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聚甲基丙烯酸甲酯
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{{百科小图片|bka85.jpg|图为[[聚甲基丙烯酸甲酯]](有机玻璃)}}聚甲基丙烯酸甲酯 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。聚甲基丙烯酸甲酯缩写代号为PMMA,俗称有机玻璃,是迄今为止合成透明材料中质地最优异,价格又比较适宜的品种。 ==性能== 聚甲基丙烯酸甲酯是刚性硬质无色透明材料,密度为1.18-1.19g/CM3,[[折射率]]较小,约1.49,透光率达92%,雾度不大于2%,是优质有机透明材料。 ==1.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(例如航空用有机玻璃板材)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。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。 聚甲基丙烯酸甲酯的[[耐热性]]并不高,它的[[玻璃化]]温度虽然达到104℃,但最高连续使用温度却随工作条件不同在65℃-95℃之间改变,热变形温度约为96℃(1.18MPa),维卡软化点约113℃。可以用单体与[[甲基丙烯酸]]丙烯酯或双酯基丙烯酸乙二醇酯共聚的方法提高耐热性。聚甲基丙烯酸甲酯的[[耐寒性]]也较差,脆化温度约9.2℃。聚甲基丙烯酸甲酯的热稳定性属于中等,优于聚氯乙烯和聚[[甲醛]],但不及聚烯烃和聚苯乙烯,热分解温度略高于270℃,其流动温度约为160℃,故尚有较宽的熔融加工温度范围。 聚甲基丙烯酸甲酯的热导率和比热容在塑料中都属于中等水平,分别为0.19W/CM.K和1464J/Kg.K ==2.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。 ==3. 耐[[化学]][[试剂]]及耐溶剂性== 聚甲基丙烯酸甲酯可耐较稀的无机酸,但浓的无机酸可使它侵蚀,可耐碱类,但[[温热]]的[[氢氧化钠]]、[[氢氧化钾]]可使它浸蚀,可耐盐类和油脂类,耐脂肪烃类,不溶于水、[[甲醇]]、[[甘油]]等,但可吸收醇类溶胀,并产生应力开裂,不耐酮类、氯代烃和芳烃。它的[[溶解度参数]]约为18.8(J/CM3)1/2 ,在许多氯代烃和芳烃中可以溶解,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。 聚甲基丙烯酸甲酯对[[臭氧]]和[[二氧化硫]]等气体具有良好的抵抗能力。 ==4.耐侯性== 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。 ==5.燃烧性== 聚甲基丙烯酸甲酯很容易燃烧,有限氧指数仅17.3。 ==聚甲基丙烯酸甲酯的加工== ==(一)工艺特性== 1.聚甲基丙烯酸甲酯含有极性侧甲基,具有较明显的吸湿性,吸水率一般在0.3%-0.4%,成型前必须干燥,干燥条件是80℃-85℃下干燥4-5h 。 2.聚甲基丙烯酸甲酯在成型加工的温度范围内具有效明显的[[非牛顿流体]]特性,熔融粘度随剪切速率增大会明显下降,熔体粘度对温度的变化也很敏感。因此,对于聚甲基丙烯酸甲酯的成型加工,提高成型压力和温度都可明显降低熔体粘度,取得较好的流动性。 3.聚甲基丙烯酸甲酯开始流动的温度约160℃,开始分解的温度高于270℃,具有较宽的加工温度区间。 4.聚甲基丙烯酸甲酯熔体粘度较高,冷却速率又较快,制品容易产生内应力,因此成型时对工艺条件控制要求严格,制品成型后也需要进行后处理。 5.聚甲基丙烯酸甲酯是无定形聚合物,收缩率及其变化范围都较小,一般约在0.5%-0.8%,有利于成型出尺寸精度较高的塑件。 6.聚甲基丙烯酸甲酯切削性能甚好,其型材可很容易[[地机]]加工为各种要求的尺寸。 ==(二)加工工艺== 聚甲基丙烯酸甲酯可以采用浇铸、注塑、挤出、热成型等工艺。 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 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。表1是聚甲基丙烯酸甲酯注塑成型的典型工艺条件。 表1聚甲基丙烯酸甲酯注塑工艺条件 工艺参数 螺杆式注塑机 柱塞式注塑机 料筒℃温度 后部 180-200 180-200 中部 190-230 前部 180-210 210-240 喷嘴温度℃ 180-210 210-240 模具温度℃ 40-80 40-80 注射压力MPa 80-120 80-130 保压压力MPa 40-60 40-60 螺杆转速rp.m-1 20-30 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。 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。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20-25。表2是挤出成型的典型工艺条件。 表2聚甲基丙烯酸甲酯挤出成型工艺条件 工艺参数 片材 棒材 螺杆压缩比 2 2 料筒℃温度 后部 150-180 150-180 中部 170-200 170-200 前部 170-230 170-200 挤出压力MPa 2.8-12.4 0.7-3.4 进料口温度℃ 50-80 50-80 口模温度℃ 180-200 170-190 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。热成型温度可参照表3推荐的温度范围。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。 表3 下限温度 上限温度 正常温度 冷却温度 149℃ 193℃ 177℃ 85℃ 此外,型材也可采用车、铣、钻、裁等机械加工方法。 ==聚甲基丙烯酸甲酯的应用== 聚甲基丙烯酸甲酯作为性能优异的透明材料广泛应用在以下各方面: 1.灯具、照明器材,例如各种家用灯具、荧光灯罩、汽车尾灯、信号灯、路标。 2. 光学玻璃,例如制造各种透镜、反射镜、棱镜、电视机荧屏、菲涅耳透镜、相机透光零。 3.制备各种仪器仪表表盘、罩壳、刻度盘。 4.制备[[光导]][[纤维]]。 5.商品广告橱窗、广告牌。 6.飞机座舱玻璃、飞机和汽车的防弹玻璃(需带有中间夹层材料)。 7.各种医用、军用、建筑用玻璃。 ==定向有机玻璃== 聚甲基丙烯酸甲酯板材在玻璃化温度以上经定向拉伸,并在拉伸状态下冷却,可以得到[[分子]]链处于取向状态的板材,称为定向有机玻璃。定向有机玻璃比之非定向有机玻璃的性能有颇大改善。 ===(一)定向拉伸方法=== 将优质有机玻璃板材加热至105-110℃(稍高于Tg),迅速置于装有固定夹具和水冷却装置的拉伸设备,拉伸至要求的拉伸度后,停止拉伸并保持在拉力下冷却。对于圆形玻璃板,是沿径向多向均匀拉伸;对于方形玻璃板,是沿互相垂直的两个方向拉伸。经拉伸后的有机玻璃板材,分子链沿板材平面方向产生双轴取向并被冻结。 ===(二)定向有机玻璃性能=== 与未拉伸的有机玻璃板材相比,定向有机玻璃分子链由于变为有序的[[定向排列]],拉伸强度、弯曲强度、抗银纹性、抗[[裂纹]]扩展性、模量、断裂伸长率皆提高,冲击强度亦提高。上述各力学性能改善与拉抻度有关,拉伸度增大,性能改善幅度增大,但当拉伸度超过50%-60%后,除冲击强度尚继续有所提高外,其它性能基本上不再变化。因此,一般应将拉伸度控制在60%左右,这时材料具有良好的综合性能。 有机玻璃是一种通俗的名称,从这个名称看,你未必能知道它是一种什么样的物质,也无从知道它是由什么元素组成的。这种高分子透明材料的化学名称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,德国罗姆-哈斯公司的化学家在两块玻璃板之间将丙烯酸酯加热,丙烯酸酯发生聚合反应,生成了粘性的橡胶状夹层,可用作防破碎的安全玻璃。当他们用同样的方法使甲基丙烯酸甲酯聚合时,得到了透明度既好,其他性能也良好的有机玻璃板,它就是聚甲基丙烯酸甲酯。 1931年,罗姆-哈斯公司建厂生产聚甲基丙烯酸甲酯,首先在飞机工业得到应用,取代了赛璐珞塑料,用作飞机座舱罩和挡风玻璃。 如果在生产有机玻璃时加入各种[[染色]]剂,就可以聚合成为彩色有机玻璃;如果加入荧光剂(如硫化锌),就可聚合成荧光有机玻璃;如果加入人造[[珍珠粉]](如碱式碳酸铅),则可制得珠光有机玻璃。 (1)有机玻璃的特性 ①高度透明性。有机玻璃是目前最优良的高分子透明材料,透光率达到92%,比玻璃的透光度高。称为人造小太阳的太阳灯的灯管是石英做的,这是因为石英能完全透过[[紫外线]]。普通玻璃只能透过0.6%的紫外线,但有机玻璃却能透过73%。 ②机械强度高。有机玻璃的相对分子质量大约为200万,是长链的[[高分子化合物]],而且形成分子的链很柔软,因此,有机玻璃的强度比较高,抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7~18倍。有一种经过加热和拉伸处理过的有机玻璃,其中的分子链段排列得非常有次序,使材料的韧性有显著提高。用钉子钉进这种有机玻璃,即使钉子穿透了,有机玻璃上也不产生裂纹。这种有机玻璃被子弹击穿后同样不会破成碎片。因此,拉伸处理的有机玻璃可用作防弹玻璃,也用作军用飞机上的座舱盖。 ③重量轻。有机玻璃的密度为1.18kg/dm3,同样大小的材料,其重量只有普通玻璃的一半,金属铝(属于轻金属)的43%。 ④易于加工。有机玻璃不但能用车床进行切削,钻床进行钻孔,而且能用丙酮、氯仿等粘结成各种形状的器具,也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型的方法加工成大到飞机座舱盖,小到假牙和[[牙托]]等形形色色的制品。 (2)有机玻璃的用途 有机玻璃具有以上优良性能,使它的用途极为广泛。除了在飞机上用作座舱盖、风挡和弦窗外,也用作吉普车的风挡和车窗、大型建筑的天窗(可以防破碎)、电视和雷达的屏幕、仪器和设备的防护罩、电讯仪表的外壳、望远镜和照相机上的光学镜片。 用有机玻璃制造的日用品琳琅满目,如用珠光有机玻璃制成的纽扣,各种玩具、灯具也都因为有了彩色有机玻璃的装饰作用,而显得格外的美观。 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]]。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。 于是,医学家设想用人工角膜代替长满[[白斑]]的角膜。所谓人工角膜,就是用一种透明的物质做成一个直径只有几毫米的镜柱,然后在人眼的角膜上钻一个小孔,把镜柱固定在角膜上,光线通过镜柱进入眼内,人眼就能重见光明。 早在1771年,就有[[眼科]]医生用光学玻璃做成镜柱,[[植入]]角膜,但并未获得成功。后来,用水晶代替光学玻璃,也只用了半年就失效了。在第二次世界大战中,有些飞机失事时,飞机上用有机玻璃做的座舱盖被炸,飞行员的眼睛里嵌入了有机玻璃碎片。经过了许多年以后,虽然这些碎片并未被取出,但也未进一步引起人眼发生[[炎症]]或其他[[不良反应]]。这件偶然发生的事说明有机玻璃和人体组织有良好的相容性。同时也启发了眼科医生,可以用有机玻璃制造人工角膜,它的透光性好,化学性质稳定,对人体无毒,容易加工成所需形状,能与人眼长期相容。现在,用有机玻璃做的人工角膜已经普遍用于临床。 [[分类:化学]]
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