Полиметакрилатите са полимери на естерите на метакриловата киселина. Най-широко приложение от тях намира полиметилметакрилата (PMMA).
Полиметилметакрилатът е полимер на метилметакрилата, с химическа формула (C5H8O2)n. Той е прозрачен, безцветен полимер под формата на пелети или листи, с търговските марки Plexiglas, Acrylite, Perspex, Plazcryl, Acrylplast, Altuglas, Lucite и др. В практиката е познат като органично стъкло или като акрил.
Друг акрилов полимер е полиметилакрилатът - каучукоподобен материал, подобен на полиметилметакрилата, но по-мек от него поради по-дългите полимерни вериги.
Полиметилметакрилатът се получава чрез свободно - радикалова полимеризация на метиметакрилата в маса или в суспензия, съгласно следната схема:
PMMA е линеен термопластичен полимер. Основните му физични характеристики са представени в таблица 1.
Таблица 1. Основни физични свойства на PMMA
Характеристика
|
Стойност *
|
Плътност
|
1.15 - 1.19 g/cm3
|
Абсорбция на вода
|
0.3 - 2 %
|
Равновесна водопоглъщаемост
|
0.3 - 0.33 %
|
Линейно свиване във формата
|
0.003 - 0.0065 cm/cm
|
Индекс на стопилка
|
0.9 - 27 g/10 min
|
Полиметилметакрилатът притежава висока механична якост, висок модул на еластичност и ниско удължение при скъсване. Той е един от най-твърдите термопластични полимери и е устойчив на надраскване. Показва ниска склонност към поглъщане на влага и адсорбция на вода, поради което изделията от PMMA
Обща информация
Структура
Физични и физикомеханични характеристики
се характеризират със стабилност на размерите.
Таблица 2 показва някои от основните механични характеристики на полиметилметакрилата.
Таблица 2. Обобщени физикомеханични характеристики на PMMA
Характеристика
|
Стойност*
|
Твърдост, Rockwell M
|
63 - 97
|
Твърдост , Rockwell R
|
104 - 120
|
Якост на скъсване при опън
|
47 - 79 MPa
|
Граница на течливост при опън
|
55 - 85 MPa
|
Относително удължение при скъсване
|
1 - 30 %
|
Относително удължение при границата на течливост
|
4 - 5 %
|
Модул на еластичност (опън)
|
2.2 - 3.8 GPa
|
Модул на еластичност при огъване
|
3 - 3.5 GPa
|
Граница на течливост при огъване
|
81 - 138 MPa
|
Граница на течливост при натиск
|
100 - 117 MPa
|
Якост на удар по Izod, с надрез
|
0.12 - 0.2 J/cm2
|
Якост на удар по Izod, без надрез
|
1.1 J/cm
|
Модул на пълзене при опън, 1 час
|
1800 - 2700 MPa
|
Модул на пълзене при опън, 1000 часа
|
1200 - 1800 MPa
|
Както и при останалите термопласти, механичните свойства на полиметилметакрилатa зависят от температурата. Той притежава склонност към пълзене, поради което не е подходящ за изделия, работещи в условията на циклични натоварвания.
Поради ефекти на ориентиране в процеса на преработка, свойствата на изделията, получени чрез инжекционно формоване, показват анизотропност в две взаимно-перпендикулярни направления.
ПММА е един от най-устойчивите на въздействието на пряка слънчева светлина полимери. Якостните му характеристики се променят незначително под действието на UV – лъчение или в присъствието на озон. По тази причина той се използва за производството на изделия, работещи продължително време на открито.
Ниската абсорбция на вода прави полиметилметакрилата подходящ за целите на електротехническата промишленост. Диелектричните му свойства са много добри, но отстъпват на тези на полистирена и полиетилена ниска плътност. Устойчивостта му зависи от температурата на околната среда и относителната влажност. Диелектричната константа и тангенсът на ъгъла на загубите са също функция на температурата, относителната влажност на въздуха и честотата. Обобщените електрични характеристики на полиметилметакрилатите са представени в таблица 3.
Таблица3. Електрични свойства на полиметилметакрилатите.
Характеристика
|
Стойност*
|
Специфично обемно съпротивление
|
1014 - 1015 .cm
|
Повърхностно съпротивление
|
1014 - 1016
|
Тангенс на ъгъла на загубите, 20C, 1000 Hz, 60% влажност
|
0.04
|
Относителна диелектрична проницаемост
|
2.8 - 4
|
Относителна диелектрична проницаемост, ниска честота
|
3 - 4
|
Електрическа якост
|
17.7 - 60 kV/mm
|
Дъгоустойчивост
|
100 - 180 s
|
Термичната устойчивост на полиметилметакрилат е само 65oC. Термо-стабилизираните видове са устойчиви до 100oC. Полиметилметакрилатът може да издържа до -70oC. Притежава много добра устойчивост на температурни колебания. Термо-физичните характеристики на полиметилметакрилата са систематизирани в таблица 4.
Полиметилметакрилатът е горим материал, който поддържа горенето дори и след отстраняване на пламъка. Продуктите, отделени вследствие на горенето имат токсично действие.
Електрични свойства
Термофизични свойства
Таблица 4. Термофизични характеристики на ПММА.
Характеристика
|
Стойност*
|
Температурен коефициент на линейно разширение , 20°C
|
60 - 130 µm/m.°C
|
Температурен коефициент на линейно разширение, 20°C (перпендикулярно на топлинния поток)
|
70 - 90 µm/m.°C
|
Топлинен капацитет
|
1.46 - 1.47 J/g.°C
|
Топлопроводимост
|
0.19 - 0.24 W/m.K
|
Максимална температура на експлоатация, въздух
|
41 - 103 °C
|
Температура на стапяне
|
130C
|
Топлоустойчивост по Vicat
|
47 - 117 °C
|
Температура на встъкляване
|
100 - 105 °C
|
Полиметилметакрилатът притежава отлични оптични свойства – той пропуска по-голямо количество светлина дори от стъклото (93% от видимата светлина). Това, съчетано с добрата му съвместимост с човешката тъкан, го прави един от най-подходящите материали за медицински лещи в офталмологията. Противно на стъклото, ПММА пропуска ултравиолетовото лъчение с дължина на вълната под 300 nm и инфрачервената светлина до 2800 nm.
Оптични свойства
|
Стойност *
|
Прозрачност
|
1 - 96 %
|
Светлопропускливост (видима светлина)
|
80 - 93 %
|
Индекс на рефракция
|
1.49 - 1.498
|
Полиметилакрилатите са устойчиви на въздействието на водни разтвори на голяма част от лабораторните химикали, детергенти, разредени неорганични киселини, основи и алифатни въглеводороди. Неустойчиви са обаче в хлорирани или ароматни въглеводороди, естери, кетони. PMMA се разтваря напълно в хлороформ, ди- и трихлоретан, което се използва за производството на лепила. Най-общо химическата устойчивост зависи от наличието на външно натоварване, температурата, химичния състав на реагентите и продължителността на въздействие.
Оптични свойства
Химическа устойчивост
Полиметилметакрилатът е физиологично безвреден. Благодарение на ниската си водопоглъщаемост, той е устойчив на действието на ензими и плесени.
Подходящи методи за преработка на полиметилметакрилатите са инжекционно леене, екструзия, бласформуване, термоформоване. Индексът на стопилка на полимера варира в зависимост от метода на преработка:
-
Нисък индекс на стопилка (0.8 – 2.5) – материали, предназначени за екструдиране;
-
Среден индекс на стопилка (2.5 - 10 ) – полиметилметакрилат общо предназначение;
-
Висок индекс на стопилка (> 10) – полиметилметакрилати, предназначени за инжекционно формоване на детайли със сложна форма.
При инжекционното формоване температурата на формата трябва да бъде в интервала 40 - 80oC, а тази на материала (в зависимост от вида), трябва да бъде между 200 и 250oC. Като правило налягането се поддържа високо поради лошите вискозитетни свойства на полимера. Това е особено важно при изготвянето на оптични лещи, където при неподходящи параметри на процеса е възможно образуването на съединителни линии. При инжекционното формоване на полиметилметакрилата често възникват вътрешни напрежения, които се отстраняват чрез загряване на изделието при температура около 80°C (темпериране).
Екструдирането се извършва при температури 180 ÷ 250oC. За екструдирането на листи и профили се използва полиметилметакрилат с високо молекулно тегло.
При повишена температура на преработка настъпва деструкция на полимера, която е съпроводена с отделянето на метилметакрилат или други летливи нискомолекулни продукти. Процесът води също до загуба на маса, затова е нежелан. За избягването му е необходимо добро познаване на термо-физичните характеристики на полимера, особено в температурния интервал на преработка (220-250C).
Полиметилакрилатите лесно се режат, пробиват, фрезоват, гравират и полират с абразивни инструменти на базата на карбиди. Те могат също да бъдат лесно огъвани и термоформовани при ниска температура, както и съединявани с помощта на разтворител, образувайки здрави, незабележими връзки. Могат да се заваряват с помощта на всички процеси за заваряване на пластмаси.
Полиметилметакрилатът е икономичен, с многостранно приложение материал. Използва се под формата на екструдиран или отлят листов материал, тръби, профили. Различните видове намират приложение в различни области:
-
Оптика: слънчеви очила, оптични лещи, очила с диоптри и др.
-
Автомобилостроене: светлини, мигачи, тахометри, предупредителни триъгълници и др.;
-
Елекропромишленост: бутони и превключватели, покриващи елементи за лампи и др. ;
-
Офис - консумативи: инструменти за чертане и писане, химикалки;
Методи за преработка
Приложение
-
Медицина: опаковки за таблетки, хапчета, капсули, стерилизиращо се оборудване и др.;
-
Други: нечупливи остъкления, душ-кабини, прозрачни тръбопроводи, играчки и др.
Марки:
-
Lucite®L (Lucite International, Inc, USA)
-
Plexiglas® (Altuglas International)
-
Acrylite® GP (Piedmont Plastics, CYRO Industries, USA)
* Посочените в таблиците интервали отбелязват минималната и максимална стойност на съответната характеристика, експериментално установени и публикувани за различните марки и видове от този полимер.
Литература:
1. Harper, Charles A., Handbook of Plastic Processes, John Wiley & Sons, 2005
2. Harper, Charles A., Edward M. Petrie. Plastics Materials and Processes John Wiley & Sons, 2003
3. Stevens, Malcolm P. Polymer Chemistry: An Introduction. Oxford University Press, USA, 1998
4. Van Krevelen, D.W. Properties of polymers, ELSEVIER, 2003
5. Crawford, R. J. Plastics engineering. Butterworth Heinemann, 1998