Transparence des matières premières plastiques : des mécanismes moléculaires à la pratique d'application

La transparence des matières premières plastiques est l'indicateur clé de leur performance optique. Celle-ci se réfère à la capacité de la lumière à traverser le matériau et affecte directement l'effet visuel et la fonctionnalité du produit. Des bouteilles d'eau minérale du quotidien aux verres optiques haut de gamme, des écrans de téléphones portables aux phares de voiture, la transparence est un paramètre clé dans le choix des matériaux. Une compréhension approfondie de la nature, des facteurs d'influence et des méthodes de contrôle de la transparence est essentielle pour la conception et la production de produits optiques en plastique.

1. Concepts de base et système d'évaluation de la transmittance

La transparence des plastiques n’est pas une valeur numérique unique, mais un indicateur complet qui couvre plusieurs paramètres optiques, reflétant les caractéristiques de transmission des matériaux pour différentes longueurs d’onde de lumière.

Indicateurs d'évaluation de base

L'industrie quantifie la transparence à travers les paramètres suivants :

Transmission (T) : Rapport entre le flux lumineux transmis à travers un matériau et le flux lumineux incident, exprimé en pourcentage. La transmittance des plastiques transparents courants se situe généralement entre 80 % et 90 %, comme le PET, qui présente une transmittance d'environ 88 %. Les plastiques optiques hautes performances peuvent atteindre plus de 90 %, comme le PMMA (verre organique) qui atteint 92 % et le PC (polycarbonate) qui atteint 89 % à 90 %.

Voile : proportion de lumière diffusée dans la lumière totale transmise traversant un matériau, reflétant le degré de turbidité du matériau transparent. Les plastiques optiques de haute qualité présentent généralement un voile inférieur à 1 %, tandis que les plastiques transparents ordinaires présentent un voile compris entre 1 % et 3 %. Au-delà de 5 %, le matériau apparaîtra trouble.

Indice de réfraction (n) : Rapport entre la vitesse de propagation de la lumière dans le vide et sa vitesse de propagation dans un matériau, qui affecte la réfraction et la réflexion des rayons lumineux. Le PMMA a un indice de réfraction de 1,49, le PC de 1,58, et les plastiques à indice de réfraction élevé (comme le CR-39) peuvent atteindre 1,50-1,60, ce qui les rend adaptés à la fabrication de lentilles.

Coefficient de dispersion (nombre d'Abbe, ν) : mesure la différence de réfraction de la lumière de différentes longueurs d'onde par un matériau. Un nombre d'Abbe élevé entraîne une faible dispersion. Le PMMA a un nombre d'Abbe de 57, le PC de 30 et le verre optique d'environ 50-60. Par conséquent, les composants optiques de haute précision nécessitent toujours du verre.

Ces indicateurs doivent être considérés ensemble : par exemple, la transmission lumineuse du PC est légèrement inférieure à celle du PMMA, mais sa résistance aux chocs est bien meilleure que ce dernier, ce qui en fait le choix privilégié pour les abat-jour de voiture ; le PMMA, en raison de son voile plus faible, est plus adapté aux panneaux d'affichage qui nécessitent une grande clarté.

Principe de transmission de la lumière et mécanisme moléculaire

Le processus de passage de la lumière à travers le plastique implique trois fonctions : l'absorption, la réflexion et la diffusion

Absorption : Les groupes chromogènes (tels que les doubles liaisons et les carbonyles) des molécules absorbent la lumière de longueurs d'onde spécifiques, ce qui entraîne une diminution de la transmittance. Le PE pur présente une faible absorption de la lumière visible en raison de l'absence de chromophores dans sa chaîne moléculaire. En revanche, sa forte cristallinité provoque une diffusion, ce qui se traduit par une transmittance de seulement 50 % à 60 %. En revanche, le PMMA amorphe présente une absorption extrêmement faible en raison de l'absence de régions cristallines et de sa structure moléculaire symétrique.

Réflexion : La lumière est réfléchie à l'interface air-plastique en raison de la différence d'indice de réfraction, avec une réflectivité d'interface unique d'environ 4 à 5 % (comme la perte de réflexion du PMMA dans l'air). Un revêtement (par exemple, un film antireflet) permet de réduire la réflectivité à moins de 1 %.

Diffusion : La structure irrégulière du matériau (particules cristallines, bulles, impuretés, etc.) modifie la direction de la lumière, ce qui est la principale cause de trouble. Les plastiques cristallins (comme le PET) ont un indice de diffusion plus élevé que les plastiques amorphes (comme le PC) en raison de la différence d'indice de réfraction entre les régions cristallines et amorphes.

Les plastiques amorphes, en raison de leur arrangement moléculaire désordonné et de l'absence de différences évidentes entre les régions cristallines et amorphes, présentent une diffusion moindre et une transparence généralement supérieure à celle des plastiques cristallins. Par exemple, le PS amorphe présente une transmittance de 88 %, tandis que le PEHD cristallin n'a qu'une transmittance de 50 à 60 %.

2、 Facteurs clés affectant la transparence des plastiques

La transparence des plastiques est déterminée par leur structure moléculaire, leur structure d'état d'agrégation et leur technologie de traitement, et peut être considérablement améliorée grâce à un contrôle précis des propriétés optiques.

Le rôle central de la structure moléculaire

La structure moléculaire est le déterminant fondamental de la transparence :

Symétrie moléculaire : les molécules structurellement symétriques (comme les unités de méthacrylate de méthyle dans le PMMA) sont étroitement disposées, ont une énergie de transition électronique élevée et absorbent moins la lumière visible. Le PC avec un cycle benzénique dans sa chaîne moléculaire absorbe légèrement la lumière bleue en raison de son système d'électrons π, et sa transmittance est légèrement inférieure à celle du PMMA.

Groupes polaires : les groupes à forte polarité, tels que les groupes amide et ester, peuvent provoquer des forces intermoléculaires irrégulières, entraînant des fluctuations de densité locales et une diffusion accrue. Le PA6 forme des liaisons hydrogène grâce aux groupes amide, avec une cristallinité élevée et une transmittance lumineuse de seulement 60 % à 70 %, bien inférieure à celle du PMMA non polaire.

Masse moléculaire et distribution : Une masse moléculaire excessive peut entraîner un enchevêtrement accru des chaînes moléculaires, affectant ainsi l'uniformité. Une distribution étroite de la masse moléculaire contribue à réduire les fluctuations de densité et le voile. La distribution de la masse moléculaire du PMMA de qualité optique est généralement contrôlée à 2,0, tandis que celle du PMMA de qualité ordinaire atteint 3,0 à 4,0.

Impuretés et additifs : Les résidus de catalyseur, les monomères n’ayant pas réagi ou les colorants peuvent introduire des chromophores, réduisant ainsi la transmission lumineuse. Par exemple, le PVC contient des atomes de chlore et est sujet à la décomposition pendant le traitement, produisant du HCl. Sa transmission lumineuse n’est que de 70 à 80 % et il jaunit avec le temps. De plus, le PC de qualité optique nécessite un contrôle strict des résidus de catalyseur (< 1 ppm).

L'influence de la structure agrégée de l'État

Cristallinité : La différence d'indice de réfraction entre les régions cristallines et amorphes des plastiques cristallins entraîne une forte diffusion, et plus la cristallinité est élevée, plus la transmittance est faible. Par exemple :

PC amorphe (cristallinité 0) avec une transmittance de 89% et un trouble de 0,5% ;

Le PET semi-cristallin (cristallinité 30% -40%) a une transmittance de 88%, mais un trouble de 3% -5% ;

Le PP hautement cristallin (cristallinité 70%) a une transmission lumineuse de seulement 50% à 60% et un flou de 10%.

Un refroidissement rapide (comme lors du moulage par injection) permet de réduire la cristallinité et d'améliorer la transmission lumineuse. Par exemple, le film BOPET peut atteindre une transmission lumineuse de 88 % et un voile inférieur à 2 % grâce à un étirement biaxial pour contrôler la cristallisation.

Séparation de phases et dispersion : Lors d'un mélange ou d'une modification du remplissage, la différence d'indice de réfraction entre la phase dispersée (particules de caoutchouc, fibres, etc.) et la matrice peut entraîner une diffusion. Par exemple, l'ABS présente une transmittance lumineuse de seulement 60 à 70 % en raison de la présence de particules de caoutchouc ; en adaptant l'indice de réfraction, la transmittance de l'alliage PC/PMMA peut atteindre plus de 85 %.

Contraintes internes : Les contraintes internes générées lors du traitement peuvent entraîner une orientation inégale des chaînes moléculaires, provoquant des fluctuations de densité et une diffusion accrue. Si les contraintes internes des produits PC sont trop élevées, le voile passera de 0,5 % à 2 -3 %. Un traitement de recuit (isolation à 120 °C pendant 2 heures) peut éliminer une partie des contraintes et réduire le voile à moins de 1 %.

Le rôle réglementaire de la technologie de traitement

Température et temps de fusion : Une température basse entraîne une plastification irrégulière et la formation de points cristallins. Une température trop élevée entraîne une dégradation thermique et la formation de chromophores tels que des groupes carbonyles. La température optimale de traitement du PMMA est de 220 à 240 °C. Au-delà de 260 °C, un jaunissement dû à la dégradation se produit et la transmittance diminue de 5 à 10 %.

Température du moule : La température du moule influence le taux de cristallisation et l'uniformité. Lors du moulage par injection de PET, la température du moule passe de 20 °C à 80 °C, la cristallinité passe de 5 % à 20 % et la transmittance diminue de 10 %. Cependant, la cristallisation peut être évitée en refroidissant rapidement le moule (température inférieure à 20 °C), et la transmittance reste supérieure à 85 %.

Contrôle des impuretés : La poussière et les particules métalliques présentes dans les matières premières deviennent des centres de diffusion. Les plastiques de qualité optique doivent être filtrés avec une précision de 10 µm, et l'environnement de moulage doit atteindre une propreté de classe 1000 (particules par pied cube ≥ 0,5 µm < 1000).

Qualité de surface : Une augmentation de la rugosité de surface peut entraîner une diffusion à l'interface. Par exemple, la rugosité de surface d'une feuille de PMMA passe de 0,1 µm à 1 µm, la transmittance diminue de 92 % à 85 % et le voile augmente de 0,5 % à 5 %. Le polissage (par exemple, à la flamme) peut réduire la rugosité à moins de 0,01 µm et restaurer les performances optiques.

3、 Principales matières premières plastiques transparentes et propriétés optiques

En raison de différences structurelles, les propriétés optiques des différents plastiques transparents présentent une différenciation significative, formant un système de produits couvrant différents scénarios d'application.

Plastique transparent universel

Polyméthacrylate de méthyle (PMMA) : communément appelé verre organique, sa structure amorphe, sa transmittance lumineuse de 92 %, son voile inférieur à 1 %, est le plastique universel le plus transparent. Indice de réfraction 1,49, nombre d'Abbe 57, faible dispersion, il convient à la fabrication de lentilles et de présentoirs. Cependant, sa résistance aux chocs est faible (résistance aux chocs par entaille : 2-3 kJ/m²) et sa surface est facilement rayée (dureté au crayon : 2H). En le mélangeant avec du butadiène (par exemple, une modification MBS), la résistance aux chocs peut être portée à 5-8 kJ/m².

Polycarbonate (PC) : structure amorphe, transmittance lumineuse de 89 % à 90 %, voile de 0,5 % à 1 %, excellente résistance aux chocs (résistance aux chocs par entaille de 60 à 80 kJ/m²), c'est la variété la plus équilibrée et performante parmi les plastiques transparents. Indice de réfraction de 1,58, nombre d'Abbe de 30, grande dispersion, adapté à la fabrication d'abat-jours de voiture, de verre pare-balles et de biberons. Meilleure résistance aux intempéries que le PMMA, avec un taux de rétention de la transmittance lumineuse de 85 % après 2 ans d'utilisation en extérieur.

Polyéthylène téréphtalate (PET) : plastique semi-cristallin à cristallinité contrôlée par étirage bi-orienté (BOPET). Il présente une transmittance lumineuse de 88 %, un voile inférieur à 2 %, une bonne résistance chimique et une résistance à la température de 120 °C. Principalement utilisé pour les bouteilles de boissons et les films d'emballage, il peut être transformé en matériaux amorphes par copolymérisation (comme le PETG), avec une transmittance lumineuse portée à 90 %, adapté aux produits à parois épaisses.

Polystyrène (PS) : Le GPPS de qualité générale présente une transmittance lumineuse de 88 %, un voile de 1 à 2 %, un faible coût (environ 60 % du PMMA), mais une grande fragilité (résistance aux chocs de 2 à 3 kJ/m²) et une résistance à la température de seulement 60 à 80 °C. Utilisé pour les bouteilles d'eau jetables et les coques de jouets, le HIPS de qualité haute résistance aux chocs réduit la transmittance lumineuse à 70 à 80 % en raison de la présence de phase caoutchouc.

Polychlorure de vinyle (PVC) : Le PVC souple transparent présente une transmittance lumineuse de 80 à 85 % et un voile de 3 à 5 %. La présence de plastifiants facilite sa migration et sa transmittance lumineuse diminue après une utilisation prolongée. Le PVC rigide présente une transmittance lumineuse de 75 à 80 % et une bonne résistance aux intempéries. Il est utilisé pour les profilés de portes et fenêtres et les tubes d'infusion, mais un contrôle strict des stabilisants thermiques (tels que les organostanniques) est nécessaire lors de la transformation afin de préserver les performances optiques.

Plastiques optiques hautes performances

Copolymère de cyclooléfine (COC/COP) : polyoléfine amorphe, transmittance 91 %-93 %, trouble < 0,1 %, indice de réfraction 1,52-1,54, nombre d'Abbe 55-60, proche du verre optique. Excellente résistance chimique, résistance à des températures de 120 à 170 °C, il convient à la fabrication de lentilles optiques, de substrats de disques optiques et de récipients d'essais médicaux. Il est un matériau de base dans le secteur de l'optique haut de gamme.

Poly(4-méthylpentène-1) (TPX) : Cristallinité de 30 à 40 %, mais grâce à la faible différence d'indice de réfraction entre les régions cristalline et amorphe, la transmittance atteint 90 % et le voile est inférieur à 2 %. C'est le seul plastique polyoléfine transparent. Avec une densité de seulement 0,83 g/cm³, c'est le plus léger de tous les plastiques transparents et sa résistance à la température atteint 160 °C. Il est utilisé pour la vaisselle micro-ondable et les fenêtres haute température.

Polysulfone (PSU/PES) : structure amorphe, transmittance lumineuse de 80 à 85 %, voile < 2 %, résistance à des températures de 150 à 180 °C, bonne résistance à l'hydrolyse. Utilisé pour les fenêtres d'équipements médicaux et les luminaires haute température, bien que sa transmittance lumineuse soit inférieure à celle du PMMA, il peut être utilisé longtemps dans des environnements humides et chauds.

Polyétherimide (PEI) : Ambré transparent, avec une transmittance lumineuse de 80 %, une résistance à la température supérieure à 200 °C et un indice de résistance au feu UL94 V0. Utilisé pour les composants transparents aérospatiaux et les luminaires haute température, il est le plastique transparent privilégié dans les environnements extrêmes.

4、 Méthodes de test et normes de transparence

La mesure précise de la transmittance plastique nécessite le respect de méthodes normalisées, et les exigences relatives aux conditions d'essai varient légèrement selon les normes. Les résultats doivent être interprétés en fonction du scénario d'application.

Test de transmittance et de voile

Selon les normes ISO 13468 et ASTM D1003, les paramètres de base comprennent :

Source lumineuse : une source lumineuse standard CIE D65 (simulant la lumière du soleil) ou A (lampe à incandescence) est utilisée, et D65 est généralement utilisé pour les plastiques transparents.

Épaisseur de l'échantillon : L'épaisseur standard est de 3 mm. Une augmentation de l'épaisseur entraîne une diminution de la transmittance due à l'accumulation d'absorption et de diffusion (par exemple, pour le PMMA, l'épaisseur passe de 1 mm à 10 mm et la transmittance passe de 92 % à 85 %).

Instrument de test : Le mesureur de brume mesure la lumière totale transmise et la lumière diffusée (angles de diffusion 2,5 °) à travers une sphère d'intégration, calcule la transmittance (T = lumière totale transmise / lumière incidente) et la brume (brume = lumière diffusée / lumière totale transmise).

Précautions d'essai : L'échantillon doit être plat et exempt de rayures. Les taches d'huile en surface peuvent accroître la dispersion et doivent être nettoyées à l'alcool. Les plastiques cristallins doivent être étiquetés avec les conditions de moulage (telles que la vitesse de refroidissement), car les différences de cristallinité peuvent entraîner des fluctuations des résultats des essais.

Test d'indice de réfraction et de dispersion

Indice de réfraction : L'angle critique est mesuré et calculé à l'aide d'un réfractomètre d'Abbe. La température d'essai est maintenue à 25 ± 0,5 °C. L'indice de réfraction varie selon la longueur d'onde (par exemple, la lumière jaune de sodium à 589 nm) et doit être clairement indiqué.

Nombre d'Abbe : mesure l'indice de réfraction d'un matériau à trois longueurs d'onde spécifiques (486 nm, 589 nm, 656 nm), calculé selon la formule (ν=(nD-1)/(nF-nC)), reflétant le degré de dispersion.

Ces paramètres sont essentiels pour la conception optique, comme la correspondance précise de l'indice de réfraction et du nombre d'Abbe de chaque lentille dans la conception de la lentille pour éliminer l'aberration chromatique.

Test de résistance aux intempéries et de rétention de la transmittance

Évaluer la stabilité optique des matériaux lors d'une utilisation à long terme :

Test de vieillissement QUV : simuler les cycles de lumière ultraviolette et de condensation, et mesurer régulièrement les variations de transmittance et de voile. Après 1 000 heures de vieillissement QUV, le taux de rétention de transmittance du PMMA est d'environ 85 %, celui du PC d'environ 90 % et celui du COC peut dépasser 95 %.

Test de vieillissement thermique : Placer dans un four à 100-150 °C pendant 1 000 heures pour tester l'évolution des performances optiques. Après un vieillissement à 120 °C, le PC est sujet au jaunissement, avec une diminution de la transmittance de 5 % à 10 %, tandis que le COP reste quasiment inchangé.

5、 Stratégies d'adaptation et d'optimisation des applications pour la transparence

Dans les applications pratiques, il est nécessaire de sélectionner des plastiques transparents appropriés en fonction des exigences fonctionnelles du produit et d'optimiser la transparence par des moyens techniques.

Exigences de transparence et sélection des matériaux dans différents domaines

Dans le domaine de l'emballage, l'accent est mis sur le faible coût et la transparence. Le PET (transparence de 88 %) est utilisé pour les bouteilles de boissons, le PMMA (92 %) ou le PC (89 %) pour les bouteilles de cosmétiques, et le PP (transparence de 70 % à 80 %) pour les boîtes de conservation des aliments.

Lentilles optiques : Une transmittance élevée et une faible dispersion sont requises. Le CR-39 (92 % de transmittance, numéro d'Abbe 58) ou le PC (résistant aux chocs, adapté aux lunettes de sport) sont utilisés pour les verres de lunettes, tandis que le COC/COP (92 % de transmittance, faible dispersion) est utilisé pour les objectifs d'appareil photo.

Dans le domaine automobile, le couvercle du phare doit être résistant aux chocs et aux intempéries, et le PC (transmission lumineuse de 89 %, durci et résistant aux rayures) doit être sélectionné ; le couvercle du tableau de bord doit avoir une grande clarté et être fabriqué en PMMA ou en alliage PC/PMMA.

Affichage électronique : Le couvercle de l'écran du téléphone est en verre renforcé chimiquement (avec une transmission lumineuse de 91 %), mais certains modèles bas de gamme utilisent un film PMMA + durci ; La plaque de guidage de la lumière de l'écran est en PMMA (haute transparence, voile élevé de 20 % à 30 %, guide de lumière uniforme).

Domaine médical : La fenêtre du set de perfusion nécessite une stabilité chimique, en utilisant du PVC (80%) ou du PC (89%) ; La boîte colorimétrique de détection nécessite une transmission lumineuse de haute précision, en utilisant du PS ou du COP (avec un taux de transmission lumineuse supérieur à 90% et aucune absorption).

Moyens techniques pour améliorer la transparence

Purification des matières premières : Éliminer les résidus de catalyseur (tels que le catalyseur au titane dans le PC), les monomères n'ayant pas réagi (teneur en monomère MMA < 0,1 % dans le PMMA) et réduire les sources d'absorption.

Contrôle de la cristallisation : Un refroidissement rapide (comme une température de moule d'injection PET < 20 ℃) ou l'ajout d'agents de nucléation (comme des agents de nucléation au sorbitol pour le PP transparent) est utilisé pour les plastiques cristallins afin d'affiner la taille des grains à une longueur d'onde inférieure à la lumière visible (< 0,5 μ m) et de réduire la diffusion.

Modification du mélange : réduction de la diffusion de séparation de phase grâce à l'adaptation de l'indice de réfraction, comme l'alliage PC/PMMA (indice de réfraction PC 1,58, PMMA 1,49), la proportion doit être contrôlée avec précision et la transmittance peut atteindre plus de 85 %.

Traitement de surface : Revêtement avec un film antireflet (tel qu'un film mince MgF₂) pour réduire la réflexion de l'interface et augmenter la transmittance de 2 à 3 % ; Les revêtements durcis (tels que SiO₂) améliorent la résistance à l'usure tout en réduisant la diffusion de surface.

Optimisation du traitement : utilisation d'un moulage par injection de précision (avec une pression de maintien stable) pour réduire les contraintes internes ; Filtration de la masse fondue (filtre 10 μ m) pour éliminer les impuretés ; Moulage en atelier propre (Classe 1000) pour éviter la pollution par la poussière.

Cas d'échec typiques et solutions

Jaunissement de l'abat-jour PC : Une utilisation prolongée en extérieur provoque une oxydation des chaînes moléculaires due aux rayons ultraviolets, entraînant une diminution de la transmittance de 89 % à 70 %. Solution : Ajoutez des absorbeurs UV (comme l'UV-5411) ou appliquez un revêtement anti-UV sur la surface pour prolonger la durée de vie à plus de 5 ans.

Le voile sur les présentoirs en PMMA augmente : en raison de l'orientation irrégulière des chaînes moléculaires due aux contraintes internes lors du traitement, la libération des contraintes pendant l'utilisation entraîne une dispersion. Solution : Après formage, un traitement de recuit (isolation à 80 °C pendant 2 heures) est effectué pour éliminer plus de 90 % des contraintes internes.

Transmittance insuffisante des bouteilles en PET : une cristallinité élevée (40 %) entraîne une dispersion accrue. Solution : optimiser le procédé de soufflage, augmenter la vitesse de refroidissement (par exemple, en augmentant le volume d'air de refroidissement) et contrôler la cristallinité entre 20 % et 30 %.

La transparence des matières premières plastiques résulte de l'action combinée de la conception moléculaire, des technologies de traitement et des exigences des applications. Il n'existe pas de matériau transparent absolument optimal, seul le choix d'une adaptation à chaque situation est pertinent. Grâce aux progrès des technologies de modification optique, les limites de performance des plastiques transparents sont constamment repoussées. Par exemple, le PC dopé aux points quantiques permet d'obtenir simultanément une transparence élevée et une extension de la gamme de couleurs, remplaçant ainsi les matériaux traditionnels dans le domaine de l'affichage. À l'avenir, les plastiques transparents continueront de progresser en termes de légèreté, de résistance aux chocs et d'intégration fonctionnelle, élargissant ainsi les possibilités d'applications optiques.