Полиметилметакрилат

Полиметилметакрилат (сокращённо ПММА, также известен как акриловое стекло, органическое стекло, оргстекло, плексиглас) — это синтетический полимер, термопластичный прозрачный пластик из класса акриловых полимеров, получаемый полимеризацией метилметакрилата. Отличается высокой светопропускаемостью (до 92—93 %), атмосферостойкостью, устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и механической прочностью, что позволяет использовать его в качестве лёгкой и ударопрочной альтернативы силикатному стеклу.

История

Первые синтезы

Впервые метилметакрилат был синтезирован в 1865 году немецким химиком Вильгельмом Рудольфом Фиттигом. Однако полимеризация мономера и получение полимера в твёрдой форме были осуществлены значительно позже. В 1877 году немецкий химик Фридрих Кекуле, а затем в 1880 году французский химик Шарль Фридель получили полиметилметакрилат в виде вязкой жидкости, но не нашли ему практического применения.

Коммерциализация и развитие

В 1928 году немецкая компания Röhm & Haas (ныне часть концерна Evonik Industries) под руководством химика Отто Рёма разработала технологию производства листового ПММА. В 1933 году компания начала промышленный выпуск материала под торговой маркой Plexiglas. В 1936 году американская компания Rohm and Haas (дочернее предприятие немецкой фирмы) запустила производство в США, назвав продукт Lucite. В 1937 году британская компания Imperial Chemical Industries (ICI) представила свой вариант под названием Perspex.

В СССР промышленное производство органического стекла было освоено в 1940-х годах на заводе «Оргстекло» (г. Дзержинск, Нижегородская область). Материал применялся в авиастроении, оптике и бытовой технике.

Военное применение

Во время Второй мировой войны ПММА активно использовался для изготовления прозрачных элементов кабин самолётов (фонарей, иллюминаторов), пуленепробиваемых экранов и оптических приборов. Благодаря лёгкости и прочности материал заменил силикатное стекло в авиации. После войны спрос на оргстекло вырос в гражданских отраслях — от строительства до медицины.

Химическая структура и свойства

Химическая формула

Полиметилметакрилат представляет собой линейный полимер с повторяющимся звеном —[CH₂—C(CH₃)(COOCH₃)]ₙ—. Молекулярная масса коммерческих марок ПММА варьируется от 50 000 до 2 000 000 г/моль.

Физические свойства

• Плотность: 1,17—1,20 г/см³ (примерно в 2 раза легче силикатного стекла).
• Светопропускание: 92—93 % в видимом диапазоне (для прозрачных марок), что выше, чем у обычного стекла (85—90 %).
• Показатель преломления: 1,49 (близок к показателю стекла — 1,52).
• Температура стеклования: 85—105 °C (зависит от молекулярной массы и добавок).
• Температура размягчения: 120—150 °C (по Вика).
• Температура плавления: 160—200 °C (с разложением).
• Предел прочности на растяжение: 50—80 МПа.
• Ударная вязкость: 1,5—3,0 кДж/м² (ниже, чем у поликарбоната, но выше, чем у силикатного стекла).
• Твёрдость по Шору (D): 85—90.
• Теплопроводность: 0,19 Вт/(м·К) (низкая, материал является теплоизолятором).
• Электрическая прочность: 20—30 кВ/мм (хороший диэлектрик).

Химические свойства

• Устойчивость: к разбавленным кислотам, щелочам, спиртам, маслам, жирам, воде, атмосферным воздействиям (включая УФ-излучение).
• Неустойчивость: к концентрированным кислотам (серной, азотной), щелочам, ацетону, бензолу, толуолу, хлороформу, сложным эфирам и кетонам. Органические растворители вызывают набухание и растворение полимера.
• Горючесть: ПММА горюч (температура воспламенения около 300 °C), при горении выделяет углекислый газ, воду и токсичные продукты (метилметакрилат, оксиды углерода). Относится к группе горючести Г4 (сильногорючие) по ГОСТ 30244.

Классификация и виды

По способу производства

• Листовой (экструзионный): получают экструзией расплава через плоскую щелевую головку. Листы имеют толщину от 1 до 25 мм, ширину до 2,5 м. Отличаются высокой плоскостностью и однородностью.
• Блочный (литьевой): полимеризация мономера в формах (между стеклянными пластинами). Позволяет получать листы толщиной до 50 мм и более с высокой оптической чистотой.
• Гранулированный: выпускается в виде гранул для литья под давлением или экструзии. Используется для изготовления изделий сложной формы (линзы, корпуса, детали).
• Вспененный (акриловый пенопласт): содержит газовые включения, используется как теплоизолятор.

По составу и добавкам

• Прозрачный (бесцветный): стандартный тип.
• Цветной (окрашенный в массе): с добавлением пигментов или красителей.
• Матовый (светорассеивающий): с матирующими добавками для равномерного рассеивания света.
• Ударопрочный (модифицированный): с добавлением каучуков (например, бутадиен-стирольного) для повышения ударной вязкости.
• Термостойкий: с повышенной температурой стеклования (до 120 °C) за счёт сшивки или сополимеров.
• Антистатический: с добавлением антистатиков для снижения накопления статического электричества.
• С защитой от УФ: с УФ-абсорберами для наружного применения.

Применение

Строительство и архитектура

• Остекление зданий (купола, витражи, световые фонари, перегородки).
• Звукоизоляционные экраны вдоль автомагистралей.
• Элементы фасадов (облицовка, козырьки, навесы).
• Сантехнические изделия (ванны, душевые поддоны, раковины) — акриловые ванны.

Авиация и транспорт

• Кабины пилотов (фонари, иллюминаторы) — из-за лёгкости и прочности.
• Защитные экраны для вертолётов и самолётов.
• Стекла автомобилей (фары, указатели поворотов, зеркала).
• Остекление поездов и автобусов.

Оптика и светотехника

• Линзы (очковые, для фонарей, проекторов, лазеров).
• Световоды и светорассеиватели (светильники, рекламные вывески).
• Оптические волокна (в некоторых типах пластиковых волокон).

Медицина

• Костные цементы (в ортопедии и стоматологии) — на основе ПММА с добавлением антибиотиков.
• Зубные протезы (базисы, коронки).
• Контактные линзы (жёсткие газопроницаемые).
• Хирургические инструменты (прозрачные канюли, дренажные трубки).

Бытовая техника и электроника

• Корпуса приборов (телевизоры, компьютеры, телефоны).
• Защитные экраны (смартфоны, планшеты).
• Детали осветительных приборов (абажуры, плафоны).

Реклама и дизайн

• Вывески, таблички, стенды.
• Аквариумы (большие панорамные аквариумы).
• Художественные объекты (скульптуры, инсталляции).
• Витрины и стеллажи.

Технология производства

Сырьё

Основное сырьё — мономер метилметакрилат (ММА), который получают из ацетона и синильной кислоты (ацетонциангидринный метод) или из изобутилена (окислительный метод). Также используются инициаторы полимеризации (пероксиды, азосоединения), пластификаторы, стабилизаторы, красители.

Процесс

1. Подготовка мономера: очистка от ингибиторов, смешивание с инициатором и добавками.
2. Полимеризация: проводится в массе (блочный метод) или в растворе (суспензионный метод). При блочном методе мономер заливают в формы (стеклянные или металлические) и нагревают до 60—100 °C в течение 12—24 часов. Полимеризация экзотермична, требует контроля температуры.
3. Формование: для листового ПММА — экструзия расплава через фильеру с последующим охлаждением на валках. Для гранулированного — резка экструдата на гранулы.
4. Отжиг: для снятия внутренних напряжений изделия нагревают до 80—100 °C и медленно охлаждают.
5. Обработка: резка, сверление, фрезерование, шлифовка, полировка, склеивание (с помощью растворителей или клеев).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая светопропускаемость (выше, чем у стекла).
• Лёгкость (в 2 раза легче стекла).
• Ударопрочность (в 5—10 раз выше, чем у стекла).
• Устойчивость к УФ-излучению (не желтеет на солнце).
• Хорошая обрабатываемость (режется, сверлится, гнётся при нагреве).
• Электроизоляционные свойства.
• Возможность вторичной переработки (гранулы ПММА могут быть переработаны в новые изделия).

Недостатки

• Низкая стойкость к царапинам (легко царапается, требует защитных покрытий).
• Горючесть (поддерживает горение, выделяет токсичные газы).
• Чувствительность к органическим растворителям (ацетон, спирты, бензол).
• Ограниченная термостойкость (размягчается при 120—150 °C).
• Хрупкость при низких температурах (ниже −40 °C).
• Высокая стоимость по сравнению с полистиролом или поликарбонатом.

Экологические аспекты

ПММА поддаётся вторичной переработке (механической — дробление и переплавка; химической — деполимеризация до мономера). В России и мире существуют предприятия по сбору и переработке отходов оргстекла. При горении ПММА выделяет токсичные вещества, поэтому утилизация сжиганием не рекомендуется. Биоразложению в природных условиях материал не подвержен.

Интересные факты

• Оргстекло использовалось в кабинах первых реактивных самолётов (например, Me 262, МиГ-15).
• Из ПММА изготовлены купола многих современных стадионов (например, «Альянц Арена» в Мюнхене).
• В 2003 году компания Lucite International (Великобритания) создала самый большой в мире акриловый аквариум — «Океанографический парк» в Валенсии (Испания) с толщиной стенок до 30 см.
• ПММА используется в качестве материала для изготовления искусственных хрусталиков глаза (интраокулярных линз).

Источники

• ГОСТ 17622-72 «Стекло органическое техническое. Технические условия».
• Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3.
• Крыжановский В. К., Бурлов В. В. Технические свойства полимерных материалов. — СПб.: Профессия, 2003.
• Полимерные материалы: свойства, применение, переработка / Под ред. В. А. Белого. — М.: Химия, 2005.
• Mark H. F. Encyclopedia of Polymer Science and Technology. — Wiley, 2007.