Прозрачност на пластмасовите суровини: от молекулярни механизми до приложна практика

Прозрачността на пластмасовите суровини е основният показател за измерване на техните оптични характеристики, който се отнася до способността на светлината да преминава през материала и пряко влияе върху визуалния ефект и функционалното изпълнение на продукта. От ежедневните бутилки за минерална вода до висок клас оптични лещи, от екраните на мобилни телефони до фаровете на автомобили, прозрачността е ключов параметър при избора на материал. Дълбокото разбиране на същността, влияещите фактори и методите за контрол на прозрачността е от голямо водещо значение за проектирането и производството на оптични пластмасови продукти.

1. Основни понятия и система за оценка на пропускливостта

Прозрачността на пластмасите не е единична числова стойност, а цялостен индикатор, който обхваща множество оптични параметри, отразяващи характеристиките на пропускане на материалите за различни дължини на вълната на светлината.

Основни показатели за оценка

Индустрията определя прозрачността чрез следните параметри:

Пропускливост (T): Съотношението на светлинния поток, предаван през материала, към падащия светлинен поток, изразено в проценти. Пропускливостта на обикновените прозрачни пластмаси е най-често между 80% и 90%, като например ПЕТ, който има пропускливост от около 88%; Високоефективните оптични пластмаси могат да достигнат над 90%, като например ПММА (органично стъкло) достига 92% и компютър (поликарбонат) достига 89%-90%.

Мътност: Делът на разсеяната светлина в общата пропусната светлина, която преминава през материала, отразяващ степента на мътност на прозрачния материал. Висококачествените оптични пластмаси обикновено имат мътност по-малка от 1%, докато обикновените прозрачни пластмаси имат мътност от 1% -3%. Ако надвиши 5%, материалът ще изглежда видимо мътен.

Коефициент на пречупване (n): Съотношението на скоростта на разпространение на светлината във вакуум към скоростта ѝ на разпространение в даден материал, което влияе върху пречупването и отражението на светлинните лъчи. ПММА има коефициент на пречупване 1,49, компютър има коефициент на пречупване 1,58, а пластмасите с висок коефициент на пречупване (като Готовност-39) могат да достигнат 1,50-1,60, което ги прави подходящи за изработка на лещи.

Коефициент на дисперсия (число на Абе, ν): измерва разликата в пречупването на светлината с различни дължини на вълната от даден материал. Високото число на Абе води до ниска дисперсия. ПММА има число на Абе 57, компютър има 30, а оптичното стъкло има число на Абе около 50-60, така че високопрецизните оптични компоненти все още изискват стъклен материал.

Тези показатели трябва да се разглеждат заедно: например, пропускливостта на светлината на компютър е малко по-ниска от тази на ПММА, но устойчивостта му на удар е много по-добра от последната, което го прави предпочитан избор за абажури за автомобили; ПММА, поради по-ниската си мътност, е по-подходящ за дисплеи, които изискват висока яснота.

Принцип на пропускане на светлина и молекулярен механизъм

Процесът на преминаване на светлината през пластмаса включва три функции: абсорбция, отражение и разсейване

Абсорбция: Хромогенните групи (като двойни връзки и карбонили) в молекулите абсорбират светлина със специфични дължини на вълната, което води до намаляване на пропускливостта. Чистият Специалист по икономически въпроси има ниска абсорбция на видимата светлина поради липсата на хромофори в молекулната му верига, но разсейването се дължи на високата му кристалност, което води до пропускливост само от 50% -60%. Аморфният ПММА обаче има изключително ниска абсорбция поради липсата на кристални области и симетрична молекулна структура.

Отражение: Светлината се отразява от повърхността въздух-пластмаса поради разликата в коефициента на пречупване, като отражателната способност на единичната повърхност е около 4% -5% (като загубата на отражение на ПММА във въздуха). Чрез покритие (като антирефлексно фолио) отражателната способност може да бъде намалена под 1%.

Разсейване: Неравномерната структура вътре в материала (като кристални частици, мехурчета, примеси) причинява промяна на посоката на светлината, което е основната причина за помътняване. Кристалните пластмаси (като ПЕТ) имат по-висок индекс на разсейване от аморфните пластмаси (като компютър) поради разликата в индекса на пречупване между кристалната и аморфната област.

Аморфните пластмаси, поради неподреденото си молекулярно разположение и липсата на очевидни разлики между кристалните и аморфните области, имат по-малко разсейване и обикновено по-добра прозрачност от кристалните пластмаси. Например, аморфният П.С. има пропускливост от 88%, докато кристалният HDPE има пропускливост само от 50% до 60%.

2. Ключови фактори, влияещи върху прозрачността на пластмасите

Прозрачността на пластмасите се определя от тяхната молекулярна структура, структура на агрегатното състояние и технологията на обработка и може да бъде значително подобрена чрез прецизен контрол на оптичните свойства.

Основната роля на молекулярната структура

Молекулярната структура е основният определящ фактор за прозрачността:

Молекулярна симетрия: структурно симетричните молекули (като метилметакрилатните единици в ПММА) са плътно разположени, имат висока енергия на електронен преход и абсорбират по-малко видима светлина. компютър с бензенов пръстен в молекулната си верига има слабо поглъщане на синя светлина поради своята π-електронна система и неговата пропускливост е малко по-ниска от тази на ПММА.

Полярни групи: Групи със силна полярност, като амидни и естерни групи, могат да причинят неравномерни междумолекулни сили, водещи до локални колебания в плътността и увеличено разсейване. PA6 образува водородни връзки поради амидни групи, с висока кристалност и пропускливост на светлина само 60% -70%, много по-ниска от неполярния ПММА.

Молекулно тегло и разпределение: Прекомерното молекулно тегло може да доведе до засилено заплитане на молекулните вериги, което да повлияе на еднородността; тясното разпределение на молекулното тегло спомага за намаляване на колебанията в плътността и по-ниска мътност. Разпределението на молекулното тегло на оптичния ПММА обикновено се контролира в рамките на 2.0, докато този на обикновения клас достига 3.0-4.0.

Примеси и добавки: Остатъци от катализатор, нереагирали мономери или оцветители могат да въведат хромофори, намалявайки пропускливостта на светлина. Например, ПВЦ съдържа хлорни атоми и е склонен към разлагане по време на обработката, произвеждайки HCl. Неговата пропускливост на светлина е само 70% -80% и с времето пожълтява; а компютър с оптично качество изисква строг контрол на остатъците от катализатор (<1 ppm).

Влиянието на агрегираната структура на състоянието

Кристалност: Разликата в коефициента на пречупване между кристалните и аморфните области в кристалните пластмаси води до силно разсейване и колкото по-висока е кристалността, толкова по-ниска е пропускливостта. Например:

Аморфен компютър (кристалност 0) с пропускливост 89% и мътност 0,5%;

Полукристалният ПЕТ (кристалност 30% -40%) има пропускливост 88%, но мътност 3% -5%;

Висококристалният ПП (кристалност 70%) има светлопропускливост само 50% -60% и мътнина 10%.

Чрез бързо охлаждане (като например бързо охлаждане по време на шприцване) може да се намали кристалността и да се подобри пропускливостта на светлината. Например, БОПЕТ фолиото може да постигне пропускливост на светлина от 88% и мътност <2% чрез двуосно разтягане за контрол на кристализацията.

Фазово разделяне и дисперсия: По време на смесване или модификация на пълненето, разликата в коефициента на пречупване между диспергираната фаза (като каучукови частици, влакна) и матрицата може да доведе до разсейване. Например, ABS има коефициент на пропускливост на светлината само 60% -70% поради наличието на каучукови частици; Чрез съчетаване на коефициента на пречупване, коефициентът на пропускливост на компютър/ПММА сплавта може да достигне над 85%.

Вътрешно напрежение: Вътрешното напрежение, генерирано по време на обработката, може да доведе до неравномерна ориентация на молекулярните вериги, причинявайки колебания в плътността и увеличаване на разсейването. Ако вътрешното напрежение в компютър продуктите е твърде високо, помътняването ще се увеличи от 0,5% до 2% -3%. Отгряването (изолация при 120 ℃ за 2 часа) може да елиминира част от напрежението и да намали помътняването до под 1%.

Регулаторната роля на технологията за обработка

Температура и време на топене: Ниската температура води до неравномерна пластификация и образуване на кристални точки; твърде високата температура ще причини термично разграждане и ще произведе хромофори, като карбонилни групи. Оптималната температура за обработка на ПММА е 220-240 ℃. Ако надвиши 260 ℃, това ще доведе до пожълтяване поради разграждане и пропускливостта ще намалее с 5% -10%.

Температура на матрицата: Температурата на матрицата влияе върху скоростта и еднородността на кристализацията. При шприцоване на ПЕТ, температурата на матрицата се повишава от 20 ℃ до 80 ℃, кристалността се увеличава от 5% до 20%, а пропускливостта намалява с 10%. Кристализацията обаче може да бъде потисната чрез бързо охлаждане на матрицата (температура <20 ℃), като пропускливостта остава над 85%.

Контрол на примесите: Прахът и металните частици в суровините ще се превърнат в разсейващи центрове. Оптичните пластмаси трябва да се филтрират с прецизност от 10 μm, а средата за формоване трябва да постигне чистота от клас 1000 (частици на кубичен фут ≥ 0,5 μm < 1000).

Качество на повърхността: Увеличаването на грапавостта на повърхността може да доведе до разсейване на границата на раздела. Например, грапавостта на повърхността на ПММА лист се увеличава от 0,1 μm до 1 μm, пропускливостта намалява от 92% до 85%, а мътността се увеличава от 0,5% до 5%. Полирането (като полиране с пламък) може да намали грапавостта под 0,01 μm и да възстанови оптичните характеристики.

3、 Основни суровини за прозрачна пластмаса и оптични свойства

Поради структурните различия, оптичните свойства на различните прозрачни пластмаси показват значителна диференциация, образувайки продуктова система, обхващаща различни сценарии на приложение.

Универсална прозрачна пластмаса

Полиметилметакрилат (ПММА): известен като органично стъкло, има аморфна структура, пропускливост на светлина 92%, мътност <1%, е най-прозрачната универсална пластмаса. Индекс на пречупване 1,49, число на Abbe 57, ниска дисперсия, подходящ за изработка на лещи и стойки за дисплеи. Удароустойчивостта му е ниска (якост на удар с прорез 2-3kJ/m²) и повърхността лесно се надрасква (твърдост на молив 2H). Чрез смесване с бутадиен (като MBS модификация) удароустойчивостта може да се подобри до 5-8kJ/m².

Поликарбонат (компютър): аморфна структура, светлопропускливост 89% -90%, мътност 0,5% -1%, отлична устойчивост на удар (якост на удар с прорез 60-80 кДж/m²), е най-балансираният вариант с цялостни характеристики сред прозрачните пластмаси. Индекс на пречупване 1,58, число на Абат 30, голяма дисперсия, подходящ за изработка на абажури за автомобили, бронирано стъкло и бебешки шишета. По-добра устойчивост на атмосферни влияния от ПММА, със степен на задържане на светлопропускливост от 85% след 2 години употреба на открито.

Полиетилен терефталат (ПЕТ): полукристална пластмаса с контролирана кристалност чрез биаксиално ориентирано разтягане (БОПЕТ). Има светлопропускливост 88%, мътност <2%, добра химическа устойчивост и температурна устойчивост от 120 ℃. Използва се главно за бутилки за напитки и опаковъчни фолиа, може да се превърне в аморфни материали чрез съполимеризационна модификация (като PETG), с светлопропускливост, увеличена до 90%, подходяща за дебелостенни продукти.

Полистирен (П.С.): GPPS с общо качество има светлопропускливост от 88%, мътност от 1% -2%, ниска цена (около 60% от ПММА), но висока крехкост (ударна якост от 2-3kJ/m²) и температурна устойчивост от само 60-80 ℃. Използван за бутилки за вода за еднократна употреба и черупки за играчки, ХИПС с високо качество на удар намалява светлопропускливостта до 70% -80% поради наличието на каучукова фаза.

Поливинилхлорид (ПВЦ): Прозрачният мек ПВЦ има светлопропускливост от 80% -85% и мътност от 3% -5%. Поради наличието на пластификатори, той лесно се разсейва и светлопропускливостта намалява след продължителна употреба; твърдият ПВЦ има светлопропускливост от 75% -80% и добра устойчивост на атмосферни влияния. Използва се за профили на врати и прозорци и инфузионни тръби, но по време на обработката се изисква строг контрол на термостабилизаторите (като органотин), за да се избегне повлияване на оптичните характеристики.

Високоефективни оптични пластмаси

Циклоолефинов съполимер (КОК/ПОЛИЦЕЙСКИ): аморфен полиолефин, пропускливост 91% -93%, мътност <0,1%, коефициент на пречупване 1,52-1,54, число на Abbe 55-60, близък до оптичното стъкло. Отлична химическа устойчивост, температурна устойчивост от 120-170 ℃, подходящ за изработка на оптични лещи, подложки за оптични дискове, медицински съдове за тестване и е основен материал във висок клас оптична област.

Поли(4-метилпентен-1) (TPX): Кристалинност от 30% -40%, но поради малката разлика в коефициента на пречупване между кристалната и аморфната област, пропускливостта достига 90%, а мътността е по-малка от 2%. Това е единствената прозрачна полиолефинова пластмаса. С плътност от само 0,83 g/см³, тя е най-леката сред всички прозрачни пластмаси и има температурна устойчивост от 160 ℃. Използва се за съдове за микровълнова фурна и прозорци, работещи с висока температура.

Полисулфон (Захранване/ПЕС): аморфна структура, светлопропускливост 80% -85%, мътност <2%, температурна устойчивост 150-180 ℃, добра устойчивост на хидролиза. Използва се за прозорци на медицинско оборудване и осветителни тела с висока температура, въпреки че светлопропускливостта не е толкова висока, колкото на PMMA, може да се използва дълго време във влажна и гореща среда.

Полиетеримид (ПЕИ): Кехлибарено прозрачен, с пропускливост на светлина 80%, устойчивост на температура над 200 ℃ и степен на огнеупорност UL94 V0. Използва се за прозрачни компоненти за аерокосмическата индустрия и осветителни тела с висока температура и е предпочитаната прозрачна пластмаса в екстремни условия.

4. Методи за тестване и стандарти за прозрачност

Точното измерване на пропускливостта на пластмасите изисква спазване на стандартизирани методи, а различните стандарти имат леко различни изисквания за условията на изпитване. Резултатите трябва да се интерпретират във връзка със сценария на приложение.

Тестване на пропускливост и мътност

Съгласно стандартите ISO 13468 и ASTM D1003, основните параметри включват:

Източник на светлина: Използва се стандартен ЦИЕ източник на светлина D65 (симулиращ слънчева светлина) или A (лампа с нажежаема жичка), като D65 обикновено се използва за прозрачни пластмаси.

Дебелина на пробата: Стандартната дебелина е 3 мм. Увеличаването на дебелината ще доведе до намаляване на пропускливостта поради натрупване на абсорбция и разсейване (например, при увеличаване на дебелината на ПММА от 1 мм на 10 мм, пропускливостта намалява от 92% на 85%).

Измервателният уред: Уредът за измерване на мъглата измерва общата пропусната светлина и разсеяната светлина (ъгли на разсейване ≥2,5°) през интегрираща сфера, изчислява пропускливостта (T=обща пропусната светлина/падаща светлина) и мъглата (Мъгла=разсеяна светлина/обща пропусната светлина).

Предпазни мерки при тестване: Пробата трябва да е равна и без драскотини. Повърхностните маслени петна могат да причинят повишено разсейване и трябва да се почистват с алкохол; Кристалните пластмаси трябва да бъдат етикетирани с условията на формоване (като скорост на охлаждане), тъй като разликите в кристалността могат да причинят колебания в резултатите от теста.

Тестване на коефициента на пречупване и дисперсията

Индекс на пречупване: С помощта на рефрактометър Абат се измерва и изчислява критичният ъгъл. Температурата на изпитване се контролира на 25 ± 0,5 ℃. Индексът на пречупване варира при различни дължини на вълната (например 589 нм натриева жълта светлина) и трябва да бъде ясно обозначен.

Число на Абе: измерва коефициента на пречупване на материал при три специфични дължини на вълната (486nm, 589nm, 656nm), изчислен по формулата (ν=(нД-1)/(nF-нС)), отразяваща степента на дисперсия.

Тези параметри са от решаващо значение за оптичния дизайн, като например точното съчетаване на коефициента на пречупване и числото на Абе на всяка леща в дизайна на лещата, за да се елиминира хроматичната аберация.

Тест за устойчивост на атмосферни влияния и задържане на пропускливост

Оценете оптичната стабилност на материалите при продължителна употреба:

QUV тест за стареене: Симулирайте цикли на ултравиолетова светлина и кондензация, редовно измервайте промените в пропускливостта и мътността. След 1000 часа QUV стареене, степента на задържане на пропускливостта на ПММА е около 85%, на компютър е около 90%, а КОК може да достигне над 95%.

Тест за термично стареене: Поставете в пещ при 100-150 ℃ за 1000 часа, за да тествате промените в оптичните характеристики. След стареене при 120 ℃, поликарбонатът е склонен към пожълтяване, с намаление на пропускливостта от 5% -10%, докато коефициентът на преобразуване на цветовете (ПОЛИЦЕЙСКИ) остава почти непроменен.

5. Стратегии за адаптиране и оптимизиране на приложенията за прозрачност

В практическите приложения е необходимо да се изберат подходящи прозрачни пластмаси въз основа на функционалните изисквания на продукта и да се оптимизира прозрачността чрез технически средства.

Изисквания за прозрачност и избор на материали в различни области

В областта на опаковането акцентът е върху ниската цена и прозрачността. ПЕТ (88% прозрачност) се използва за бутилки за напитки, ПММА (92%) или компютър (89%) се използват за козметични бутилки, а ПП (прозрачен клас, 70%-80%) се използва за кутии за съхранение на храни.

Оптични лещи: Изисква се висока пропускливост и ниска дисперсия. Готовност-39 (92% пропускливост, число на Абат 58) или компютър (устойчиви на удар, подходящи за спортни очила) се използват за лещи за очила, докато КОК/ПОЛИЦЕЙСКИ (92% пропускливост, ниска дисперсия) се използва за лещи за камери.

В автомобилната област, капакът на фаровете трябва да е устойчив на удар и атмосферни влияния, като трябва да се избере компютър (89% светлопропускливост, закален и устойчив на надраскване); Капакът на арматурното табло трябва да е с висока прозрачност и да е изработен от ПММА или компютър/ПММА сплав.

Електронен дисплей: Капакът на екрана на телефона е изработен от химически подсилено стъкло (с коефициент на пропускливост на светлината 91%), но някои модели от по-нисък клас използват ПММА+закалено фолио; Светловодната плоча на дисплея е изработена от ПММА (висока прозрачност, висока мътност от 20% -30%, равномерен световод).

Медицинска област: Прозорецът на инфузионния комплект изисква химическа стабилност, използвайки ПВЦ (80%) или компютър (89%); Колориметричната плака за детекция изисква високопрецизна светлинна пропускливост, използвайки П.С. или ПОЛИЦЕЙСКИ (със степен на светлинна пропускливост над 90% и без абсорбция).

Технически средства за повишаване на прозрачността

Пречистване на суровините: Отстраняване на остатъци от катализатор (като титанов катализатор в компютър), нереагирали мономери (съдържание на ММА мономер <0,1% в PMMA) и намаляване на източниците на абсорбция.

Контрол на кристализацията: За кристалните пластмаси се използва бързо охлаждане (като температура на ПЕТ шприцформа <20 ℃) или добавяне на нуклеиращи агенти (като сорбитолни нуклеиращи агенти за прозрачен PP), за да се прецизира размерът на зърната под дължината на вълната на видимата светлина (<0,5 μm) и да се намали разсейването.

Модификация на смесването: Намаляване на разсейването при фазово разделяне чрез съпоставяне на коефициента на пречупване, като например компютър/ПММА сплав (компютър коефициент на пречупване 1,58, ПММА 1,49). Пропорцията трябва да бъде прецизно контролирана, а пропускливостта може да достигне над 85%.

Повърхностна обработка: Покритие с антиотражателен филм (като тънък филм от MgF₂) за намаляване на отражението на интерфейса и увеличаване на пропускливостта с 2% -3%; Втвърдените покрития (като SiO2₂) повишават износоустойчивостта, като същевременно намаляват повърхностното разсейване.

Оптимизация на обработката: използване на прецизно шприцване (със стабилно налягане на задържане) за намаляване на вътрешното напрежение; филтриране на стопилката (филтър 10 μm) за отстраняване на примеси; почистване на цеховите формования (клас 1000), за да се избегне замърсяване с прах.

Типични случаи на повреди и решения

Пожълтяване на абажура от поликарбонат: Дългосрочната употреба на открито причинява молекулярно верижно окисление поради ултравиолетова радиация, което води до намаляване на пропускливостта от 89% на 70%. Решение: Добавете Ултравиолетово абсорбатори (като Ултравиолетово-5411) или нанесете анти Ултравиолетово покрития върху повърхността, за да удължите експлоатационния живот до повече от 5 години.

Замъгляването на ПММА дисплейната стойка се увеличава: поради неравномерната ориентация на молекулярните вериги, причинена от вътрешно напрежение по време на обработка, освобождаването на напрежение по време на употреба води до разсейване. Решение: След формоване се извършва отгряване (изолация при 80 ℃ за 2 часа), за да се елиминират повече от 90% от вътрешното напрежение.

Недостатъчна пропускливост на ПЕТ бутилките: високата кристалност (≈40%) води до повишено разсейване. Решение: Оптимизирайте процеса на формоване чрез раздуване, увеличете скоростта на охлаждане (например, увеличете обема на охлаждащия въздух) и контролирайте кристалността в рамките на 20% -30%.

Прозрачността на пластмасовите суровини е резултат от комбинираното действие на молекулярния дизайн, технологията на обработка и изискванията за приложение. Няма абсолютно оптимален прозрачен материал, а само изборът на адаптация към сцената. С напредването на технологиите за оптична модификация, границите на производителност на прозрачните пластмаси непрекъснато се разширяват. Например, поликарбонатът, легиран с квантови точки, може да постигне едновременно висока прозрачност и разширяване на цветовата гама, замествайки традиционните материали в областта на дисплеите. В бъдеще прозрачните пластмаси ще продължат да се стремят към лекота, устойчивост на удар и функционална интеграция, разширявайки допълнително възможностите за оптични приложения.