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.,第9章高分子材料的光学性能,.,第一节光通过介质的现象一.折射1折射率的定义1)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,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。即:,.,2)绝对折射率与相对折射率(1)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1。(2)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:材料相对于空气的折射率称为相对折射率:n=va/v材料,.,2两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:,式中:v1及v2分别表示光在材料l及2中的传播速度,n21为材料2相对于材料l的相对折射率。,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n=1.0003,固体氧化物n=1.32.7,硅酸盐玻璃n=1.51.9,树脂:1.3-1.7,.,(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-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。正是因为材料的极化和磁化作用,“拖住”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,光在介质中的传播速度应为:,式中:c为真空中的光速,为介质的介电常数,为介质的导磁率。对于非磁性材料,1。在下面讨论中,介质材料一般都是非磁性材料。,3影响折射率的因素,.,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量介电常数来影响光在材料中的传播速度。,.,(2)折射率与离子半径的关系当离子半径增大时,其增大,因而n也随之增大。因此,可以用大离子得到高折射率的材料,如PbS的n=3.912,用小离子得到低折射率的材料,如SiCl4的n=1.412。,.,(3)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。,摩尔折射度(R)是由于在光的照射下分子中电子(主要是价电子)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。,.,.,.,.,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,折射率按支化链直链嵌段共聚PP。b、对PE而言,三种不同品种的光泽度大小如下:LDPELLDPEHDPEc、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,.,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种。a、熔体流动速率(MFR)一般越大,其相应制品的光泽度越大。b、分子量的影响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。c、吸水率的影响吸水率高的树脂,对其相应制品的光泽度影响较大。如分子中含有酯基(-COOR)及酞胺基(-CONH2)的PA、PI、PSF及PC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、斑纹、毛疵等,从而使衣面光泽度大大下降。,.,2)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;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:a、填料的品种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降,只是下降幅度不同而已。几种填料对填充制品光泽度影响大小次序如下:金属盐玻璃纤维滑石粉云母b、填料的形状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:球状粒状针状片状,.,c、填料的粒度填料的粒度越小,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。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象。d、填料的填充量填料的填充增大,填充制品的表面光泽度降低。以CaCO3填充PP体系为例,当CaCO3填充量为5%时,填充制品的表面光泽度为50%。当CaCO3填充量为15%时,填充品的光泽度则下降为32%。,.,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。,.,(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,.,第四节塑料的颜色一着色的原因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,从而显现颜色。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,以激发吸收物质本身原子的电子跃迁。,.,热塑性塑料原料大部分是透明或呈乳白色,而精密塑件常常对颜色提出各种要求,光学仪器中的零件需要黑色以防止漏光和消除杂散光,外观零件常根据设计需要而使用不同的颜色。所以在塑料制品的加工之前需要进行染色,即在塑料中配以不同分量的染料进行比例混合。,.,二.色母粒,色母粒又名色种,色母(ColorMasterBatch)是一种新型高分子材料专用着色剂,亦称颜料制备物(PigmentPreparation)。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(PigmentConcentration),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。,.,色母的基本成分为:1.颜料或染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、氧化铁红、氧化铁黄等,.,2.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。3.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。4.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,一般情况下色母中并不含有上述添加剂。,.,着色剂主要分颜料和染料两种。颜料是不能溶于普通溶剂的着色剂,故要获得理想的着色性能,需要用机械方法将颜料均匀分散于塑料中。按结构可分为有机颜料和无机颜料。无机颜料热稳定性、光稳定性优良,价格低,但着色力相对差,相对密度大;有机颜料着色力高、色泽鲜艳、色谱齐全、相对密度小,缺点为耐热性、耐候性和遮盖力方面不如无机颜料。染料是可用于大多数溶剂和被染色塑料的有机化合物、优点为密度小、着色力高、透明度好,但其一般分子结构小,着色时易发生迁移。白色颜料主要有钛白粉、氧化锌、锌钡白三种。钛白粉分金红石型和锐钛型两种结构,金红石型钛白粉折射率高、遮盖力高、稳定、耐候性好。炭黑是常用黑色颜料,价格便宜,另外还具有对塑料的紫外线保护(抗老化)作用和导电作用,不同生产工艺可以得到粒径范围极广的各种不同炭黑,性质差别也很大。炭黑按用途分有色素炭黑和橡胶补强用炭黑,色素炭黑按其着色能力又分为高色素炭黑、中色素炭黑和低色素炭黑。炭黑粒子易发生聚集,要提高炭黑的着色力,要解决炭黑的分散性。珠光颜料又叫云母钛珠光颜料,是一种二氧化钛涂覆的云母晶片。根据色相不同,可分为银白类珠光颜料、彩虹类珠光颜料、彩色类珠光颜料三类。,.,.,F原子的范德华半径与H原子的相近.(0.139nm和0.120nm)F原子的电负性最大,能与许多元素生成稳定的化合物;F原子的外层电子排布是2s22p5,故其与原子核的

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