В.Н. Серова
ОПТИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ
ПРОЗРАЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Монография
Казань
КГТУ
2010
УДК 621.357.82:678.744.33
Серова, В.Н.
Оптические и другие материалы на основе прозрачных
полимеров: монография / В.Н. Серова; Федер. агентство по
образованию, Казан. гос. технол. ун-т. <...> Сополимеризация окрашенных метакрилатов и
стабильность лазерных красителей в сополимеризующихся системах ……………………………………………. <...> Характеристики поглощения, флуоресценции и
генерации лазерных красителей в полимерных матрицах ….. <...> ….… 470
6
Посвящается светлой памяти
моего
учителя,
Евгения
Васильевича Кузнецова, и моей
мамы,
Лидии
Алексеевны
Серовой, поддержка которых
инициировала появление в моей
жизни полимеров оптического
назначения, а в итоге - и этой
книги
ПРЕДИСЛОВИЕ
«Без оптического стекла нет ни познания природы, ни власти
над ней» - писал в свое время выдающийся физик, академик <...> 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 Е.В. Кузнецова и
посвящены
регулированию
процесса
сополимеризации
метакрилатов с помощью солей непредельных кислот с целью
расширения спектра ценных свойств и функциональных
возможностей
получаемых
сополимеров. <...> 13
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АБЦ - ацетобутират
целлюлозы
АК - акриловая кислота
АН – акрилонитрил
БА - бутилакрилат
БЦТК - N-бензоил-N’циклопентаметилентиокарбамид
ГМА - глицидилметакрилат
ГЭФ - глицидиловые эфиры
фосфорных кислот
ДАИФ – диаллилизофталат
ДАК – динитрил
азоизомасляной кислоты
ДБФ – дибутилфталат
ДМФА – диметилформамид
ДМЭГ - диметакрилат
этиленгликоля
ДФТК - N,N’-дифенилтиокарбамид <...>
Оптические_и_другие_материалы_на_основе_прозрачных_полимеров._Монография.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
В.Н. Серова
ОПТИЧЕСКИЕ И ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ
ПРОЗРАЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Монография
Казань
КГТУ
2010
Стр.1
УДК 621.357.82:678.744.33
Серова, В.Н.
Оптические и другие материалы на основе прозрачных
полимеров: монография / В.Н. Серова; Федер. агентство по
образованию, Казан. гос. технол. ун-т. – Казань: КГТУ, 2010. – 540 с.
ISBN 978-5-7882-0866-4
Приведены основные сведения об оптических свойствах
полимеров, сравнительные характеристики органических стекол (и
других полимерных материалов), способы их модификации, включая
разработанные в Казанском государственном технологическом
университете. Отражено развитие исследований в традиционных
областях применения прозрачных полимеров, а также рассмотрены
современные тенденции в области создания функциональных
полимерных материалов, содержащих наноразмерные наполнители,
обладающих нелинейно-оптическими и другими свойствами.
Предназначена для научных сотрудников, преподавателей,
аспирантов и студентов, специализирующихся в области синтеза,
исследования свойств, модификации и переработки оптически
прозрачных полимеров, а также инженерно-технических работников
отраслей, связанных с их применением.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Казанского государственного технологического университета.
Рецензенты: д-р техн. наук Э.Р. Галимов (Казанский
государственный технический университет);
д-р физ.-мат. наук И.М. Несмелова (Федеральное
государственное унитарное предприятие НПО
«Государственный институт прикладной оптики»)
ISBN 978-5-7882-0866-4
© Серова В.Н., 2010
© Казанский государственный
технологический университет, 2010
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ……………………………………………....….. 7
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………. 13
Принятые сокращения и условные обозначения ..………....…. 14
ГЛАВА I. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ: ОБЩИЕ
СВЕДЕНИЯ …………………………………………………..….. 16
1.1. Отличительные свойства и классификация оптических
материалов ………………………………………………………. 16
1.2. Традиционные оптические (неорганические) материалы .. 18
1.3. Органические полимеры в качестве оптических сред …… 21
1.3.1. Преимущества и недостатки ……………………………... 21
1.3.2. Особенности надмолекулярной организации аморфных
полимеров ………………………………………………………... 24
ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ ………. 28
2.1. Природа прозрачности ……………………………………... 29
2.1.1. Светопропускание и прозрачность ……………………… 29
2.1.2. Поглощение света ………………………………………… 31
2.1.3. Рассеяние света …………………………………………… 42
2.2. Преломление света ………………………..………………... 48
2.3. Оптическая неоднородность. Оптические искажения ….... 76
2.4. Оптическая анизотропия. Оптико-механические
свойства ………………………………………………….………. 81
ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ, МОДИФИКАЦИЯ И ВОЗМОЖНОСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ (СО)ПОЛИМЕРОВ
В КАЧЕСТВЕ ОПТИЧЕСКИХ СРЕД ……………... 88
3.1. Основные оптические (со)полимеры: сравнительные
характеристики ……………………………………………….…. 88
3
Стр.3
3.2. (Cо)полимеры (мет)акрилатов: развитие исследований … 91
3.2.1. Полиметилметакрилат: комплекс свойств ……..……….. 91
3.2.2. Листовой полиметилметакрилат (органическое
стекло) …………………………………………………………… 96
3.2.3. Разработка литьевых и экструзионных материалов ….. 100
3.2.4. Модифицирование свойств полиметилметакрилата ….. 106
3.2.5. Сополимеры метилметакрилата ……………………..…. 120
3.2.6. Регулирование процесса радикальной (со)полимеризации
метилметакрилата ……………………………………. 133
3.2.6.1. Контролируемый синтез макромолекул: большие
эффекты малых добавок ………………………………………. 133
3.2.6.2. Металлоорганические соединения как регуляторы
процесса радикальной (со)полимеризации …………………... 140
3.2.7. Металлосодержащие сополи(мет)акрилаты и
иономеры ……………………………………………………….. 149
3.2.8. Фторсодержащие (со)поли(мет)акрилаты …………….. 160
3.2.7. Другие гомо- и сополи(мет)акрилаты …………………. 168
3.3. (Со)полимеры стирола ………………………………….… 173
3.4. Поликарбонаты ……………………………………………. 181
3.5. Полиамиды ……………………………………………….... 183
3.6. Полиимиды ………………………………………………... 185
3.7. Полисульфоны ………………………………….…………. 191
3.8. Эпоксиполимеры ………………………………………….. 193
3.9. Полиолефины ……………………………………………… 209
3.10. Фторопласты ……………………………………………... 215
3.11. Поливинилхлорид ……………………………………..… 221
3.12. Поливинил-N-карбазол ……………………………….…. 223
3.13. Поливинилацетат. Поливиниловый спирт.
Поливинилацетали ………………………………………….…. 225
3.14. Полиалкилентерефталаты ………………………….….… 228
3.15. Аллиловые (со)полимеры ……………………………..… 231
3.16. Производные целлюлозы ………………………………... 232
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА И ПЕРЕРАБОТКИ
ОПТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ …………... 237
4.1. Оптические дефекты, возникающие при синтезе и пере4
Стр.4
работке полимерных материалов ……………………............... 237
4.2. Условия полимеризации для достижения оптической
чистоты и однородности полимера …………….……...… 241
4.3. Влияние способов и параметров переработки на
качество оптических изделий …………………………………. 250
ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛОВ ………………………………………...……..... 256
5.1. Линзовая и растровая оптика …………………………….. 256
5.1.1. Преимущества и возможности полимерной оптики ….. 256
5.1.2. Защита поверхности полимерных оптических
деталей ……………………………………………………...…... 262
5.2. Офтальмологическая оптика …………………………...… 266
5.2.1. Очковые линзы ………………………………………...... 266
5.2.2. Контактные линзы …………………………………….… 271
5.2.3. Интраокулярные линзы ……………………………….… 274
5.3. Микрооптика ………………………………………………. 277
5.4. Cветотехника ……………………………...………….…… 282
5.5. Волоконная оптика …………………………………….….. 293
5.6. Градиентная оптика ……………………………………..… 309
5.7. Оптические клеи, компаунды, покрытия, связующие ….. 326
5.8. Оптические фильтры ……………………………………… 336
ГЛАВА 6. ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ, НЕЛИНЕЙНООПТИЧЕСКИЕ
И ДРУГИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ
ПОЛИМЕРЫ И (НАНО)КОМПОЗИТЫ ………………………... 348
6.1. Фотохромные материалы …………………………………. 348
6.2. Полимерные фотопроводники ……….……….………...... 362
6.3. Фотополимеризующиеся композиции и фоторезистивные
материалы …………………………………………....... 365
6.4. Материалы с фото- и электролюминесцентными
свойствами ……………………………………………………... 372
6.5. Прозрачные нанокомпозиты и другие материалы
нанотехнологий ………………………....................................... 388
6.5.1. Объекты и приемы нанотехнологий ………………….... 388
5
Стр.5
6.5.2. Основные пути получения металлополимерных
нанокомпозитов ………………………………………………... 390
6.5.3. Фуллеренсодержащие полимеры и композиты …….…. 404
6.5.4. Полимеры с фрагментами нанометрового размера …... 406
6.5.5. Нанопленочные материалы и планарные
наноструктуры …………………………………………….…… 410
6.6. Материалы нелинейной оптики ………………………….. 413
6.6.1. Нелинейно-оптически активные нанокомпозиты …….. 416
6.6.2. Полимеры и композиты с квадратичной нелинейностью
………………………………………………………...… 418
6.6.3. Материалы с кубичной гиперполяризуемостью ……… 428
6.6.4. Лазерно-активные среды на красителях в полимерной
матрице ……………………………………………….….… 432
6.6.4.1. Новый класс твердотельных лазерно-активных
сред ……………………………………………………………... 432
6.6.4.2. Сополимеризация окрашенных метакрилатов и
стабильность лазерных красителей в сополимеризующихся
системах …………………………………………….…... 438
6.6.4.3. Характеристики поглощения, флуоресценции и
генерации лазерных красителей в полимерных матрицах ….. 442
6.6.4.4. (Фото)стабильность и повышение ресурса работы
полимерных ЛАС ………………………………........................ 447
6.6.4.5. Перестройка излучения и другие возможности …...... 461
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………....... 463
ЛИТЕРАТУРА …………………………………………….….… 470
6
Стр.6