基础知识
什么是吸水率？光学树脂尺寸与折射率随之变化的原因
塑料会随时间从空气或水中吸收水分，将其易吸水程度加以数值化的指标即为吸水率。吸水率高的树脂尺寸与强度会发生变化，光学部件中甚至连折射率也会发生变动。本文将从测定方法、树脂种类导致的差异，到成型现场的管理进行梳理。
📌 三行速览摘要
吸水率是因吸湿导致的质量增加率，JIS K 7209/ISO 62均以23℃水中浸泡24小时的数值为基准
同一树脂根据采用24小时值、饱和值还是平衡值，数值可相差2倍以上
吸水不仅会引起尺寸变化，还会使折射率发生变动，导致镜头焦距偏移
什么是吸水率？
吸水率是“因吸水而增加的质量比例”
吸水率是将树脂吸收水分的程度以质量变化表示的指标。塑料会随时间从空气或水中吸收水分，并保持在树脂内部。
计算方法是比较浸泡前后的质量，将增加量除以浸泡前的质量后乘以100，单位以%表示（JIS K 7209）。
“吸水”与“吸湿”，以及骨料的吸水率
在水中测定称为“吸水”，在潮湿空气中测定称为“吸湿”，两者虽分属同一标准范畴，但产品资料中往往统一标注为“吸水率”，引用时需加以注意。
此外，骨料与混凝土领域的“吸水率”是以表面干燥饱和状态下的含水量除以绝对干燥状态的质量得出，与树脂的定义不同。后文仅围绕树脂展开讨论。
吸水率的测定方法与规格
JIS K 7209与ISO 62的4种测试方法
在日本采用JIS K 7209（塑料—吸水率的测定方法），国际标准采用ISO 62，美国采用ASTM D570（JIS K 7209:2000与ISO 62相对应）。JIS规定的测试方法共有4种。
| 方法 | 测定条件 | 所得数值 |
|---|---|---|
| A法 | 在23±1℃水中浸泡24±1小时 | “吸水率”的代表值 |
| B法 | 在沸水中浸泡30±2分钟 | 用于短时间内评估吸水倾向 |
| C法 | 浸泡后重新干燥并加以修正 | 排除水溶性成分后的数值 |
| D法 | 在23±1℃、湿度50±5%条件下放置24±1小时 | “吸湿”一侧的数值 |
出处：JIS K 7209:2000
美国的ASTM D570中，23±1℃、24小时同样是标准条件，物性表中会一并标注试样厚度，如“24小时、3.2mm厚”。
区分24小时值、饱和值与平衡值
即使是同一树脂，根据测定条件的不同，也会得出以下三种不同的数值。
24小时值：在23℃水中浸泡24小时后的数值，产品资料中的代表值
饱和值：浸泡至不再吸水为止的数值，高于24小时值
平衡值：在规定湿度空气中达到平衡时的数值，接近实际使用环境
某聚碳酸酯（PC）的物性表中同时标注了饱和值0.3%（23℃水中）与平衡值0.12%（23℃、湿度50%），同一材料的数值相差2.5倍。尼龙66也存在类似情况：24小时值为1.5%，但市面上流传着未注明条件的8.4%这一数值。
比较主要树脂的吸水率
各树脂吸水率比较
下面列出代表性树脂的吸水率及其测定条件。条件不同的数值不能简单地并列比较。
| 树脂 | 吸水率 | 测定条件 |
|---|---|---|
| 尼龙6（PA6） | 2.90% | ASTM D570、23℃水中24小时、3.2mm厚 |
| 尼龙66（PA66） | 1.50% | ASTM D570、23℃水中24小时、3.2mm厚 |
| 亚克力（PMMA） | 2.0% | 饱和吸水率 |
| 聚碳酸酯（PC） | 0.3%／0.12% | ISO 62、23℃水中的饱和值／23℃湿度50%的平衡值 |
| 聚甲醛（POM） | 0.22% | ASTM D570、23℃水中24小时 |
| PBT | 0.1%以下 | 无标准与条件公开数据（参考值） |
| COP／COC | 0.01%未满 | 厂商公开值，测定条件未标注 |
出处：Mitsuboshi Belting、Covestro、Wilco、米思米（MISUMI）、日本瑞翁（ZEON）各公司公开资料，以及河合宏政《光学用塑料材料》，光学 24(2)，1995
若仅限于光学树脂，饱和吸水率的顺序为PMMA 2.0%＞PCHMA 1.2%＞ARTON 0.5%＞PC 0.4%＞PS 0.1%＞COP不足0.1%（河合，1995）。虽为1995年的文献数值，并非现行牌号的数据，但仅树脂种类之间就存在一个数量级以上的差异。
树脂产生差异的原因
造成差异的因素是分子结构中是否含有氧原子，这源于水分子容易与氧原子结合的特性。
0.1%以下：不含氧（PE、PP、氟树脂、PS）
0.1%~1%：因酯键、醚键而含氧（PC、PET、亚克力、POM）
1%以上：因羟基（OH）而含氧，或含有酰胺键（尼龙）
分子链规则排列的结晶区域中水分子难以侵入，因此结晶度也会影响吸水率（旭化成Delpet技术资料）。
吸水后会发生什么
尺寸发生变化，强度随之下降
吸水后的树脂会发生膨胀。某丙烯酸树脂的资料显示，在20℃下湿度从0%变化到100%时，尺寸约变化0.4%，相当于1m部件约4mm的变化。不过该变化较为缓慢，厚度3mm的试样需要30天以上才能趋于稳定。
强度也会下降。这是因为渗入的水分子会削弱高分子链之间的结合，起到增塑剂（使材料变软的添加剂）的作用。据报告，拉伸应力可从约75MPa（含水0%）下降至约60MPa（含水1.6%）（旭化成Delpet技术资料），吸水后的树脂通常玻璃化转变温度（Tg）也呈下降趋势。
成型时会发生水解
含有酯键的树脂（PET、PBT等）以及含有碳酸酯键的PC，在热与水同时作用下会发生键的断裂。这称为水解，分子链变短会导致强度下降。聚酯类树脂在成型时熔融树脂温度达到250~320℃，因此即使是微量水分也会使水解发生（近藤，1996）。这是含有此类化学键的树脂共有的特性，因此成型前的干燥必不可少。
光学部件中折射率会发生变化
这是光学部件特有的问题。吸湿不仅会使形状发生膨胀，还会使折射率本身发生增减，从而使焦距和波前像差发生变动。
当湿度按99%→7%→99%变化时，曾出现塑料光学系统的焦点位置移动达数百μm的案例（河合，1995）。而且这种变化是缓慢的时效性变化，不具备温度变化那样的线性可逆性，是难以通过事后校正来规避的变化。
成型现场的实务：预干燥与含水率
“吸水率”与“临界含水率”是两种不同指标
产品资料中的吸水率以%为单位，但成型时须遵守的含水率数量级相差两位数。这称为临界含水率，超过该值会提高水解风险。
| 树脂 | 临界含水率 | 平衡含水率（20℃、湿度65%） |
|---|---|---|
| PC | 0.02% | 0.10~0.20% |
| PET | 0.02% | 0.10~0.15% |
| PBT | 0.05% | 0.08~0.10% |
| PMMA | 0.10% | 0.20~0.40% |
出处：近藤，1996
PC的临界含水率为0.02%，相当于10kg粒料中所含水分需在2g以下的水平，因此无法通过称重直接管理，只能通过干燥机的运行条件加以管理。
未出现银纹但强度已下降
若使用干燥不足的材料进行成型，水分会因加热而变为水蒸气，在表面形成银白色条纹。这称为银纹，是干燥不足的标志。
不过，这一现象适用于PS、尼龙等临界含水率相对较大（0.1%~0.2%）的树脂。PC、PET的临界含水率较低，为0.02%~0.05%，即使超过该值，外观上也不会出现变化。由于PC水解仅生成无色无味的二氧化碳，成型过程中难以察觉异常，有时会在出厂后才显现为强度不足（近藤，1996）。银纹未出现并不代表干燥已经充分。
预干燥及其运用中的陷阱
通用聚碳酸酯通常以注塑成型前残留水分0.02%以下为标准，在120℃下进行干燥。精密光学部件则需要更严格的管理。Iupizeta EP推荐的干燥条件为120℃下干燥6小时以上，残留含水率低于0.01%（因牌号而异）。
厂商给出的干燥条件，前提是刚拆开防潮袋的全新粒料。开封后放置的粒料、混有色母粒的物料、回收料、粉碎料均已吸收水分，按相同条件干燥会导致干燥不足（近藤，1996）。
光学用途中低吸水性至关重要的原因
温度的影响可以校正，但吸湿难以校正
由温度引起的折射率变化，在实用温度范围内具有可逆性与线性，因此可以在设计和校准中予以考虑。而吸湿引起的变化进展缓慢，其恢复方式也并非线性（河合，1995）。无论成型精度多高，只要材料本身因湿气而发生变化，精度就无法保持。
Iupizeta EP的定位
Iupizeta EP是一款以高折射率、低双折射、高耐热性为特点的特殊聚碳酸酯树脂，具备折射率1.616~1.671、阿贝数19.2~25.8、玻璃化转变温度（Tg）140~145℃的多种牌号。
应用领域包括智能手机摄像头、车载摄像头、XR设备等，这些领域的小型镜头既要求高精度，又会暴露在环境变化之中。
总结
阅读吸水率数据时的3个检查点
在参考数值之前，确认标准与条件（24小时值／饱和值／平衡值、厚度）
除尺寸与强度外，光学部件还需预判折射率的漂移
成型时应以临界含水率而非吸水率为基准来设定干燥条件
水解的机理详见聚酯树脂水解专栏，干燥条件详见预干燥专栏。
关于Iupizeta EP
Iupizeta EP是三菱瓦斯化学开发的光学用特殊聚碳酸酯树脂。通过200余种单体的组合，可根据用途设计折射率、阿贝数与耐热性。如需详细的物性数据或洽谈样品提供，欢迎通过官方网站的咨询表单随时与我们联系。
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