第6节      光学性能

一种光学材料的光学性能主要包括各种透过、吸收、折射、反射、偏振等性能。有时要求对光的某波段有最高透过，而对另一波段却要求最大的吸收，一般而言无色的光学材料在可见光波段里是没有吸收的。在这里对高聚物光导性能及耐光老化作一些介绍。

一、光在介质中传播

如图，当一条入射光投射在（折射率分别为n₁和n₂）的界面时,若n₁＞n₂.则随入射角的变化会有三种情况发生。（a）、当入射光的入射角较小为 ₀投射时，光线则在介质n₂中以折射角 ₁发生折射，同时另一部分光仍在介质n₁内反射； (b)、当入射角逐渐增大，则光在介质n₂中的折射就偏离法线，接近界面。当入射角增大至 _c时,折射的光线就沿二介质的界面穿过,这时入射角称为临界入射角。(c)、当入射光的入射角大于 _c时，所有光线都将在介质n₁内反射，而在介质n₂中将不发生折射，这种情况称光线的全反射。

临界角 _c=arcsin ，因空气的折射率n₂=1，则透明介质所成的圆柱体，要使光线从一端进入，经过多次全反射将光线全部传到另一端，若该介质的折射率为1.4，则 _c=45.5⁰。显然介质的折射率越大，临界角就越小。

根据洛伦滋-洛伦斯方程式，介质的折射率n与其极化率a之间的关系为：

M—分子量  --密度     N_a---阿佛加德罗常数

无定型透明聚合物作光导材料还不多。主要有：聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃），聚苯乙烯，聚碳酸酯（防弹玻璃），氘代有机玻璃等。光导元件可以是棒状材料中的传导可作为一个例子。如图

设此棒有折射率较高的聚合物n₁ 制成。空气的折射率为n₂  ，关学棒的端面是平的。投射角为        的入射光线在入射口端以和棒材轴成 的交角折射进入聚合物n₁内。如该折射线和管壁法线的交角 ₀大于临界角 _c，则根据上述原理，该光线就在棒材的边上发生全反射，经过多次这种全反射后，光线就从棒材的另一端射出，这样就完成了对光线的传播，若投射角  很大，即 ₀′＜ _c从而使一部分光线从棒材折射出去，这部分光就基本损耗掉了，不能继续在光导材料里传播，而且经过多次的反射和折射后，棒材中的光线就会减少到零。最后使光线不能从棒材的另一端射出。

如果聚合物折射率为1.49，当光线自空气中射入时的全反射的临界角为42⁰10′。故只要聚合物棒的弯曲不超过临界角42⁰10′，就能使光线自一端射入，而从另一端传播出来。利用这一特性就能作光的传递工具和发光的装饰文字。例如，在节日的晚上，小朋友拿一个手电筒，在电筒一头插着一束透明的塑料丝。电筒一开，在塑料丝末梢就会出现星星点点的亮光。

二、耐光性

运行在室外的电线电缆，要受日光的作用。某些高聚物会吸收光辐射产生光化反应。辐射到地球的光经过大气、水分、尘埃等的吸收，绝大多数被吸收，到达地球表面的日光占总数的 一半，属于300-400nm附近的紫外光区。这部分的能量在280-420KJ／mol,因为高分子中共价键的键能通常只有200-600KJ／mol,因为这部分光的能量是以使很多化学键的断裂。

高聚物对辐射能的吸收是有选择性的，某种结构的高聚物只能对某范围的波长有吸收性的，例如（- -）能吸收187-320nm的光；C=C能吸收195-250nm波长的光，C-C能吸收波长135nm的光.因此照射到地球的紫外线，只能为含有醛、酮等羰基以及双键的高聚物吸收，引起光化反应；而不被只含C-C键的聚烯烃所吸收。

当一个分子吸收紫外能，会变成活化分子。被活化的分子如果不能将它吸收的能量在分子碰撞时传递给另一个分子或以较长的波长重新发射出来，以光或热形式散发掉，被活化的分子会引起它本身或邻近分子的光化反应。

涤纶和尼龙，因分子结构中含有羰基，因此其耐光性较差；天然橡胶等二烯烃类橡胶因含有较多的双键对光照也很灵敏，部分降解，部分交联，性能很快变坏，老化。

纯聚氯乙烯对光照稳定的，并不吸收300-400nm紫外线。但聚氯乙烯热降解产生少量双键和羰基，就能吸收紫外线而引起光化反应，从住链脱出HCL.

饱和烷烃并不吸收日光，因此饱和高聚物如乙丙橡胶，丁基橡胶、硅橡胶。但少量羰基，不饱和键，氢过氧化基团，催化剂残基或过度金属等其它杂质则可促使聚烯烃的光氧化反应。

此外，某些类型的抗氧剂，也能促进聚合物的光降解，如在聚乙烯中，有些酚类和胺类抗氧剂能抑制加工时（140-200）的热氧化反应，但又加速光氧化反应。

聚四氟乙烯和聚三氟乙烯对紫外光的作用是稳定的，纯的，不含单体的聚苯乙烯即使在氧存在的情况下对紫外光也是相当稳定。

对于实际使用的橡皮和塑料来说，与纯的高聚物不同，一方面在橡皮和塑料中配合剂可能改变高聚物对光的敏感性。如果配合剂如橡胶中加入的抗

第6节      光学性能

一种光学材料的光学性能主要包括各种透过、吸收、折射、反射、偏振等性能。有时要求对光的某波段有最高透过，而对另一波段却要求最大的吸收，一般而言无色的光学材料在可见光波段里是没有吸收的。在这里对高聚物光导性能及耐光老化作一些介绍。

一、光在介质中传播

如图，当一条入射光投射在（折射率分别为n₁和n₂）的界面时,若n₁＞n₂.则随入射角的变化会有三种情况发生。（a）、当入射光的入射角较小为 ₀投射时，光线则在介质n₂中以折射角 ₁发生折射，同时另一部分光仍在介质n₁内反射； (b)、当入射角逐渐增大，则光在介质n₂中的折射就偏离法线，接近界面。当入射角增大至 _c时,折射的光线就沿二介质的界面穿过,这时入射角称为临界入射角。(c)、当入射光的入射角大于 _c时，所有光线都将在介质n₁内反射，而在介质n₂中将不发生折射，这种情况称光线的全反射。

临界角 _c=arcsin ，因空气的折射率n₂=1，则透明介质所成的圆柱体，要使光线从一端进入，经过多次全反射将光线全部传到另一端，若该介质的折射率为1.4，则 _c=45.5⁰。显然介质的折射率越大，临界角就越小。

根据洛伦滋-洛伦斯方程式，介质的折射率n与其极化率a之间的关系为：

M—分子量  --密度     N_a---阿佛加德罗常数

无定型透明聚合物作光导材料还不多。主要有：聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃），聚苯乙烯，聚碳酸酯（防弹玻璃），氘代有机玻璃等。光导元件可以是棒状材料中的传导可作为一个例子。如图

设此棒有折射率较高的聚合物n₁ 制成。空气的折射率为n₂  ，关学棒的端面是平的。投射角为        的入射光线在入射口端以和棒材轴成 的交角折射进入聚合物n₁内。如该折射线和管壁法线的交角 ₀大于临界角 _c，则根据上述原理，该光线就在棒材的边上发生全反射，经过多次这种全反射后，光线就从棒材的另一端射出，这样就完成了对光线的传播，若投射角  很大，即 ₀′＜ _c从而使一部分光线从棒材折射出去，这部分光就基本损耗掉了，不能继续在光导材料里传播，而且经过多次的反射和折射后，棒材中的光线就会减少到零。最后使光线不能从棒材的另一端射出。

如果聚合物折射率为1.49，当光线自空气中射入时的全反射的临界角为42⁰10′。故只要聚合物棒的弯曲不超过临界角42⁰10′，就能使光线自一端射入，而从另一端传播出来。利用这一特性就能作光的传递工具和发光的装饰文字。例如，在节日的晚上，小朋友拿一个手电筒，在电筒一头插着一束透明的塑料丝。电筒一开，在塑料丝末梢就会出现星星点点的亮光。

二、耐光性

运行在室外的电线电缆，要受日光的作用。某些高聚物会吸收光辐射产生光化反应。辐射到地球的光经过大气、水分、尘埃等的吸收，绝大多数被吸收，到达地球表面的日光占总数的 一半，属于300-400nm附近的紫外光区。这部分的能量在280-420KJ／mol,因为高分子中共价键的键能通常只有200-600KJ／mol,因为这部分光的能量是以使很多化学键的断裂。

高聚物对辐射能的吸收是有选择性的，某种结构的高聚物只能对某范围的波长有吸收性的，例如（- -）能吸收187-320nm的光；C=C能吸收195-250nm波长的光，C-C能吸收波长135nm的光.因此照射到地球的紫外线，只能为含有醛、酮等羰基以及双键的高聚物吸收，引起光化反应；而不被只含C-C键的聚烯烃所吸收。

当一个分子吸收紫外能，会变成活化分子。被活化的分子如果不能将它吸收的能量在分子碰撞时传递给另一个分子或以较长的波长重新发射出来，以光或热形式散发掉，被活化的分子会引起它本身或邻近分子的光化反应。

涤纶和尼龙，因分子结构中含有羰基，因此其耐光性较差；天然橡胶等二烯烃类橡胶因含有较多的双键对光照也很灵敏，部分降解，部分交联，性能很快变坏，老化。

纯聚氯乙烯对光照稳定的，并不吸收300-400nm紫外线。但聚氯乙烯热降解产生少量双键和羰基，就能吸收紫外线而引起光化反应，从住链脱出HCL.

饱和烷烃并不吸收日光，因此饱和高聚物如乙丙橡胶，丁基橡胶、硅橡胶。但少量羰基，不饱和键，氢过氧化基团，催化剂残基或过度金属等其它杂质则可促使聚烯烃的光氧化反应。

此外，某些类型的抗氧剂，也能促进聚合物的光降解，如在聚乙烯中，有些酚类和胺类抗氧剂能抑制加工时（140-200）的热氧化反应，但又加速光氧化反应。

聚四氟乙烯和聚三氟乙烯对紫外光的作用是稳定的，纯的，不含单体的聚苯乙烯即使在氧存在的情况下对紫外光也是相当稳定。

对于实际使用的橡皮和塑料来说，与纯的高聚物不同，一方面在橡皮和塑料中配合剂可能改变高聚物对光的敏感性。如果配合剂如橡胶中加入的抗