Органическое стекло

Органическое стекло — это прозрачный твёрдый материал на основе полимеров, чаще всего полиметилметакрилата (ПММА), обладающий высокой светопропускаемостью, лёгкостью и ударопрочностью. В отличие от неорганического (силикатного) стекла, органическое стекло не бьётся на острые осколки, лучше поддаётся механической обработке и имеет меньшую плотность.

История

Первые синтезы полиметилметакрилата были осуществлены в 1877 году немецкими химиками Вильгельмом Рудольфом Фиттигом и Паулем Штоббе. Однако практическое применение материал получил лишь в начале XX века. В 1928 году немецкий химик Отто Рём из компании Rohm & Haas (ныне Evonik Industries) разработал метод промышленного производства ПММА. В 1933 году компания начала выпуск материала под торговой маркой Plexiglas. В СССР аналогичные разработки велись в 1930-х годах, и в 1940 году было налажено производство органического стекла под названием «плексиглас» на заводе в городе Дзержинске.

В годы Второй мировой войны органическое стекло широко использовалось в авиации — для изготовления фонарей кабин, иллюминаторов и пуленепробиваемых панелей. После войны материал стал применяться в гражданских отраслях: в строительстве, автомобилестроении, медицине и быту.

Химический состав и структура

Основным компонентом органического стекла является полиметилметакрилат (ПММА) — термопластичный полимер, получаемый полимеризацией метилметакрилата. Молекулярная структура ПММА представляет собой длинные цепи, в которых мономерные звенья соединены между собой. Такая структура обеспечивает высокую прозрачность (светопропускание до 92—93 %) и устойчивость к ультрафиолетовому излучению.

В зависимости от технологии производства в состав могут вводиться добавки: стабилизаторы (для защиты от старения), красители, антипирены (снижающие горючесть), пластификаторы (для повышения эластичности) и модификаторы ударной вязкости.

Физико-механические свойства

Органическое стекло отличается рядом характеристик, определяющих его применение:

Плотность: 1,18—1,20 г/см³ (в 2,5 раза легче силикатного стекла).
Светопропускание: до 92—93 % (для прозрачных марок), что выше, чем у обычного стекла (около 85—90 %).
Ударная вязкость: в 5—10 раз выше, чем у силикатного стекла; материал не даёт острых осколков при разрушении.
Термостойкость: рабочая температура от −40 до +80 °C (кратковременно до +100 °C).
Твёрдость: по шкале Мооса — около 2—3 (легко царапается, но поддаётся полировке).
Химическая стойкость: устойчив к разбавленным кислотам, щелочам, маслам и спиртам; разрушается под действием концентрированных кислот, ацетона, бензола и хлорированных углеводородов.
Электрические свойства: хороший диэлектрик (удельное объёмное сопротивление до 10¹⁴ Ом·м).

Классификация

Органическое стекло классифицируют по нескольким признакам:

По способу производства

Литьевое (блочное) стекло — получают полимеризацией мономера в формах. Отличается высокой оптической чистотой и однородностью.
Экструзионное стекло — изготавливают методом экструзии (выдавливания) расплава полимера через фильеру. Менее прозрачно, но дешевле и доступно в листах большой длины.

По назначению

Прозрачное листовое — для остекления, витрин, защитных экранов.
Цветное и матовое — для декоративных элементов, светильников, рекламных конструкций.
Ударопрочное — с добавками каучука или других эластомеров (например, марки «Стекло органическое ударопрочное»).
Термостойкое — с повышенной теплостойкостью (до 120 °C).
Антибликовое — с покрытием, снижающим отражение света.
Специальное — например, для авиации (с повышенной прочностью и устойчивостью к перепадам давления) или для медицины (с биосовместимостью).

Применение

Органическое стекло используется в различных отраслях промышленности и быту:

Строительство и архитектура: прозрачные перегородки, купола, световые фонари, витрины, ограждения балконов, звукоизоляционные барьеры вдоль дорог.
Транспорт: остекление самолётов (фонари кабин, иллюминаторы), вертолётов, поездов, автобусов, морских судов; фары и фонари автомобилей.
Медицина: линзы для очков, контактные линзы, протезы, хирургические инструменты, прозрачные ёмкости для хранения биологических образцов.
Реклама и дизайн: вывески, световые короба, стенды, витрины, декоративные панели, мебель (столы, стулья, полки).
Электроника: защитные стёкла для дисплеев, корпуса приборов, световоды.
Военная техника: пуленепробиваемые панели, смотровые окна бронеавтомобилей, элементы оптических приборов.
Быт: аквариумы, душевые кабины, столешницы, рамки для фотографий, посуда (чашки, тарелки, стаканы).

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая светопропускаемость, не уступающая силикатному стеклу.
Лёгкость (в 2,5 раза легче стекла).
Ударопрочность и безопасность (не образует острых осколков).
Хорошая обрабатываемость (пилится, сверлится, фрезеруется, полируется, склеивается).
Устойчивость к атмосферным воздействиям, включая УФ-излучение.
Возможность окрашивания в любые цвета.

Недостатки

Низкая твёрдость (легко царапается, требует защитных покрытий).
Ограниченная термостойкость (деформируется при температурах выше 80—100 °C).
Горючесть (поддерживает горение, выделяя токсичные газы).
Низкая стойкость к органическим растворителям (ацетон, бензол, спирты).
Склонность к статическому электричеству (притягивает пыль).

Технология производства

Основные методы получения органического стекла:

Литьевая полимеризация — мономер (метилметакрилат) с инициатором заливается в форму (обычно между двумя полированными стёклами) и нагревается. Полимеризация происходит в течение нескольких часов. Получаются листы толщиной от 1 до 50 мм с высокой оптической чистотой.
Экструзия — гранулы ПММА расплавляются в экструдере и выдавливаются через плоскую щелевую головку. Затем лента полимера охлаждается и разрезается на листы. Метод позволяет получать листы большой длины (до 10 м) и толщиной от 0,5 до 20 мм, но с меньшей прозрачностью.
Литьё под давлением — для изготовления изделий сложной формы (линзы, корпуса, детали).

Экологические аспекты

Органическое стекло подлежит вторичной переработке. Отходы производства и использованные изделия могут быть измельчены, переплавлены и использованы для изготовления новых продуктов (например, листов, гранул, изделий). Однако при сжигании ПММА выделяет углекислый газ, воду и небольшие количества других продуктов, что требует соблюдения экологических норм. В России и странах СНГ действуют системы сбора и переработки отходов ПММА, но их масштабы ограничены.

Интересные факты

Первое коммерческое применение органического стекла в 1930-х годах — это защитные очки для пилотов и прозрачные носовые обтекатели самолётов.
В 1940-х годах в СССР органическое стекло использовалось для изготовления пуленепробиваемых панелей на танках Т-34 и ИС-2.
Органическое стекло применяется в производстве световодов для оптоволоконной связи (в виде полимерных оптических волокон).
В 1960-х годах из органического стекла были изготовлены купола для первых советских орбитальных станций «Салют» и «Мир».
Материал используется в искусстве: скульптуры, инсталляции, витражи.

Источники

ГОСТ 17622-72 «Стекло органическое. Технические условия».
Полимерные материалы: справочник / под ред. В. В. Коршака. — М.: Химия, 1986.
Энциклопедия полимеров: в 3 т. — М.: Советская энциклопедия, 1972—1977.
Технология пластических масс / под ред. В. В. Коршака. — М.: Химия, 1985.
Материалы для остекления: свойства и применение / А. А. Берлин, В. А. Кабанов. — М.: Наука, 2004.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →