PMMA塑料的性能、加工及應用

以丙烯酸及其酯類聚合所得到的聚合物統稱丙烯酸類樹酯，相應的塑料統稱聚丙烯酸類塑料，其中以聚甲基丙烯酯甲酯應用最廣泛。聚甲基丙烯酸甲酯縮寫代號為PMMA，俗稱有機玻璃，是迄今為止合成透明材料中質地最優異，價格又比較適宜的品種。

一、性能
聚甲基丙烯酸甲酯是剛性硬質無色透明材料，密度為1.18-1.19g/CM3，折射率較小，約1.49，透光率達92%，霧度不大於2%，是優質有機透明材料。
1.力學性能
聚甲基丙烯酸甲酯具有良好的綜合力學性能，在通用塑料中居前列，拉伸、彎曲、壓縮等強度均高於聚烯烴，也高於聚苯乙烯、聚氯乙烯等，沖擊韌性較差，但也稍優於聚苯乙烯。澆注的本體聚合聚甲基丙烯酸甲酯板材（例如航空用有機玻璃板材）拉伸、彎曲、壓縮等力學性能更高一些，可以達到聚酰胺、聚碳酸酯等工程塑料的水平。
一般而言，聚甲基丙烯酸甲酯的拉伸強度可達到50-77MPa水平，彎曲強度可達到90-130MPa，這些性能數據的上限已達到甚至超過某些工程塑料。其斷裂伸長率僅
2%-3% ，故力學性能特征基本上屬於硬而脆的塑料，且具有缺口敏感性，在應力下易開裂，但斷裂時斷口不像聚苯乙烯和普通無機玻璃那樣尖銳參差不齊。40℃ 是一個二級轉變溫度，相當於側甲基開始運動的溫度，超過40℃ ,該材料的韌性，延展性有所改善。聚甲基丙烯酸甲酯表面硬度低，容易擦傷。
聚甲基丙烯酸甲酯的強度與應力作用時間有關，隨作用時間增加，強度下降。經拉伸取向後的聚甲基丙烯酸甲酯（定向有機玻璃）的力學性能有明顯提高，缺口敏感性也得到改善。
聚甲基丙烯酸甲酯的耐熱性並不高，它的玻璃化溫度雖然達到104℃，但最高連續使用溫度卻隨工作條件不同在65℃-95℃之間改變，熱變形溫度約為96℃（1.18MPa），維卡軟化點約113℃。可以用單體與甲基丙烯酸丙烯酯或雙酯基丙烯酸乙二醇酯共聚的方法提高耐熱性。聚甲基丙烯酸甲酯的耐寒性也較差，脆化溫度約9.2℃。聚甲基丙烯酸甲酯的熱穩定性屬於中等，優於聚氯乙烯和聚甲醛，但不及聚烯烴和聚苯乙烯，熱分解溫度略高於270℃，其流動溫度約為160℃，故尚有較寬的熔融加工溫度范圍。
聚甲基丙烯酸甲酯的熱導率和比熱容在塑料中都屬於中等水平，分別為0.19W/CM.K和1464J/Kg.K
2.電性能
聚甲基丙烯酸甲酯由於主鏈側位含有極性的甲酯基，電性能不及聚烯烴和聚苯乙烯等非極性塑料。甲酯基的極性並不太大，聚甲基丙烯酸甲酯仍具有良好的介電和電絕緣性能。值得指出的是，聚甲基丙烯酸甲酯乃至整個丙烯酸類塑料，都具有優異的抗電弧性，在電弧作用下，表面不會產生碳化的導電通路和電弧徑跡現象。20℃是一個二級轉變溫度，相應於側甲酯基開始運動的溫度，低於20℃，側甲酯基處於凍結狀態，材料的電性能比處於20℃以上時會有所提高。
3. 耐化學試劑及耐溶劑性
聚甲基丙烯酸甲酯可耐較稀的無機酸，但濃的無機酸可使它侵蝕，可耐堿類，但溫熱的氫氧化鈉、氫氧化鉀可使它浸蝕，可耐鹽類和油脂類，耐脂肪烴類，不溶於水、甲醇、甘油等，但可吸收醇類溶脹，並產生應力開裂，不耐酮類、氯代烴和芳烴。它的溶解度參數約為18.8(J/CM3)1/2 ，在許多氯代烴和芳烴中可以溶解，如二氯乙烷、三氯乙烯、氯仿、甲苯等，乙酸乙烯和丙酮也可以使它溶解。
聚甲基丙烯酸甲酯對臭氧和二氧化硫等氣體具有良好的抵抗能力。
4.耐侯性
聚甲基丙烯酸甲酯具有優異的耐大氣老化性，其試樣經4年自然老化試驗，重量變化，拉伸強度、透光率略有下降，色澤略有泛黃，抗銀紋性下降較明顯，沖擊強度還略有提高，其它物理性能幾乎未變化。
5.燃燒性
聚甲基丙烯酸甲酯很容易燃燒，有限氧指數僅17.3。

二、聚甲基丙烯酸甲酯的加工
（一）工藝特性
1.聚甲基丙烯酸甲酯含有極性側甲基，具有較明顯的吸濕性，吸水率一般在0.3%-0.4%，成型前必須幹燥，幹燥條件是80℃-85℃下幹燥4-5h 。
2.聚甲基丙烯酸甲酯在成型加工的溫度范圍內具有效明顯的非牛頓流體特性，熔融粘度隨剪切速率增大會明顯下降，熔體粘度對溫度的變化也很敏感。因此，對於聚甲基丙烯酸甲酯的成型加工，提高成型壓力和溫度都可明顯降低熔體粘度，取得較好的流動性。
3.聚甲基丙烯酸甲酯開始流動的溫度約160℃，開始分解的溫度高於270℃，具有較寬的加工溫度區間。
4.聚甲基丙烯酸甲酯熔體粘度較高，冷卻速率又較快，制品容易產生內應力，因此成型時對工藝條件控制要求嚴格，制品成型後也需要進行後處理。
5.聚甲基丙烯酸甲酯是無定形聚合物，收縮率及其變化范圍都較小，一般約在0.5%-0.8%，有利於成型出尺寸精度較高的塑件。
6.聚甲基丙烯酸甲酯切削性能甚好，其型材可很容易地機加工為各種要求的尺寸。
（二）加工工藝
聚甲基丙烯酸甲酯可以采用澆鑄、注塑、擠出、熱成型等工藝。
1.澆鑄成型
澆鑄成型用於成型有機玻璃板材、棒材等型材，即用本體聚合方法成型型材。澆鑄成型後的制品需要進行後處理，後處理條件是60℃下保溫2h， 120℃下保溫2h
2.注塑成型
注塑成型采用懸浮聚合所制得的顆粒料，成型在普通的柱塞式或螺杆式注塑機上進行。表1是聚甲基丙烯酸甲酯注塑成型的典型工藝條件。
表1聚甲基丙烯酸甲酯注塑工藝條件
工藝參數 螺杆式注塑機 柱塞式注塑機
料筒℃溫度 後部 180-200 180-200
中部 190-230
前部 180-210 210-240
噴嘴溫度℃ 180-210 210-240
模具溫度℃ 40-80 40-80
注射壓力MPa 80-120 80-130
保壓壓力MPa 40-60 40-60
螺杆轉速rp.m-1 20-30

注塑制品也需要後處理消除內應力，處理在70-80℃熱風循環幹燥箱內進行，處理時間視制品厚度，一般均需4h左右。
3.擠出成型
聚甲基丙烯酸甲酯也可以采用擠出成型，用懸浮聚合生產的顆粒料制備有機玻璃板材、棒材、管材、片材等，但這樣制備的型材，特別是板材，由於聚合物分子量小，力學性能、耐熱性、耐溶劑性均不及澆注成型的型材，其優點是生產效率高，特別是對於管材和其它用澆注法時模具。難以制造的型材。擠出成型可采用單階或雙階排氣式擠出機，螺杆長徑比一般在20-25。表2是擠出成型的典型工藝條件。
表2聚甲基丙烯酸甲酯擠出成型工藝條件
工藝參數 片材 棒材
螺杆壓縮比 2 2
料筒℃溫度 後部 150-180 150-180
中部 170-200 170-200
前部 170-230 170-200
擠出壓力MPa 2．8-12．4 0．7-3．4
進料口溫度℃ 50-80 50-80
口模溫度℃ 180-200 170-190

4.熱成型
熱成型是將有機玻璃板材或片材制成各種尺寸形狀制品的過程，將裁切成要求尺寸的坯料夾緊在模具框架上，加熱使其軟化，再加壓使其貼緊模具型面，得到與型面相同的形狀，經冷卻定型後修整邊緣即得制品。加壓可采用抽真空牽伸或用對帶有型面的凸模直接加壓的方法。熱成型溫度可參照表3推薦的溫度范圍。采用快速真空低牽伸成型制品時，宜采用接近下限溫度，成型形狀複雜的深度牽伸制品時宜采用接近上限溫度，一般情況下采用正常溫度。
表3
下限溫度 上限溫度 正常溫度 冷卻溫度
149℃ 193℃ 177℃ 85℃

此外，型材也可采用車、銑、鑽、裁等機械加工方法。

三、聚甲基丙烯酸甲酯的應用
聚甲基丙烯酸甲酯作為性能優異的透明材料廣泛應用在以下各方面：
1．燈具、照明器材，例如各種家用燈具、熒光燈罩、汽車尾燈、信號燈、路標。
2． 光學玻璃，例如制造各種透鏡、反射鏡、棱鏡、電視機熒屏、菲涅耳透鏡、相機透光零。
3．制備各種儀器儀表表盤、罩殼、刻度盤。
4．制備光導纖維。
5．商品廣告櫥窗、廣告牌。
6．飛機座艙玻璃、飛機和汽車的防彈玻璃（需帶有中間夾層材料）。
7．各種醫用、軍用、建築用玻璃。

四、定向有機玻璃
聚甲基丙烯酸甲酯板材在玻璃化溫度以上經定向拉伸，並在拉伸狀態下冷卻，可以得到分子鏈處於取向狀態的板材，稱為定向有機玻璃。定向有機玻璃比之非定向有機玻璃的性能有頗大改善。
（一）定向拉伸方法
將優質有機玻璃板材加熱至105-110℃(稍高於Tg），迅速置於裝有固定夾具和水冷卻裝置的拉伸設備，拉伸至要求的拉伸度後，停止拉伸並保持在拉力下冷卻。對於圓形玻璃板，是沿徑向多向均勻拉伸；對於方形玻璃板，是沿互相垂直的兩個方向拉伸。經拉伸後的有機玻璃板材，分子鏈沿板材平面方向產生雙軸取向並被凍結。
（二）定向有機玻璃性能
與未拉伸的有機玻璃板材相比，定向有機玻璃分子鏈由於變為有序的定向排列，拉伸強度、彎曲強度、抗銀紋性、抗裂紋擴展性、模量、斷裂伸長率皆提高，沖擊強度亦提高。上述各力學性能改善與拉抻度有關，拉伸度增大，性能改善幅度增大，但當拉伸度超過50%-60%後，除沖擊強度尚繼續有所提高外，其它性能基本上不再變化。因此，一般應將拉伸度控制在60%左右，這時材料具有良好的綜合性能。