树脂镜片
出处：按学科分类—医药、卫生 上海医科大学出版社《视光学手册》第43页（7290字）
树脂镜片(plastic lenses)在1950年以后开始发展，1960年被改进。树脂镜片材料包括：热塑性树脂(thermoplastic plastics)，在50～120℃之间是可塑的，在此温度以下是固态；热固性树脂(thermosetting plastics)，它是通过加热而成形的。甲丙烯酸(methylmethacrylate)是最好的早期产品，烯丙基二甘醇碳酸酯(dially glycol carbonates)CR39更被广泛应用。从1985年以来，一些新的中折射率及高折射率的材料也被应用。
将树脂镜片和玻璃镜片进行比较，包括光学透明度、吸水性、光学稳定性(抗疲劳的程度)、热膨胀系数、热塑性、收缩率、弯曲率、抗磨性、抗冲击性和重量，总的来说，树脂镜片的各项性能，除了抗磨性以外，都高于或至少等于玻璃镜片。树脂镜片的另一优点是，可采用模压法加工镜片表面曲率，因此很适用于非球面镜片的生产。
(1)缺点
1)树脂镜片与玻璃镜片相比，较容易磨损(sCratched)。
2)热塑性树脂的形状可由于意外接近高温而变形，但一般人体的体温以及日常生活并不会使之变形。
3)普通树脂镜片的折射率低于玻璃镜片。
(2)优点
1)抗冲击性好于玻璃，甚至超过一些专门经硬化处理的玻璃。
2)当碎裂发生时，产生比较大的碎片，刺边也较少，其危险性小于玻璃。
3)重量仅是玻璃的30%～50%。
4)雾化趋向(fogging tendency)比玻璃减少60%～75%。
5)高速微粒和焊接机微粒溅发到树脂上，其危害性小于溅发到玻璃上。
6)大大简化了工序，因此可用于非球面的加工。
7)镜片容易染色。
8)可在生产时加入抗紫外线材料，而使树脂镜片具有较强抗紫外线能力。
树脂镜片被大部分应用于单光镜片，也应用于特殊形状的深度镜片(lenticular)、双焦点镜片和渐进镜片。以下将具体讲述树脂镜片的生产工艺，虽然目前有一些新材料的性能比较专一，但是其生产工艺基本接近CR39。
3．3．1 甲丙烯酸
这种材料流传较广的可能是它的商品名：Plexiglass或Perspex。这种材料主要应用和发展的时期是1937～1958年。起初被用于无晶体眼镜片(aphakia)和深度近视镜片(myopia)，以后迅速发展至所有的矫正镜片。
这种材料非常轻，20℃时密度为1．18，而折射率接近普通玻璃(n=1．498)。另外，它还具有很好的抗冲击性。
(1)制造工艺 甲丙烯酸是一种热塑性树脂，溶解温度在75～80℃。从一定厚度的平板上切下，按要求直径尺寸的圆块再经精密的车削，这一技术可提供眼镜片各种专门性能要求的料块。然后再将料块加热，用两片模具压制成形。最后让镜片冷却。镜片表面的质量取决于钢模表面的光洁度。
(2)优点与缺点
1)镜片表面的精密度和质量完全取决于使用的机械工具，而不能与其他在光学方面使用的技术相比。
2)依靠材料的热塑性得到的镜片曲率不能保证镜片产品的稳定性。
3)镜片极易磨损，而必须经常更换。
尽管有这些短处，但是甲丙烯酸材料的应用证实，这种材料制成的眼镜片也具有优越性，因此为引入CR39镜片铺设了道路。当今最受欢迎的基本材料即为CR39(ORMA)镜片。
3．3．2 烯丙基二甘醇碳酸酯(CR39)
这种材料于1940年初在美国被哥伦比亚公司的化学家所发现，最初被应用于某些专门学科。它的化学结构见图3－4。CR39是一种聚酯类的石油提取物(一种聚合热固树脂的新家族)。
图3－4 CR39的化学结构
注：C：碳；O：氧；H：氢
(1)制造工艺 产品的合成是通过几个阶段实现的。第一步得到一种单体(一种具有甘油粘性的类脂化合物液体)。这种单体在长时期的冷藏中能保持液态(在温室中几个月后才会变硬)，为了加速硬化(或聚合)，必须加入一种催化剂(又称引发剂)，并且加热使之混合。其加工过程存在两种生产工艺：直接聚合(direct polymelization)、半成品料块的聚合和磨削。
1)直接聚合：单体经过过滤、排气并加入一种催化剂(图3－5)。模具为冕牌玻璃制成，在生产CR39镜片中起着重要作用。它不仅给予镜片准确的形状，使之符合光学特性的要求，而且镜片表面的光洁度也完全取决于模具表面的光洁度。因此，镜片的精确度取决于模具。模具的表面必须经常检查，以保证生产高质量的镜片。一旦发现模具有缺损，应立即将该模具及所产生的镜片报废。
图3－5 CR39的直接聚合生产工艺
通过衬圈将模具的两抛光面分开，在此空间注入单体液料。注满单体液料的模具(图3－6)存放于烘箱中，存放时间为14～16小时，温度周期被严格控制，以确保聚合温度。
图3－6 镜片模具
打开模具、衬圈，再取出镜片。接着进行精加工工序、修边、退火(以消除镜片浇铸应力)、镜片外观检查、用镜片屈光度计检验镜片屈光度、包装入库。
如果镜片还需染色，则经检查后，将镜片送往染色车间。在染色后应对镜片再一次检验，然后放入贴有标签的单片小包装内。
2)半成品料块的聚合和磨削(ploymerizationand surfacing)：对于高度近视和高度远视镜片、无晶体眼镜片及带有高度散光的镜片，不能用直接聚合的方法生产。由于镜片中心与边缘要求的厚度差将产生过强的压力，导致玻璃模具破碎。因此，这些镜片必须使用半成品料块的聚合工艺，即镜片的一面聚合成形，另一面仍为毛面。聚合的凸面可以做成双焦点镜片带有加光子片的一面，也可以是多焦点镜面或非球镜面。
生产半成品聚合镜片，除了聚合周期较长外，其他生产工序与直接聚合工艺基本相同。半成品料块聚合镜片通常存于仓库，以备使用。另一面的磨削与玻璃镜片的磨削工艺相同，只是使用的磨料有所不同。磨削面可以磨成球面，也可以是球柱面。所有的眼镜片都可以使用CR39材料制成。
(2)性能(properties) 下列性能主要决定于聚合的方法，即引化剂使用的数量和加热周期(温度和持续时间)。当然单体的成分中不能含杂质，否则会起抑制作用。生产CR39镜片还会遇到一些其他的困难，如当镜片聚合后材料的收缩率达14%，对此在设计模具时必须考虑补偿。
好的聚合镜片应具有以下性能：
1)折射率，ne=1．502
2)色散率(即阿贝数)，(ne－1)／(nf，－nc，)=57．8。
3)无色聚合体对于可见光谱的平均透光率为92%。
4)相对密度(relative density)=1．32。
3．3．3 高折射率和中折射率树脂
CR39是现代高折射率树脂发展的前驱。新的发展趋向是提高材料的折射率。CR39和丙烯酸(acrylic)类材料的聚合是通过使用自由基引发剂，CR39的引化剂是IPP(isopropyl propionate)。
(1)材料
1)聚碳酸酯(polycarbonate)：聚碳酸酯材料习惯上使用于安全镜片或防护镜片。在美国使用特别广泛，原因之一是美国食品和药物管理局(FDA)及戴镜者对于镜片抗冲击性能的要求特别重视。该材料的折射率为1．59，因此属于高折射率镜片材料。它是一种热塑性树脂，是通过注射压模工艺生产的。它的相对密度为1．20，因此镜片很轻。另外，它的抗紫外功能较强，是一种很有发展前途的镜片。
其缺点是抗磨损能力很差，因此通常需加镀抗磨损膜(scratch－resistant coating)处理。它的阿贝数(Abbe number)较低，仅32，可能会产生色像差问题。当对材料进行磨削和磨边时必须小心，它与CR39的工艺要求不同。
2)热固性材料(thermosetting materials)：这种材料包括两类。一类为非多氨基甲酸酯(non－polyurethanes)；另一类为多氨基甲酸酯(polyurethanes)。目前市场中广泛应用的材料主要有两种，折射率分别为1．56和1．60。折射率1．56的材料主要采用非多氨基甲酸酯，而折射率1．60的材料则同时采用非多氨基甲酸酯和多氨基甲酸酯。这两种材料的区别在于多氨基甲酸酯是抗冲击的，因此通过了美国FDA的批准，而非多氨基甲酸酯则没有此特性。
a．非多氨基甲酸酯：该材料的制造是通过传统的聚合技术，而附加了一种自由基引发剂(free radical initiator，或过氧化物，peroXide)作为辅助材料。这样在化学反应过程中，材料的分子结构发生变化。
b．多氨基甲酸酯：该材料采用模压法，制造工艺基本与CR39相同，但聚合过程不需要催化剂。多氨基甲酸酯的原料呈圆粒状，由两部分组成，结构与环氧树脂(epoxy resins)相同。当两部分混合在一起时，聚合就开始了。
这种单体将芳香环(aromatic rings)加到分子结构中，可达到高折射率。分子结构中的卤素(halogens)使材料的密度增加，因此重量比CR39略重些(当然折射率也高)。
对这种材料的继续深入的研究和发展，使这种树脂镜片的折射率不会停止在1．60，这是在光学领域中肯定要发展的一种新材料。
(2)制造工艺 生产加工技术如表面加工、出模后的加工、染色和割边等，都与CR39等热固性材料相同。唯有不同的是设备改变了，但技术保持不变。
(3)特性(properties)
1)厚度(thinneSS)：每个戴镜者都希望他们的镜片既轻又薄。当矫正轻度屈光不正时，树脂镜片(ne=1．502)能满足戴镜者的要求。但是对高度屈光不正、眼镜度数较高时，使用CR39便不能完全满足他们的要求。CR39镜片相当轻(比玻璃镜片轻30%～50%)，但镜片中心或边缘的厚度增加。因此，从美观的角度看，对于中度及高度屈光不正患者不能忽视厚度问题。高折射率的玻璃镜片从美观角度讲是可以接受的，但是由于镜片的重量增加了，又会使戴镜者不舒服。从以上讨论中不难看出，希望所戴眼镜既轻又薄，理想的选择是中、高折射率的树脂镜片。
虽然折射率高于CR39的树脂镜片的优点是能减薄厚度，但是也存在一个缺点，即通常这种材料的抗磨性比CR39差。因此，如对高折射率的树脂镜片镀抗磨损膜后，便能被戴镜者和眼镜师乐意接受了。
2)抗磨性(scratch resistance)：
a．BAYER试验：抗磨性能主要的测试方法是BAYER试验。试验时测试样片被夹在一个专用的架子上，放入一充满砂子的容器内，这些砂子的质量是预先经过选择的。沿不同方向摇动容器一定的次数，使砂了在镜片表面磨擦。经过这样的磨损以后，再测量光线经过镜片后发生散射的程度。有一种称为“雾影散射仪”(haze－meter)的仪器能够接受这种光线。将一个光源放在镜片的背面，光线经镜片后照射到该仪器上，由此可分析镜片表面的质量、光学特性及模糊程度。
b．摩擦试验(rubbing test)：试验过程中(图3－7)，用一块布摩擦镜片样品，测试需多少时间使镜片擦伤(对于ORMA镜片需4小时)。
图3－7 镜片的摩擦试验
c．金刚石试验(diamond test)：是由依视路公司设计的测试镜片抗磨质量的方法。用一支金刚石针在镜片上刻划，但有严密的条件控制，如金刚石针的运动方向、速度和力度可被精确控制并被无数次重复。该试验可分析镜片材料对各种程度磨损的抵抗性。用显微镜观察镜片被擦伤条痕的深度、宽度和长度，其数据经分析可得到镜片材料的抗磨强度，由此也可对每种材料的抗磨性能进行质量分级。
d．钢丝绒摩擦试验：用一种极细的特定钢丝在镜片表面以一定的方式摩擦，然后分析镜片表面被擦的条纹。
3)抗冲击性(impact resistance)：
a．落球试验：用于测试材料的抗冲击性(图3－8)。一片质量好的CR39镜片应经得住一个16g重的小球从2m高处落下所产生的冲击力(美国FDA规定的标准是16g／1．27m)。
图3－8 落球试验
b．抗高速小珠撞击性：这是一种与落球试验不同的测试。镜片经受一颗高速运动小珠的撞击，该小珠直径3mm，速度100m／s(360km／h)。所有的镜片材料，经美国国家安全研究所和设在得克萨斯(Texas)的航空医学学校的测试后得出的结论为：与层压或硬化的玻璃相比较，CR39是最强的材料之一。
4)化学性能(chemical properties)：CR39能抵抗普通化学材料的侵蚀，但浓硫酸和硝酸除外。在98%的硫酸中浸泡7天后，CR39失去了它原来的94%的重量。在浓硝酸中浸泡7天后CR39就溶解了。
某些高折射率的树脂材料不能直接暴露于高温，否则会使材料弯曲和裂开。为了避免上述缺陷，制造商应为材料的使用者附加使用、加工和操作管理的详细说明。
如果对材料的阿贝数、镀膜性能、密度、材料的老化、抗冲击性、耐热性、紫外线滤过能力等性能作详细分析以后，眼镜师必定会为每一位顾客确定最佳的选择，那就是树脂镜片。
(4)使用高折射率镜片时应考虑下列几点
1)有些材料(如聚碳酸酯)有非常好的抗冲击性能，甚至优于CR39。
2)这些高折射率材料比CR39软的话，必须镀抗磨损膜，充分考虑膜的厚度、结合力和硬度，以使镜片有良好的抗磨损性能。
3)高折射率材料的染色与普通标准硬树脂镜片不同，染色的速度取决于制造镜片的材料及镀膜，有时需要“调色”，有时可通过专用染料或中和剂来染色。
4)中折射率和高折射率镜片的价格一般高于CR39。
5)对于高折射率材料应考虑镀抗反射膜(anti－reflection costings)，以减少反射，同样在高屈光度镜片处方也应作这样的考虑。