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第6節(jié) 光學(xué)性能

一種光學(xué)材料的光學(xué)性能主要包括各種透過、吸收、折射、反射、偏振等性能。有時(shí)要求對(duì)光的某波段有最高透過，而對(duì)另一波段卻要求最大的吸收，一般而言無色的光學(xué)材料在可見光波段里是沒有吸收的。在這里對(duì)高聚物光導(dǎo)性能及耐光老化作一些介紹。

一、光在介質(zhì)中傳播

如圖，當(dāng)一條入射光投射在（折射率分別為n₁和n₂）的界面時(shí),若n₁＞n₂.則隨入射角的變化會(huì)有三種情況發(fā)生。（a）、當(dāng)入射光的入射角較小為 ₀投射時(shí)，光線則在介質(zhì)n₂中以折射角 ₁發(fā)生折射，同時(shí)另一部分光仍在介質(zhì)n₁內(nèi)反射； (b)、當(dāng)入射角逐漸增大，則光在介質(zhì)n₂中的折射就偏離法線，接近界面。當(dāng)入射角增大至 _c時(shí),折射的光線就沿二介質(zhì)的界面穿過,這時(shí)入射角稱為臨界入射角。(c)、當(dāng)入射光的入射角大于 _c時(shí)，所有光線都將在介質(zhì)n₁內(nèi)反射，而在介質(zhì)n₂中將不發(fā)生折射，這種情況稱光線的全反射。

臨界角 _c=arcsin ，因空氣的折射率n₂=1，則透明介質(zhì)所成的圓柱體，要使光線從一端進(jìn)入，經(jīng)過多次全反射將光線全部傳到另一端，若該介質(zhì)的折射率為1.4，則 _c=45.5⁰。顯然介質(zhì)的折射率越大，臨界角就越小。

根據(jù)洛倫滋-洛倫斯方程式，介質(zhì)的折射率n與其極化率a之間的關(guān)系為：

M—分子量 --密度 N_a---阿佛加德羅常數(shù)

無定型透明聚合物作光導(dǎo)材料還不多。主要有：聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃），聚苯乙烯，聚碳酸酯（防彈玻璃），氘代有機(jī)玻璃等。光導(dǎo)元件可以是棒狀材料中的傳導(dǎo)可作為一個(gè)例子。如圖

設(shè)此棒有折射率較高的聚合物n₁ 制成�？諝獾恼凵渎蕿閚₂ ，關(guān)學(xué)棒的端面是平的。投射角為 的入射光線在入射口端以和棒材軸成 的交角折射進(jìn)入聚合物n₁內(nèi)。如該折射線和管壁法線的交角 ₀大于臨界角 _c，則根據(jù)上述原理，該光線就在棒材的邊上發(fā)生全反射，經(jīng)過多次這種全反射后，光線就從棒材的另一端射出，這樣就完成了對(duì)光線的傳播，若投射角 很大，即 ₀′＜ _c從而使一部分光線從棒材折射出去，這部分光就基本損耗掉了，不能繼續(xù)在光導(dǎo)材料里傳播，而且經(jīng)過多次的反射和折射后，棒材中的光線就會(huì)減少到零。最后使光線不能從棒材的另一端射出。

如果聚合物折射率為1.49，當(dāng)光線自空氣中射入時(shí)的全反射的臨界角為42⁰10′。故只要聚合物棒的彎曲不超過臨界角42⁰10′，就能使光線自一端射入，而從另一端傳播出來。利用這一特性就能作光的傳遞工具和發(fā)光的裝飾文字。例如，在節(jié)日的晚上，小朋友拿一個(gè)手電筒，在電筒一頭插著一束透明的塑料絲。電筒一開，在塑料絲末梢就會(huì)出現(xiàn)星星點(diǎn)點(diǎn)的亮光。

二、耐光性

運(yùn)行在室外的電線電纜，要受日光的作用。某些高聚物會(huì)吸收光輻射產(chǎn)生光化反應(yīng)。輻射到地球的光經(jīng)過大氣、水分、塵埃等的吸收，絕大多數(shù)被吸收，到達(dá)地球表面的日光占總數(shù)的 一半，屬于300-400nm附近的紫外光區(qū)。這部分的能量在280-420KJ／mol,因?yàn)楦叻肿又泄矁r(jià)鍵的鍵能通常只有200-600KJ／mol,因?yàn)檫@部分光的能量是以使很多化學(xué)鍵的斷裂。

高聚物對(duì)輻射能的吸收是有選擇性的，某種結(jié)構(gòu)的高聚物只能對(duì)某范圍的波長有吸收性的，例如（- -）能吸收187-320nm的光；C=C能吸收195-250nm波長的光，C-C能吸收波長135nm的光.因此照射到地球的紫外線，只能為含有醛、酮等羰基以及雙鍵的高聚物吸收，引起光化反應(yīng)；而不被只含C-C鍵的聚烯烴所吸收。

當(dāng)一個(gè)分子吸收紫外能，會(huì)變成活化分子。被活化的分子如果不能將它吸收的能量在分子碰撞時(shí)傳遞給另一個(gè)分子或以較長的波長重新發(fā)射出來，以光或熱形式散發(fā)掉，被活化的分子會(huì)引起它本身或鄰近分子的光化反應(yīng)。

滌綸和尼龍，因分子結(jié)構(gòu)中含有羰基，因此其耐光性較差；天然橡膠等二烯烴類橡膠因含有較多的雙鍵對(duì)光照也很靈敏，部分降解，部分交聯(lián)，性能很快變壞，老化。

純聚氯乙烯對(duì)光照穩(wěn)定的，并不吸收300-400nm紫外線。但聚氯乙烯熱降解產(chǎn)生少量雙鍵和羰基，就能吸收紫外線而引起光化反應(yīng)，從住鏈脫出HCL.

飽和烷烴并不吸收日光，因此飽和高聚物如乙丙橡膠，丁基橡膠、硅橡膠。但少量羰基，不飽和鍵，氫過氧化基團(tuán)，催化劑殘基或過度金屬等其它雜質(zhì)則可促使聚烯烴的光氧化反應(yīng)。

此外，某些類型的抗氧劑，也能促進(jìn)聚合物的光降解，如在聚乙烯中，有些酚類和胺類抗氧劑能抑制加工時(shí)（140-200）的熱氧化反應(yīng)，但又加速光氧化反應(yīng)。

聚四氟乙烯和聚三氟乙烯對(duì)紫外光的作用是穩(wěn)定的，純的，不含單體的聚苯乙烯即使在氧存在的情況下對(duì)紫外光也是相當(dāng)穩(wěn)定。

對(duì)于實(shí)際使用的橡皮和塑料來說，與純的高聚物不同，一方面在橡皮和塑料中配合劑可能改變高聚物對(duì)光的敏感性。如果配合劑如橡膠中加入的抗

第6節(jié) 光學(xué)性能

一種光學(xué)材料的光學(xué)性能主要包括各種透過、吸收、折射、反射、偏振等性能。有時(shí)要求對(duì)光的某波段有最高透過，而對(duì)另一波段卻要求最大的吸收，一般而言無色的光學(xué)材料在可見光波段里是沒有吸收的。在這里對(duì)高聚物光導(dǎo)性能及耐光老化作一些介紹。

一、光在介質(zhì)中傳播

如圖，當(dāng)一條入射光投射在（折射率分別為n₁和n₂）的界面時(shí),若n₁＞n₂.則隨入射角的變化會(huì)有三種情況發(fā)生。（a）、當(dāng)入射光的入射角較小為 ₀投射時(shí)，光線則在介質(zhì)n₂中以折射角 ₁發(fā)生折射，同時(shí)另一部分光仍在介質(zhì)n₁內(nèi)反射； (b)、當(dāng)入射角逐漸增大，則光在介質(zhì)n₂中的折射就偏離法線，接近界面。當(dāng)入射角增大至 _c時(shí),折射的光線就沿二介質(zhì)的界面穿過,這時(shí)入射角稱為臨界入射角。(c)、當(dāng)入射光的入射角大于 _c時(shí)，所有光線都將在介質(zhì)n₁內(nèi)反射，而在介質(zhì)n₂中將不發(fā)生折射，這種情況稱光線的全反射。

臨界角 _c=arcsin ，因空氣的折射率n₂=1，則透明介質(zhì)所成的圓柱體，要使光線從一端進(jìn)入，經(jīng)過多次全反射將光線全部傳到另一端，若該介質(zhì)的折射率為1.4，則 _c=45.5⁰。顯然介質(zhì)的折射率越大，臨界角就越小。

根據(jù)洛倫滋-洛倫斯方程式，介質(zhì)的折射率n與其極化率a之間的關(guān)系為：

M—分子量 --密度 N_a---阿佛加德羅常數(shù)

無定型透明聚合物作光導(dǎo)材料還不多。主要有：聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃），聚苯乙烯，聚碳酸酯（防彈玻璃），氘代有機(jī)玻璃等。光導(dǎo)元件可以是棒狀材料中的傳導(dǎo)可作為一個(gè)例子。如圖

設(shè)此棒有折射率較高的聚合物n₁ 制成�？諝獾恼凵渎蕿閚₂ ，關(guān)學(xué)棒的端面是平的。投射角為 的入射光線在入射口端以和棒材軸成 的交角折射進(jìn)入聚合物n₁內(nèi)。如該折射線和管壁法線的交角 ₀大于臨界角 _c，則根據(jù)上述原理，該光線就在棒材的邊上發(fā)生全反射，經(jīng)過多次這種全反射后，光線就從棒材的另一端射出，這樣就完成了對(duì)光線的傳播，若投射角 很大，即 ₀′＜ _c從而使一部分光線從棒材折射出去，這部分光就基本損耗掉了，不能繼續(xù)在光導(dǎo)材料里傳播，而且經(jīng)過多次的反射和折射后，棒材中的光線就會(huì)減少到零。最后使光線不能從棒材的另一端射出。

如果聚合物折射率為1.49，當(dāng)光線自空氣中射入時(shí)的全反射的臨界角為42⁰10′。故只要聚合物棒的彎曲不超過臨界角42⁰10′，就能使光線自一端射入，而從另一端傳播出來。利用這一特性就能作光的傳遞工具和發(fā)光的裝飾文字。例如，在節(jié)日的晚上，小朋友拿一個(gè)手電筒，在電筒一頭插著一束透明的塑料絲。電筒一開，在塑料絲末梢就會(huì)出現(xiàn)星星點(diǎn)點(diǎn)的亮光。

二、耐光性

運(yùn)行在室外的電線電纜，要受日光的作用。某些高聚物會(huì)吸收光輻射產(chǎn)生光化反應(yīng)。輻射到地球的光經(jīng)過大氣、水分、塵埃等的吸收，絕大多數(shù)被吸收，到達(dá)地球表面的日光占總數(shù)的 一半，屬于300-400nm附近的紫外光區(qū)。這部分的能量在280-420KJ／mol,因?yàn)楦叻肿又泄矁r(jià)鍵的鍵能通常只有200-600KJ／mol,因?yàn)檫@部分光的能量是以使很多化學(xué)鍵的斷裂。

高聚物對(duì)輻射能的吸收是有選擇性的，某種結(jié)構(gòu)的高聚物只能對(duì)某范圍的波長有吸收性的，例如（- -）能吸收187-320nm的光；C=C能吸收195-250nm波長的光，C-C能吸收波長135nm的光.因此照射到地球的紫外線，只能為含有醛、酮等羰基以及雙鍵的高聚物吸收，引起光化反應(yīng)；而不被只含C-C鍵的聚烯烴所吸收。

當(dāng)一個(gè)分子吸收紫外能，會(huì)變成活化分子。被活化的分子如果不能將它吸收的能量在分子碰撞時(shí)傳遞給另一個(gè)分子或以較長的波長重新發(fā)射出來，以光或熱形式散發(fā)掉，被活化的分子會(huì)引起它本身或鄰近分子的光化反應(yīng)。

滌綸和尼龍，因分子結(jié)構(gòu)中含有羰基，因此其耐光性較差；天然橡膠等二烯烴類橡膠因含有較多的雙鍵對(duì)光照也很靈敏，部分降解，部分交聯(lián)，性能很快變壞，老化。

純聚氯乙烯對(duì)光照穩(wěn)定的，并不吸收300-400nm紫外線。但聚氯乙烯熱降解產(chǎn)生少量雙鍵和羰基，就能吸收紫外線而引起光化反應(yīng)，從住鏈脫出HCL.

飽和烷烴并不吸收日光，因此飽和高聚物如乙丙橡膠，丁基橡膠、硅橡膠。但少量羰基，不飽和鍵，氫過氧化基團(tuán)，催化劑殘基或過度金屬等其它雜質(zhì)則可促使聚烯烴的光氧化反應(yīng)。

此外，某些類型的抗氧劑，也能促進(jìn)聚合物的光降解，如在聚乙烯中，有些酚類和胺類抗氧劑能抑制加工時(shí)（140-200）的熱氧化反應(yīng)，但又加速光氧化反應(yīng)。

聚四氟乙烯和聚三氟乙烯對(duì)紫外光的作用是穩(wěn)定的，純的，不含單體的聚苯乙烯即使在氧存在的情況下對(duì)紫外光也是相當(dāng)穩(wěn)定。

對(duì)于實(shí)際使用的橡皮和塑料來說，與純的高聚物不同，一方面在橡皮和塑料中配合劑可能改變高聚物對(duì)光的敏感性。如果配合劑如橡膠中加入的抗

第6節(jié) 光學(xué)性能

一種光學(xué)材料的光學(xué)性能主要包括各種透過、吸收、折射、反射、偏振等性能。有時(shí)要求對(duì)光的某波段有最高透過，而對(duì)另一波段卻要求最大的吸收，一般而言無色的光學(xué)材料在可見光波段里是沒有吸收的。在這里對(duì)高聚物光導(dǎo)性能及耐光老化作一些介紹。

一、光在介質(zhì)中傳播

如圖，當(dāng)一條入射光投射在（折射率分別為n₁和n₂）的界面時(shí),若n₁＞n₂.則隨入射角的變化會(huì)有三種情況發(fā)生。（a）、當(dāng)入射光的入射角較小為 ₀投射時(shí)，光線則在介質(zhì)n₂中以折射角 ₁發(fā)生折射，同時(shí)另一部分光仍在介質(zhì)n₁內(nèi)反射； (b)、當(dāng)入射角逐漸增大，則光在介質(zhì)n₂中的折射就偏離法線，接近界面。當(dāng)入射角增大至 _c時(shí),折射的光線就沿二介質(zhì)的界面穿過,這時(shí)入射角稱為臨界入射角。(c)、當(dāng)入射光的入射角大于 _c時(shí)，所有光線都將在介質(zhì)n₁內(nèi)反射，而在介質(zhì)n₂中將不發(fā)生折射，這種情況稱光線的全反射。

臨界角 _c=arcsin ，因空氣的折射率n₂=1，則透明介質(zhì)所成的圓柱體，要使光線從一端進(jìn)入，經(jīng)過多次全反射將光線全部傳到另一端，若該介質(zhì)的折射率為1.4，則 _c=45.5⁰。顯然介質(zhì)的折射率越大，臨界角就越小。

根據(jù)洛倫滋-洛倫斯方程式，介質(zhì)的折射率n與其極化率a之間的關(guān)系為：

M—分子量 --密度 N_a---阿佛加德羅常數(shù)

無定型透明聚合物作光導(dǎo)材料還不多。主要有：聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃），聚苯乙烯，聚碳酸酯（防彈玻璃），氘代有機(jī)玻璃等。光導(dǎo)元件可以是棒狀材料中的傳導(dǎo)可作為一個(gè)例子。如圖

設(shè)此棒有折射率較高的聚合物n₁ 制成。空氣的折射率為n₂ ，關(guān)學(xué)棒的端面是平的。投射角為 的入射光線在入射口端以和棒材軸成 的交角折射進(jìn)入聚合物n₁內(nèi)。如該折射線和管壁法線的交角 ₀大于臨界角 _c，則根據(jù)上述原理，該光線就在棒材的邊上發(fā)生全反射，經(jīng)過多次這種全反射后，光線就從棒材的另一端射出，這樣就完成了對(duì)光線的傳播，若投射角 很大，即 ₀′＜ _c從而使一部分光線從棒材折射出去，這部分光就基本損耗掉了，不能繼續(xù)在光導(dǎo)材料里傳播，而且經(jīng)過多次的反射和折射后，棒材中的光線就會(huì)減少到零。最后使光線不能從棒材的另一端射出。

如果聚合物折射率為1.49，當(dāng)光線自空氣中射入時(shí)的全反射的臨界角為42⁰10′。故只要聚合物棒的彎曲不超過臨界角42⁰10′，就能使光線自一端射入，而從另一端傳播出來。利用這一特性就能作光的傳遞工具和發(fā)光的裝飾文字。例如，在節(jié)日的晚上，小朋友拿一個(gè)手電筒，在電筒一頭插著一束透明的塑料絲。電筒一開，在塑料絲末梢就會(huì)出現(xiàn)星星點(diǎn)點(diǎn)的亮光。

二、耐光性

運(yùn)行在室外的電線電纜，要受日光的作用。某些高聚物會(huì)吸收光輻射產(chǎn)生光化反應(yīng)。輻射到地球的光經(jīng)過大氣、水分、塵埃等的吸收，絕大多數(shù)被吸收，到達(dá)地球表面的日光占總數(shù)的 一半，屬于300-400nm附近的紫外光區(qū)。這部分的能量在280-420KJ／mol,因?yàn)楦叻肿又泄矁r(jià)鍵的鍵能通常只有200-600KJ／mol,因?yàn)檫@部分光的能量是以使很多化學(xué)鍵的斷裂。

高聚物對(duì)輻射能的吸收是有選擇性的，某種結(jié)構(gòu)的高聚物只能對(duì)某范圍的波長有吸收性的，例如（- -）能吸收187-320nm的光；C=C能吸收195-250nm波長的光，C-C能吸收波長135nm的光.因此照射到地球的紫外線，只能為含有醛、酮等羰基以及雙鍵的高聚物吸收，引起光化反應(yīng)；而不被只含C-C鍵的聚烯烴所吸收。

當(dāng)一個(gè)分子吸收紫外能，會(huì)變成活化分子。被活化的分子如果不能將它吸收的能量在分子碰撞時(shí)傳遞給另一個(gè)分子或以較長的波長重新發(fā)射出來，以光或熱形式散發(fā)掉，被活化的分子會(huì)引起它本身或鄰近分子的光化反應(yīng)。

滌綸和尼龍，因分子結(jié)構(gòu)中含有羰基，因此其耐光性較差；天然橡膠等二烯烴類橡膠因含有較多的雙鍵對(duì)光照也很靈敏，部分降解，部分交聯(lián)，性能很快變壞，老化。

純聚氯乙烯對(duì)光照穩(wěn)定的，并不吸收300-400nm紫外線。但聚氯乙烯熱降解產(chǎn)生少量雙鍵和羰基，就能吸收紫外線而引起光化反應(yīng)，從住鏈脫出HCL.

飽和烷烴并不吸收日光，因此飽和高聚物如乙丙橡膠，丁基橡膠、硅橡膠。但少量羰基，不飽和鍵，氫過氧化基團(tuán)，催化劑殘基或過度金屬等其它雜質(zhì)則可促使聚烯烴的光氧化反應(yīng)。

此外，某些類型的抗氧劑，也能促進(jìn)聚合物的光降解，如在聚乙烯中，有些酚類和胺類抗氧劑能抑制加工時(shí)（140-200）的熱氧化反應(yīng)，但又加速光氧化反應(yīng)。

聚四氟乙烯和聚三氟乙烯對(duì)紫外光的作用是穩(wěn)定的，純的，不含單體的聚苯乙烯即使在氧存在的情況下對(duì)紫外光也是相當(dāng)穩(wěn)定。

對(duì)于實(shí)際使用的橡皮和塑料來說，與純的高聚物不同，一方面在橡皮和塑料中配合劑可能改變高聚物對(duì)光的敏感性。如果配合劑如橡膠中加入的抗