www.ugnlab.com
 
UGNlab arrow Статьи arrow 3.6 - Оптические свойства полимеров
23.01.2018 г.
 
 
Область применения
Испытательные машины
Пробоподготовка
Пластмассы и пластики
Резина и каучук
Упаковка и ПЭТ
Бумага и картон
Пленки и адгезивы
Кабели и проводка
Текстиль и волокна
Строительные материалы
Трубы
Металлы и конструкции
Покрытия, лаки, краски
Климатические испытания
- измеряемые параметры
Измерительные инструменты
Всё оборудование
Новости компании

С 04 по 12 сентября 2016 года в учебном центре GOTECH (DONGGUAN, CHINA), проходил Тренинг для агентов по новому испытательному оборудованию.

Читать дальше...

 
9 июня 2016 года компании «ЮДжиЭнЛаб» (UGNLAB Co., Ltd.) и группа компаний «Черкизово» провела на базе научно-исследовательского центра (НИЦ) "ЧЕРКИЗОВО" Всероссийский научно-практический Cеминар: "Теория и практика испытаний различных конструкционных материалов на газо- и паропроницаемость".
  
Читать дальше...

 

Внимание!!! Информируем Вас, что старый номер тел./факса в нашем офисе 8(495)6697352 был изменен! Новый номер тел./факса: 8(495)240-5101.  

   

Тел./факс: 8(495)437-24-31 НЕДЕЙСТВИТЕЛЕН!

Читать дальше...

 

С 26 по 29 января 2016 года наша компания принимала участие в 19-ой Международной выставке пластмасс и каучука Интерпластика 2016, которая проходила в ЦВК Экспоцентр, Москва.

Читать дальше...

 
Авторизация





Забыли пароль?
Статистика
Посетителей: 15251555
Кто на сайте?
Карта сайта
Карта сайтаПартнерские ссылки

3.6 - Оптические свойства полимеров

Печать E-mail

Почти все пластмассы, если толщина изготовленного из них изделия ниже некоторого предела, становятся полупрозрачными. И только некоторые пластмассы полностью прозрачны. Является ли пластмасса прозрачной или полупрозрачной зависит от структуры полимера. Вообще говоря, все аморфные пластмассы прозрачны. Кристалличность способствует увеличению плотности материала, что снижает скорость распространения света и приводит к возрастанию показателя преломления.

Если размер кристалла становится больше, чем длина видимого света, то луч света, проходя через множество кристаллических и аморфных областей, рассеивается, и прозрачность материала уменьшается. Большие единичные кристаллы рассеивают свет под широкими углами, и это приводит к появлению мутности. Как правило, частично кристаллические полимеры полупрозрачны. Однако их прозрачность может быть улучшена путем закалки или статистической сополимеризации. К числу основных оптических свойств относятся:

  • показатель преломления;
  • светопропускание и мутность;
  • фотоупругие свойства;
  • цвет;
  • внешний блеск (отражательная способность).

 

 

 

 

Показатель преломления (ASTM D542, ИСО 489)

Показатель преломления представляет собой фундаментальную характеристику прозрачных материалов. Величина показателя преломления играет первостепенную роль для конструктора при разработке линз для камер, микроскопов и других оптических систем. Показатель преломления, также называемый индексом рефракции, определяется как отношение скоростей света в вакууме (или в воздухе) и в данной среде. Он вычисляется как:

Показатель преломления = sin угла падающего луча света/ sin угла преломленного луча

Показатель преломления большинства пластмасс очень близок к показателю преломления стекла.

Существуют два основных метода измерения показателя преломления. Первый метод, называемый рефрактометрическим, основан на использовании рефрактометра.

Альтернативный метод состоит в использовании микроскопа не менее чем с 200-кратным увеличением. Рефрактометрический метод более предпочтителен по сравнению с микроскопическим, поскольку он дает более точные результаты. Точность микроскопического метода зависит от квалификации оператора при фокусировке изображения, и поэтому он менее точен.

Рефрактометрический метод

Для измерения показателя преломления наиболее часто используют рефрактометр Аббе.

Для проведения измерений требуется источник белого света и контактная жидкость, которая не должна взаимодействовать с поверхностью полимера. Показатель преломления этой жидкости должен быть заведомо выше, чем у исследуемого полимера. Образец может быть любых размеров, он лишь должен хорошо примыкать в поверхности фиксированной половины призмы рефрактометра. Поверхность образца, находящаяся в контакте с призмой, должна быть оптически плоской и полированной.

Испытания состоят в том, что образец приводится в соприкосновение с призмой, путем введения между ними каплю контактной жидкости. Как уже говорилось, показатель преломления этой жидкости должен быть выше, чем у исследуемого образца. Далее, наблюдая через окуляр и вращая рукоятку настройки, смещают линию тени так, чтобы она попала в поле наблюдения. Корректор дисперсии настраивают таким образом, чтобы устранить все цвета с линии тени. Граница между светом и тенью должна быть резкой с четким разделением белого поля и небелого фона. На заключительной стадии эксперимента край границы тени совмещается с перекрестием волосяных линий, и значение показателя преломления считывается с дисплея.

Микроскопический метод

При применении этого метода необходимо иметь микроскоп не менее чем с 200-кратным увеличением. Образец должен иметь удобные размеры. Две противоположные поверхности должны быть параллельны и гладко отполированы. Испытания состоят в том, что производится попеременная фокусировка на верхнюю и нижнюю поверхности образца, что позволяет достаточно точно определить продольное смещение на линзе. Разница между двумя отсчетами представляет собой кажущуюся толщину образца. Тогда показатель преломления рассчитывается по формуле:

Показатель преломления = Действительная толщина образца/Кажущаяся толщина образца

 

Измерения прозрачности и мутности (ASTM D1003)

Прозрачность определяется как отношение интенсивности света, прошедшего через образец, к интенсивности падающего светового потока. Этот показатель обычно выражают в процентах от падающего света. Так, например, ПММА пропускает 92% падающего нормально к образцу светового потока. Около 4% нормально падающего светового луча преломляется на границе полимер-воздух.

Мутность - это внешний вид прозрачного образца, напоминающий облачность.

Это явление обусловлено светорассеянием внутри полимера или от его поверхности. Мутность определяется как доля светового потока, проходящего через образец, которая отклоняется от направления луча вследствие обратного рассеяния. Обычно принимают, что если интенсивность прошедшего света более чем на 2,5 град отклоняется от интенсивности падающего луча, то соответствующий образец рассматривается как мутный. Обычно мутность бывает обусловлена поверхностными дефектами, вариациями плотности или включениями, вызывающими рассеяние света. Величину мутности также оценивают в процентах.

Светопропускание и мутность с практической точки зрения представляют собой исключительно важные характеристики материала. Так, например, материал, используемый для покрытий оконных стекол, должен иметь очень высокую прозрачность и мутность должна отсутствовать. Напротив, материалы, используемые для изготовления корпусов световой аппаратуры, должны в максимальной степени рассеивать свет и быть минимально прозрачными, чтобы исключить прямые лучи от ярких источников света. Однако такой материал должен обладать высоким светопропусканием.

 

Процедура испытаний

Для проведения испытаний необходимо иметь интегрирующий сферический измеритель мутности.

Испытуемый образец должен быть достаточно большим, чтобы перекрыть апертуру, но при этом не слишком большим, чтобы он мог располагаться по касательной к сферической части прибора. Наиболее часто для этой цели используют диск диаметром 2,00 дюйма.

Процедура измерений состоит в получении четырех последовательных показаний,

измеряемых с помощью фотодатчика, а именно:

Т1 - образец и ловушка для света установлены вне позиции для измерений, стандарт преломления установлен в позиции для измерений;

Т2 - образец и стандарт установлены в позиции для измерений, ловушка для света находится вне позиции для измерений;

Т3 - ловушка для света установлена в позиции для измерений, образец и стандарт находятся вне позиции для измерений;

Т4 - образец и ловушка для света установлены в позиции для измерений, стандарт находится вне позиции для измерений.

Величины, получаемые в каждой серии измерений - это интенсивность падающего света, общий световой поток, прошедший через образец, светорассеяние, обусловленное прибором, и светорассеяние, обусловленное прибором и образом.

Общее светопропускание Тt, диффузное светопропускание Тd и мутность рассчитывают по формулам:

Тt = Т2/ Т1

Td = [Т4321)]/Т1                  Мутность в процентах = (Тd / Тt )100%.

 

Фотоупругие свойства

Если рассматривать многие полимеры, находящиеся под действием внутренних или внешних напряжений, в поляризованном свете, то они обнаруживают отчетливо выраженные динамооптические свойства. Световые волны в плоскости, в которой созданы деформации, распространяются с иной скоростью, нежели в перпендикулярном направлении. Различие в скоростях распространения световых волн в различных направлениях называют двулучепреломлением. Под оптической чувствительностью к действию напряжений понимают способность некоторых материалов к проявлению различного преломления (двулучепреломлению), если материал находится под действием напряжений.

Для того чтобы создать плоскую поляризацию некогерентного света используют поляризационные линзы.

Поляризованные солнечные очки и линзы, исключающие возможность ослепления от слишком яркого света путем плоской поляризации, - это только несколько примеров применения эффекта поляризации. Когда две такие поляризованные среды находятся под углом друг к другу, возникает оптический эффект вращения или же появляется двойное лучепреломление.

Фотоупругий эффект в прозрачных материалах используется инженерами-конструкторами для анализа полей напряжения, а двойное лучепреломление, появляющееся при переработке изделий, свидетельствует о наличии остаточных напряжений или ориентационных явлениях. Создание фотомоделей из прозрачных пластмасс и рассмотрение их в поляризованном свете позволяет проанализировать характер развития напряжений в таких сложных конструкциях, как мосты, крылья самолетов и зубчатые колеса. Этим методом можно также получить полезную информацию относительно мест концентрации напряжений, влияния острых углов и резких переходов по сечению изделия. Такому же анализу могут подвергаться отдельные части сложных изделий. Применение фотоэффекта позволяет сэкономить деньги, которые были бы затрачены на создание новых литьевых форм, а риск при эксплуатации ответственных изделий может быть минимизирован путем анализа их прозрачных фотомоделей и исключения мест концентрации напряжений. Такой анализ также полезен при выборе мест расположения литников, линий сварки, сверлений, при отжиге и последующей обработке изделий.

При производстве линз и других прозрачных деталей метод фотоупругости может использоваться для контроля качества. Это метод представляет собой способ неразрушающего контроля, который позволяет оценить условия разрушения деталей путем отливки нескольких образцов из прозрачных пластмасс и исследовании концентрации напряжений в этих образцах.

 

Определение динамооптической чувствительности

Для определения зависимости оптического эффекта от напряжения исследуемый образец помещается между двумя поляризующими средами. Наблюдение за этим образцом происходит со стороны, противоположной источнику освещения. Поляризованный свет характеризуется числом полос или колец, которое является мерой действующих напряжений. Если в качестве источника освещения используется белый свет, то картина поляризации представляет собой красивый набор полос всех цветов спектра. Но для количественного исследования распределения напряжений предпочтительнее использовать монохроматический свет, что позволяет получать более точные результаты.

Динамооптический коэффициент большинства пластмасс составляет величины порядка 1000 фунтов/дюйм2/одно кольцо. Это означает, что наблюдатель, рассматривающий через поляризатор пластину толщиной в 1 дюйм, освещенную монохроматическим поляризованным светом, увидит одно черное кольцо, если напряжения составляют 1000 фунтов/дюйм2.

Для исследования эффекта фотоупругости может быть сконструирован световой короб, состоящий из поляризованных листов и источника света.

 

Окраска

Для того чтобы понять смысл измерений цвета, его оценку и допуска на изменения цвета, необходимо обратиться к теории цвета.

Восприятие цвета требует участие трех компонент - источника света, объекта и наблюдателя. Процесс состоит в следующем. Световой поток достигает поверхности образца. Далее часть светового потока отражается от поверхности. Угол этого зеркального или полного отражения равен углу, под которым пучок света падает на поверхность образца, но распространяется в противоположном направлении. В отраженном свете содержатся все компоненты цветовой гаммы, которые присутствовали в падающем пучке света. Поэтому если объект освещался белым светом, то и отраженный свет будет белым.

Часть падающего света попадает внутрь образца, где он модулируется благодаря селективной адсорбции, отражается и рассеивается красителем, полимером и различными добавками. Селективная адсорбция и отражение различных длин волн создают цвет. Так, например, если объект поглощает все цвета спектра из падающего белого света, кроме голубого, то голубая компонента остается немодифицированной и отражается или проходит через образец. Наблюдатель видит эту голубую составляющую прошедшего или отраженного света и говорит, что исследуемый объект - голубой.

Цветовая гамма меняется в пределах от темного до светлого цвета. Самый темный - это черный цвет, серый занимает промежуточное положение, а самый светлый - это белый цвет. Эти цвета называют нейтральными. Цвет характеризуют «величиной», или «яркостью». Другая классификация основана на длинах волн: цвет может быть красным, синим, зеленым или желтым. При такой классификации используется термин «оттенок цвета». Именно оттенки цветовой гаммы позволяет определить окраску объекта, называя ее красной, желтой, зеленой, синей, пурпурной или же промежуточной между двумя различными цветами. Кроме того, используют такой термин, как «насыщенность» цвета или его «шкала», который выражает степень отклонения данного цвета от серого при одинаковой яркости.

Существенной особенностью различных оттенков цвета является длина волны. Белый свет разлагается на спектр благодаря разности длин волн различных цветов. Спектр видимого света располагается между светло фиолетовым (с длиной волны около 380 нм) и красным (с максимальной длиной волны 760 нм).

Для того чтобы увидеть объект, его нужно осветить. Тип осветительного устройства, угол освещения и угол, под которым наблюдатель смотрит на объект - все это влияет на результаты наблюдения. Поэтому при измерении окраски следует учитывать влияние спектрального распределения энергии освещения на внешний вид объекта.

Для стандартизации методики измерений Комиссия по источникам освещения CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) установила ряд стандартов освещенности. Так, освещение типа А - это свет ламп накаливания, типа В - свет солнца в полдень, типа С - освещение в пасмурный день. Еще один фактор, который должен приниматься во внимание при определении окраски, это собственно наблюдатель.

Согласно стандарту CIE, «наблюдатель» - это численное описание цвета нормального человеческого глаза [11]. Трехмерная спектральная оценка света по CIE должна основываться на использовании стандартного источника освещения, стандартном наблюдателе и выбранном объекте.

Исходя из требований стандарта CIE ясно, что при соблюдении необходимых условий можно получить оценку цвета. Прибор, с помощью которого осуществляют соответствующие измерения, называют трехмерным («tristimulus») колориметром.

Этот прибор определяет окраску в терминах трех основных цветов - красного, зеленого и синего, или, если сказать по-другому, терминах трех составляющих компонент белого цвета. Для того чтобы численно описать окраску в терминах цвета и яркости, предложен ряд шкал. Одна из наиболее популярных называется L-, a-, b-системой. Цвет определяется в трехмерных координатах. Ось L ориентирована в вертикальном направлении и отвечает яркости окраски. Она проградуирована в единицах от 0 до 100, где 100 соответствует идеальному белому, а 0 идеально черному цвету. Оси a и b указывают на цвет и его насыщенность соответственно. Положительные значения a соответствуют доле красного, а отрицательные - зеленого цвета.

В последние годы появилось новое поколение колориметров, основанных на использовании спектрофотометров. В этих приборах не моделируется человеческий глаз. Вместо этого проводятся измерения интенсивности светового потока в 16 точках по длине волн с интервалом в 20 нм, что позволяет перекрыть всю область видимого света. Доля отраженного света, полученного спектрофотометром, с помощью встроенного микропроцессора преобразуется в три основные характеристики окраски, обсуждавшиеся выше. Еще одним достоинством таких спектрофотометров является возможность выбора различных типов освещенности, согласно рекомендациям CIE. Даже если используется один и тот же источник освещенности, применение микропроцессора позволяет рассчитать характеристики окраски, какими бы они были при различных типах освещенности.

При проведении исследовательских работ использование колориметров, которые дают достаточно простую трехмерную оценку окраски, оказывается недостаточным. Здесь требуется применение более строгих методов, основанных на спектрофотометрических измерениях. Спектрофотометр дает полную развертку спектра в области длин волн от 380 до 700 нм. Кроме того, эти приборы дают оценку отражения на различных длинах волн с интервалом 20 нм и позволяют рассчитать трехмерные координаты окраски, как об этом говорилось выше, и сравнить различные цвета.

 

Инструментальные методы контроля

В зависимости от поставленной задачи применяются колориметры двух типов. Колориметры с фильтрами представляют собой спектрофотометры, которые используются, когда потребитель заинтересован в получении только значений окраски в трехкоординатной системе и данных по разнице окраски. Эти приборы используют, главным образом, для технологического контроля продукции, оценки качества, сравнения со спецификациями и требованиям по соответствию цвета образцу.

Спектрофотометры обычно используют для подбора цвета и иных исследовательских работ.

Методика работы с современным фотоколориметром очень проста. Прежде всего, прибор калибруют, используя имеющиеся стандарты. Далее, в соответствии с рекомендациями CIE, выбирают способ освещения. Плоский окрашенный образец устанавливают в держателе и направляют на него свет от источника. На дисплее немедленно появляются значения интенсивности отражения во всей видимой части спектра с интервалом в 20 нм. Встроенный микропроцессор сразу же дает значения показателей цвета в шкале CIE Lab и представляет график спектральной интенсивности в функции длины волны света. Подбор цвета исследуемого материала осуществляется путем сопоставления его спектра со спектром стандартного образца.

К числу дополнительных полезных возможностей большинства колориметров и спектрофотометров относится возможность измерения индексов желтизны (по ASTM D1925) и белизны (по ASTM D2244). Эти стандарты детально описывают процедуру инструментального контроля разности цветов непрозрачных материалов.

В последние годы достигнут значительный прогресс в развитии новейших технологий измерения цвета. Большинство достижений относится к области создания портативных спектрофотометров. Новые переносные спектрофотометры позволяют производить оценку цвета непосредственно в производственных условиях. Некоторые из таких спектрофотометров дают возможность строить полную спектральную характеристику цвета. Спектрофотометры, используемые в лабораторных условиях, усовершенствованы с тем, чтобы осуществлять компьютерный контроль за использованием линз, фильтров ультрафиолетового излучения и зеркальных портов. Возможность калибровки прибора в ультрафиолетовой области представляется важной особенностью измерительной техники, позволяющей получать более точные данные для флуоресцентного света. Преимущества, связанные с использованием современного программного обеспечения, позволяют проводить статистический анализ окраски, что важно для измерений и коррекции цвета, а также подбора цвета.

Предлагаются также колориметры непрерывного действия для установки в производственных линиях. Эти приборы предназначены для того, чтобы их можно было использовать для контроля производства в неблагоприятной атмосфере цеха, в котором производят окрашенные гранулы и иные экструдированные или литьевые изделия. Информация об окраске изделия получается в реальном времени, что позволяет пользователю осуществлять контроль за тенденциями изменения цвета и вовремя вносить необходимые коррективы.

 

Визуальная оценка цвета (ASTM D1729)

Два объекта одного и того же цвета могут не различаться, если они рассматриваются при освещении одного типа (например, при дневном свете), но их цвет кажется различным, если используется иное освещение (например, свет ламп накаливания). Это явление известно под названием метамерия. Под этим названием имеют в виду явление несовпадения относительной окраски сопоставляемых образцов при изменении типа освещения или наблюдателя.

В целях упрощения визуальной оценки окраски и минимизации изменений, обусловленных различием в способах освещения образцов, был предложен стандартный метод определения различий цвета. Согласно этому методу испытаний определяются спектральные характеристики источника света. Для визуальной оценки цвета используют три различных типа источника света. За условия дневного освещения принимают спектральный состав света дневного северного неба с умеренной облачностью. В качестве освещенности в условиях закрытого помещения принимают свет лампы накаливания с температурой раскаленной нити в 2854 К. И в качестве флуоресцентного освещения принимают свет дневной лампы с температурой 4400 К.

Фон интерьера помещения для визуального контроля цвета образован нейтральным серым цветом. Образец рассматривается в специально оговоренных условиях освещенности и сравнивается со стандартом. Результатом испытаний является оценка отклонения цвета от стандарта, оцениваемая по яркости, насыщенности и окраске с указанием на то, в каком порядке необходимо вносит коррекции.

 

Отражательная способность (ASTM D2457, D523)

Под отражательной способностью («specular gloss») понимается возможность поверхности образца отражать, как зеркало, падающий на него поток света. Соответствующий метод разработан с целью сопоставить результаты инструментальных измерений с блеском поверхности, наблюдаемым визуально по отражению света при соответствующих углах. Пучок света направляется на образец под некоторым углом, а отраженный свет собирается и измеряется его интенсивность. Все стандарты, согласно которым оценивается отражательная способность поверхности, основываются, прежде всего, на сопоставлении отражения от поверхности испытуемого образца с отражением от хорошо отполированной черной поверхности, отражательная способность которой принимается за 100.

В основном используются три значения углов падения света - 20, 60 и 80 град. При увеличении угла падения света показатель отражательной способности возрастает. Прибор для измерения отражения состоит из источника света и оптической системы. В качестве источника используется свет лампы накаливания. Оптическая система включает фокусирующую линзу и систему сбора отраженного света. Луч света от источника направляется на образец. Чувствительный фотодетектор собирает отраженный свет и преобразует его в электрический сигнала, который через усилитель попадает на аналоговый или цифровой датчик. Измеренный сигнал преобразуется в единицы отражательной способности («единицы блеска»).

Методика измерения интенсивности отражения очень проста. Прибор включается, и проводятся измерения отражательной способности черного стандарта. Шкала с помощью регулятора устанавливается таким образом, чтобы получить значение, отвечающее этому стандарту. Затем датчик помещается на поверхность исследуемого образца, и величина отражения считывается непосредственно со шкалы аналогового или числового прибора. Линейность шкалы прибора грубо контролируется путем измерения блеска другого - белого - стандарта, который должен давать значение отражательной способности, не выходящего за пределы 1 единицы по отношению к принятой величине отражения этого стандарта.

 

Подробнее см. книгу «Справочное руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения», издательство «Научные основы и технологии».

 

 

 

 

 
« Пред.   След. »
 
Top! Top!
Яндекс цитирования Rambler's Top100