光致变色镜片技术介绍

光致变色镜片技术介绍　文／叶佳意欧阳鎏黄鸿亮孙环宝田勇彭伟　摘要：本文基于材料研究背景，介绍了光致变色材　料的研究历史和分类，并从能级跃迁的角度，对光致变　色原理及特性作了仔细探讨，针对光致变色过程的两种　类型辐射强度敏感型和温度敏感型，从原理上进行了详　细说明。同时，对目前行业内的主流品牌及生产工艺进　行了介绍和比较，对光致变色镜片的未来发展趋势作了　展望。　关键词：光学眼镜；光致变色；能级跃迁；变色染　料：变色技术　１引言　光致变色是“光导致颜色可逆变化”的简称，因　其广泛应用于视光学眼镜而得名。自康宁公司的Ｒｏｇｅｒ　Ａｒａｕｊｏ发明光致变色玻璃镜片以来，变色镜片已经走过　了半个世纪的历程，在此期间镜片材料从厚重的玻璃进　步到轻薄的高分子树脂，起变色作用的物质也从最初的　无机“银盐”（卤化银等）发展成为科技含量更高的有　机光致变色分子（变色染料）。在室内变色镜片可用作　普通光学眼镜，在户外可兼作太阳眼镜，因其变色的高　科技特性，变色镜片在市场上具有广阔的发展潜力和空　间。同时，在变色时所发生的可逆的光化学反应，可应　用于光存储材料、光控开关等多种领域。　２基本原理　２．１光致变色研究背景　１　８６７年，Ｆｒｉｔｚｓｃｈｅ率先报道了一种并四苯溶液，　在黑暗中呈现桔红色，在日光的辐照下则会发生褪色　现象。１８９９年，Ｍａｒｋｗａｌｄ研究了这类物质在固态时　的颜色可逆变化，并将其命名为“ｐｈｏｔｏｔｒｏｐｙ”（光　色互变）。直到１　９５２年，以色列科学家Ｈｉｒｓｈｂｅｒｇ根　据光致变色的特点，建议使用ｐｈｏｔｏｃｈｒｏｍｉｓｍ来代替　ｐｈｏｔｏｔｒｏｐｙ，这个名称一直沿用至今。　ｈ　ｖ　ｏｒａｎｇｅ；　＝＝＝＝＝＝２　ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ　ｔｌｃａｔ　ｔｅｔｒａｃ￣ｃ　图１　Ｆｒｉｔｚｃｈｅ发现的并四幂变色现象　２０世纪６０年代以后，随着物理测试方法和有机合成　技术的进步，光致变色材料得到了较快的发展，变色镜　片的商品化也进一步促进了这一过程。到目前为止，根　据有机反应类型不同，常见的光致变色材料可按以下方　式分类：　①周环反应：螺吡喃、螺嗯嗪、苯并吡喃等；　②顺反异构：二苯基乙烯、偶氮类、吖嗪等可以异　构化的化合物；　③分子内转移：可分为氢转移和官能团转移两种，　前者主要有缩苯胺、苄基吡啶、水杨酸类、苯三唑等，　后者可见于多环醌；　④分子键断裂（生成）：三芳甲烷、三芳基咪唑二　聚体等可发生共价键的均裂或异裂，反应过程可逆；　⑤电子转移（氧化还原）：紫罗碱在氧气作用下，　可以发生氧化还原反应，发生可逆的颜色变化。　２０１７　９・中国眼镜科技杂志１　３１　３光致变色镜片特性及生产工艺　２．２光致变色反应原理　前述的光致变色材料反应类型多样，但从共性来　早期光致变色镜片为玻璃镜片，采用卤化银作为变　看，它们均有如下特征：　①在两种物质（Ａ和Ｂ）之间进行可逆化学转化，　并伴随颜色变化。　②从Ａ￣Ｉ］Ｂ需要吸收电磁（光）辐射，从Ｂ到Ａ可通　过热或光两种途径。　③物质Ａ（无色态）和Ｂ（有色态）具有不同的吸　收光谱（如图２）。　Ｗａｖ＠ｅｎｇＯ￣／ｎｍ　图２无色态（Ａ）和有色态（Ｂ）的吸收光谱　转化过程可用能级跃迁原理来表示和说明，如图３　所示。根据反应性质可分为两种类型：（１）当两种物　质的激发态处于弱耦合或无耦合时，物质Ａ吸收光子能　量从基态跃迁到激发态，在这之后可迅速通过光辐射　或无辐射的方式回到原来状态（基态Ａ）或从激发态Ａ　直接转化成基态Ｂ，在这～过程中不存在能量壁垒，因　此转化速度取决于辐射强度。（２）若激发态的势阱处　于强耦合时，物质Ａ需要越过能量壁垒，才能从激发态　Ａ转化成激发态的物质Ｂ，进而恢复到其相对稳定的基　态，转化速度由温度决定。当前市场上主流的光致变色　镜片、变色染料由多种光致变色分子组成，属于复杂的　混合体系，同时具备上述两种类型的特点。　图３光致变色能级图　１　３２中国眼镜科技杂志－９－２０１７　色材料。随着科学技术水平的不断进步，绝大多数的变　色镜片已采用有机光致变色染料。　变色镜片的性能特点可以描述为“变色快、复原　慢”，在正常阳光下，几十秒内镜片可以由透明转变成　深色，起到阻隔大部分光线的效果。当转入室内时，若　要回复到变色前，通常需要几分钟甚至更长时间。　根据能级跃迁原理，变色镜片的另一个特点是：温　度越高，变色速度加快，但颜色更浅；温度越低，变色　速度变慢，镜片颜色越深。　目前市场上常见的品牌有ＰｈｏｔｏＦｕｓｉｏｎ。（蔡　司），Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　，Ｓｅｎｓｉｔｙ（豪雅），Ｐｈｏｔｏｇｒａｙ／　ｂｒｏｗｎ　Ｅｘｔｒａ。（康宁）￣ＨＣｏｌｏｒＭａｔｉｃ　ＩＱ＠（罗敦思德）　等。　善｝　根据将有机变色材料加入镜片基材方式的不同，变　色镜片有３种主要生产工艺：　①基变技术（ｐｈｏｔｏ　ｃａｓｔ　ｉｎ）　基变技术的特点是将变色染料与镜片原材料（单　体）均匀混合，固化后得到具有变色能力的镜片。　删　Ａ　Ｂ　．．●Ａｂｓｍｐｕｏｎ　—－—■　Ｆ珏Ｋ《　埘∞　－－・－　Ｎｏｎｒａｄｉａ｜ｉ悖Ｄｅｃａｙ　、ＣｏｎｖｃｒｓｉｅａｏｆＡｔｏＢ　｝’　　ｃｘｃｉｔｆ￣ｏｒ　ｓｔａｔｅ　ｅｏｎｖｃｒｓｍｎｏｆＡｔｏＢｍ　图４基变镜片的变色过程　②膜变技术（ｐｈｏｔｏ—ｃｏａｔｉｎｇ／ｔｒａｎｓ～ｂｏｎｄｉｎｇ）　膜变技术通常在镜片基材上覆上粘合层　（ｐｒｉｍｅｒ），经预烘干之后，再均匀涂覆一层含变色染　料及交联树脂的变色层。在具体实施中，粘附层可与变　色层整合，同时涂覆。　淞　ｒ　非所有镜片材料都有吸附染料的能力，应用范围卡日对较　　ｌ　ｌ—　■—　■　…一一　窄。　　ｌ　｝Ｌ—一—　莲材ｆＳＵＢＳＴＰ，ＡＴＥｌ　４总结与展望　图５膜变镜片的典型构成　木文基于对光致变色材料变色原理的理解，对光致　③埋入式变色（ｉｍｂｉｂｉｎｇ）　变色镜片的特性技生产丁艺进行了介绍和探讨。从总体　埋入式变色是指和加热的情况下，将变色材料吸附　来看，光致变色材料具有可逆转化和颜色变化的共『生。　进镜片基体的过程。大部分变色染料位于镜片表层，与　其转化过程可分为辐照强度敏感犁和温度敏感型，光致　膜变技术卡几似。　变色镜片中所使用的变色染料由多种光致变色分子组　以上３类工艺各具特点：膜变和埋入式的变色反应　成，同时具备ｊ－述两种类型的特点。变色镜片的生产Ｔ　发生在镜片表层，变色层很薄且浓度高，具有变色速　艺有基变技术、膜变技术和埋入式变色３种，其特点特　腰快、颜色深和复原迅速的优势。但　时也存存一　艺复　性均柑所不同。　杂、缺陷难控制以及良品率低的问题。綦变技术较为简　纵观变色材料和镜片的发展历程，术来变色镜片的　单，设备资金投入少，变色材料均匀分布于整片镜片　发展方向在Ｔ增强性能以提供更好的客户体验。从技术　中，颜色表现更为均匀，然而变色染料对紫外线具有高　角度米说则是速度更快、温度敏感性更低以７支附加各类　吸收度的特性，变色同样发生存镜片浅表层，从而发生　功能属性如变色偏光镜片、车内变色片　等。鉴于“变色　变色反应的染料浓度无法与前者ｆＨ比，体现　变色速度　快复原慢”的特性，如何提升镜片复原速度也将成为未　较慢、深度较浅的特点。对于埋入式变色技术，Ｆ矗于并　来研究的重点。口　波前像差仪及应用　前景　文／陶会荣　１波前像差　波前　ｆ－ｆ从物点发　的波而经过理想光学系统之后，其出射　Ｉ（　Ｉ、　一　一　波而应该是球面，但是…于实际光学系统存在像差，导　．　……～～。：　ｔ，…一　ｌ　致实际波面与理想波而之间出现了偏　。波前是光波连　续性的同桕表而，昕　波前像差（波阵而像差）【Ｊ『Ｊ实际　・≤　：，　一一－．　…一…　一－－－－…　…　波前与理想波前之间的偏差，如图１所示。像差的形成　取决于所经过的光学系统的原理或光学系统的缺陷。　图１波前像差示意图　２０１７　９中国眼镜科技杂志１　３３