Список тематических статей

Оргстекло

Что из себя представляет оргстекло

Оргстекло – это бытовое название листовых материалов, напоминающих по виду и некоторым свойствам оконное стекло, и состоящее из прозрачных полимеров: полиакрилатов, поликарбонатов, полистиролов, различных сополимеров. Чаще всего так называют полиметилметакрилат (ПММА), который представляет из себя полимер, элементарным звеном которого служит метилметакрилат. В дальнейшем мы будем рассматривать под названием «оргстекло» в основном именно ПММА. Ниже приведена химическая формула полиметилметакрилата:

Рис.1.

Обычно ПММА – это прозрачный полимер, который довольно легко поддается переработке в изделия всеми основными промышленными методами. Из-за своей высокой прозрачности он и получил второе название «органическое стекло».

Производство ПММА

На современных нефтехимических предприятиях полиметилметакрилат синтезируют путем полимеризации по свободно-радикальному механизму. Реакцию проводят в блоке или суспензии, иногда в эмульсии или растворе. Выпускают оргстекло обычно в форме гранул для дальнейшей переработки или листов.

Рассмотрим подробнее технологический процесс получения ПММА. Химическая реакция проводится в формах, состоящих из стальных, алюминиевых листов или слоев силикатного стекла. Прокладки из эластичного материала, от расстояния между которыми зависит толщина будущего листа органического стекла, устанавливают в указанные формы. На этом подготовительные операции завершаются.

Первой технологической операцией в ходе синтеза является получение форполимера – сиропообразной жидкости с высокой степенью вязкости. После получения форполимер помещают в форму, которую располагают в камере с нагретой водой или оборотным теплым воздухом. Процесс ведется через форполимер для недопущения появления дефектов из-за высокой усадки при полимеризации метилметакрилата, которая достигает 23 процентов. Добавки, необходимые для придания материалу необходимых свойств, например красители, замутнители, пластификаторы, стабилизаторы и т.д. диспергируют в форполимере перед полимеризацией. После окончания процесса синтеза листы оргстекла вынимают из форм и проводят их финишную обработку, которая заключается в удалении облоя и при необходимости шлифовке и полировке.

Кроме описанного выше литьевого метода органическое стекло также изготавливают методом экструзии. Существует ряд отличий между получаемым экструзионным оргстеклом и литьевым. Экструзионный акрил характеризуется менее прочными молекулярными связями, тогда как в литом акриле они более прочные. Прочные связи между молекулами придают литьевому оргстеклу более высокие физико-механические, тепловые и химические характеристики. Также особенности производства материала влияют на дальнейшее его поведение при обработке и переработке в изделия.

Полиметилметакрилат производят в различных уголках мира под различными торговыми марками. В зависимости от фирмы и страны производителя ПММА пожет иметь следующие названия: плексиглас, люсайт, плексигум , диакон, ведрил, акрима, карбогласс, новаттро, плексима, лимакрил, плазкрил, акрилекс, акрилайт, акрипласт, акрил, метаплекс и др. Возвращаясь к методам получения оргстекла заметим, что экструзия – крупнотоннажный процесс, который потребляет большого объем полимерного сырья, и применяется только на больших производствах. С этим связан тот факт, что количество цветов и ассортимент свойств марок экструзионного материала обычно гораздо скромнее, чем предлагается на рынке литьевого акрила.

Органическое стекло любого типа можно вторично перерабатывать без особых ограничений, как любой стандартный термопластичный материал.

Основные свойства оргстекла

ПММА, как и любой полимер, обладает высокой молекулярной массой, она для этого полимера достигает 2 млн атомных единиц. Температура размягчения ПММА чуть выше 120 градусов Цельсия, а температура плавления порядка 160 градусов, что во многом обусловливает его хорошую перерабатываемость.

По физическим характеристикам оргстекло обладает очень хорошей прозрачностью, высокой проницаемостью не только для лучей видимой части спектра, но и для ультрафиолета. Органическое стекло имеет хорошие диэлектрические и физико-механические данные и обладает высокой атмосферостойкостью. Также этот материал достаточно химически стоек: устойчив к неконцентрированным кислотам и щелочам, спиртам и жирам, а также к гидролизу и минеральным маслам. Оргстекло, насколько это известно современной науке, безвредно для живых организмов и в то же время стойко к биологическому разрушению. Полиметилметакрилат перерабатывается экструзией с последующим термоформованием (вакуумным или пневмоформованием), штамповкой, литьем под давлением на термопластавтоматах. Также оргстекло легко обрабатывается механически, склеивается и сваривается.

Рассмотрим особенности материала более подробно.

Плотность ПММА для полимера достаточно высока и составляет 1190 кг/см3 , что намного ниже (почти в 2,5 раза) чем плотность силикатного стекла. Она примерно на 20% выше плотности ПЭНД и на 30% полипропилена, но, например, на 17% меньше плотности жесткого ПВХ. Низкая плотность приводит к тому, что при одинаковой толщине масса конструкции из органического стекла в 2,5 раза меньше, чем такая же из силикатного стекла. Зачастую такая конструкция требует гораздо меньше несущих элементов и опор, что придает ей гораздо лучших эстетических вид. Ударная прочность оргстекла примерно в 5 раз выше прочности силикатного стекла, что дает различные возможности его применения там, где высок риск для хрупкого обычного стекла.

Широко известно, что органическое стекло является легковоспламеняющимся, однако оно менее опасно, чем другие полимеры, подверженные открытому горению. В процессе горения ПММА выделяет минимум вредных продуктов окисления. Температура его воспламенения составляет 260°С.

Оргстекло, в отличие от некоторых полимеров имеет высокую морозостойкость. Диапазон рабочих температур ПММА довольно широк и находится в промежутке между минус 40°С и +80°С.

Оргстекло обладает малой теплопроводность, около 0,2—0,3 Вт/(м·К), что гораздо ниже теплопроводности обычного силикатного стекла от 0,7 до 13,5 Вт/(м·К), что дает органическому материалу большое преимущество при применении в энергоэффективных объектах.

Оргстекло обладает высокой стойкостью к старению. Т.к. светопропускание этого материала больше, чем у любого крупнотоннажного полимера и равно примерно 92% от проходящего через него видимого света. Органическое стекло не нуждается в дополнительной защите ультрафиолетового излучения. Физико-механические свойства ПММА, и его светопропускание очень медленно изменяется со временем, несмотря на действие УФ-лучей и воздействий атмосферных явлений. Однако для окрашенного оргстекла возможно изменение цвета материала в зависимости от его производителя и определенного цвета, но это, как правило, происходит по истечении большого срока и при эксплуатации вне помещений.

При этом оргстекло достаточно склонно к поверхностным повреждениям, оно довольно легко царапается. Это обусловливает применение специальных защитных пленок из полимеров на поверхности стекла.

Химические и экологические характеристики

Оргстекло является достаточно экологичным материалом. Оно не выделяет вредных химических соединений не только при горении, но и при обычном многолетнем применении и считается абсолютно безопасным материалом. Его использование разрешено как вне помещений, так и внутри них, в том числе в лечебных и детских заведениях. Как упоминалось ранее, отходы органического стекла не токсичны и могут полностью быть переработаны вторично.

ПММА известен своей высокой стойкостью к воде, а также к различным химическим соединениям, например к щелочам, растворам солей. Из распространенных химикатов на оргстекло существенно влияют концентрированные серная, хромовая и азотная кислота и некоторые растворы сильных кислот: цианистоводородные (синильная кислота) и фтористоводородные (плавиковая кислота).

Кроме того, органическое стекло можно растворить в некоторых сильных растворителях: дихлорэтане и других хлорированных углеводородах, сложных эфирах, альдегидах и кетонах. Также на него могут воздействовать низкомолекулярные спирты, в том числе этиловый спирт. Однако, реакция при этом медленная. Так при недолгом воздействии на оргстекло разбавленного до 10 процентов этилового спирта видимых изменений не происходит.

Применение оргстекла

Органическое стекло применяется достаточно широко. Высокая транспарентность в сочетании с хорошими механическими характеристиками открыла этому материалу дорогу к использованию в области транспорта: авиационной технике, автомобильной отрасли и т.п. Широко применяется ПММА в светотехнической индустрии, как листовой материал, прошедший полировку, так и гранулы для литья под давлением или экструзии рассеивателей светильников.

Рис.2. Фара мотоцикла

Кроме того, оргстекло используют в архитектуре и строительной индустрии, изготовлении товаров для дома, приборостроении и т.д. Широко применяется в сельском хозяйстве как материал для остекления оранжерей и теплиц. Оргстекло – хороший конструкционный материал для применения в строительстве, например для производства окон и дверей, веранд и для отделочных работ и некоторых изделий. В приборостроении оргстекло используют в качестве компонентов инструментов и приборов. В медицине оно применяется также в области инструментов, изготовлении контактных линз и в протезировании. В области оптики из этого чудесного материала выпускают линзы и призмы. Также из оргстекла можно делать компоненты микроэлектроники, игры и игрушки для детей, средства индивидуальной защиты (очки, маски), трубы и трубки для пищевой индустрии, разнообразные изделия для спортивного снаряжения и многое другое.

Незаменимо органическое стекло для уличного применения, им покрывают рекламные щиты, вывески, световые короба и прочие наружные носители информации и рекламы. Повсеместно мы видим этот материал при оформлении и наполнении витрин, в витражах, защитном остеклении, дизайнерских изделиях, сантехнике, музыкальных инструментах, торговых материалах, например ценникодержателях, POS-материалах, аквариумах, сувенирах и т.д.

Также в материалах последних поколений, особенно в авиа- и вертолетостроении, оргстекло активно применяется в составе многослойных композитных материалов, в том числе в комбинации с неорганическими стеклами.

История оргстекла

Этому материалу уже почти 100 лет. Оргстекло, которое в то время получило название «плексиглаз» (марка Plexiglas существует и сегодня) было получено в 1928 году немецким специалистом Отто Рёмом. Товарное производство материала началось в 1933 году там же в Германии, а первые известные продукты, для получения которых было применено оргстекло, датированы 1936 годом.

Рис.3. Кабина самолета середины 20 века

Такой материал, как прозрачный прочный полимер пришелся очень вовремя. В 20-30-е годы 20 века многие страны совершили скачок в развитии самолетостроения, особенно военного, в целом страны милитаризировались. В эти годы появились первые самолеты с закрытой кабиной, для изготовления которой отлично подошел новый полимер. Оргстекло было безопасным, то есть не разбивалось с образованием осколков, оптически прозрачным, химически стойким, в том числе к бензину, маслам и смазкам, водостойким. Всё это определило быстрый рост потребления материала.

40-е годы прошли под знаком развития применения оргстекла в авиастроении и не только. В годы ВОВ из него изготавливались кабины и другие части военных самолетов, детали подводных лодок и другие элементы, требующие прозрачности, легкости и прочности. С началом использования других, более продвинутых и менее горючих материалов, в том числе композитов, применение оргстекла в военной отрасли отошло на второй план.

В послевоенные годы органическое стекло получило широчайшее распространение во всех описанных выше областях. В настоящее время ПММА применяется гораздо скоромнее других крупнотоннажных полимеров, но в качестве прозрачного пластика он по-прежнему очень популярен. Однако во многом этот полимер потеснили другие транспарентные пластики, в том числе с лучшими свойствами или более дешевые, например поликарбонат, некоторые марки ПВХ и особенно полистирол и его сополимеры. Последние обладают огромным разнообразием характеристик при невысокой цене.