Transparentnost plastičnih surovin: od molekularnih mehanizmov do praktične uporabe

Prozornost plastičnih surovin je osrednji kazalnik za merjenje njihove optične zmogljivosti, ki se nanaša na sposobnost svetlobe, da prehaja skozi material in neposredno vpliva na vizualni učinek in funkcionalno izvedbo izdelka. Od vsakdanjih steklenic mineralne vode do vrhunskih optičnih leč, od zaslonov mobilnih telefonov do avtomobilskih žarometov je prozornost ključni parameter pri izbiri materiala. Globoko razumevanje bistva, vplivnih dejavnikov in metod nadzora prozornosti je zelo pomembno za načrtovanje in proizvodnjo optičnih plastičnih izdelkov.

1. Osnovni koncepti in sistem ocenjevanja prepustnosti

Prozornost plastike ni ena sama numerična vrednost, temveč celovit kazalnik, ki zajema več optičnih parametrov in odraža značilnosti prenosa materialov za različne valovne dolžine svetlobe.

Ključni kazalniki vrednotenja

Industrija kvantificira preglednost z naslednjimi parametri:

Prepustnost (T): Razmerje med svetlobnim tokom, ki ga material prenaša, in vpadnim svetlobnim tokom, izraženo v odstotkih. Prepustnost splošnih prozornih plastik je večinoma med 80 % in 90 %, kot je PET, ki ima prepustnost približno 88 %; visokozmogljive optične plastike lahko dosežejo več kot 90 %, kot je PMMA (organsko steklo) z 92 % in PC (polikarbonat) z 89 %–90 %.

Motnost: Delež razpršene svetlobe v celotni prepuščeni svetlobi, ki prehaja skozi material, kar odraža stopnjo motnosti prozornega materiala. Visokokakovostne optične plastike imajo običajno motnost manj kot 1 %, medtem ko imajo navadne prozorne plastike motnost od 1 % do 3 %. Če preseže 5 %, bo videti vidno motna.

Lomni količnik (n): Razmerje med hitrostjo širjenja svetlobe v vakuumu in njeno hitrostjo širjenja v materialu, ki vpliva na lom in odboj svetlobnih žarkov. PMMA ima lomni količnik 1,49, PC ima lomni količnik 1,58, plastike z visokim lomnim količnikom (kot je CR-39) pa lahko dosežejo 1,50–1,60, zaradi česar so primerne za izdelavo leč.

Disperzijski koeficient (Abbejevo število, ν): meri razliko v lomu svetlobe različnih valovnih dolžin v materialu. Visoko Abbejevo število pomeni nizko disperzijo. PMMA ima Abbejevo število 57, PC ima 30, optično steklo pa ima Abbejevo število približno 50–60, zato visoko natančne optične komponente še vedno potrebujejo stekleni material.

Te kazalnike je treba upoštevati skupaj: na primer, prepustnost svetlobe PC je nekoliko nižja kot pri PMMA, vendar je njegova odpornost na udarce veliko boljša od slednjega, zaradi česar je prednostna izbira za avtomobilske senčnike; PMMA je zaradi manjše meglice primernejši za zaslone, ki zahtevajo visoko jasnost.

Načelo prepustnosti svetlobe in molekularni mehanizem

Proces prehoda svetlobe skozi plastiko vključuje tri funkcije: absorpcijo, odboj in sipanje

Absorpcija: Kromogene skupine (kot so dvojne vezi in karbonili) v molekulah absorbirajo svetlobo določenih valovnih dolžin, kar povzroči zmanjšanje prepustnosti. Čisti PE ima nizko absorpcijo vidne svetlobe zaradi odsotnosti kromoforjev v svoji molekularni verigi, vendar je sipanje posledica njegove visoke kristaliničnosti, kar ima za posledico prepustnost le 50 % -60 %; vendar ima amorfni PMMA izjemno nizko absorpcijo zaradi odsotnosti kristalnih območij in simetrične molekularne strukture.

Odboj: Svetloba se odbija od vmesnika zrak-plastika zaradi razlike v lomnem količniku, pri čemer je odbojnost posameznega vmesnika približno 4–5 % (kot je izguba odbojnosti PMMA v zraku). Z nanosom premaza (na primer z antirefleksno folijo) se lahko odbojnost zmanjša pod 1 %.

Razprševanje: Neenakomerna struktura znotraj materiala (kot so kristalni delci, mehurčki, nečistoče) povzroči spremembo smeri svetlobe, kar je glavni vzrok za meglico. Kristalinične plastike (kot je PET) imajo višji indeks razprševanja kot amorfne plastike (kot je PC) zaradi razlike v lomnem količniku med kristalnim in amorfnim območjem.

Amorfne plastike imajo zaradi neurejene molekularne razporeditve in pomanjkanja očitnih razlik med kristalnimi in amorfnimi območji manj razpršitve in običajno boljšo prosojnost kot kristalne plastike. Na primer, amorfni PS ima prepustnost 88 %, medtem ko ima kristalni HDPE prepustnost le 50 %–60 %.

2. Ključni dejavniki, ki vplivajo na prosojnost plastike

Prozornost plastike je določena z njeno molekularno strukturo, strukturo agregacijskega stanja in tehnologijo obdelave, z natančnim nadzorom optičnih lastnosti pa jo je mogoče znatno izboljšati.

Osrednja vloga molekularne strukture

Molekularna struktura je temeljni dejavnik preglednosti:

Molekularna simetrija: strukturno simetrične molekule (kot so metilmetakrilatne enote v PMMA) so tesno razporejene, imajo visoko energijo elektronskega prehoda in absorbirajo manj vidne svetlobe. PC z benzenskim obročem v svoji molekularni verigi ima rahlo absorpcijo modre svetlobe zaradi svojega π-elektronskega sistema, njegova prepustnost pa je nekoliko nižja kot pri PMMA.

Polarne skupine: Skupine z močno polarnostjo, kot so amidne in estrske skupine, lahko povzročijo neenakomerne medmolekulske sile, kar vodi do lokalnih nihanj gostote in povečanega sipanja. PA6 tvori vodikove vezi zaradi amidnih skupin, z visoko kristaliničnostjo in prepustnostjo svetlobe le 60 %–70 %, kar je precej manj kot pri nepolarnem PMMA.

Molekulska masa in porazdelitev: Prekomerna molekulska masa lahko povzroči intenzivnejše prepletanje molekularnih verig, kar vpliva na enakomernost; ozka porazdelitev molekulske mase pomaga zmanjšati nihanja gostote in zmanjšati motnost. Porazdelitev molekulske mase PMMA optične kakovosti je običajno v območju 2,0, medtem ko pri običajni kakovosti doseže 3,0–4,0.

Nečistoče in dodatki: Ostanki katalizatorja, nereagirani monomeri ali barvila lahko vnesejo kromoforje, kar zmanjša prepustnost svetlobe. PVC na primer vsebuje atome klora in je med predelavo nagnjen k razgradnji, pri čemer nastaja HCl. Njegova prepustnost svetlobe je le 70–80 % in sčasoma porumeni; optični PC pa zahteva strog nadzor ostankov katalizatorja (<1 ppm).

Vpliv agregirane državne strukture

Kristaliničnost: Razlika v lomnem količniku med kristalnim in amorfnim območjem v kristalnih plastikah vodi do močnega sipanja, in višja kot je kristalnost, nižja je prepustnost. Na primer:

Amorfni PC (kristaliničnost 0) s prepustnostjo 89 % in motnostjo 0,5 %;

Polkristalni PET (kristaliničnost 30 % -40 %) ima prepustnost 88 %, vendar meglico 3 % -5 %;

Visokokristalni PP (kristaliničnost 70 %) ima prepustnost svetlobe le 50–60 % in motnost 10 %.

S hitrim hlajenjem (kot je hitro hlajenje med brizganjem) se lahko zmanjša kristaliničnost in izboljša prepustnost svetlobe. Na primer, BOPET folija lahko doseže prepustnost svetlobe 88 % in motnost <2 % z dvoosnim raztezanjem za nadzor kristalizacije.

Ločevanje in disperzija faz: Med mešanjem ali modifikacijo polnjenja lahko razlika v lomnem količniku med dispergirano fazo (kot so delci gume, vlakna) in matrico povzroči sipanje. Na primer, ABS ima zaradi prisotnosti delcev gume prepustnost svetlobe le 60 %–70 %; z usklajevanjem lomnega količnika lahko prepustnost zlitine PC/PMMA doseže več kot 85 %.

Notranja napetost: Notranja napetost, ki nastane med obdelavo, lahko povzroči neenakomerno orientacijo molekularnih verig, kar povzroči nihanja gostote in povečano razprševanje. Če je notranja napetost v izdelkih iz PC previsoka, se bo meglica povečala z 0,5 % na 2 % -3 %. Žarjenje (izolacija pri 120 ℃ 2 uri) lahko odpravi del napetosti in zmanjša meglico pod 1 %.

Regulativna vloga tehnologije obdelave

Temperatura in čas taljenja: Nizka temperatura vodi do neenakomerne plastifikacije in nastanka kristalnih točk; previsoka temperatura povzroči toplotno razgradnjo in nastanek kromoforjev, kot so karbonilne skupine. Optimalna temperatura obdelave PMMA je 220–240 ℃. Če preseže 260 ℃, povzroči rumenenje zaradi razgradnje, prepustnost pa se zmanjša za 5–10 %.

Temperatura kalupa: Temperatura kalupa vpliva na hitrost in enakomernost kristalizacije. Pri brizganju PET se temperatura kalupa poveča z 20 ℃ na 80 ℃, kristaliničnost se poveča s 5 % na 20 %, prepustnost pa se zmanjša za 10 %. Vendar pa je mogoče kristalizacijo zatreti s hitrim ohlajanjem kalupa (temperatura <20 ℃), prepustnost pa ostane nad 85 %.

Nadzor nečistoč: Prah in kovinski delci v surovinah bodo postali centri sipanja. Optično kakovostne plastike je treba filtrirati z natančnostjo 10 μm, okolje za oblikovanje pa mora doseči čistočo razreda 1000 (delci na kubični čevelj ≥ 0,5 μm < 1000).

Kakovost površine: Povečanje hrapavosti površine lahko povzroči sipanje na vmesniku. Na primer, hrapavost površine PMMA plošče se poveča z 0,1 μm na 1 μm, prepustnost se zmanjša z 92 % na 85 %, meglica pa se poveča z 0,5 % na 5 %. Poliranje (kot je poliranje s plamenom) lahko zmanjša hrapavost pod 0,01 μm in obnovi optično delovanje.

3、 Glavne prozorne plastične surovine in optične lastnosti

Zaradi strukturnih razlik se optične lastnosti različnih prozornih plastik bistveno razlikujejo, kar tvori sistem izdelkov, ki pokriva različne scenarije uporabe.

Univerzalna prozorna plastika

Polimetilmetakrilat (PMMA): splošno znan kot organsko steklo, ima amorfno strukturo, prepustnost svetlobe 92 %, meglico <1 % in je najbolj prozorna univerzalna plastika. Lomni količnik 1,49, Abbejevo število 57, nizka disperzija, primeren za izdelavo leč in stojal za razstave. Vendar je odpornost proti udarcem slaba (zarezna udarna trdnost 2-3 kJ/m²) in površina se zlahka opraska (trdota svinčnika 2H). Z mešanjem z butadienom (kot je modifikacija MBS) se lahko udarna trdnost izboljša na 5-8 kJ/m².

Polikarbonat (PC): amorfna struktura, prepustnost svetlobe 89–90 %, meglica 0,5–1 %, odlična odpornost proti udarcem (zarezna udarna trdnost 60–80 kJ/m²), je najbolj uravnotežena sorta s celovito zmogljivostjo med prozornimi plastikami. Lomni količnik 1,58, Abbejevo število 30, velika disperzija, primeren za izdelavo avtomobilskih senčnikov, neprebojnega stekla in otroških stekleničk. Boljša vremenska odpornost kot PMMA, s stopnjo zadržanja prepustnosti svetlobe 85 % po 2 letih uporabe na prostem.

Polietilen tereftalat (PET): polkristalna plastika z nadzorovano kristaliničnostjo z biaksialno usmerjenim raztezanjem (BOPET). Ima prepustnost svetlobe 88 %, motnost < 2 %, dobro kemično odpornost in temperaturno odpornost 120 ℃. Uporablja se predvsem za steklenice za pijače in embalažne folije, s kopolimerizacijsko modifikacijo (kot je PETG) pa se lahko predela v amorfne materiale s prepustnostjo svetlobe, povečano na 90 %, primerne za izdelke z debelimi stenami.

Polistiren (PS): Splošni GPPS ima prepustnost svetlobe 88 %, motnost 1–2 %, nizke stroške (približno 60 % PMMA), vendar visoko krhkost (udarna trdnost 2–3 kJ/m²) in temperaturno odpornost le 60–80 ℃. Visoko odporen HIPS, ki se uporablja za plastenke za vodo za enkratno uporabo in lupine igrač, zmanjša prepustnost svetlobe na 70–80 % zaradi prisotnosti gumijaste faze.

Polivinilklorid (PVC): Prozoren mehki PVC ima prepustnost svetlobe 80–85 % in meglico 3–5 %. Zaradi prisotnosti mehčalcev se zlahka premika, prepustnost svetlobe pa se po dolgotrajni uporabi zmanjša; trdi PVC ima prepustnost svetlobe 75–80 % in dobro odpornost na vremenske vplive. Uporablja se za profile vrat in oken ter infuzijske cevi, vendar je med obdelavo potreben strog nadzor toplotnih stabilizatorjev (kot je organokositrova tekočina), da se prepreči vpliv na optične lastnosti.

Visokozmogljive optične plastike

Cikloolefinski kopolimer (COC/COP): amorfni poliolefin, prepustnost 91–93 %, meglica <0,1 %, lomni količnik 1,52–1,54, Abbejevo število 55–60, blizu optičnega stekla. Odlična kemična odpornost, temperaturna odpornost 120–170 ℃, primeren za izdelavo optičnih leč, substratov za optične diske, medicinskih testnih posod in je osrednji material na področju vrhunske optike.

Poli(4-metilpenten-1) (TPX): Kristaliničnost 30 % -40 %, vendar zaradi majhne razlike v lomnem količniku med kristalnim in amorfnim območjem prepustnost doseže 90 %, meglica pa je manjša od 2 %. Je edina prozorna poliolefinska plastika. Z gostoto le 0,83 g/cm³ je najlažja med vsemi prozornimi plastikami in ima temperaturno odpornost 160 ℃. Uporablja se za namizni pribor za mikrovalovno pečico in okna, odporna proti visokim temperaturam.

Polisulfon (PSU/PES): amorfna struktura, prepustnost svetlobe 80–85 %, meglica <2 %, temperaturna odpornost 150–180 ℃, dobra odpornost proti hidrolizi. Uporablja se za okna medicinske opreme in visokotemperaturne svetilke, čeprav prepustnost svetlobe ni tako visoka kot pri PMMA, se lahko dolgo časa uporablja v vlažnem in vročem okolju.

Polieterimid (PEI): jantarno prozoren, s prepustnostjo svetlobe 80 %, temperaturno odpornostjo nad 200 ℃ in stopnjo negorljivosti UL94 V0. Uporablja se za prozorne komponente v letalski in vesoljski industriji ter za visokotemperaturne svetila ter je najprimernejša prozorna plastika v ekstremnih okoljih.

4. Metode testiranja in standardi za preglednost

Natančno merjenje prepustnosti plastike zahteva upoštevanje standardiziranih metod, različni standardi pa imajo nekoliko drugačne zahteve glede pogojev testiranja. Rezultate je treba interpretirati v povezavi s scenarijem uporabe.

Testiranje prepustnosti in meglice

V skladu s standardoma ISO 13468 in ASTM D1003 osnovni parametri vključujejo:

Vir svetlobe: Uporablja se standardni vir svetlobe CIE D65 (simulira sončno svetlobo) ali A (žarnica z žarilno nitko), pri čemer se D65 običajno uporablja za prozorne plastike.

Debelina vzorca: Standardna debelina je 3 mm. Povečanje debeline bo povzročilo zmanjšanje prepustnosti zaradi absorpcije in kopičenja sipanja (na primer, če se debelina PMMA poveča z 1 mm na 10 mm, se prepustnost zmanjša z 92 % na 85 %).

Preskusna naprava: Merilnik meglenosti meri skupno prepuščeno svetlobo in razpršeno svetlobo (kot sipanja ≥ 2,5 °) skozi integrirajočo kroglo, izračuna prepustnost (T = skupna prepuščena svetloba/vpadna svetloba) in meglico (Haze = razpršena svetloba/skupna prepuščena svetloba).

Previdnostni ukrepi pri testiranju: Vzorec mora biti raven in brez prask. Površinski oljni madeži lahko povzročijo povečano razprševanje in jih je treba očistiti z alkoholom; Kristalne plastike je treba označiti s pogoji oblikovanja (kot je hitrost hlajenja), saj lahko razlike v kristaliničnosti povzročijo nihanja v rezultatih preskusa.

Testiranje lomnega količnika in disperzije

Lomni količnik: Z Abbejevim refraktometrom se izmeri in izračuna kritični kot. Preskusna temperatura se nadzoruje na 25 ± 0,5 ℃. Lomni količnik se spreminja glede na valovne dolžine (npr. 589 nm natrijeve rumene svetlobe) in mora biti jasno označen.

Abbejevo število: meri lomni količnik materiala pri treh specifičnih valovnih dolžinah (486 nm, 589 nm, 656 nm), izračunan po formuli (ν=(nD-1)/(nF-nC)), ki odraža stopnjo disperzije.

Ti parametri so ključni za optično zasnovo, kot je natančno ujemanje lomnega količnika in Abbejevega števila vsake leče pri zasnovi leče za odpravo kromatične aberacije.

Preskus odpornosti na vremenske vplive in zadrževanja prepustnosti svetlobe

Ocenite optično stabilnost materialov med dolgotrajno uporabo:

Preskus staranja s QUV: Simulirajte cikle ultravijolične svetlobe in kondenzacije, redno merite spremembe prepustnosti in motnosti. Po 1000 urah staranja s QUV je stopnja zadržanja prepustnosti PMMA približno 85 %, PC približno 90 %, COC pa lahko doseže več kot 95 %.

Preskus termičnega staranja: Postavite v pečico pri 100–150 ℃ za 1000 ur, da preizkusite spremembe v optičnih lastnostih. Po staranju pri 120 ℃ je PC nagnjen k rumenenju, s 5–10-odstotnim zmanjšanjem prepustnosti, medtem ko COP ostane skoraj nespremenjen.

5. Strategije prilagajanja in optimizacije aplikacij za preglednost

V praktični uporabi je treba izbrati primerne prozorne plastike glede na funkcionalne zahteve izdelka in optimizirati prozornost s tehničnimi sredstvi.

Zahteve glede preglednosti in izbira gradiva na različnih področjih

Na področju embalaže je poudarek na nizkih stroških in preglednosti. PET (88-odstotna prozornost) se uporablja za steklenice za pijače, PMMA (92 %) ali PC (89 %) za kozmetične steklenice, PP (prozoren razred, 70 %–80 %) pa za škatle za konzerviranje hrane.

Optične leče: Zahtevana je visoka prepustnost in nizka disperzija. Za očalne leče se uporablja CR-39 (92 % prepustnost, Abbejevo število 58) ali PC (odporno na udarce, primerno za športna očala), za objektive fotoaparatov pa COC/COP (92 % prepustnost, nizka disperzija).

V avtomobilski industriji mora biti pokrov žarometov odporen na udarce in vremenske vplive, pri čemer je treba izbrati PC (89 % prepustnost svetlobe, utrjen in odporen na praske); pokrov armaturne plošče mora imeti visoko prozornost in biti izdelan iz PMMA ali zlitine PC/PMMA.

Elektronski zaslon: Zaslon telefona je izdelan iz kemično utrjenega stekla (s prepustnostjo svetlobe 91 %), nekateri modeli nižjega cenovnega razreda pa uporabljajo PMMA+ utrjeno folijo; svetlobna prevodna plošča zaslona je izdelana iz PMMA (visoka prosojnost, visoka meglica 20 %–30 %, enakomeren svetlobni prevod).

Medicinsko področje: Okno infuzijskega kompleta zahteva kemijsko stabilnost, pri čemer se uporablja PVC (80 %) ali PC (89 %); Detektorska kolorimetrična plošča zahteva visoko natančno prepustnost svetlobe, pri čemer se uporablja PS ali COP (s stopnjo prepustnosti svetlobe nad 90 % in brez absorpcije).

Tehnična sredstva za povečanje preglednosti

Čiščenje surovin: Odstranite ostanke katalizatorja (kot je titanov katalizator v PC), nereagirane monomere (vsebnost monomera MMA <0,1% v PMMA) in zmanjšajte vire absorpcije.

Nadzor kristalizacije: Za kristalne plastike se uporablja hitro hlajenje (npr. temperatura brizgalnega kalupa PET <20 ℃) ali dodajanje nukleacijskih sredstev (kot so nukleacijska sredstva sorbitola za prozorni PP), da se velikost zrn prečisti pod valovno dolžino vidne svetlobe (<0,5 μm) in zmanjša sipanje.

Modifikacija mešanja: Zmanjšanje sipanja zaradi ločevanja faz z usklajevanjem lomnega količnika, kot je zlitina PC/PMMA (lomni količnik PC 1,58, PMMA 1,49, razmerje je treba natančno nadzorovati, prepustnost pa lahko doseže več kot 85 %.

Površinska obdelava: Premaz z antirefleksno folijo (kot je tanek film MgF₂) za zmanjšanje odboja na vmesniku in povečanje prepustnosti za 2–3 %; Utrjeni premazi (kot je SiO₂) povečajo odpornost proti obrabi in hkrati zmanjšajo razprševanje na površini.

Optimizacija obdelave: uporaba preciznega brizganja (s stabilnim zadrževalnim tlakom) za zmanjšanje notranjih napetosti; filtracija taline (10 μm filter) za odstranjevanje nečistoč; čiščenje delavniškega oblikovanja (razred 1000) za preprečevanje onesnaženja s prahom.

Tipični primeri napak in rešitve

Porumenelost senčnika iz PC: Dolgotrajna uporaba na prostem povzroča molekularno verižno oksidacijo zaradi ultravijoličnega sevanja, kar povzroči zmanjšanje prepustnosti z 89 % na 70 %. Rešitev: Dodajte UV-absorberje (kot je UV-5411) ali nanesite premaze proti UV-žarkom na površino, da podaljšate življenjsko dobo na več kot 5 let.

Zatemnitev stojala iz PMMA se poveča: zaradi neenakomerne orientacije molekularnih verig, ki jo povzročajo notranje napetosti med obdelavo, sproščanje napetosti med uporabo povzroči razpršitev. Rešitev: Po oblikovanju se izvede žarjenje (izolacija pri 80 ℃ 2 uri), da se odpravi več kot 90 % notranjih napetosti.

Nezadostna prepustnost PET steklenic: visoka kristaliničnost (s>h40 %) vodi do povečanega sipanja. Rešitev: Optimizirajte postopek pihanja, povečajte hitrost hlajenja (na primer s povečanjem količine hladilnega zraka) in nadzorujte kristaliničnost v območju 20 % -30 %.

Prozornost plastičnih surovin je rezultat kombiniranega delovanja molekularne zasnove, tehnologije obdelave in zahtev uporabe. Ne obstaja absolutno optimalen prozoren material, temveč le izbira prilagoditve scene. Z napredkom tehnologije optične modifikacije se meje zmogljivosti prozornih plastik nenehno prebijajo. Na primer, PC, dopiran s kvantnimi pikami, lahko doseže visoko prosojnost in hkrati razširi barvno paleto ter nadomesti tradicionalne materiale na področju prikaza. V prihodnosti si bodo prozorne plastike še naprej prizadevale za lahkotnost, odpornost proti udarcem in funkcionalno integracijo, kar bo še bolj razširilo možnosti optičnih aplikacij.