料，习惯上又称为阳光板。

② 建筑玻璃。为改善无机玻璃易碎的缺点，已开始研究有机玻璃，并取得进展。常用材料为 PVF 和PET 。

5 、太阳能材料 太阳能用透明材料的性能要求为：透光率高，低雾

度；耐候好；可透过近红外线，太阳能的近一半为近红外线，可有效利用太阳能；远红外线的透过率应尽高能，如 PE 、 FEP 具有较大的透过性。

与玻璃相比，塑料可全部透过近红外线，有的塑料还可透过较大的远红外线；而玻璃的红外线透过性则差。所以，塑料比玻璃更适合于光能利用，可广泛用于太阳能热水器、温室、 太阳房的盖板材料。

可用于太阳能的透明塑料有： PMMA 、 PC 、 GFUP 、 FEP 、 PVF 及 SI 等。

6 、光纤材料 透明塑料材料利用反复折射与反射，可实现对光曲折传 播。这一特征尤其适合于光纤材料。

对材料的性能要求为 : 透明性好、芯层要求折射率高、包 覆层要求折射率低、双折射小并不因加工而增大、耐光 性好。

塑料制成的光纤材料由两层透明材料组成 :芯层为高折射率的透明塑料，材料为 PMMA 或 PC; 包覆层为低折射率的 透明塑料，材料为含氟烯烃聚合物、含氟甲基丙烯酸甲酯类。

7 、光盘材料 适用于光盘采用的透明性好的光学塑料材料，其应具有如下性能：高透明性能，其透光率不低于 90%; 良好的环境适应能力，透明性不应温度、湿度的影响而产生大的变化；工作时产生的噪音及双折射要尽可能小；吸湿性、透汽性及透氧性都要小；力学性能长期稳定 ;易于加工。

可适用于光盘的材料有： PC 、 PMMA 、 EP 、新型非晶型热塑性聚酯 (PETG) 、茂金属聚烯烃如 mPE 和 mPP 等、无定型环烯烃如聚降冰片烯和聚环己基乙烯等、改性双酚 A 环氧树脂等，以 PC 、MMA 最为常用。

8 、透明封装材料 透明封装材料主要用于光电转换类电子器件

如太阳能电池等，对 所用透明塑料的性能要求为 : 透光率高 ;耐磨性好，抗污染性高如吸附尘埃性低等 ;耐候性好；优异的密封性能，指气密性、防潮性和防止其他化学物侵人的性能；柔软而富于弹性。

适宜用于透明封装材料主要有 : 表面增硬的 PMMA 、 FEP 、 EVA 、 EMA(乙烯－乙酸乙烯共聚物 ) 、 PVB( 聚乙烯醇缩丁醛 ) 等，一般不用 PET 、 PC 、 PVC 、 PU 等。

项目 17 的总结部分

PVC 透明材料

项目 17 的总结部分

PMMA 透明材料

项目 17 的总结部分

PP 透明材料

ABS 透明材料PS 透明材料

项目 17 的总结部分

PET 透明材料

项目 17 的总结部分

PC 透明材料

项目 17 的总结部分

PA 透明材料

AS （ SAN ）

苯乙烯 - 丙烯腈K 树脂（ BS ）

项目 17 的总结部分

MSK 透明材料

EVA 透明材料

K 树脂透明材料

项目 17 的总结部分

项目 17 的总结部分

项目 17 的总结部分

CR-39

聚丙烯酯酯

UV400

项目 17 的总结部分

项目 17 的总结部分

项目 17 引深部分内容 请指出现代通信系统中为什么在长距离线

路上和主要网络系统中要使用光学纤维？

项目 18 布置 第一组：请为高阻氧复合薄膜的生产选择合适的高分子材料； 第二组：请为用于防潮湿包装材料的生产选择合适的高分子

材料； 第三组：请为巧克力包装材料的生产选择合适的复合高分子

材料； 第四组：请为包装碳酸类饮料的材料的生产选择合适的复合

高分子材料； 第五组：请为真空防腐蚀包装材料的生产选择合适的高分子

材料； 第六组：请为香烟包装材料的生产选择合适的高分子材料。