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影响工程塑料透明性的因素是什么?

发布时间:2022-07-20 15:32:32 来源:乐鱼app下载 作者:乐鱼app下载入口

  透明工程塑料一般指的是具有优良光学透明性、低黄度指数与雾度,可采用模压、注射、挤出、3D打印等成型工艺进行加工,主要应用于光学部件制造的一类工程塑料。透明工程塑料主要包括聚烯烃,如环状烯烃聚合物(COC或COP)等;聚酯类,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN),聚碳酸酯(PC)等;聚砜类,如聚芳砜(PSF)、聚醚砜(PES)等;聚酰胺(PA)类,如透明尼龙等;透明氟塑料类,如聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)共聚物等,以及透明聚酰亚胺(PI)等。

  实际应用中,透明工程塑料既可以单独作为工程塑料应用于光学部件的制造,也可作为透明复合材料的基体应用于光学工程中。传统应用领域中,透明工程塑料可作为镜片应用于眼镜、透镜等光学部件制造领域,作为透明组件(车灯、舷窗、内饰等)应用于汽车、飞机制造等领域,作为透明绝热材料(TIM)应用于建筑领域,以及作为透明耗材应用于增材制造(3D打印)等领域。而新兴领域中,透明工程塑料可应用于发光二级管(LED)照明、光催化降解废水器件的透明基底,以及柔性电子、柔性太阳能电池、柔性传感器等器件的光学部件等。因此,透明工程塑料的研制与开发近年来得到了广泛的关注。

  “透明”对于绝大多数工程塑料,尤其是光学工程塑料终端产品来说都是具有很高价值的特性。非晶型工程塑料往往具有良好的光学透明性,而对于高度结晶型材料,尤其是厚度较高的产品,如注塑件,结晶往往会导致光线的折射,从而使制品的透明性发生劣化。为了使结晶型工程塑料变得透明,一般采用的方法是将晶胞尺寸变得更小。较小的晶体可避免引起光线的折射。另外,通过添加剂技术也可提高一些半结晶型工程塑料的透光率。

  对于PET而言,除非加入特殊的添加剂促进结晶,PET本身也是一种结晶缓慢的材料。非晶型PET透明而坚硬,在玻璃化转变温度( T g )下会软化(~80℃)。然而,如果该材料被加热到120~130℃时,其往往由于结晶的形成而开始变得浑浊。再如,对于聚酰胺(尼龙)材料而言,非晶态尼龙是真正透明的,在正常的成型条件下不会结晶,但半结晶尼龙6工程塑料要实现透明性,往往需要快速的冷却速度和薄壁设计。如果制品厚度超过1~1.5 mm或者冷却时模具温度较高,这些材料将开始出现与晶体形成相关的浑浊。

  综合而言,对于纯工程塑料而言,影响其光学透明性的主要因素是高分子本体的结晶特性。对于高分子/高分子共混材料而言,由于组分间极性不匹配而造成的相分离以及折射率差异是影响其光学透明性的主要原因,而对于高分子/无机复合工程塑料而言,由于高分子基体与无机增强材料间折射率的不匹配而造成的光散射是影响其光学透明性的主要因素。简言之,工程塑料的透明性与高分子材料本体的性质以及成型加工条件均有着密切的关系。

  本体性质方面,如前所述,对于高分子材料而言,其结晶性虽然与其光学透明性之间不存在绝对的对应关系,但一般而言,透明高分子材料在分子聚集态特征方面多是无定形的。高分子材料的结晶特性本质上是非均质的,其结构内部的结晶区域本身由相对完善的晶胞单元组成,但同时也存在着由于支化、无规立构以及其它缺陷而引起的无定形区域。这种晶态的各向异性组成结构特征就造成了在结晶性高分子材料内部通常存在着三种情况的折射率波动,即高分子本体/空气界面、结晶/非晶界面,以及结晶/结晶界面。上述折射率波动往往会在结晶高分子材料表面造成显著的光散射现象,进而影响结晶型高分子材料的透明性。此外,对于存在芳香族共轭单元的高分子材料而言,其内部结构中如果存在较为强烈的分子内或分子间电荷转移(CT)相互作用,则易在电子给体与电子受体之间形成“电荷转移络合物(CTC)”。该作用过程中会由于电荷的跃迁与转移而对可见光产生显著的吸收,因此使得高分子材料的颜色与透光率发生劣化。

  成型加工方面,如前所述,对于具有低结晶度或者结晶速率较慢的工程塑料而言,快速冷却(类似于金属材料加工过程中的“淬火”)可以在材料内部产生更多的、更细的缺陷,较多的结晶聚集体,这有利于保持材料良好的透明性。但该成型工艺条件受限于材料的结晶特性和 T g 的高低。例如,对于具有快速结晶速率和低 T g 的高结晶型高分子材料,冷却速率受限于热传递速率以及结晶热的释放等因素,因此对最终材料的结晶特性影响较小。另外,快速冷却还可能会在工程塑料制品中产生不良应力。除此之外,模压、挤出、注塑过程中在工程塑料表面或内部造成的孔洞等缺陷也会影响材料的光学透明性。高分子材料内部的孔洞缺陷可能成为光散射中心。虽然这些孔洞缺陷的尺寸较小,在通常状态下对高分子材料的透明性的影响较小,但在结晶型高分子材料受到外力拉伸取向情况下,这些孔洞往往是引起材料“变白”以及透明性急剧降低的关键因素。

  综上所述,影响工程塑料透明性的因素来自本体材料和加工参数的双重影响,要设计开发高性能透明工程塑料就要发挥有利因素,同时尽可能降低不利因素的影响。

  节选自《工程塑料应用》2022年第6期论文《热塑性聚酰亚胺工程塑料及其透明化研究进展》,作者潘震等,有改动。返回搜狐,查看更多