第9章 高分子材料的光学性能a

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9.2 高分子材料的线性光学性能
线性光学的概念： 介质的电极化强度P与入射光波中的电场E成简 单的线性关系。
P 0 E
χ为介质极化率。
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一、光的折射 1.折射与折射率 当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光 在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率
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2.色散与色散系数 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。 dn
d 2. 色散的表示方法 （1）平均色散：nF－nC，有时用Δ表示。 nF：是指用氢光谱中的F线（λF=486.1nm，蓝色） 为光源测出的折射率。 nC：是指用氢光谱中的C线（λC=656.3nm，红色） 为光源测出的折射率
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Cd
（2）色散系数γ：也叫阿贝数、色散倒数或倒数相对 色散，这是最常用的数值 。
nD 1 D nF nC
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（1）对于同一材料，波长 愈短则折射率愈大；
折射率
1.54
1.52
（2）波长愈短则色散率愈 大； （3）对于不同材料在同一 波长下，折射率大愈大者色 散率愈大。
真空 c n 材料
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两种材料间的相对折射率 如果光从材料1，通过界面传入材 料2时，与界面法向所形成的入射 角i1、折射角i2与两种材料的折射 率n1和n2现有下述关系:
sini1 n2 1 n21 sini2 n1 2
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电介质的相对介电系数与分子极化率之间的关系
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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。
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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：物体表面的光泽度为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。
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对同一种树脂而言，合成方法不同，制品光泽度也不相同 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。 对PE而言，三种不同品种的光泽度大小如下： LDPE>LLDPE>HDPE 对PVC而言，乳液法PVC树脂比悬浮法PVC树脂的光泽 度高 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

光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层 包层 芯 树脂被覆层
特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界面上 反复进行全反射，并在光纤中传递下去。
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光纤的折射率分布
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3.界面反射与光泽
当光照射到表面光洁度非常高的材料上，反射光线具有 明确的方向性，一般称之为镜反射。 当光照射到表面粗糙的材料上，反射光线没有方向 性，称之为漫反射。
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双折射与球晶黑十字消光图
球晶的双折射定义为 径向折射率nr和切向 折射率nt之差
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二、光的反射 1.反射与反射系数 •反射系数R
W n21 1 R W n21 1
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•1－R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。
s 1 M N A N A N A 02 Pm s 2 3 0 3 0 9 0 kT

ε∞与折射率n之间的关系为ε∞ = n2
n 2 1 M N A Pm 2 3 0 n 2
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高分材料折射率的影响因素
折射率一般按下列顺序增大
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2.影响材料透光性的因素
I I 0 (1 R ) e
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( S )l
1）吸收系数——这部分损失较小，在影响透光率 中不占主导地位 2）反射系数——这部分损失较大 3）散射系数——影响较大
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非金属材料的电子能带结构特征是存在禁带Eg，欲产生光子 吸收（即不透明）的条件是hυ > Eg，则有： （1）Eg > 3.1 eV，不可能吸收可见光，无色透明 （2）Eg < 1.8 eV，可见光的所有光子都能通过激发价带电子 向导带转移而被吸收，不透明 （3）Eg=1.8 eV ~ 3.1 eV，有部分光子被吸收，部分光子透过 材料，带色透明
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2. 全反射 •当光线从光密介质进入光疏介质中时，折射角r大于 入射角i，当i为某个值时，r可达90°，相当于光线 平行于表面传播，对于任意更大的i值，光线全部向内 反射回到光密介质内。其临界角为：
n2 sin c n1
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9-5 光的全反射
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全反射的应用
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3.透明性的分类 按材料的透光率大小，可将其分为如下三类： 透明材料——波长400nm—800nm可见光的透光 率在80%以上； 半透明材料——波长400nm—800nm可见光的透 光率在50%—80%之间； 不透明材料——波长400nm—800nm可见光的透 光率在50%以下。
材料科学与工程学材料） 如非晶态(无定型体)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。 ②非均匀介质（除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介 质） 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， 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。
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2）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。 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）。
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表9-2 一些高聚物的折射率
高聚物 聚四氟乙烯 聚二甲基硅氧烷 聚偏氟乙烯 聚丙烯酸丁酯 聚甲基1-戊烯 聚丙烯（无规立构） 聚乙酸乙烯酯 聚甲醛 聚甲基丙烯酸甲酯 聚异丁烯 聚丙烯 聚乙烯 材料科学与工程学院 折射率n (25℃,λ=589.3nm) 1.35 ~ 1.38 1.404 1.42 1.46 1.46 1.47 1.467 1.48 1.488 1.509 1.495 ~ 1.510 1.51 ~ 1.55 （取决于结晶度） 高聚物 聚丁二烯 聚1,4-顺异戊二烯 聚丙烯腈 聚乙二酰乙二胺 聚氯乙烯 环氧树脂 聚氯丁二烯 聚碳酸酯 聚苯乙烯 聚对苯二甲酸乙二酯 聚偏氯乙烯 聚二甲基对亚苯基 聚乙烯基咔唑 折射率n (25℃,λ=589.3nm) 1.515 1.519 1.518 1.53 1.54 ~ 1.55 1.55 ~ 1.60 1.55 ~ 1.56 1.585 1.59 1.64 1.60 ~ 1.63 1.661 1.68
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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。
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（1）塑料增亮
A、塑料原料的选取 塑料原料可以分成树脂和添加剂两大类。 1）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。 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。
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四、光的散射 光波遇到不均匀结构产生与主波方向不一致的 次级波，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来 的方向，从而引起散射。其减弱规律为：
I I 0e
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sl
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五、高分子材料的透光性和雾度 1.透光性
•概念：材料可以使光透过的性质。透光性是个综合指 标，即光通过介质材料后剩余光能所占的百分比，光的能 量可以用照度表示。 •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。 •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。
第9章 高分子材料的光学性能
9.1 光与高分子材料的相互作用 当光从一种介质进入另一种介质时（例如从空气进 入固体）：透射、吸收、反射、散射。
I0 Ir Ia It Is
R T S 1
R = Ir/I0称为反射系数； α = Ia/I0称为吸收系数； T = It/I0称为透射系数； S = Is/I0称为散射系数
O CF2 , O , C , CH2 , , CCl2 , CBr2
大多数碳-碳聚合物的折射率大约为1.5左右具有较大极化率和 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<直链<脂环<芳环 的顺序变大。 分子中引入除F以外的卤族元素、S、P、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F原子时折射能力 降低。