通用塑料有机玻璃研究进展2

通用塑料有机玻璃研究进展

摘要：PMMA 作为一种通用材料，由于其良好的透光性，优良的耐气候性和电绝缘性，已广泛应用在航空、宇航、汽车、船舶用防弹玻璃、窗玻璃、仪表配件、坐舱盖、信号灯、指示灯、光学器具，如眼镜、放大镜及各种透镜等。目前，全国各地加快了城市建设步伐，街头标志、广告灯箱等，所用材料中有相当一部分是PMMA 树脂。其巨大的应用前景已经得到充分的认识。本文介绍了其基本结构与性能及应用。

关键词：有机玻璃；通用塑料；聚合物；聚甲基丙烯酸甲酯性能；应用；透明度；加工工艺；分子量；热塑性

1 引言

PMMA 是以丙烯酸及其酯类聚合所得到的聚合物统称丙烯酸类树酯，相应的塑料统称聚丙烯酸类塑料，其中以聚甲基丙烯酯甲酯应用最广泛。所以一般情况下PMMA 指的就是聚甲基丙烯酸甲酯。PMMA 俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中性质最优异价格最便宜的品种。聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃是一种开发较早的重要热塑性塑料，由于其具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性等特点而深受广大消费者的青睐。用PMMA 做成的玻璃遍布我们生活的诸多领域。 2 PMMA的基本结构

聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methylacrylate, PMMA)是由是由甲基丙烯酸甲酯单体聚合而成。平均分子量50-100万。根据聚合机理的不同，PMMA 有四种不同的构型：无规立构、全同立构、间同立构、立构规整，性能也有所不同。 分子式：-[CH2C(CH3)(COOCH3)]n -

分子结构图：

聚甲基丙烯酸甲酯是含70%~75%间同立构的线性热塑性高聚物。因为它不具有完全的规整结构，而且有庞大的侧基，因此是无定形的。如果采用配位聚合也可以得到全同产构或间同立构聚甲基丙烯酸甲酯【6】 。

3 PMMA的历史

有机玻璃的研究开发，距今已有一百多年的历史。1872年丙烯酸的聚合性始被发现；1880年甲基丙烯酸的聚合性为人知晓；1901 年丙烯聚丙酸脂的合成法研究完成；1927年运用前述合成法尝试工业化制造；1937年甲基酸脂工业制造开发成功，由此进入规模性制造。 二战期间因有机玻璃具有优异的强韧性及透光性，首先，被应用于飞机的挡风玻璃，坦克司机驾驶室的视野镜。1948年世界第一只有机玻璃浴缸的诞生，樗着压克力的应用进入了新的里程碑。

4 PMMA的合成与加工工艺

工业上合成有机玻璃一般有悬浮聚合法、溶液聚合法、本体聚合法、乳液聚合法。聚合方法的选择一般可以根据半成品的状态、产品的用途，或者采用的加工过程来确定。比如，浇铸成型一般采用本体聚合。加工工艺又可以采用浇铸、注塑、挤出、热成型等工艺。

4.1 浇铸成型

浇铸成型用于成型有机玻璃板材、棒材等型材，即用本体聚合方法成型型材。浇铸成型后的制品需要进行后处理，后处理条件是60℃下保温2h ， 120℃下保温2h 【1】 。

4.2 注塑成型

注塑成型采用悬浮聚合所制得的颗粒料，成型在普通的柱塞式或螺杆式注塑机上进行。注塑制品也需要后处理消除内应力，处理在70-80℃热风循环干燥箱内进行，处理时间视制品厚度，一般均需4h 左右。

4.3 挤出成型

聚甲基丙烯酸甲酯也可以采用挤出成型，用悬浮聚合生产的颗粒料制备有机玻璃板材、棒材、管材、片材等，但这样制备的型材，特别是板材，由于聚合物分子量小，力学性能、耐热性、耐溶剂性均不及浇注成型的型材，其优点是生产效率高，特别是对于管材和其它用浇注法时模具【1】。难以制造的型材。挤出成型可采用单阶或双阶排气式挤出机，螺杆长径比一般在20-25mm 。

4.4 热成型

热成型是将有机玻璃板材或片材制成各种尺寸形状制品的过程，将裁切成要求尺寸的坯料夹紧在模具框架上，加热使其软化，再加压使其贴紧模具型面，得到与型面相同的形状，经冷却定型后修整边缘即得制品。加压可采用抽真空牵伸或用对带有型面的凸模直接加压的方法【1】。采用快速真空低牵伸成型制品时，宜采用接近下限温度，成型形状复杂的深度牵伸制品时宜采用接近上限温度，一般情况下采用正常温度。

5 PMMA的性能 5.1光学性能

PMMA 是目前最优良的高分子透明材料，可见光透过率达到92%，比玻璃的透光度高很多。主要原因是PMMA 是无定形高聚物，其内部分子的排列方式不致干扰进入它的光线在各个部分通过时的速度，因而能使光线都以相同速度前进（即均一的折光指数），根本不会使光线四面分散互相干扰。所以PMMA 具有优良的光学性能，高度的透光率（90-92%，和波长有关）。表面极光滑的片或棒材，在弯曲到一定限度内也能将从一端射入的光线全部在其内部反射前进，最后从另一端射出，就好象水在管子里流过一样（一定的弯曲度是指弯曲后的位置和原来位置所成的角度，不能超过42°；弯曲呈弧形时，弧形半径必须大于棒直径或片材厚度的3倍）。但当其表面某部分磨毛时，光线就可从这里逸出而显示出光亮。可以利用这种特性来制造边缘发光装置、外科医疗器具等【2】。另一方面，在照射紫外光的状况下，与聚碳酸酯相比，PMMA 具有更佳的稳定性。

5.2热性能

PMMA 的耐热性不够好，使用温度仅80℃。但是，我们可以通过改性来改变其Tg 。比如，可通过其单体与双酯基丙烯酸乙二醇酯或甲基丙烯酸丙烯酯等共聚、交联，以提高耐热性。PMMA 的比热比大多数热塑性塑料都低，有利于它快速受热塑化。另外它还具有一定的耐寒性，在低温-50~-60℃下，冲击强度变化很小。

5.3力学性能

聚甲基丙烯酸甲酯具有良好的综合力学性能，在通用塑料中居前列，拉伸、弯曲、压缩等强度均高于聚烯烃，也高于聚苯乙烯、聚氯乙烯等，冲击韧性较差，但也稍优于聚苯乙烯。浇注的本体聚合聚甲基丙烯酸甲酯板材拉伸、弯曲、压缩等力学性能更高一些，可以达到聚酰胺、聚碳酸酯等工程塑料的水平。

一般而言，聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸强度可达到50-77MPa 水平，弯曲强度可达到90-130MPa ，这些性能数据的上限已达到甚至超过某些工程塑料。其断裂伸长率仅 2%-3% ，故力学性能特征基本上属于硬而脆的塑料，且具有缺口敏感性，在应力下易开裂，但断裂时断口不像聚苯乙烯和普通无机玻璃那样尖锐参差不齐。40℃ 是一个二级转变温度，相当于侧甲基开始运动的温度，超过40℃ , 该材料的韧性，延展性有所改善【5】。聚甲基丙烯酸甲酯表面硬度低，容易擦伤。

聚甲基丙烯酸甲酯的强度与应力作用时间有关，随作用时间增加，强度下降。经拉伸取向后的聚甲基丙烯酸甲酯（定向有机玻璃）的力学性能有明显提高，缺口敏感性也得到改善。

5.4电性能

聚甲基丙烯酸甲酯由于主链侧位含有极性的甲酯基，电性能不及聚烯烃和聚苯乙烯等非极性塑料。甲酯基的极性并不太大，聚甲基丙烯酸甲酯仍具有良好的介电和电绝缘性能。值得指出的是，聚甲基丙烯酸甲酯乃至整个丙烯酸类塑料，都具有优异的抗电弧性，在电弧作用下，表面不会产生碳化的导电通路和电弧径迹现象。20℃是一个二级转变温度，相应于侧甲酯基开始运动的温度，低于20℃，侧甲酯基处于冻结状态，材料的电性能比处于20℃以上时会有所提高【7】。

5.5 耐化学药品性及耐溶剂性

PMMA 具有一定的耐化学腐蚀能力，但随温度升高而减弱。对气体的耐化学腐蚀能力较强，长期和臭氧、二氧化硫接触，未出现被腐蚀情况；氯气能腐蚀其表面。能溶解于乙酸乙酯或丁酯、冰醋酸、氯仿和苯等中；能吸附各种醇类有机化合物，使体积膨胀，表面粗糙发毛，但不溶于脂肪族化合物中【2】。

5.6 耐候性

聚甲基丙烯酸甲酯具有优异的耐大气老化性，其试样经4年自然老化试验，重量变化，拉伸强度、透光率略有下降，色泽略有泛黄，抗银纹性下降较明显，冲击强度还略有提高，其它物理性能几乎未变化。

6 有机玻璃的应用

有机玻璃性格一般比普通玻璃倔强得多。它的密度尽管比普通玻璃小一半，但不像玻璃那样容易破碎。它的透明度十分好，晶莹剔透，并且具有很好的热塑性，把它加热，就能任意把它塑成玻璃棒、玻璃管或玻璃板，正由于它有惹人喜爱的外貌以及性格，所以它的用途很广。

6.1 在建筑方面

有机玻璃是开发较早的一种重要热塑性塑料，具有透明性、稳定性和耐候性，易染色、易加工，外观优美，在建筑业中有着广泛的应用。有机玻璃主要应用于采光体、屋顶、棚顶、楼梯和室内墙壁护板等方面。近年来，有机玻璃在高速公路和高级道路的照明灯罩和汽车灯具方面的应用也相当快。随着大城市饭店、宾馆和高级住宅的兴建，采光体发展迅速，采用有机玻璃挤出板制成的采光体具有整体结构强度高、自重轻、透光率高和安全性能好等特点，与无机玻璃采光装置相比，具有很大的优越性【4】。目前，美国和日本已在法律中作出强制性规定，中小学和幼儿园建筑必须采用有机玻璃。随着我国法律的不断完善，预计在不久的将来也会作出相应的规定。同时，我国各地加快了城市建设步伐，采用有机玻璃制作的街头标志、广告灯箱和电话亭等也将大量出现，因而有机玻璃发展空间很大，市场前景十分广阔【9】！

6.2 在卫生洁具方面

有机玻璃可制作浴缸、洗脸盆、化妆台等产品。由于有机玻璃浴缸具有外观豪华、有深度感、容易清洗、强度高、质量轻和使用舒适等特点，近年来得到了广泛的应用。

6.3 在高新科技方面

有机玻璃可以做成飞机座舱玻璃，比如战斗机座舱玻璃，在被子弹打中后不会整块玻璃破碎，这样就不会发生类似玻璃碎片伤人的事故了。还有普通玻璃的厚度超过15厘米，就会变成翠绿一片，并且隔着玻璃没法看清东西。有机玻璃隔着1米厚，还可以清晰地看清对面的东西。因为它的透光性能相当好，再加上紫外线也可以穿透，所以常用来制造光学仪器。

6.4 在医疗方面

有机玻璃另外有一个令人惊异的性能，一条弯曲的有机玻璃棒，只要弯度小于48度，光线就可以沿着它，像水通过水管一样投射过来。光线可以走弯路，多么有趣! 利用这个绝技，它就变成了制造外科传光玻璃仪器的珍品。因此，医生在手术室动手术的时候，就不用担心看不清楚了。 有机玻璃在医学上还有一个绝妙的用处，那就是制造人工角膜【8】。如果人眼的透明角膜长满了不透明的物质，光线就不能进入眼内。这就是全角膜白斑病引起的失明，而且这种病无法用药物治疗。

另外，有机玻璃还可以加工成各种特种玻璃。如光学有机玻璃、防射线有机玻璃及光盘级有机玻璃等在中国建筑业应用中尚属空白，有较大的发展余地。 7 结语

有机玻璃作为很有发展前途的高分子材料已经得到充分的认识，在绝缘材料

中和建筑结构材料方面的应用正不断扩大。在功能材料方面正崭露头角，其潜力仍在发掘中。但是在发展了100多年之后仍具有很广阔的发展空间，他们可以被做成板、管、棒、塑料等各种制品，在我们生活的各个领域都能将看到他的身影。每年他的产量都在增加，用途也在不断扩大，所以有机玻璃是一种很重要的通用塑料。我相信随着中国建筑法规的日益完善，PMMA 必将在更多的应用领域表现出较强的竞争力。

参考文献

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