光学塑料论文

光学塑料

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2013 年11 月

光学塑料的发展前景

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摘要：光学塑料作为一种新型材料，有着巨大的应用价值和领域，本文从光学塑料的来历和类别先介绍了光学塑料的概念，对常见的光学塑料的物性进行了列举和对比，在此基础上有对光学塑料共同的性质进行了概括，总结了光学塑料的优点和缺点，对指导实际应用有巨大的意义。通过对当前的光学塑料发展状况的了解和分析，对未来的发展做了展望，在文中也对光学塑料应用领域进行了总结和概括分析。在光学材料方面,我国仍急待需要进行技术研究和技术创新工作,即开发新型的光学材料,研究先进的制造工艺以及测试技术,尽快形成我国的产业化规模生产。使光学塑料的发展得到推动，使之更全面的应用与生活。

关键词：光学塑料；光学材料；发展趋势；塑料应用

The development prospects of optical plastic

Wenhua Fang

Abstract:As a new type of optical plastic material, has great application value and fields, this article from the origin and type of optical plastic optical plastic first introduced the concept of a common optical plastic on the physical properties were listed and compared on the basis of a the nature of the optical plastics are summarized together, summarizes the advantages and disadvantages of plastic optics to guide the practical application has enormous significance. On the current state of development of optical plastic understanding and analysis of the future development are put forward, but also in the text field of the optical plastic applications are summarized and generalized analysis. Optical materials, China is still urgent need for technical research and technological innovation, namely the development of new optical materials, advanced manufacturing technology research and testing technology, as soon as possible the formation of China's industrial scale production. The development of the optical plastics be promoted to make it more comprehensive application and life.

Keywords: Optical plastic, Optical materials, Trends, Plastic applications.

引言：

说起光学，在中国没人会不先想到中国光学事业的奠基人——王大珩，王大珩老前辈为中国的光学事业付出了毕生精力，创办了长春光机所，即是长春理工大学的前身，身为长春理工大学的一位学生，对光学有着独特的情结。光学发展至今，已有很多的发展成果，其中光学塑料方向更是独树一帜，同时作为新型材料，光学塑料具有很大应用前景，并且由于光学塑料具有易加工、耐冲击、重量轻、成本低、光学特性好等优点，近年来发展很快，已广泛地应用于摄影、航空、军事、医疗、文教及通讯等军民用品领域的光学仪器和设备中，目前世界上许多研究单位和公司都在从事光学塑料及其元件的开发研究、生产和应用。美、英、日，法等国家在发展和应用光学塑料方面一直处于领先地位。美国用注射法制造的光学塑料元件每年可达几百万个，单从经济方面来考虑，每年可节约几百万美元。目前已用光学塑料制成球面镜、非球面镜、棱镜、反射镜和分划镜等光学元件。

一、光学塑料的简介

塑料是以天然树脂或合成树脂为基本成分，加入适量的填料或添加剂形成的可塑制成型、固化后能保持其形状的材料。光学熟料是一种有良好光学性能的塑料。

根据受热后性能的变化，光学塑料和其它塑料一样可分为两大类：热塑性光学塑料和热固性光学塑料。

热塑性塑料是指可以多次反复加热仍有可塑性的塑料。也就是说，当用光学塑料单体模压成一定形状的制品后，如再加热，又可变软，塑制成另一形状。目前，光学塑料大部分为热塑性塑料，常用的有甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）等。

热固性塑料是由加热固化的合成树脂制成的塑料，也就是说，所用的合成树脂在加热初期，树脂软化具有可塑性，可制成各种形状的制品，继续加热，化学反应的发生而变硬，使形状固定下来，不再变化，如再加热也不再软化，不再具有可塑性。如常见的烯丙基二甘醇碳酸酯（CR-39）树脂眼镜片，环氧光学塑料均属热固性光学塑料。

光学塑料之所以有热塑性和热固性两种不同的性质，主要是由合成树脂本身分子结构所引起的。从树脂的结构来说，可分为三类：第一类是线型的：第二类是支链型的：第三类是网状型结构。如果合成树脂分子的结构是线型或支链型的，就属于热塑性塑料：如果是网状的，就属于热固性塑料。

光学塑料是一种非晶体有机高聚物，县有一定的光学、机械和化学特性，所以可以

制成各种光学零件，着色后可以做成各种滤光片。迄今光学塑料已有十余种，可根据不

同用途采用不同塑料。一般可作为塑料光学元件的材料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯(PC) 聚苯乙烯（PS)、聚甲基戊烯一1(TPX)，聚丙烯(PP)、烯丙基二甘醇碳酸酯(CR一39)、苯乙烯丙烯酸酯共聚物(NAS)、苯烯、丙烯腈共聚物(SAN或AS) ，环氧树脂、硅树脂、聚硫化物、乙烯基，聚酯、透明聚酰胺和氨基甲乙酯等。

1.常见的光学塑料及其特性：

⑴聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

俗称有机玻璃，是光学性能最好的塑料。PMMA力学和电学性能一般，热膨胀系数是

无机玻璃的8-10倍，长期使用温度仅为80度，吸湿性偏高，水中浸泡24h后吸水

率达到0.1%-0.4%。PMMA能注塑、挤出和热成型透明制品也可以浇铸成型，将液体

的PMMA单体和催化剂一起注入模具中，在适当温度下保温并缓慢冷却。

⑵聚苯乙烯（PS）

与PMMA和PC一起称为三大透明塑料。它的光学性能比PMMA差，但吸湿率低，饱

和吸水率仞为0.03%-0.05%。模塑成型光学制品时需注意，PS制品的双折射率大，

易应力发白和开裂。制品抗冲性能差，低温脆性明显。而且PS制品的耐候性差，

长期存放和受阳光照射会发黄变浊。

⑶聚碳酸脂（PC）

是综合性能优良的透明工程塑料，PC光学性能仅低于PMMA。但耐热耐寒，在-135-120

度范围内能保持力学性能稳定。PC制品的硬度低，耐磨性差，双折射率高，PC溶

体的黏度高，成型时对水敏感，成型后残余应力高。注射、挤出和吹塑高质量的PC

透明制品有较高的工艺要求。

⑷苯乙烯丙烯腈常缩写成AS与SAN

含有质量分数20%-30%的丙烯腈单体，其余为苯乙烯单体与之共聚。AS的透光率与

PS相当，但折射率稍低，AS材料最高连续使用温度比PS高10度，力学性能、耐

候性和耐应力开裂也得到改善；刚性较高，抗划痕性较好，制品的尺寸稳定；同时

又有PS的较好模塑流动性，但仍未明显改善老化发黄的倾向。

⑸苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物（MS）

由70%苯乙烯与30%甲基丙烯酸甲酯共聚物而成，共聚物的透光率优于PS，又保持

PS的良好流动性。它改善了PMMA的耐候性、耐油性和耐磨性。

⑹聚4-甲基-1-戊烯，简称TPX，商品名为TPX

它是结晶型的透明塑料，透光率为90%，PMP的密度仅为0.83g/cm3，最低的折射率

1.465，紫外线透过率仅次于无机玻璃，其熔体黏度低，能注射、挤出和吹塑各种

制品，PMP的耐药性好，又有较好的耐热性。因此，PMP大多应用于医疗器械，也

用于家用电器、照明用具、食品容器和薄膜。

⑺透明聚酰胺

是一种无定型的聚合物。透光率可达90%，吸水率较高为0.41%，但低于大多数聚

酰胺品种。它兼有普通聚酰胺的良好力学性能，且抗刻痕和耐应力开裂优于PMMA

和PC。

2.光学塑料的优缺点

光学塑料的优点是：

⑴能进行大批量生产和降低制造成本

由于光学塑料有很好的成型性能，因此用模压法可以很容易地成型，并且可以一模多腔（最大时可以一模32腔），达到非常大的批量生产能力。加上塑料原材料的价格比较便宜，因此大大降低了单个零件的制造成本。

⑵可以设计非常复杂的形状

光学玻璃零件很难研磨和抛光成球面和平面以外的形状，然而用注射成型的方法，光学塑料可以很容易且经济地制造成非球面、微透镜阵列、菲涅耳透镜和开诺型(Kinoform)衍射光学表面等面形复杂的零件。

⑶重量轻、耐冲击

光学塑料的密度仅为玻璃的1/2~1/3，因此可以减轻系统的重量。光学塑料的耐冲击强度要比玻璃高得多。

⑷可以同时压出光学面和定位面

光学塑料用注射成型的方法可以同时加工出光学表面和安装定位面，这不仅降低了系统的制造成本，而且减少了装配的工作量，改进了装配的重复精度。

⑸零件的质量一致

由于所有的透镜都是用相同的模芯压制，只要采用合理而稳定的工艺参数，光学塑料零件的面形就能具有非常好的一致性。

但是，光学塑料也有一些缺点：

1）对温度和湿度等环境的变化更为灵敏。光学塑料的热膨胀系数比玻璃大出一个数量级。

光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大6~50 倍。建议塑料光学零件的最高连续工作温度不得高于80~120 ℃。光学塑料的吸湿性也比玻璃大得多。

2）注射成型过程影响表面面形精度。由于材料在成型过程中的流动模式和冷却、固化收缩，光学零件的面形精度会受到影响。大多数光学塑料零件在成型时的收缩率一般是模具尺寸的0.1%~0.6%，随材料和生产过程的不同而不同。

3）模压成型光学塑料零件存在不同程度的双折射。在聚苯乙烯中折射率差高达8×10-3，而在丙烯塑料中大约只有6×10-5。

二、光学塑料的现状

在过去的10 多年里,光电信息技术取得了很大的成就。为了适应这一迅速发展的要求,必须在较宽的前沿领域寻求新的突破,如传输、开关、数据存储和显示技术等。由于现代光学工业同电子工业、信息技术、通信技术的紧密结合,光电子技术、光子技术、电子工业技

术光学制造上的应用,突破了在光学元件和光学加工行业中的传统观念,例如从成像元件到功能元件,从被动元件到主动元件。目前,非球面、衍射光学元件、用超高精密薄膜技术加工的WDM 波分复用器件、用新一代光刻设备制造的超高精度光学元件等主导着新一代光学元件的主流。进入21 世纪以来，我国光学加工行业企业纷纷添置全电动注塑机，来模压成型手机照相模组中的光学塑料非球面镜片。除此之外，DVD 读写头、电脑摄像头、微型投影机、高功率LED 光源和短投距投影机等产品都要用到大量的非球面零件。

为了降低成本、增强竞争力,全球的光电相关产业纷纷向中国大陆进行转移。其中日本的佳能、奥林巴斯、理光、尼康、美能达、索尼等公司纷纷将数码相机、LCD 投影机等产品转入中国大陆沿海地区。光电整机的迁移带动了光学加工企业的迁移,从20世纪90 年代开始,日本、台湾等十几个光学加工厂纷纷到中国大陆办厂。中国东南沿海地区已逐渐形成了实力雄厚的世界光电产品生产基地,也由此促进了国内光学玻璃行业的发展。目前我国光学材料的开发水平与发达国家相比还存在着一定的差距,特别是与日本和德国等国际知名光学材料生产厂家相比,无论是从光学玻璃品种还是生产工艺及设备等方面都存在着明显的差距。目前我国光学材料行业仍以生产传统的光学玻璃为主,一些新型材料需从国外进口,不能完全满足我国高科技发展的需要,急需要进行技术研究和技术创新工作。开发新型的光学材料,研究先进的制造工艺和测试技术,只要这样才能尽快形成我国产业化规模生产。

三、光学塑料的发展

目前我国光学材料的开发水平与发达国家相比还存在着一定的差距,特别是与日本和德国等国际知名光学材料生产厂家相比,无论是从光学玻璃品种还是生产工艺及设备等方面都存在着明显的差距。目前我国光学材料行业仍以生产传统的光学玻璃为主,一些新型材料需从国外进口,不能完全满足我国高科技发展的需要,急需要进行技术研究和技术创新工作。开发新型的光学材料,研究先进的制造工艺和测试技术,只要这样才能尽快形成我国产业化规模生产。

(一)光学塑料的应用

由于光学塑料具有易加工、耐冲击、重量轻、成本低、光学特性好等优点，所以近

年来发展很快，已广泛地应用于摄影、航空、军事、医疗、文教及通讯等军民品领域用

的光学仪器和设备中。

1)军品应用

丙烯酸树脂、聚碳酸酯、甲基戊烯聚台物、聚苯乙烯、CR一39等光学塑料已应用于美国第三代夜视眼镜的物镜、军用夜视仪，导弹头部整流罩及内部的光学系统休斯飞机公司采用光学塑料元件作为有线制导导弹的反射镜，还在扫描式辐射中使用光学塑料元件作为平面反射镜。美国海军发展中心将光学塑料制成大直径，重量轻的椭圆形反射镜法国正在研究用光学塑料制造手持式双目望远镜和全塑料潜望镜，这种塑料望远镜的光学特性和普通军用望远镜差不多，放大率为7倍，视场i50密位，重量0．65公斤，防水性能相当好，能在三米深的水下试验而不会进水，比普通用望远镜好得多。法国还用光学塑料制造了三防潜望镜，具有防原子、防化学、防生物的特性。研制的防激光闪光潜望镜，可以对付激光致盲武器。研制的防霜潜望镜，具有良好的防霜性能。美国陆军也研究了抗破弹片及低能固定频率激光曲眼镜，这种耐弹用PC塑料眼镜不降低视觉，颇受战斗员青睐。所有这些，在现代化战争中都具有重要意义。

2)民品应用

在民品应用领域．光学塑料不仅用于照像显微镜．望远镜、各种眼镜、光学铡定等光学仪器，而且广泛用于复印机、传真机激光束打印机等办公设备和录像机，视频光盘等新的家用电器。

近年来，光学塑料元件用作照像机的摄影镜头已很普遍。柯达公司的儿O型照像机用1

片非球面塑料透镜加上一片玻璃透镜组成的镜头，其性能很好。柯尼卡照像机、佳能照像机及美能达照像机都使用了新方法制造的非球面塑料透镜，从而使照像机轻量化，小型化。美国USPL公司和B本松下公司在电视投影机中使用了望料透镜作为投影镜头，该镜头如用球面玻璃透镜需6片，而改用非球面塑料透镜只需3片就能达到相同的性能。在B本光学公司的电视摄像机变焦距镜头中，u片透镜中就有10片为塑料透镜，从而减轻了重量，降低了成本。小西六公司索尼公司和菲利蒲公司还在袖珍光盘上用塑料透镜作为放物镜，这种物镜需达到显微镜哪样前衍射极碾r若用球面透镜需3片，而双面非球面透镜只需l片这种双面塑料透镜重量轻，易与镜框成体，比用3片玻璃透镜的性能优越。理光公司还把光学塑料元件用在复印机上．用作留象微分割型复印多透镜阵列。光学塑料还用于制造复合面透镜、棱镜和柱透镜等光学元件光学塑料元件还成功地用于太阳能的集能器和卫星通讯系统等。

四、结束语

光学塑料虽然具有许多优点．技术经济效益高，但也不是尽善尽美之物．仍存在许多缺点，如抗磨性不如光学玻璃，表面易损伤．耐热温度低．导电性能差．易变形．化学稳定性差，线胀系数大，易受潮，折射率随温度变化大等。这些缺陷限制了光学塑料的广泛应用。针对这些缺点，可通过改变塑料成分，使其组分形成的分布结构具备某种性能，同时改进加工工艺，对光学塑料元件表面镀膜加以改进，并对光学塑科的质量严加管理，防止杂质混入。随着高分子技术．光学塑料加工技术和光学技术的迅速发展，光学塑料本身具有的巨大潜力正在不断被发掘，而其本身的弱点也正在逐渐克服。因此光学塑料的应用将有广阔的前景。参考文献：

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