樹脂眼鏡片生產(chǎn)流程(上)

茹占軍 謝家興/文

樹脂眼鏡片生產(chǎn)流程(上)

茹占軍1謝家興2/文

本文以CR-39為例介紹了成鏡（或現(xiàn)片）和車房眼鏡片從注塑到研磨成形、磨邊、拋光、染色、加硬和鍍膜的生產(chǎn)流程。對(duì)各個(gè)工藝過程所涉及的理論背景知識(shí)作了說明。在相關(guān)的工序中對(duì)一些重要的檢測(cè)方法進(jìn)行了圖文并茂的說明，也較全面地介紹了鏡片生產(chǎn)過程中需要注意的問題。

眼鏡片；生產(chǎn)流程；加硬；減反射

1 樹脂鏡片材料的介紹

盡管我們偶爾會(huì)看到有把天然水晶作為眼鏡片的材料的情況，但制造眼鏡片的材料主要還是玻璃和樹脂兩大類。

1.1 玻璃鏡片材料

玻璃屬于無機(jī)材料，是非常特殊的不定型材料，在常溫下呈現(xiàn)固體，堅(jiān)硬但易碎，在高溫下具有粘性。

玻璃沒有固定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，因而沒有確切的熔點(diǎn)。玻璃在高溫時(shí)（1500℃）可以被加工和鑄型。玻璃材料制成的鏡片具有良好的透光性、表面拋光后更加透明的優(yōu)點(diǎn)。

玻璃材料按照折射率分為：標(biāo)準(zhǔn)冕牌玻璃片（standardcrown），折射率為1.523，是傳統(tǒng)光學(xué)鏡片的制造材料；高折射玻璃片，用于制造高屈光力鏡片。因?yàn)楦哒凵渎淑R片比標(biāo)準(zhǔn)冕牌鏡片更薄，外形更美觀，因此更受青睞。

玻璃鏡片按照吸收屬性分為：透明玻璃片，無變色，無著色，具有良好透光性能；單色吸收鏡片，在玻璃材料中混合入一些具有特殊吸收性質(zhì)的金屬鹽后會(huì)表現(xiàn)出著色的效果，例如：加鎳和鈷（紫色），鈷和銅（藍(lán)色），鉻（綠色），鐵、鎘（黃色），金、銅和硒（紅色）等等；光致變色玻璃鏡片，光致變色現(xiàn)象是通過改變材料的光線吸收屬性，使材料對(duì)太陽光強(qiáng)度作出反應(yīng)。它的基本原則是使普通的玻璃（包括塑料光致變色材料）在紫外線輻射的影響下顏色變深，以及在周圍高溫的影響下顏色變淡，這兩個(gè)過程是可逆的，而且可能一直存在。這一現(xiàn)象是通過激活在材料中混合的光致變色物質(zhì)的分子而完成的。

1.2 樹脂鏡片材料

樹脂屬于有機(jī)材料。有機(jī)材料一般指光學(xué)樹脂介質(zhì)材料，具有密度小、抗沖擊、易加工、有良好的光透射比、受熱易變形、耐磨性較差等特點(diǎn)，依加熱性質(zhì)分為兩大類: 熱固性材料與熱塑性材料。

1.2.1 熱固性材料

熱固性材料具有加熱后硬化的性質(zhì)，受熱不會(huì)變形，眼鏡片大部分以這種材料為主，最普遍的是CR-39。

1.2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)樹脂材料:CR-39

CR-39的主要化學(xué)成分為丙烯基二甘醇碳酸酯(AllylDiglycolCarbonate，簡(jiǎn)稱ADC)。它于20世紀(jì)40年代被美國(guó)化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是美國(guó)空軍所研制的一系列聚合物中的第39號(hào)材料，因此被稱為CR-39。它是一種熱固性材料，單體呈液態(tài)，在加熱和加入催化劑的條件下聚合固化而成。

作為光學(xué)鏡片，CR-39的折射率為1.498(接近普通玻璃鏡片)，密度為1.32 g/cm3，色散系數(shù)為57.8，抗沖擊，光透射比為92%，可以進(jìn)行染色和鍍膜處理，也非常適用于非球面鏡片的生產(chǎn)。

1.2.1.2 中高折射率樹脂鏡片材料

這些材料是通過對(duì)CR-39進(jìn)行改良后使得材料的折射率發(fā)生改變的。這些改良方式主要是：改變?cè)肿又械碾娮咏Y(jié)構(gòu)，如引入苯環(huán)；在原分子中加入重原子，如鹵素或硫。

圖1 CR-39分子結(jié)構(gòu)

該材料制造工藝與CR-39大體一致，鏡片更輕、更薄，密度與CR-39相近(1.20～1.40 g/cm3)，但色散較大(阿貝數(shù)為45)，抗熱性能較差。

1.2.2 熱塑性材料

熱塑性材料具有加熱后軟化的性質(zhì)，尤其適合熱塑和注塑，PMMA和聚碳酸酯（polycarbonate, PC）就是這種材料。

1.2.2.1 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

俗稱有機(jī)玻璃，是一種熱塑性材料。折射率為1. 491，色散系數(shù)為57.6，光透射比在92%以上，密度為1.19 g/cm3，耐老化性能較好，受熱易變形，耐磨性、對(duì)紫外線吸收作用比較差。由于這些缺點(diǎn)該材料很快就被CR-39所替代。

1.2.2.2 聚碳酸酯

PC鏡片為聚碳酸酯樹脂鏡片，是直線無定型結(jié)構(gòu)的熱塑聚合體，具有很多光學(xué)性能方面的優(yōu)點(diǎn)。該材料抗沖擊性強(qiáng)，加厚后俗稱防彈玻璃，抗沖擊性是CR-39的10倍以上; 耐磨; 折射率高，為1.587; 光透射比也可達(dá)85%～90%;非常輕(密度為1.20 g/cm3); 也比較薄; 能阻止385 nm以下的紫外線;耐高溫(軟化點(diǎn)為140℃); 阿貝數(shù)較低(為31)。

2 樹脂鏡片現(xiàn)片生產(chǎn)

樹脂鏡片的生產(chǎn)主要包括3部分：?jiǎn)误w配制、模組澆注和聚合固化。

圖2所示為自動(dòng)澆注機(jī)的樹脂鏡片澆注流程。

圖2 樹脂鏡片澆注流程

制造樹脂鏡片的主要原料是烯丙基二甘醇二碳酸酯。由膠圈固定玻璃模具的相對(duì)位置，兩片玻璃模具的澆注面和膠圈內(nèi)緣形成澆注形腔。 鏡片的前后表面由玻璃模具成型。型腔內(nèi)填充單體CR-39，經(jīng)一定的溫度和時(shí)間使液體單體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而固化。在玻璃模具和膠圈分離之后，便生產(chǎn)出所需鏡片。圖3為CR-39樹脂鏡片的生產(chǎn)工藝流程。

圖3 CR-39鏡片生產(chǎn)工藝圖

第一步，先將模具和和膠圈按照要求進(jìn)行組合并澆注。組合方法有兩種，一是膠帶法，二是密封圈法。膠帶法是采用膠帶模具組合機(jī)實(shí)施，先將清洗合格的配伍模具自動(dòng)定位，然后在模具邊緣用聚酯膠帶自動(dòng)環(huán)繞一周即可。密封圈法則是手工將一對(duì)洗凈合格的模具，分別安裝在與之對(duì)應(yīng)尺寸和規(guī)格的、并且已經(jīng)處理好的密封圈兩側(cè)，密封圈則是采用可塑的、彈性較好的耐溫高分子材料進(jìn)行注塑成型，一般選用EVA(聚乙烯醋酸乙烯酯)PVC(高分子量聚氯乙烯)LDPE(低密度聚乙烯即高壓聚乙烯)LDPE-EVA(混合料)。

圖4 澆注構(gòu)造

從單體到聚合的過程中，材料會(huì)有約14%的收縮變化，而且大概一半左右的收縮發(fā)生在材料處于液態(tài)時(shí)。然而，更大的問題出現(xiàn)在另一半的收縮變化中。因?yàn)檫@時(shí)的材料已經(jīng)開始變得更加剛性了。對(duì)于一些邊緣和中心厚度差異大的鏡片，前后模具和膠圈必須能夠彎曲以防止鏡片和模具分離。

澆注時(shí)將其從密封圈注入孔注入到已裝配好的玻璃模具中，并以充滿、不溢出和無氣泡為準(zhǔn)，然后在注入孔塞上密封塞。如果是膠帶密封模具，則在膠帶搭界處掀起膠帶露出一定空隙。

圖5 自動(dòng)澆注機(jī)

第二步，進(jìn)行第一次固化，將充填好的模具送到固化爐(加熱爐)中，同時(shí)要根據(jù)不同規(guī)格的產(chǎn)品，設(shè)定不同的固化曲線(時(shí)間-溫度曲線)，并輸入升溫控制程序，經(jīng)過一定時(shí)間和加熱，CR-39預(yù)聚體繼續(xù)進(jìn)行聚合反應(yīng)，最終由粘稠的液體聚合為透明的固體。

第三步是開模和磨邊。一次固化后，將形態(tài)像“三明治”的鏡片模具組的膠帶或膠圈扒掉; 其次，用離型器把一側(cè)的玻璃模具和鏡片分離開; 再次，用吹槍的壓縮空氣把鏡片和另一玻璃模具分離; 最后，分別把鏡片和玻璃模具送去磨邊和清洗(或入庫(kù))。扒下的膠圈回收處理、循環(huán)使用，膠帶則只能使用一次。將離型后的樹脂鏡片在自動(dòng)磨邊機(jī)上進(jìn)行磨邊處理，使鏡片的邊緣變得光滑、美觀。為了取得更好的效果，也有人進(jìn)行拋光處理。這對(duì)于進(jìn)行加硬和鍍膜深加工十分必要。

第四步，進(jìn)行鏡片清洗。磨邊后的鏡片表面由于存在未反應(yīng)的CR-39和磨削下來的固體粉末，必須進(jìn)行清洗。一般情況都是采用清洗劑和溶劑在超聲波作用下進(jìn)行多次清洗，通常使用7槽以上的超聲波清洗機(jī)。

第五步，后固化。樹脂鏡片清洗干凈后，還要進(jìn)行熱固化，也稱為二次固化，后固化的目的主要有兩個(gè):一是消除內(nèi)應(yīng)力; 二是進(jìn)行表面修整(早期脫模較輕的樹脂鏡片，后固化后表面凹痕可以“流平”)。

第六步，檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目包括透光率、硬度、黃色指數(shù)、濁度、抗沖擊力、中心厚度等。對(duì)加硬和鍍膜片，還有鋼絲絨、膜附著力、鹽水煮沸等。其實(shí)還有很多在線檢測(cè)，如澆注階段的氣泡檢查、開模時(shí)的模組檢查、固化時(shí)的水分檢查以及磨邊時(shí)的外觀檢查等。

檢查過后的鏡片如果需要加硬或減反射鍍膜，則流入下一個(gè)車間進(jìn)行。對(duì)加硬和減反射鍍膜，將在后文介紹。

3 車房鏡片的生產(chǎn)流程

3.1 表面加工——粗磨成型

車房鏡片生產(chǎn)主要包括4部分：表面加工（機(jī)械加工和拋光，主要確定鏡片的度數(shù)、形狀、厚度等光學(xué)性能和外觀）；鏡片染色（可選的產(chǎn)品功能）；加硬鍍膜（可選的產(chǎn)品功能，主要是為了增強(qiáng)鏡片抗磨花性能）；減反射鍍膜（增加鏡片透光性，減小鏡面效應(yīng)和虛像以及眩光影響）。

首先，我們從表面加工部分介紹。圖6是典型的以CR-39為半成品的加工流程圖。主要包括：訂單處理（將客戶訂單轉(zhuǎn)化為可供車房生產(chǎn)的工單，可通過手工計(jì)算，也可應(yīng)用計(jì)算軟件）；上保護(hù)塊（為了保證鏡片加工時(shí)前表面不受損害）；粗、精切（鏡片成型，度數(shù)實(shí)現(xiàn)階段）；拋光（實(shí)現(xiàn)鏡片透明和高光潔度）；清洗（保證鏡片清潔，無拋光液污漬），和鏡片外觀和度數(shù)檢查（保證鏡片和處方要求一致）。

圖7 上保護(hù)塊機(jī)（Blocker）

圖8 上了保護(hù)塊的鏡片（A：低溫合金；B：保護(hù)塊；

下面對(duì)幾個(gè)重要流程進(jìn)行介紹。

3.1.1 訂單加工計(jì)算

對(duì)一般的鏡片加工，處方中與度數(shù)相關(guān)的就有數(shù)十個(gè)左右的參數(shù)。一些先進(jìn)的眼鏡生產(chǎn)商在計(jì)算加工參數(shù)時(shí)還考慮了鏡架的參數(shù)，這樣就會(huì)有超過20個(gè)參數(shù)。這樣的計(jì)算比較復(fù)雜，所以各大鏡片設(shè)備供應(yīng)商在提供磨邊機(jī)器的同時(shí)也可提供這類計(jì)算軟件，如德國(guó)的薩特隆（Satisloh）。

3.1.2 上保護(hù)塊

這個(gè)過程具有3個(gè)作用：第一，保護(hù)塊有夾具的作用，可以在磨邊時(shí)與磨邊機(jī)配合完成粗、精切過程;第二，可以實(shí)現(xiàn)棱鏡、偏心等功能，但該能力的有無以及強(qiáng)弱與生產(chǎn)商采用的設(shè)備有很大關(guān)系;第三，可以保護(hù)到鏡片非加工的一面。

3.1.3 粗、精切

該工序是實(shí)現(xiàn)鏡片形狀、度數(shù)、厚度的關(guān)鍵一步。機(jī)器的精度直接決定了產(chǎn)品的精度。隨著車床技術(shù)的發(fā)展，拋光前鏡片表面彎度（-6.00 D）矢高誤差小于0.005 mm，從而大大增加了鏡片度數(shù)方面的準(zhǔn)確性，可減少報(bào)廢。

這個(gè)過程有多種組合：大體有兩大類。第一種，粗切，然后粗拋（或稱為粗磨更合適），最后拋光；第二類，粗切，然后精切，最后拋光。

第一類，磨邊機(jī)設(shè)備中只有一個(gè)刀座或一種粗切（磨）刀。粗切（磨）后會(huì)經(jīng)過兩步拋光，預(yù)拋光和拋光。

在第二類中，鏡片切割的2個(gè)過程分別有不同類型的刀具完成。刀片一般為PCD（聚晶金剛石），或天然鉆石。金剛石刀具具有硬度高、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性，可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具的上述特性是由金剛石晶體狀態(tài)決定的。在金剛石晶體中，碳原子的4個(gè)價(jià)電子按四面體結(jié)構(gòu)成鍵，每個(gè)碳原子與4個(gè)相鄰原子形成共價(jià)鍵，進(jìn)而組成金剛石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的結(jié)合力和方向性很強(qiáng)，從而使金剛石具有極高硬度。由于聚晶金剛石（PCD）的結(jié)構(gòu)是取向不一的細(xì)晶粒金剛石燒結(jié)體，雖然加入了結(jié)合劑，其硬度及耐磨性仍低于單晶金剛石。但由于PCD燒結(jié)體表現(xiàn)為各向同性，因此不易沿單一解理面裂開。經(jīng)過粗、精切過程，鏡片可以直接進(jìn)行拋光處理而無需用粒度較大的拋光紙進(jìn)行預(yù)拋了。

圖9 一種粗/精切設(shè)備

圖10 高精度機(jī)床切鏡片近景圖（兩種刀具類型）

圖11 高精度機(jī)床切鏡片近景圖(左、右圖分別為粗切和精切過程)

（未完待續(xù)）

[1]翟佳， 姚進(jìn)．眼鏡學(xué)．北京：人民衛(wèi)生出版社，2004

[2]KelvinG. Wakefield. Bennett’sOphthalmicPrescriptionWork (fourthedition)． Woburn（美馬塞諸塞州）：Butterworth-HeinemannLinacreHouse，ReedEducationalandProfessionalPublishingLtd 2000

[3]于麗霞， CR-39 樹脂鏡片染色工藝的研究．塑料，2003 . 第63 期(32卷)

[4]眼鏡鏡片 第1部分 單光和多焦點(diǎn)鏡片， GB 10810. 1-2005

[5]Ophthal micop tics-Uncut finisheds pectacle lenses - Part 2 Specifi cations for progres sive powerlenses，ISO 8980-12004

作者單位：1.卡爾蔡司光學(xué)科技（廣州）有限公司2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院