高聚物光学性能

[外文]：optical properties of polymers

高聚物的重要而实用的光学性能有吸收、透明度、折射、双折射、反射、内反射、散射等。它们是高聚物与入射光的电磁场相互作用的结果。

研究高聚物的光学性能的意义有：

（1）高聚物光学材料具有透明、不易破碎、加工成型简便和价廉等优点，可制作镜片、导光管和导光纤维等；

（2）利用光学性能的测定研究高聚物的结构，如聚合物种类、分子取向、结晶等；

（3）用有双折射现象的高聚物作光弹性材料，进行应力分析；

（4）利用界面散射现象制备彩色高聚物薄膜等。

当光线垂直地射向非晶态高聚物时，除了一小部分在高聚物－空气的界面反射外，大部分进入高聚物，当其内部有疵痕、裂纹、杂质或少量结晶时，这些不均匀物会使光线产生不同程度的反射或散射，产生光雾，从而减少光的透过量，使透明度降低。透明度是指前向透过的光强与入射光强之比，通常用分光光度计或积分球式光度计来测量。

当光从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质中的传播速度不同，就产生折射现象。

按照洛伦茨－洛伦兹关系式，一种材料的折射率n与物质的单位体积的分子极化度有关。分子极化度又是各单个基团极化度a的总和，a和n都随分子中电子的数目及其活动性的增加而增加。高聚物分子的极化度等于其所含各键极化度之和。在高聚物中，碳原子的极化度比氢原子的大得多，因此大多数碳－碳链组成的高聚物的折射率都在1.5左右，只有含有易诱导极化的基团的高聚物（如含咔唑基的聚乙烯咔唑）才具有很高的折射率，约为1.7;而含有不易诱导极化的基团的高聚物则具有较低的折射率，如含氟的氟橡胶的折射率约为1.3。

非晶高聚物的分子链是无规线团，其所含各键的排列在各方向上的数量都一样，所以折射是各向同性的。非晶高聚物经取向制成的取向高聚物的分子内键的排列在各个方向上的数量不同，光线经过这种物质时会变成传播方向和振动相位不同的两束折射光，称为双折射现象。

在结构设计中，光弹性仪是对结构材料进行应力分析的有力工具，它是利用双折射现象和光的干涉原理制成的。这种应力分析方法一般采用环氧树脂的透明浇铸块做结构件的力学模型（各向同性的）。当在模型上加以预定的负荷后，环氧树脂的分子链在应力作用下发生取向，变成各向异性物质而产生双折射现象，在光弹性仪上用偏振光照射并照相记录，得到可供应力分析使用的光弹性照片。

射在透明物体上的光除被折射外，尚有一部分被反射。反射率与入射角有关，一般，入射角小时反射率不高，当入射角相当大时，反射率就会很快增加，当时（式中αi为光从高聚物射入空气的入射角;n为高聚物相对于空气的折射率）就会发生内反射，即光线不能射入空气中而全部被折回高聚物内。大多数高聚物的折射率约为1.5，故αi＝42°。利用光在高聚物中能发生全内反射的原理所制成的一种导管称为导光管，在医疗上可用它来观察内脏。用聚甲基丙烯酸甲酯为内芯，外层包以一层含氟高聚物可以制成一种传输普通光线的导光管。如果用高纯的钠玻璃制成内芯，外层包以氟橡胶，可以制成能通过紫外线的导光管。

当入射光通过物体，特别是通过非均质物体（如悬浮在透明流体中的微粒、悬浮在溶液中的高分子、高聚物中含有的杂质或缺陷）时，就会向各个方向发射，称为光的散射。利用光散射测定仪可以测定高聚物的分子量（见高分子溶液的光散射）。

当物体中存在宏观上的多相，而且各折射率有差异或物体结构中各向异性体积单元的取向不同时，都会使物体的透明度有不同程度的降低，直到完全不透明。

在多相高聚物中，如要使两种不同成分的聚合物成为透明度高的物质，这两种成分的折射率要相同或差异很小。缩小结构体积的尺寸，对增加高聚物的透明度更为重要。例如聚乙烯是结晶体，其超分子结构的尺寸大于入射光的波长，光大部分被散射掉，而聚乙烯薄膜是在一定条件下经拉伸和取向制成的，其超分子结构尺寸小，光的散射就小，是一种较透明的薄膜。