13種光學塑料（透明塑料）的性能特點與應用選型

光學塑料是用來制造各種光學零件的塑料介質。Arthur Kingston最早將透明塑料應用于光學領域，并于1934年取得了注射成型塑料透鏡的專利，在照相機中進行使用，從此揭開了光學塑料的應用開端。

在第二次世界大戰中，光學塑料又被廣泛用來制造望遠鏡、瞄準鏡、放大鏡等。

如今，已有數十種不同規格的光學塑料得到商業化應用。本文，我們將系統介紹不同光學塑料的性能特點與應用選型。

一傳統光學塑料

統治了光學行業上百年的玻璃，雖然各方面性能優異，但其采用打磨拋光式的冷加工，或者熔融模壓式的熱加工，在成本、一致性上，難以符合許多行業的要求。

于是，光學塑料開始走入市場，并被廣泛應用于各個領域。

傳統光學樹脂與光學玻璃的性能對比

注：ｎ_D —折射率；ν_Ｄ—阿貝數；β—折射率的溫度系數dn／dT（℃-1）；Ｔ—透過率；T(UV)— UV照射2000h后的透過率；IPS—沖擊強度；LH—洛氏硬度；Ｔ_d—熱變形溫度；Ｒ—飽和吸水率；α（×10^-5cm·cm^-1·℃^-1）—線膨脹系數；SR—成型品收縮率；ｂ—雙折射。

1.1聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）

折射率：1.49；阿貝數：57~58

PMMA俗稱有機玻璃，透光率92%，可與無機玻璃相媲美，常用于制作眼鏡鏡片。

此外，由于PMMA具有非晶性、低光彈性等特點，其注射成型時光學畸變很小，可用作精密光學器件，如菲涅爾透鏡、微透鏡數組、隱形眼鏡等。

但是，PMMA的耐熱性差、吸濕性大、耐磨性及耐有機溶劑性均較差，限制了它的應用范圍。

1.2聚苯乙烯（PS）

折射率：1.59；阿貝數：31

PS的透光率為88%，具有吸水率低、尺寸穩定性好、易著色、易加工等優點，可用于注射成型，用其制造眼鏡片的成本較低，也可用于制造照相機物鏡等。

但PS的雙折射率較大，在陽光作用下容易變黃，不耐熱、表面硬度低、脆性大，容易產生銀紋和裂紋，應用范圍受到限制。通常對PS進行改性來改善其性能，如MS樹脂。

1.3聚碳酸酯（PC）

折射率：1.58；阿貝數：30~31

PC的透光率為88%，少數可以達到90%。

PC常被用于對透明度和沖擊強度要求較高的領域，如照明燈具、飛機座艙和風擋等。

PC的缺點包括表面硬度低，耐磨性差，經紫外光或輻射線照射后會變黃等。此外，PC注射成型時容易產生雙折射。

1.4聚雙烯丙基二甘醇二碳酸酯（ADC）

折射率：1.50；阿貝數：58

ADC的商品名為CR-39，耐高溫性好(長期100℃，短期150℃)。此外，由于是高度交聯的樹脂，CR-39的表面硬度比PMMA高40倍。

CR-39作為玻璃鏡片的替換材料，長期壟斷著市場。但其存在折射率低，鏡片厚的問題。CR-39還常用于各種防毒面具的制造。

由于CR-39采用澆鑄成型工藝，固化時間長，且需要大量玻璃模具，成本較高，且單體聚合過程收縮率大(14%)，不適用于精密透鏡的制造。

1.5聚4-甲基-1-戊烯（TPX）

折射率：1.46；阿貝數：61

TPX?是一種高等規度結晶型光學塑料，透光率大于90%，紫外線透過率僅次于無機玻璃。

TPX?的結晶度為40%~65%，在結晶部分和非晶部分的折射率相近，因此透明性好。

TPX?的硬度低，模塑后的收縮率較大，所以不適合用作高精度透鏡材料，但可用于制造紅外光學系統的元器件。

TPX?卓越的電氣絕緣性能、低介電特性等，可用于5G通信基站射頻端絕緣子。

1.6MS樹脂

折射率：1.564；阿貝數：40

MS樹脂(甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物)，透光率92%，具有與PMMA相似的透明性和光學性能，但使用溫度比PMMA高11~22℃。

MS以其吸水膨脹率低、比重輕、相比PMMA成本低等優點，廣泛應用于LCD、LED液晶顯示、大尺寸顯示導光板等領域。

1.7SAN樹脂

折射率：1.567；阿貝數：34~35

SAN樹脂(苯乙烯-丙烯腈共聚物)，又稱AS樹脂，透光率與PS相當，但折射率稍低。

苯乙烯成份使SAN堅硬、透明并易于加工，丙烯腈成份使SAN具有化學穩定性和熱穩定性，如它能很好的耐受某些使PS應力開裂的烴類。

SAN剛性高，抗劃痕性好，制品尺寸穩定，能夠滿足一些對光學性能有要求的應用場景。

1.8NAS樹脂

折射率：1.57；阿貝數：34~35

NAS樹脂(苯乙烯和丙烯酸酯共聚物)，透光率91.4%。

NAS的光學特性與PMMA處于相似水平，且在透明度和易加工性之間達到了完美的平衡，同時兼具較好的韌性，滿足產品不易破碎的要求。

NAS可作為SAN、PMMA的替代物，用在雕像工藝品、內窺鏡、引流管、外科用吸管等產品。

二新型光學塑料

為了滿足對光學元件高性能、高精密度的需求，20世紀80年代以來，人們相繼開發出了一系列新型光學塑料。

2.1TS-26樹脂

折射率：1.59；阿貝數：32

TS-26樹脂是由苯乙烯、甲基丙烯酸乙酯和三溴苯乙烯作為共聚單體，得到一種含鹵素的光學樹脂，可澆注或注射成型。

TS-26樹脂鏡片無雙折射，具有耐磨、薄而輕等特點。

TS-26與同樣深度近視患者用的CR-39樹脂鏡片相比，厚度可減少15％，重量減輕10％，適合高度近視患者佩戴。

2.2OZ-1000樹脂

R：大的剛性環狀取代基

折射率：1.50；阿貝數：57

OZ-1000樹脂(甲基丙烯酸三環癸酯與其它丙烯酸單體的共聚物)，飽和吸水率僅為PMMA的1/10，且耐熱性優于PMMA。

OZ-1000具有色散低、透過率高、雙折射小等特點，適用于高精度透鏡的精密成型。

2.3JD聚砜樹脂

折射率：1.6；阿貝數：27

聚醚砜(PES)是綜合性能優良的工程塑料，可見光透光率88%。但由于加工溫度高，體系中的灰塵與雜質不易分離，影響其光學性質，無法在光學元件中得到應用。

將聚醚砜型大分子單體溶于苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等小分子單體中，共聚得到一類新型聚苯醚砜型光學塑料，性能上保留了聚苯醚砜的部分優點。

改變雙烯大分子單體的結構和小分子單體的配比，可以制備出不同耐熱等級、較高折射率和表面硬度的系列產品，這類新型光學塑料為JD系列光學塑料。

聚醚砜雙烯大分子單體/St/MMA共聚物的性能

2.4環烯烴聚合物（COP/COC）

折射率：1.53；阿貝數：56

環烯烴聚合物是一種無定形、純度極高的透明樹脂，透光率91%。根據制備工藝的不同，分為環烯烴共聚物(COC)和環烯烴聚合物(COP)。

環烯烴聚合物耐熱性好，Tg=85~178℃，熱變形溫度=75~170℃，具體由單體中環狀烯烴的占比率決定。

COP/COC具有高透明、低雙折射率以及低吸水性、高剛性等優良的性能，用于制造各種光學鏡頭、光學薄膜、隱形眼鏡和平面顯示器材等。

2.5MR?聚氨酯樹脂

MR-7樹脂的單體結構

折射率：1.60~1.74；阿貝數：31~41

1987年，三井化學開發出首款MR?產品，MR-6?這一具有革新性的光學材料，開創了高折射率鏡片的新時代。

MR?系列樹脂是由帶有芳環的異氰酸酯與多硫醇化合物，通過加聚成反應得到的一類聚硫代氨基甲酸酯樹脂，現已有MR-6、MR-7、MR-8、MR-9、MR-10等上市。

MR?樹脂具有高折射率、高阿貝數、低比重、高抗沖擊性等特性。

MR材料與其它光學材料生產的鏡片性能比較

一般來說，塑料鏡片很難同時實現高折射率和高阿貝數，而MR?材料利用棱鏡效應使光線分散減小，更大限度地抑制了視野色散現象。

MR?的加工性好，適合于要求精確設計的漸進鏡片和非球面鏡片等設計。

此外，由于與涂層材料和薄膜的兼容性好，MR?易于制造高功能偏光鏡片；且其染色性出色，適合于制造各種色彩的時尚太陽鏡。

MR?樹脂是近年來新型光學塑料的重點發展方向。目前，新品種的開發主要集中在硫醇，而新型異氰酸酯的研究較少，此外也有一些硫酚的新品種出現。

不同硫醇和異氰酸酯制備的聚氨酯光學樹脂的性能

三光學塑料的發展趨勢

光學塑料的發展趨勢主要包括5個方面。

01

高折射率、高阿貝數的光學塑料

折射率越高，越有利于降低光學系統的重量和尺寸。阿貝數越高，越易進行像差校正，提高透鏡的性能。

02

提高光學塑料的熱性能

若光學塑料的熱變形溫度能夠進一步提高，則可在很多新領域得到應用。降低光學塑料的折射率溫度系數也是其發展趨勢之一。

03

提高光學塑料的環境穩定性

耐光照黃變、耐老化、吸濕率低的光學塑料，有利于其在室外、高功率光照、窗口等領域的應用。

04

降低光學塑料的雙折射

光學材料對雙折射要求較高。光學塑料受形態結構、成型時分子取向，以及內應力等影響，其雙折射一般較大。

05

發展功能性光學復合材料

光學塑料在激光防護、射線防護、濾光片、吸波材料、特殊窗口等應用領域，需要選擇性地吸收或透過一定波段范圍的光、電磁波以及射線。光學塑料作為復合材料的基體材料，需要和功能體具有良好的相容性。