Наиболее распространенные области применения
оптических полимеров . <...> Лазерно-активные среды на красителях в полимерной матрице . <...> Сополимеризация окрашенных метакрилатов и стабильность
лазерных красителей в сополимеризующихся системах . <...> Характеристики поглощения, флуоресценции и генерации
лазерных красителей в полимерных матрицах . <...> Значительный прогресс, достигнутый к сегодняшнему времени в создании
функциональных полимерных материалов (фотохромных, флуоресцирующих, фотопроводящих и т. д.), а также прозрачных полимерных композиций, содержащих наноразмерные наполнители, достигнут в результате тесного научного сотрудничества
химиков и физиков. <...> В последние годы весьма активное развитие получила новая концепция контролируемых радикальных процессов (радикальная полимеризация в режиме «живых»
цепей), причем применительно главным образом к синтезу полиметилметакрилата —
первого и основного полимера оптического назначения. <...> Они были
начаты в отраслевой научно-исследовательской лаборатории полимеров оптического
назначения (ОНИЛПОН) под руководством профессора E.В. <...> Кузнецова и посвящены регулированию процесса сополимеризации метакрилатов с помощью солей непредельных кислот с целью расширения спектра ценных свойств и функциональных
возможностей получаемых сополимеров. <...> ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АБЦ
АК
АН
БА
БЦТК
ГМА
ГЭФ
ДАИФ
ДАК
ДБФ
ДМФА
ДМЭГ
ДФТК
ДЦПК
ДЭГ
ДЭГБАК
ДЭТА
ЖК
ИОЛ
КИ
КН-7
ЛАС
МА
МАК
ММ
ММА
ММР
МС
МСН
ацетобутират целлюлозы
акриловая кислота
акрилонитрил
бутилакрилат
N-бензоил-N’циклопентаметилентиокарбамид
глицидилметакрилат
глицидиловые эфиры
фосфорных кислот
диаллилизофталат
динитрил азоизомасляной
кислоты
дибутилфталат
диметилформамид
диметакрилат
этиленгликоля
N,N’дифенилтиокарбамид
дициклогексилпероксидикарбонат
диэтиленгликоль
диэтиленгликоль-бисаллилкарбонат
диэтилентриамин
жидкокристаллический
интраокулярные линзы
кислородный <...>
Полимерные_оптические_материалы_(1).pdf
В.Н. Серова
ПОЛИМЕРНЫЕ
ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Санкт-Петербург, 2011
Стр.1
УДК 621.357.82:678.744.33
ББК 22.251
С32
С32
Серова В.Н. Полимерные оптические материалы. — СПб.: Научные
основы и технологии, 2011. — 384 стр., ил.
ISBN 978-5-91703-023-4
В книге приведены основные сведения об оптических свойствах полимеров, сравнительные
характеристики органических стекол и других полимерных материалов,
способы их модификации, особенности синтеза и переработки. Отражено развитие
исследований в традиционных областях применения прозрачных полимеров, а также
рассмотрены современные тенденции по разработке на их основе функциональных
материалов, в том числе, содержащих наноразмерные наполнители, обладающие
нелинейно-оптическими и другими свойствами.
Издание предназначено для научных сотрудников, преподавателей, аспирантов
и студентов, специализирующихся в области синтеза, исследования свойств, модификации
и переработки оптически прозрачных полимеров, а также инженернотехнических
работников отраслей, связанных с их применением.
Рецензенты:
докт. техн. наук Э.Р. Галимов (Казанский государственный технический университет);
докт.
физ.-мат. наук И.М. Несмелова (Федеральное государственное унитарное
предприятие НПО «Государственный институт прикладной оптики»).
УДК 621.357.82:678.744.33
ББК 22.251
Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена
в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.
ISBN 978-5-91703-023-4
© Серова В.Н., 2011
© Изд-во «Научные основы и технологии», 2011
Стр.2
Содержание
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Принятые сокращения и условные обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Глава 1. Оптические материалы: общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.1. Отличительные свойства и классификация оптических материалов . . . . . . . . . . . . .13
1.2. Традиционные оптические (неорганические) материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
1.3. Органические полимеры в качестве оптических сред . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
1.3.1. Преимущества и недостатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
1.3.2. Особенности надмолекулярной организации аморфных полимеров . . . . . . .18
Глава 2. Оптические свойства полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.1. Природа прозрачности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.1.1. Светопропускание и прозрачность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.1.2. Поглощение света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
2.1.3. Рассеяние света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
2.2. Преломление света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
2.3. Оптическая неоднородность. Оптические искажения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
2.4. Оптическая анизотропия. Оптико-механические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Глава 3. Характеристики, модификация и возможности использования
различных (со)полимеров в качестве оптических сред . . . . . . . . . . . . .61
3.1. Основные оптические (со)полимеры: сравнительные характеристики . . . . . . . . . . .61
3.2. (Cо)полимеры (мет)акрилатов: развитие исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
3.2.1. ПММА: комплекс свойств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
3.2.2. Листовой ПММА (органическое стекло) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
3.2.3. Разработка литьевых и экструзионных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68
3.2.4. Модифицирование свойств ПММА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
3.2.5. Сополимеры ММА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
3.2.6. Регулирование процесса радикальной (со)полимеризации ММА . . . . . . . . . . . . . 88
3.2.6.1. Контролируемый синтез макромолекул: большие эффекты
малых добавок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
3.2.6.2. Металлоорганические соединения как регуляторы процесса
радикальной (со)полимеризации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
3.2.7. Металлосодержащие сополи(мет)акрилаты и иономеры . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
3.2.8. Фторсодержащие (со)поли(мет)акрилаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2.9. Другие гомо- и сополи(мет)акрилаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3. (Со)полимеры стирола . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.4. Поликарбонаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.5. Полиамиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.6. Полиимиды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.7. Полисульфоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.8. Эпоксиполимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Стр.3
4
Содержание
3.9. Полиолефины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.10. Фторопласты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.11. Поливинилхлорид. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
3.12. Поливинил-N-карбазол . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.13. Поливинилацетат. Поливиниловый спирт. Поливинилацетали . . . . . . . . . . . . . . . 150
3.14. Полиалкилентерефталаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.15. Аллиловые (cо)полимеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.16. Производные целлюлозы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Глава 4. Особенности синтеза и переработки оптических
полимерных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
4.1. Оптические дефекты, возникающие при синтезе и переработке
полимерных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.2. Условия синтеза, необходимые для достижения оптической чистоты
и однородности полимера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.3. Влияние способов и параметров переработки на качество
оптических изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Глава 5. Наиболее распространенные области применения
оптических полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
5.1. Линзовая оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.1.1. Возможности и преимущества полимерной оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.1.2. Защита поверхности полимерных оптических деталей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.1.3. Офтальмологическая оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.1.3.1. Очковые линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.1.3.2. Контактные линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.1.3.3. Интраокулярные линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.1.4. Микрооптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
5.2. Запись оптической информации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.3. Светотехника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.4. Волоконная оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
5.5. Градиентная оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.6. Оптические клеи, компаунды, покрытия, связующие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
5.7. Оптические фильтры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Глава 6. Разработка новых функциональных материалов на основе
прозрачных полимеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .233
6.1. Фотохромные материалы и фоторегистрирующие среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.2. Фоточувствительные материалы и композиции
для фото(стерео)литографии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.3. Полимерные фотопроводники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
6.4. Материалы с фото- и электролюминесцентными свойствами . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
6.5. Нанокомпозиты и другие материалы нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.5.1. Объекты и приемы нанотехнологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
6.5.2. Основные пути получения металлополимерных нанокомпозитов . . . . . . . 261
6.5.3. Фуллеренсодержащие полимеры и композиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
6.5.4. Полимеры с фрагментами нанометрового размера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
6.5.5. Нанопленочные материалы и планарные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . 273
Стр.4
Содержание
5
6.6. Материалы нелинейной оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
6.6.1. Нелинейно оптически активные нанокомпозиты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
6.6.2. Полимеры и композиты с квадратичной нелинейностью . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.6.3. Материалы с кубичной гиперполяризуемостью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
6.6.4. Лазерно-активные среды на красителях в полимерной матрице . . . . . . . . . 288
6.6.4.1. Новый класс твердотельных лазерно-активных сред . . . . . . . . . . . . 288
6.6.4.2. Сополимеризация окрашенных метакрилатов и стабильность
лазерных красителей в сополимеризующихся системах . . . . . . . . . 292
6.6.4.3. Характеристики поглощения, флуоресценции и генерации
лазерных красителей в полимерных матрицах . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
6.6.4.4. Повышение фотостабильности и другие возможности
разработки полимерных лазерно-активных сред . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .317
Стр.5