聚甲基丙烯酸甲酯
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聚甲基丙烯酸甲酯
以丙烯酸及其酯類聚合所得到的聚合物統(tǒng)稱丙烯酸類樹酯，相應(yīng)的塑料統(tǒng)稱聚丙烯酸類塑料，其中以聚甲基丙烯酯甲酯應(yīng)用最廣泛。聚甲基丙烯酸甲酯縮寫代號為PMMA，俗稱有機(jī)玻璃，是迄今為止合成透明材料中質(zhì)地最優(yōu)異，價格又比較適宜的品種?！ ?/p>
目錄 |
性能
聚甲基丙烯酸甲酯是剛性硬質(zhì)無色透明材料，密度為1.18-1.19g/CM3，折射率較小，約1.49，透光率達(dá)92%，霧度不大于2%，是優(yōu)質(zhì)有機(jī)透明材料。
1.力學(xué)性能
聚甲基丙烯酸甲酯具有良好的綜合力學(xué)性能，在通用塑料中居前列，拉伸、彎曲、壓縮等強(qiáng)度均高于聚烯烴，也高于聚苯乙烯、聚氯乙烯等，沖擊韌性較差，但也稍優(yōu)于聚苯乙烯。澆注的本體聚合聚甲基丙烯酸甲酯板材（例如航空用有機(jī)玻璃板材）拉伸、彎曲、壓縮等力學(xué)性能更高一些，可以達(dá)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強(qiáng)度可達(dá)到50-77MPa水平，彎曲強(qiáng)度可達(dá)到90-130MPa，這些性能數(shù)據(jù)的上限已達(dá)到甚至超過某些工程塑料。其斷裂伸長率僅
2%-3% ，故力學(xué)性能特征基本上屬于硬而脆的塑料，且具有缺口敏感性，在應(yīng)力下易開裂，但斷裂時斷口不像聚苯乙烯和普通無機(jī)玻璃那樣尖銳參差不齊。40℃ 是一個二級轉(zhuǎn)變溫度，相當(dāng)于側(cè)甲基開始運(yùn)動的溫度，超過40℃ ,該材料的韌性，延展性有所改善。聚甲基丙烯酸甲酯表面硬度低，容易擦傷。
聚甲基丙烯酸甲酯的強(qiáng)度與應(yīng)力作用時間有關(guān)，隨作用時間增加，強(qiáng)度下降。經(jīng)拉伸取向后的聚甲基丙烯酸甲酯（定向有機(jī)玻璃）的力學(xué)性能有明顯提高，缺口敏感性也得到改善。
聚甲基丙烯酸甲酯的耐熱性并不高，它的玻璃化溫度雖然達(dá)到104℃，但最高連續(xù)使用溫度卻隨工作條件不同在65℃-95℃之間改變，熱變形溫度約為96℃（1.18MPa），維卡軟化點(diǎn)約113℃。可以用單體與甲基丙烯酸丙烯酯或雙酯基丙烯酸乙二醇酯共聚的方法提高耐熱性。聚甲基丙烯酸甲酯的耐寒性也較差，脆化溫度約9.2℃。聚甲基丙烯酸甲酯的熱穩(wěn)定性屬于中等，優(yōu)于聚氯乙烯和聚甲醛，但不及聚烯烴和聚苯乙烯，熱分解溫度略高于270℃，其流動溫度約為160℃，故尚有較寬的熔融加工溫度范圍。
聚甲基丙烯酸甲酯的熱導(dǎo)率和比熱容在塑料中都屬于中等水平，分別為0.19W/CM.K和1464J/Kg.K
2.電性能
聚甲基丙烯酸甲酯由于主鏈側(cè)位含有極性的甲酯基，電性能不及聚烯烴和聚苯乙烯等非極性塑料。甲酯基的極性并不太大，聚甲基丙烯酸甲酯仍具有良好的介電和電絕緣性能。值得指出的是，聚甲基丙烯酸甲酯乃至整個丙烯酸類塑料，都具有優(yōu)異的抗電弧性，在電弧作用下，表面不會產(chǎn)生碳化的導(dǎo)電通路和電弧徑跡現(xiàn)象。20℃是一個二級轉(zhuǎn)變溫度，相應(yīng)于側(cè)甲酯基開始運(yùn)動的溫度，低于20℃，側(cè)甲酯基處于凍結(jié)狀態(tài)，材料的電性能比處于20℃以上時會有所提高。
3. 耐化學(xué)試劑及耐溶劑性
聚甲基丙烯酸甲酯可耐較稀的無機(jī)酸，但濃的無機(jī)酸可使它侵蝕，可耐堿類，但氫氧化鈉、氫氧化鉀可使它浸蝕，可耐鹽類和油脂類，耐脂肪烴類，不溶于水、甲醇、甘油等，但可吸收醇類溶脹，并產(chǎn)生應(yīng)力開裂，不耐酮類、氯代烴和芳烴。它的溶解度參數(shù)約為18.8(J/CM3)1/2 ，在許多氯代烴和芳烴中可以溶解，如二氯乙烷、三氯乙烯、氯仿、甲苯等，乙酸乙烯和丙酮也可以使它溶解。
4.耐侯性
聚甲基丙烯酸甲酯具有優(yōu)異的耐大氣老化性，其試樣經(jīng)4年自然老化試驗，重量變化，拉伸強(qiáng)度、透光率略有下降，色澤略有泛黃，抗銀紋性下降較明顯，沖擊強(qiáng)度還略有提高，其它物理性能幾乎未變化?！ ?/p>
5.燃燒性
聚甲基丙烯酸甲酯很容易燃燒，有限氧指數(shù)僅17.3?！ ?/p>
聚甲基丙烯酸甲酯的加工
（一）工藝特性
1.聚甲基丙烯酸甲酯含有極性側(cè)甲基，具有較明顯的吸濕性，吸水率一般在0.3%-0.4%，成型前必須干燥，干燥條件是80℃-85℃下干燥4-5h 。
2.聚甲基丙烯酸甲酯在成型加工的溫度范圍內(nèi)具有效明顯的非牛頓流體特性，熔融粘度隨剪切速率增大會明顯下降，熔體粘度對溫度的變化也很敏感。因此，對于聚甲基丙烯酸甲酯的成型加工，提高成型壓力和溫度都可明顯降低熔體粘度，取得較好的流動性。
3.聚甲基丙烯酸甲酯開始流動的溫度約160℃，開始分解的溫度高于270℃，具有較寬的加工溫度區(qū)間。
4.聚甲基丙烯酸甲酯熔體粘度較高，冷卻速率又較快，制品容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，因此成型時對工藝條件控制要求嚴(yán)格，制品成型后也需要進(jìn)行后處理。
5.聚甲基丙烯酸甲酯是無定形聚合物，收縮率及其變化范圍都較小，一般約在0.5%-0.8%，有利于成型出尺寸精度較高的塑件。
6.聚甲基丙烯酸甲酯切削性能甚好，其型材可很容易地機(jī)加工為各種要求的尺寸。
（二）加工工藝
聚甲基丙烯酸甲酯可以采用澆鑄、注塑、擠出、熱成型等工藝。
1.澆鑄成型
澆鑄成型用于成型有機(jī)玻璃板材、棒材等型材，即用本體聚合方法成型型材。澆鑄成型后的制品需要進(jìn)行后處理，后處理條件是60℃下保溫2h， 120℃下保溫2h
2.注塑成型
注塑成型采用懸浮聚合所制得的顆粒料，成型在普通的柱塞式或螺桿式注塑機(jī)上進(jìn)行。表1是聚甲基丙烯酸甲酯注塑成型的典型工藝條件。
表1聚甲基丙烯酸甲酯注塑工藝條件
工藝參數(shù) 螺桿式注塑機(jī) 柱塞式注塑機(jī)
料筒℃溫度 后部 180-200 180-200
中部 190-230
前部 180-210 210-240
噴嘴溫度℃ 180-210 210-240
模具溫度℃ 40-80 40-80
注射壓力MPa 80-120 80-130
保壓壓力MPa 40-60 40-60
螺桿轉(zhuǎn)速rp.m-1 20-30
注塑制品也需要后處理消除內(nèi)應(yīng)力，處理在70-80℃熱風(fēng)循環(huán)干燥箱內(nèi)進(jìn)行，處理時間視制品厚度，一般均需4h左右。
3.擠出成型
聚甲基丙烯酸甲酯也可以采用擠出成型，用懸浮聚合生產(chǎn)的顆粒料制備有機(jī)玻璃板材、棒材、管材、片材等，但這樣制備的型材，特別是板材，由于聚合物分子量小，力學(xué)性能、耐熱性、耐溶劑性均不及澆注成型的型材，其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，特別是對于管材和其它用澆注法時模具。難以制造的型材。擠出成型可采用單階或雙階排氣式擠出機(jī)，螺桿長徑比一般在20-25。表2是擠出成型的典型工藝條件。
表2聚甲基丙烯酸甲酯擠出成型工藝條件
工藝參數(shù) 片材 棒材
螺桿壓縮比 2 2
料筒℃溫度 后部 150-180 150-180
中部 170-200 170-200
前部 170-230 170-200
擠出壓力MPa 2．8-12．4 0．7-3．4
進(jìn)料口溫度℃ 50-80 50-80
口模溫度℃ 180-200 170-190
4.熱成型
熱成型是將有機(jī)玻璃板材或片材制成各種尺寸形狀制品的過程，將裁切成要求尺寸的坯料夾緊在模具框架上，加熱使其軟化，再加壓使其貼緊模具型面，得到與型面相同的形狀，經(jīng)冷卻定型后修整邊緣即得制品。加壓可采用抽真空牽伸或用對帶有型面的凸模直接加壓的方法。熱成型溫度可參照表3推薦的溫度范圍。采用快速真空低牽伸成型制品時，宜采用接近下限溫度，成型形狀復(fù)雜的深度牽伸制品時宜采用接近上限溫度，一般情況下采用正常溫度。
表3
下限溫度 上限溫度 正常溫度 冷卻溫度
149℃ 193℃ 177℃ 85℃
此外，型材也可采用車、銑、鉆、裁等機(jī)械加工方法?！ ?/p>
聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)用
聚甲基丙烯酸甲酯作為性能優(yōu)異的透明材料廣泛應(yīng)用在以下各方面：
1．燈具、照明器材，例如各種家用燈具、熒光燈罩、汽車尾燈、信號燈、路標(biāo)。
2． 光學(xué)玻璃，例如制造各種透鏡、反射鏡、棱鏡、電視機(jī)熒屏、菲涅耳透鏡、相機(jī)透光零。
3．制備各種儀器儀表表盤、罩殼、刻度盤。
5．商品廣告櫥窗、廣告牌。
6．飛機(jī)座艙玻璃、飛機(jī)和汽車的防彈玻璃（需帶有中間夾層材料）。
7．各種醫(yī)用、軍用、建筑用玻璃?！ ?/p>
定向有機(jī)玻璃
聚甲基丙烯酸甲酯板材在玻璃化溫度以上經(jīng)定向拉伸，并在拉伸狀態(tài)下冷卻，可以得到分子鏈處于取向狀態(tài)的板材，稱為定向有機(jī)玻璃。定向有機(jī)玻璃比之非定向有機(jī)玻璃的性能有頗大改善?！ ?/p>
（一）定向拉伸方法
將優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃板材加熱至105-110℃(稍高于Tg），迅速置于裝有固定夾具和水冷卻裝置的拉伸設(shè)備，拉伸至要求的拉伸度后，停止拉伸并保持在拉力下冷卻。對于圓形玻璃板，是沿徑向多向均勻拉伸；對于方形玻璃板，是沿互相垂直的兩個方向拉伸。經(jīng)拉伸后的有機(jī)玻璃板材，分子鏈沿板材平面方向產(chǎn)生雙軸取向并被凍結(jié)。
（二）定向有機(jī)玻璃性能
與未拉伸的有機(jī)玻璃板材相比，定向有機(jī)玻璃分子鏈由于變?yōu)橛行虻?a href="/index.php?title=%E5%AE%9A%E5%90%91%E6%8E%92%E5%88%97&action=edit&redlink=1" class="new" title="定向排列（尚未撰寫）" rel="nofollow">定向排列，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗銀紋性、抗裂紋擴(kuò)展性、模量、斷裂伸長率皆提高，沖擊強(qiáng)度亦提高。上述各力學(xué)性能改善與拉抻度有關(guān)，拉伸度增大，性能改善幅度增大，但當(dāng)拉伸度超過50%-60%后，除沖擊強(qiáng)度尚繼續(xù)有所提高外，其它性能基本上不再變化。因此，一般應(yīng)將拉伸度控制在60%左右，這時材料具有良好的綜合性能。
有機(jī)玻璃是一種通俗的名稱，從這個名稱看，你未必能知道它是一種什么樣的物質(zhì)，也無從知道它是由什么元素組成的。這種高分子透明材料的化學(xué)名稱叫聚甲基丙烯酸甲酯，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。
1927年，德國羅姆－哈斯公司的化學(xué)家在兩塊玻璃板之間將丙烯酸酯加熱，丙烯酸酯發(fā)生聚合反應(yīng)，生成了粘性的橡膠狀夾層，可用作防破碎的安全玻璃。當(dāng)他們用同樣的方法使甲基丙烯酸甲酯聚合時，得到了透明度既好，其他性能也良好的有機(jī)玻璃板，它就是聚甲基丙烯酸甲酯。
1931年，羅姆－哈斯公司建廠生產(chǎn)聚甲基丙烯酸甲酯，首先在飛機(jī)工業(yè)得到應(yīng)用，取代了賽璐珞塑料，用作飛機(jī)座艙罩和擋風(fēng)玻璃。
如果在生產(chǎn)有機(jī)玻璃時加入各種染色劑，就可以聚合成為彩色有機(jī)玻璃；如果加入熒光劑（如硫化鋅），就可聚合成熒光有機(jī)玻璃；如果加入人造珍珠粉（如堿式碳酸鉛），則可制得珠光有機(jī)玻璃。
（1）有機(jī)玻璃的特性
①高度透明性。有機(jī)玻璃是目前最優(yōu)良的高分子透明材料，透光率達(dá)到92％，比玻璃的透光度高。稱為人造小太陽的太陽燈的燈管是石英做的，這是因為石英能完全透過紫外線。普通玻璃只能透過0.6％的紫外線，但有機(jī)玻璃卻能透過73％。
②機(jī)械強(qiáng)度高。有機(jī)玻璃的相對分子質(zhì)量大約為200萬，是長鏈的高分子化合物，而且形成分子的鏈很柔軟，因此，有機(jī)玻璃的強(qiáng)度比較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高7～18倍。有一種經(jīng)過加熱和拉伸處理過的有機(jī)玻璃，其中的分子鏈段排列得非常有次序，使材料的韌性有顯著提高。用釘子釘進(jìn)這種有機(jī)玻璃，即使釘子穿透了，有機(jī)玻璃上也不產(chǎn)生裂紋。這種有機(jī)玻璃被子彈擊穿后同樣不會破成碎片。因此，拉伸處理的有機(jī)玻璃可用作防彈玻璃，也用作軍用飛機(jī)上的座艙蓋。
③重量輕。有機(jī)玻璃的密度為1.18kg/dm3，同樣大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金屬鋁（屬于輕金屬）的43％。
④易于加工。有機(jī)玻璃不但能用車床進(jìn)行切削，鉆床進(jìn)行鉆孔，而且能用丙酮、氯仿等粘結(jié)成各種形狀的器具，也能用吹塑、注射、擠出等塑料成型的方法加工成大到飛機(jī)座艙蓋，小到假牙和牙托等形形色色的制品。
（2）有機(jī)玻璃的用途
有機(jī)玻璃具有以上優(yōu)良性能，使它的用途極為廣泛。除了在飛機(jī)上用作座艙蓋、風(fēng)擋和弦窗外，也用作吉普車的風(fēng)擋和車窗、大型建筑的天窗（可以防破碎）、電視和雷達(dá)的屏幕、儀器和設(shè)備的防護(hù)罩、電訊儀表的外殼、望遠(yuǎn)鏡和照相機(jī)上的光學(xué)鏡片。
用有機(jī)玻璃制造的日用品琳瑯滿目，如用珠光有機(jī)玻璃制成的紐扣，各種玩具、燈具也都因為有了彩色有機(jī)玻璃的裝飾作用，而顯得格外的美觀。
有機(jī)玻璃在醫(yī)學(xué)上還有一個絕妙的用處，那就是制造人工角膜。如果人眼的透明角膜長滿了不透明的物質(zhì)，光線就不能進(jìn)入眼內(nèi)。這就是全角膜白斑病引起的失明，而且這種病無法用藥物治療。
于是，醫(yī)學(xué)家設(shè)想用人工角膜代替長滿白斑的角膜。所謂人工角膜，就是用一種透明的物質(zhì)做成一個直徑只有幾毫米的鏡柱，然后在人眼的角膜上鉆一個小孔，把鏡柱固定在角膜上，光線通過鏡柱進(jìn)入眼內(nèi)，人眼就能重見光明。
早在1771年，就有眼科醫(yī)生用光學(xué)玻璃做成鏡柱，植入角膜，但并未獲得成功。后來，用水晶代替光學(xué)玻璃，也只用了半年就失效了。在第二次世界大戰(zhàn)中，有些飛機(jī)失事時，飛機(jī)上用有機(jī)玻璃做的座艙蓋被炸，飛行員的眼睛里嵌入了有機(jī)玻璃碎片。經(jīng)過了許多年以后，雖然這些碎片并未被取出，但也未進(jìn)一步引起人眼發(fā)生炎癥或其他不良反應(yīng)。這件偶然發(fā)生的事說明有機(jī)玻璃和人體組織有良好的相容性。同時也啟發(fā)了眼科醫(yī)生，可以用有機(jī)玻璃制造人工角膜，它的透光性好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對人體無毒，容易加工成所需形狀，能與人眼長期相容。現(xiàn)在，用有機(jī)玻璃做的人工角膜已經(jīng)普遍用于臨床。
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