Optische Eigenschaften von Polymeren

Die optischen Eigenschaften eines Materials werden durch die Art der Wechselwirkungen mit dem einfallenden Licht bedingt. Beim "gewöhnlichen" sichtbaren Licht handelt es sich um so genannte elektromagnetische Wellen im Wellenlängenbereich von 400 bis 800 nm. Jeder Wellenlänge kann auch eine Frequenz zugeordnet werden. Bei elektrisch nicht-leitenden und nicht-magnetischen Stoffen - d.h. bei nahezu allen Polymeren - reduziert sich die Wechselwirkung zwischen Materie und sichtbarem Licht näherungsweise zur Wechselwirkung eines elektrischen Feldes mit den Elektronen des Materials. Es resultieren hieraus eine Reihe von grundlegenden physikalischen Phänomenen, die dann die optischen Materialeigenschaften ausmachen. Lichtbrechung: Auf ein transparentes Medium auftreffendes Licht wird beim Ein- und Austritt in das Material winkelabhängig nach bestimmten Gesetzen abgelenkt. Aus diesem Befund wird ein so genannter Brechungsindex n (Wellenlängenabhängig) für das betreffende Medium definiert. Beispiel: Aufspaltung von Spektralfarben am Prisma; Regenbogen am Himmel. Durch komplexe ektrodynamische Betrachtungen kann man zeigen, dass n für die meisten Polymere aufgrund des ähnlichen chemischen Aufbaus ("lange Kohlenstoffkette") im Bereich von n = 1,5 ± 0,2 liegt (Abweichungen entstehen durch das Vorhandensein größerer Seitengruppen oder bestimmter funktioneller Gruppen. N nimmt außerdem mit steigendem Kristallisationsgrad zu. Reflexion: An den Grenzflächen des Polymers (z.B. Oberflächen) treten beim Eintritt des Lichts winkelabhängige Reflexionsverluste auf. Je mehr die Lichteinfallsrichtung von der Senkrechten zur Oberfläche abweicht, um so stärker wird das Licht reflektiert, statt gebrochen. Beispiel: Lichtleitung in Glasfaserkabeln. Das Reflexionsvermögen steigt mit dem Brechungsindex.

• Der Glanz eines Materials ist eine Konsequenz aus dem Reflexionsvermögen eines Stoffes und wird als Verhältnis der Probenreflexion und der Reflexion eines Standardmaterials (unter gleichen Einstrahlbedingungen) definiert .
• Das Glitzern eines Materials resultiert aus Glanzerscheinungen, bedingt durch erhöhte und gerichtete Lichtreflexion und/oder besonderer Farb- oder Intensitätskontraste.
• Bei senkrechtem Lichteinfall (minimale Reflexion) können, je nach Brechungsindex, maximal ca. 95% des Lichts in die Probe eindringen. Diese Transparenz eines Polymers wird nur selten erreicht, da im Polymer zusätzlich Streuungen und Absorptionen auftreten, die die Lichtintensität beim Gang durch den Werkstoff weiter abschwächen. Für eine betrachtete Probe kann man die "Lichtdurchlässigkeit" (so genannte Transmission) als Verhältnis von austretender Lichtintensität zur eingestrahlten Lichtintensität beschreiben. In der Technik unterscheidet man transparente Körper (Lichtdurchlässigkeit größer 90%) und transluzente Körper mit Lichtdurchlässigkeiten kleiner 90%; letztere sind auch bei geringen Schichtdicken klar. Lichtstreuung: Alles bisher gesagte gilt für optisch homogene Systeme. Bei optischen Inhomogenitäten (z.B. Verunreinigungen, Emulsionen) treten durch zusätzliche Wechselwirkungen mit der Lichtwelle weitere Effekte auf.
• Hierzu zählen z.B. Lichtstreuungserscheinungen, durch die ein Teil des Lichtes aus seiner ursprünglichen Richtung in alle Richtungen abgelenkt wird. Beispiel: Lichtabschwächung des Autoscheinwerfers im Nebel durch Streuung an kleinen Wassertröpfchen. Durch Lichtstreuung an ihrem Kristallgitter erscheinen kristalline oder teilkristalline Polymere nicht transparent. Beispiel: Polyethylen, Polypropylen, Polyphenylensulfid. Amorphe Polymere dagegen zeigen uneingefärbt Transparenz. Beispiel: Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat (Plexiglas), Polysulfon. Durch nachträgliche Orientierung der Moleküle durch "Verstreckung" kann man dieses Phänomen sehr schön beobachten (Weißbruch).
• Ein das Licht streuender Körper erscheint opak, wenn entweder lokale Schwankungen des Brechungsindex und/oder Schwankungen der Orientierungen (bei richtungsabhängigen Strukturen) vorliegen. Entscheidend ist hierbei, dass diese Inhomogenitäten größer als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts sind.