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在塑料制品的光学特性研究领域，其光学特征大体可分为两类。一类是传递特性，包含光的透过、反射、散射以及折射等方面；另一类是光的转换特性，涵盖光的吸收、光热、光化、光电以及光致变色等现象。
在众多可用于表征光传递特性的指标中,透光率、雾度、折射率、双折射以及色散等较为常用。其中,透光率和雾度这两个指标主要用于描述材料的透光性,而折射率、双折射以及色散这三个指标则主要侧重于表征材料的透光质量。对于一种理想的透明性材料而言,上述各项性能指标均需达到良好且均衡的水平。
在这些关键指标中,透光率(Tt)无疑是表征树脂透明程度的重要性能指标之一。通常情况下,一种树脂的透光率越高,意味着其透明性越好。塑料制品要实现透明,需满足两个条件:其一,制品应为非结晶体;其二,即便部分结晶,但其颗粒需足够细小,小于可见光波长范围,从而不妨碍太阳光光谱中可见光和近红外光的顺利透过。然而,需要注意的是,任何一种透明材料的透光率都无法达到100%,即便性能良好的光学玻璃,其透光率一般也难以突破95%以上。
那么,导致入射光通量在媒体中产生损失的主要原因究竟有哪些呢?主要包括以下几个方面:
光的反射是指入射光进入聚合物表面后又返回的光通量。在光透过媒体时,反射光通量占据了损失的大部分。衡量光反射程度的指标是反射率(R),它与折射率(n)之间存在特定的关系。例如,PMMA的折射率n=1.492,通过计算可得其R为3.9%,这表明PMMA的反射光相对较小,透光率较大,因此具有良好的透明性。
当光入射到聚合物上时,既没有透过也没有被反射的那部分光通量即为光的吸收。对于优质的透明塑料而言,其光的吸收程度通常较小。光线吸收的大小主要取决于聚合物本身的结构,特别是分子链上原子基团与化学键的性质。例如,含有双键(π键)的聚合物更容易吸收可见光,从而产生能级的转移。以PMMA为例,其透光率一般为93%,反射率为3.9%,那么剩余的3.1%则是光的吸收与光的散射两者之和。
光的散射是指光线入射到聚合物表面后,既没有透过也没有被反射和吸收的一部分光通量,其在总光通量中所占比重相对较小。造成光散射的原因主要有制品表面粗糙不平以及聚合物内部结构不均匀,如分子量分布不均匀、无序相与结晶相共存等。对于结晶聚合物而言,其散射现象相对较为严重。只有当结晶聚合物的晶体颗粒小于可见光波长时,才能够像非晶聚合物那样不引起散射,使光线全部透过,进而提高透明度。例如,PE、PP等结晶聚合物只有通过快速冷却的方法,才能够得到低结晶度、晶体颗粒细小的制品,从而获得一定的透明性。然而,对于某些结晶塑料品种来说,要精确控制其结晶度处于较低水平并非易事,总会有部分光被散射,导致薄膜呈现半透明状态。此外,通过拉伸的方法可以使结晶颗粒变细,从而一定提高透明度,例如可使BOPP膜的透明性得到改善。而TPX塑料则较为特殊,其结晶颗粒较小,无论结晶度大小,制品均能保持透明。
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