Полиметилметакрилат Plexiglas

Полиметилметакрилат (сокр. ПММА, от англ. Polymethyl methacrylate) — синтетический полимер, прозрачный термопластичный материал, получаемый полимеризацией метилметакрилата. Наиболее известен под торговыми марками оргстекло, плексиглас (Plexiglas), акриловое стекло и акрил. Отличается высокой светопропускаемостью (до 92—93 %), устойчивостью к атмосферным воздействиям и механической прочностью, что обуславливает его широкое применение в качестве заменителя силикатного стекла в различных отраслях промышленности, строительстве, дизайне и медицине.

История

Открытие и первые разработки

Впервые полиметилметакрилат был синтезирован в 1877 году немецким химиком Вильгельмом Рудольфом Фиттигом, который получил его в ходе реакции метакриловой кислоты с натрием. Однако практического применения материал не нашёл из-за сложности производства и низкого качества.

Современная история ПММА началась в 1928 году в лаборатории компании Rohm and Haas (Германия), где химики Отто Рём и Вальтер Бауэр разработали метод промышленной полимеризации метилметакрилата. В 1933 году был получен первый образец прозрачного акрилового стекла, а в 1936 году компания начала коммерческое производство под торговой маркой Plexiglas.

Вторая мировая война и послевоенное развитие

Во время Второй мировой войны ПММА активно использовался в авиастроении для изготовления прозрачных элементов кабин самолётов (фонарей, иллюминаторов). Благодаря лёгкости, прочности и устойчивости к осколкам, акриловое стекло заменило хрупкое силикатное стекло в военных самолётах. В СССР первые промышленные партии оргстекла были получены в 1940-х годах на базе разработок НИИ пластмасс.

После войны технология производства была усовершенствована, и ПММА начал применяться в гражданской авиации, автомобилестроении, строительстве и быту. В 1960-х годах появились литьевые и экструзионные методы получения листов, что значительно снизило стоимость материала.

Химическая структура и свойства

Химическое строение

Полиметилметакрилат представляет собой линейный полимер, мономером которого является метилметакрилат (CH₂=C(CH₃)COOCH₃). Формула повторяющегося звена: [–CH₂–C(CH₃)(COOCH₃)–]n. Молекулярная масса коммерческих образцов варьируется от 50 000 до 2 000 000 г/моль.

Физические и механические свойства

Плотность: 1,17—1,20 г/см³ (примерно вдвое легче силикатного стекла).
Светопропускание: 92—93 % в видимой области спектра (для прозрачных марок), что выше, чем у обычного стекла (около 88 %).
Показатель преломления: 1,49 (близок к показателю оптического стекла крона).
Прочность на разрыв: 50—80 МПа (в 5—10 раз прочнее силикатного стекла на изгиб).
Твёрдость по Бринеллю: 180—200 МПа (ниже, чем у стекла, что делает материал чувствительным к царапинам).
Температура стеклования (Tg): 100—105 °C (для стандартных марок). Выше этой температуры материал размягчается.
Температура размягчения по Вика: 110—120 °C.
Температура плавления: 160—200 °C (с разложением).
Ударная вязкость: 15—20 кДж/м² (для литьевых марок), что значительно выше, чем у силикатного стекла (менее 1 кДж/м²).

Химическая стойкость

ПММА устойчив к действию разбавленных кислот, щелочей, масел и жиров. Разрушается под воздействием концентрированных кислот, щелочей, а также органических растворителей (ацетон, бензол, хлороформ). При длительном воздействии ультрафиолетового излучения может желтеть, хотя современные стабилизированные марки обладают высокой УФ-стойкостью.

Классификация и виды

По способу производства

Литьевое оргстекло (блочное, литьевое) — получают полимеризацией мономера в формах (между двумя листами силикатного стекла). Отличается высокой однородностью, оптической чистотой, отсутствием внутренних напряжений. Используется для оптики, аквариумов, художественных изделий.
Экструзионное оргстекло — получают методом экструзии (выдавливания) расплава через щелевую головку. Имеет более низкую стоимость, но может содержать внутренние напряжения и быть менее однородным. Применяется для рекламных конструкций, остекления, вторичной переработки.

По составу и добавкам

Прозрачное — стандартное, с максимальным светопропусканием.
Цветное — с добавлением красителей (прозрачные, полупрозрачные, непрозрачные).
Матовое — с матирующей поверхностью (для рассеивания света).
Ударопрочное — с добавлением каучуковых модификаторов (например, акриловых эластомеров).
Термостойкое — с повышенной температурой стеклования (до 130—140 °C).
Светорассеивающее — с добавлением светорассеивающих частиц (для светильников, рекламных вывесок).
Антибактериальное — с добавлением ионов серебра или других биоцидов (для медицинского применения).

По форме поставки

Листы — толщиной от 0,5 до 50 мм, размерами до 3×3 м.
Блоки — толстые листы (до 200 мм) для механической обработки.
Стержни, трубки, профили — экструзионные или литьевые.
Гранулы — для литья под давлением и экструзии.

Применение

Строительство и архитектура

Остекление — светопрозрачные ограждения, купола, витражи, зимние сады, теплицы. Благодаря лёгкости и прочности, ПММА используется в зданиях с повышенными требованиями к безопасности (например, в школах, больницах).
Звукоизоляционные экраны — вдоль автомагистралей и железных дорог.
Фасадные панели — декоративные элементы, световые короба.
Сантехнические изделия — ванны, душевые поддоны, раковины (акриловые ванны).

Транспорт

Авиация — иллюминаторы, фонари кабин, козырьки остекления.
Автомобилестроение — фары, задние фонари, стёкла боковых окон, элементы интерьера.
Железнодорожный транспорт — окна поездов, трамваев, метро.
Судостроение — иллюминаторы, рубки, защитные кожухи.

Медицина

Ортопедия — протезы (в том числе костные цементы на основе ПММА), зубные протезы, коронки.
Хирургия — имплантаты для черепно-челюстно-лицевой хирургии, костные пластины.
Офтальмология — интраокулярные линзы (хрусталики), контактные линзы (в прошлом).
Лабораторное оборудование — пробирки, чашки Петри, кюветы.

Оптика и электроника

Линзы — очковые, увеличительные, для проекторов, светофоров.
Световоды — оптические волокна на основе ПММА (полимерные оптические волокна, POF) для передачи данных на короткие расстояния.
Экраны — дисплеи, сенсорные панели, защитные стёкла для мобильных устройств.
Светодиодные светильники — рассеиватели, линзы.

Реклама и дизайн

Вывески — световые короба, объёмные буквы, логотипы.
Стенды — информационные, выставочные.
Аквариумы — большие аквариумы из литьевого оргстекла (толщиной до 50 мм).
Мебель — столешницы, полки, декоративные элементы.

Прочие области

Спортивный инвентарь — защитные маски, очки, щитки.
Музейное дело — защитные витрины, стенды для экспонатов.
Военная техника — бронестекла (в комбинации с другими материалами), пуленепробиваемые панели.

Технология производства

Сырьё

Основным сырьём является метилметакрилат (ММА), который получают из ацетона и синильной кислоты (ацетонциангидринный процесс) или из изобутилена. В качестве инициаторов полимеризации используются пероксиды (например, бензоилпероксид) или азосоединения.

Процесс литьевого производства

Подготовка формы — два листа силикатного стекла скрепляются по периметру герметизирующей лентой, образуя полость.
Заливка — в полость заливают смесь мономера (ММА) с инициатором и модификаторами.
Полимеризация — форму помещают в водяную баню или печь, где при температуре 40—80 °C в течение 10—24 часов происходит полимеризация.
Охлаждение и извлечение — после завершения реакции лист охлаждают и отделяют от стекла.
Обработка — удаление облоя, шлифовка кромок, контроль качества.

Процесс экструзионного производства

Плавление — гранулы ПММА загружаются в экструдер, где расплавляются при 200—250 °C.
Экструзия — расплав выдавливается через щелевую головку на охлаждающие валки.
Калибровка — лист калибруется по толщине и ширине.
Охлаждение и резка — лист охлаждается, разрезается на заданные размеры.

Достоинства и недостатки

Преимущества

Высокая светопропускаемость (до 93 %).
Лёгкость (в 2—2,5 раза легче силикатного стекла).
Ударопрочность (в 5—10 раз выше, чем у стекла).
Хорошая обрабатываемость (пилится, сверлится, фрезеруется, полируется, склеивается).
Устойчивость к атмосферным воздействиям (УФ-стабилизированные марки).
Возможность окрашивания в любые цвета.
Низкая теплопроводность (0,19 Вт/(м·К) — лучше теплоизолятор, чем стекло).

Недостатки

Низкая твёрдость (легко царапается).
Чувствительность к органическим растворителям.
Ограниченная термостойкость (размягчение при 100—120 °C).
Горючесть (поддерживает горение, выделяет токсичные продукты).
Склонность к растрескиванию при контакте с некоторыми химикатами.
Высокая стоимость по сравнению с силикатным стеклом (для литьевых марок).

Интересные факты

Плексиглас (Plexiglas) — торговая марка компании Evonik Industries (Германия), ставшая нарицательным названием для акрилового стекла во многих странах.
В 1960-х годах из ПММА были изготовлены иллюминаторы космического корабля «Аполлон» (NASA).
Акриловые ванны, популярные в 1980-1990-х годах, изготавливаются из экструзионного ПММА, армированного стекловолокном.
Полимерные оптические волокна (POF) на основе ПММА используются в автомобильной промышленности для передачи данных (например, в системе MOST).
В медицине ПММА применяется как костный цемент для фиксации эндопротезов (например, тазобедренных суставов).

Источники

Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 123—125.
Энциклопедия полимеров. — М.: Химия, 1972. — Т. 1. — С. 456—460.
ГОСТ 17622-72 «Стекло органическое. Технические условия».
Технический регламент Таможенного союза «О безопасности пластмасс» (ТР ТС 005/2011).
Патент США № 2,091,576 (1937) на способ получения акрилового стекла (Otto Röhm, Walter Bauer).
Справочник по пластмассам / под ред. В. А. Попова. — М.: Химия, 1975. — С. 234—240.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →