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:
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».
Что такое оргстекло
Появился материал еще в 1928 году. В Советском Союзе оргстекло было синтезировано и произведено в «НИИ Пластмасс» более 80 лет назад. Изначально легкий прозрачный материал применялся для изготовления деталей самолетов, турелей, подводных лодок. Сейчас материал в комплексе с алюминиевыми и титановыми сплавами используют для изготовления сверхпрочных и легких технических деталей. Достоинством данных конструкций является не только их прочность и легкость, но и способность выдерживать температуру более 200 °C.
Оргстекло обладает большей прочностью, чем обычное стекло
Полимерные аналоги способны лишь частично заменить стекла, хотя существует много разновидностей и аналогов полимеров. Оргстекло может быть произведено не только из акрила, но и из полистирола, карбоната или винилхлорида. Основной частью материала является термопластичная смола, именно поэтому назвать его стеклом можно только условно. Неорганическое композитное стекло выполняет лишь малую часть функций стекла.
Оргстекло или полиметилметакрилат – это синтетический полимер из сложного эфира метакриловой кислоты. Полностью состоит из термопластичной смолы. Производится двумя методами: литья и экструнзиации (накладывания нескольких слоев пластика), путем внедрения в состав идентичных компонентов. Для получения различных видов полимера используются различные добавки, которые повышают уровень требуемых параметров. В нашей стране оргстекло в основном производится методом литья.
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.
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.
При этом оргстекло достаточно склонно к поверхностным повреждениям, оно довольно легко царапается. Это обусловливает применение специальных защитных пленок из полимеров на поверхности стекла.
Всё о получении оргстекла
Органическое стекло – один из наиболее востребованных полимерных конструкционных материалов, обладающий высокой прочностью, диэлектрическими свойствами и устойчивостью к действию атмосферных явлений и агрессивных сред. Промышленностью изготавливается бесцветное и окрашенное оргстекло, которое может быть как прозрачным, так и матовым.
Оно выпускается в листах и блоках, а также в виде изделий сложной формы. Оргстекло применяется в строительстве, машиностроении, химической и других отраслях промышленности. Также из него изготавливают различные элементы декора, сувенирную и рекламную продукцию (брелоки, визитницы, вывески и т.д.). В качестве исходного сырья для получения органического стекла используют метилметакрилат, который получают из метилового спирта и метакриловой кислоты. Оргстекло получают по следующей реакции:
Метилметакрилат – это бесцветная жидкость, которая, вступая в реакцию полимеризации, превращается в стеклообразную массу. Реакция получения оргстекла протекает на свету при нагревании и в присутствии катализаторов (перекись водорода, перекись бензола и др.):
Конечным продуктом реакции полимеризации является полиметилметакрилат, молярная масса которого составляет 20 000 – 200 000. Этот материал представляет сбой твердое прозрачное вещество, отличающееся высокой ударопрочностью. При нагревании до 100 – 150 0С он становится пластичным, а при более высокой температуре происходит деполимеризация с образованием жидкого метилметакрилата.
Для получения органического стекла в ходе реакции полимеризации в полиметилметакрилат вводятся пластификаторы, красители и различные присадки. Все это позволяет придать оргстеклу требуемый цвет, прозрачность и форму. Промышленностью выпускается листовое акриловое стекло, а также различные полиметилметакрилатв гранулах, из которого изготавливают оргстекло экструзионным или литьевым методом.
Литьевое
Блочный или литой прозрачный термопласт характерен более прочными межмолекулярными связями (высокомолекулярное). Это позволяет получать продукцию с улучшенными, в сравнении с экструзионным, показателями. Литое оргстекло имеет гладкую поверхность, высокую прозрачность, стойкость к удару, устойчивость к возникновению трещин.
Метод изготовления литого оргстекла – заливка жидкого мономера ММА между 2-мя плоскостями из стекла с последующей полимеризацией, затвердением. При производстве блочного оргстекла разнотолщинность достигает 30%, а усадка в процессе нагрева ― 2%.
Литьевое оргстекло отечественного производства маркируется: ТОСП, ТОСП-Н, ТОСП-У, ТОСН.
Литьевой
Жидкий мономер метилметакрилата (ММА) является начальным сырьем для производства литого оргстекла.
Метод изготовления состоит в следующем. Сначала жидкий мономер смешивают с различными добавочными компонентами: красителями, отвердителями и пр.
Затем холодный растворенный ММА заливают в пространство, расположенное между двумя специальными стеклами, помещают в рамку, которая рассчитана на двадцать листов.
Следующие операции – термообработка в воде, на воздухе, полимеризация массы. Затем охлаждение, обрезка кромки в размер. Конечный продукт – твердый лист оргстекла стандартных размеров с ровными краями.
В процессе производства можно получать листы различной толщины. Литое оргстекло считается более качественным, прочным. Его можно полировать, обрабатывать.
Литьевое оргстекло, ввиду особенностей его изготовления, представлено в более широком диапазоне толщин, но допуски по толщине у него выше. Экструзионное – от 1,5 до 24 мм. Точность изготовления более высокая, отклонение от размеров минимально.
Марки
Листовое светотехническое оргстекло производят марок:
- СЭ – экструзионное;
- СБ – блочное;
- СЭП – прозрачное, изготовлено методом экструзии;
- СБС – блочное трудносгораемое;
- СБПТ – блочное повышенной теплостойкости.
СЭП – прозрачное, остальные марки – замутненные.
Техническое отечественное оргстекло производится пластифицированное (ТОСП) и непластифицированное (ТОСН).
ТОСП, в свою очередь, может быть предназначено для:
- ТОСП-Н – производства акриловых ванны, поддонов для душа, сантехники и др. (сантехническое);
- ТОСП-У – термо и светостабилизированное.
Согласно ГОСТ 10667-90, листовое оргстекло также маркируется: СО (органическое), затем указывают температуру, при которой полимер размягчается (например, 95, 120, 133) и буквенное обозначение, указывающее на область применения (К – конструкционное, А – авиационное).
Метод получения оргстекла блочной полимеризацией
Листовое оргстекло получают методом блочной полимеризации, при котором реакция протекает в формах в присутствии инициаторов и пластификаторов. Формы изготавливают из обычного силикатного стекла с толщиной стенки 5 – 11 мм, также применяются стальные и алюминиевые формы. Зазор между листами формы регулируется при помощи эластичных вкладышей, что позволяет получать изделия из оргстекла различной толщины. Технологический процесс производства листового акрилового стекла состоит из нескольких этапов:
- Подготовка и заливка в формы форполимера,
- Полимеризация,
- Механическая обработка готового изделия.
Форполимер получают в специальных аппаратах, куда помещают жидкий метилметакрилат с добавлением инициатора (перекись бензола). Для получения вязкой сиропообразной жидкости смесь тщательно перемешивают и нагревают до 70 – 80 0С в течение 2 ч. Также форполимер можно получить, растворив в жидком мономере «крупку», которая представляет собой измельченные обрезки или бракованные листы органического стекла. Для получения требуемой молекулярной массы «крупку» тщательно просеивают и подвергают термообработке.
Перед заливкой в формы в форполимер вводят пластификаторы (фталаты, перкарбонаты), красители, замутнители и другие присадки для получения требуемых свойств готового оргстекла. Для получения однородной смеси полученную массу тщательно перемешивают, фильтруют и подвергают вакуумизации.
Готовый форполимер заливают в формы, которые размещают на специальных тележках в горизонтальном положении. Процесс полимеризации происходит в туннельных полимеризационных камерах, где формы с форполимером постепенно нагреваются до температуры 120 0С в течение 24 – 48 ч. Для более равномерного прогрева в камерах происходит постоянный обдув форм горячим воздухом.
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.
Сравнение экструзионного оргстекла с литым
Проведем сравнение двух видов стекла органического с целью выявления достоинств и недостатков каждого вида:
- экструзионное оргстекло, в отличие от литого, имеет меньший процент разнотолщинности (5% против 30% у литого);
- у литого оргстекла больший диапазон толщин, но меньшая допустимая длина листов;
- оргстекло, изготовленное способом экструзии имеет меньшую стойкость к химическим воздействиям, ударам;
- для работы с экструдированным оргстеклом используют более низкие температуры (150-170°C против 150-190°C у литого) и меньшие усилия при термоформовке;
- литое стекло хуже клеиться, а экструзионное подвержено образованию внутренних напряжений;
- усадка при нагреве стекла экструзионного составляет 6% против 2% у литого.
Технические характеристики
Хранение листов оргстекла предполагается в условиях неизменных температурных показателей. Защитную пленку снимают только по завершении последней операции по обработке. В любом случае при работе с оргстеклом важно учитывать его технические характеристики.
Выше представлены технические характеристики оргстекла
Материал начинает плавиться при температуре выше 160 °C. При меньшей температуре конструкция только погнется, а при превышении и неправильной обработке лист может покрыться пузырьками, в результате чего пострадает весь внешний вид изделия. При этом следует учитывать, что критическая черта плавления – 260 °C, после которой полимер может воспламениться.
Сфера применения оргстекла довольно обширна, поэтому важной особенностью материала является возможность его легкой обработки. При соблюдении определенной температуры листы легко поддаются формировке. Для этого достаточно нагреть материал до 140 °C, но не выше 160 °C. Придавать стеклу форму можно начинать и при более низкой температуре – 100 °C, но в этом случае потребуется затратить немало усилий. Придать форму полимеру можно и самостоятельно. Для этого понадобится труба, нихромовая нить и строительный фен.
Удельный вес оргстекла составляет 1190 кг/м³ и зависит от толщины листа. Так, при толщине в 3 мм вес 1 м² материала составит 3,6 кг, 5 м² – 5,95 кг, 8 м² – 9,52 кг и т. д. По степени рассеиваемости света оргстекло можно приравнять к матовым стеклам. Материал отлично пропускает свет, в зависимости от разновидности полимера степень светопропускаемости может достигать 92%. По сравнению с другими аналоговыми материалами оргстекло обладает неплохой прочностью и стойкостью к механическим повреждениям.
Опираясь на официальные заявления производителей, материал можно отнести к теплоизоляционным, так как теплопроводность оргстекла составляет 0,19 ВТ/мК.
Оргстекло обладает высокой устойчивостью к температурным перепадам и низкой теплопроводностью
Уникальность материала в том, что он плохо проводит тепло и стоек к температурным перепадам, но при этом под воздействием высокой температуры формируется и плавится. Эта характеристика обеспечивает высокую степень безопасности материала, который при плавлении не продуцирует ядовитый дым и газ.
Экструзионное
Экструзионное оргстекло из полиметилметакрилата (ПММА) отличают слабые межмолекулярные связи (низкомолекулярное). Из-за этого его используют для изделий с простыми формами. Экструзионное оргстекло изготавливают методом непрерывного выдавливания расплавленной массы, состоящее из гранул ПММА, сквозь щелевую формообразующую «головку» экструдера.
Экструзионное оргстекло отечественного производства маркируется: СЭП, ACRYMA.
