Органическое стекло

У этого термина существуют и другие значения, см. Стекло (значения).

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей.

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

Органи́ческое стекло́ (оргстекло́), или полиметилметакрилат (ПММА) — синтетический полимер метилметакрилата, термопластичный прозрачный пластик, продаваемый под торговыми марками плексиглас, лимакрил, перспекс, плазкрил, акрилекс, акрилайт, акрипласт и др., также известный под названием акриловое стекло, акрил, плекс.

Материал под маркой Plexiglas создан в 1928 году, с 1933 года началось его промышленное производство фирмой «Röhm and Haas Company» (Дармштадт), в настоящее время Röhm GmbH. Появление органического стекла (в то время "плексиглас") в период между двумя мировыми войнами было востребовано бурным развитием авиации, непрерывным ростом скоростей полёта всех типов самолётов и появлением машин с закрытой кабиной пилота (экипажа). Необходимым элементом таких конструкций является фонарь кабины пилота. Для применения в авиации того времени органическое стекло обладало удачным сочетанием необходимых свойств: оптическая прозрачность, безосколочность, т. е. — безопасность для лётчика, водостойкость, нечувствительность к действию авиационного бензина и масел ^[1]. В СССР отечественный плексиглас-оргстекло был синтезирован в 1936 году в НИИ Пластмасс. В годы Второй мировой войны органическое стекло широко применялось в конструкциях фонаря кабины, турелей оборонительного вооружения тяжелых самолетов, элементов остекления перископов подводных лодок.

В наши дни теплостойкие фторакрилатные органические стекла используются в качестве легких и надежных деталей остекления высокоскоростных самолетов ОКБ «МиГ» в сочетании с высокопрочными конструкциями из алюминиевых, титановых сплавов и сталей, — работоспособны при температурах эксплуатации 230—250 °C.^[2]

Тем не менее полимеры только частично способны заменять термостойкие стёкла повышенной прочности — в большинстве случаев они употребимы только в виде композитов. Развитие авиации подразумевает полёты в верхних слоях атмосферы и гиперзвуковые скорости, высокие температуры и давление, когда органическое стекло вообще неприменимо. Примером тому могут служить летательные аппараты, сочетающие в себе качества космических кораблей и самолётов — «Спейс Шаттл» и «Буран».

Существуют органические альтернативы акриловому стеклу — прозрачные поликарбонат, поливинилхлорид и полистирол.

Органическое стекло полностью состоит из термопластичной смолы.

Эти органические материалы только формально именуются стеклом, и относятся к совершенно иному классу веществ, о чём говорит и само название, и чем в основном определяются ограничения свойств, и, как следствие того — возможностей применения несопоставимых со стеклом по многим параметрам; органические стекла способны приблизиться по свойствам к большинству видов неорганических стёкол только в композитных материалах, однако огнеупорными они уже никогда не будут; стойкость к агрессивным средам органических стёкол также определяется значительно более узким диапазоном.

Тем не менее, материал этот, когда его свойства дают очевидные преимущества (исключая специальные виды стёкол), используется как альтернатива силикатному стеклу. Различия в свойствах этих двух материалов следующие:

• ПММА легче: его плотность (1190 кг/м³) приблизительно в два раза меньше плотности обычного стекла;
• ПММА более мягок чем обычное стекло и чувствителен к царапинам (этот недостаток исправляется нанесением стойких к царапинам покрытий);
• ПММА может быть легко деформирован при температурах выше 100 °C; при охлаждении приданная форма сохраняется;
• ПММА легко поддаётся механической обработке обычным металлорежущим инструментом;
• ПММА лучше, чем неспециальные, разработанные с этой целью виды стёкол, пропускает ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, отражая при этом инфракрасное; светопропускание оргстекла несколько ниже (92—93 % против 99 % у лучших сортов силикатного);
• ПММА не устойчив к действию спиртов, ацетона и бензола.

Оргстекло

Оргстекло (акриловое стекло, полиметилметакрилат (ПММА)) — продукт полимеризации метилметакрилата.

Существует два типа оргстекла — литьевое и экструзионное.

Химический состав стандартного оргстекла у всех производителей одинаков. Другое дело, когда необходимо получить материал с разными специфическими свойствами: ударопрочными (антивандальными), светорассеивающими, светопропускающими, шумозащитными, УФ-защитными, теплостойкими и др. Тогда в процессе получения листового материала может быть изменена его структура или в него могут быть добавлены соответствующие компоненты, обеспечивающие комплекс необходимых характеристик.

Получение оргстекла

Оргстекло получают двумя способами: экструзией и литьем. Сам способ производства накладывает ряд ограничений и определяет некоторые свойства пластика. Экструзионное оргстекло — от англ. exstrusion, от нем. Extrudiert — получают методом непрерывной экструзии (выдавливания) расплавленной массы гранулированного ПММА через щелевую головку с последующим охлаждением и резкой по заданным размерам. Блочное (в России утвердился термин «литьевое» — от англ. cast) — получают методом заливки мономера ММА между двумя плоскими стеклами с дальнейшей его полимеризацией до твердого состояния.

Особенности экструзионного оргстекла по сравнению с литым оргстеклом

• ряд возможных толщин листов меньше, что определяется возможностью экструдера,
• возможная длина листов больше,
• разнотолщинность листов в партии меньше (допуск по толщине 5 % вместо 30 % у литого акрила),
• меньшая ударостойкость,
• меньшая химическая стойкость,
• большая чувствительность к концентрации напряжений,
• лучшая способность к склеиванию,
• меньший и более низкий диапазон температур при термоформовке (примерно 150-170 °C вместо 150-190 °C),
• меньшее усилие при формовке,
• большая усадка при нагреве (6 % вместо 2 % у литого акрила).

Основные преимущества оргстекла

• высокая светопропускаемость — 92 %, которая не изменяется с течением времени, сохраняя свой оригинальный цвет
• сопротивляемость удару в 5 раз больше, чем у стекла
• при одинаковой толщине оргстекло весит почти в 2,5 раза меньше, чем стекло, поэтому конструкция не требует дополнительных опор, что создает иллюзию открытого пространства
• устойчиво к действию влаги, бактерий и микроорганизмов, поэтому может использоваться для остекления яхт, производства аквариумов
• экологически чистое, при горении не выделяет никаких ядовитых газов
• возможность придавать разнообразные формы при помощи термоформования, без нарушения оптических свойств, с прекрасной деталировкой
• механическая обработка осуществляется с такой же легкостью, как и обработка дерева
• устойчивость во внешней среде, морозостойкость
• пропускает 73 % ультрафиолетовых лучей, при этом УФ-лучи не вызывают пожелтения и деградации акрилового стекла
• устойчивость в химических средах
• электроизоляционные свойства
• подлежит утилизации

Недостатки оргстекла

• склонность к поверхностным повреждениям (твердость 180—190 Н/мм2)
• технологические трудности при термо- и вакуумформовании изделий — появление внутренних напряжений в местах сгиба при формовке, что ведет к последующему появлению микротрещин
• легковоспламеняющийся материал (t воспламенения 260 град.)

Стойкость к химическим воздействиям

На оргстекло воздействуют разбавленные фтористоводородные и цианистоводородные кислоты, а также концентрированные серная, азотная и хромовая кислоты. Растворителями оргстекла являются хлорированные углеводороды (дихлорэтан, хлороформ, метилен хлористый), альдегиды, кетоны и сложные эфиры. На оргстекло также воздействуют спирты: метиловый, бутиловый, этиловый, пропиловый. При непродолжительном воздействии 10 % этилового спирта взаимодействие с оргстеклом отсутствует.

Хранение и транспортировка оргстекла

1. Стекло органическое экструзионное транспортируют автомобильным и железнодорожным транспортом в крытых транспортных средствах в соответствии с Правилами перевозки грузов, действующими на данном виде транспорта. 2. Допускается транспортировать оргстекло в открытых транспортных средствах, покрытым водонепроницаемым материалом. 3. Стекло органическое экструзионное должно храниться в закрытых складах при температуре от 5 до 35 °C при относительной влажности воздуха не выше 65 %. 4. При хранении и транспортировке сложенные вместе листы оргстекла лучше переложить листами бумаги, чтобы не допустить механических повреждений. 5. Не допускается транспортирование и хранение стекла органического экструзионного с химическими продуктами.

Способы обработки

сверление, нарезание резьбы, резьбовое соединение, фрезерование, обработка на токарном станке, обработка резанием, пемзование, шлифование, полирование, формование, втягивание, вдувание, сгибание, охлаждение, отжиг, стыкование, склеивание, сварка, окрашивание и металлизация.

Применение

Очки из оргстекла

Жесткие контактные линзы

Как уже отмечено, самолёты и вертолёты, относящиеся к предыдущему поколению, остекляют однослойными или многослойными (композитными) материалами на основе органических и силикатных стекол.

Изделия из оргстекла получают вакуумным формованием, пневмоформованием и штамповкой. Используется также метод холодного формования. Многие области применения этих полимеров пересекаются со стеклом, но оргстекло значительно проще обрабатывается и формуется, а также обладает меньшим весом. Это определяет его преимущество для изготовления различных деталей интерьера, указателей, рекламной продукции и аквариумов. Обычно для связи используется трудоёмкое оптическое стекло. В этом волокне сердцевина делается из кварцево-германатного стекла. Хотя материал стеклянных волокон дешевле пластиковых, их себестоимость выше из-за специальной обработки и технологии изделий. В отдельных, менее ответственных случаях широкое применение для связи имеет пластиковое волокно.

Из необычных областей применения оргстекла следует отметить:

• Изготовление клея-растворителя для самого себя путём получения мономера (метилметакрилата) перегонкой;
• В сантехнике (акриловые ванны), в торговом оборудовании.

ПММА нашёл широкое применение в офтальмологии: из него уже несколько десятилетий изготавливаются жесткие газонепроницаемые контактные линзы и жесткие интраокулярные линзы (ИОЛ), которых в настоящее время имплантируется в мире до нескольких миллионов штук в год. Интраокулярные (т. е. внутриглазные) линзы известны под названием искусственного хрусталика, и ими заменяют капсулу, помутневшую в результате возрастынх изменений и других причин, приводящих к катаракте.

Органические стекла как биоматериалы именно из-за таких качеств, как пластичность, позволили заменить стёкла неорганические. (Например, контактные линзы). Работа учёных в течение более чем 20 лет привела к созданию в конце 90-х годов силикон-гидрогелевых линз, которые благодаря сочетанию гидрофильных свойств и высокой кислородопроницаемости могут непрерывно использоваться в течение 30 дней круглосуточно.^[3] Тем не менее это не стёкла, но оптический материал со своими характеристиками.

Области применения: осветительная техника (плафоны, перегородки, лицевые экраны, рассеиватели) наружная реклама (лицевые стекла для коробов, световых букв, формованные объемные изделия) торговое оборудование ( подставки, витрины, ценники) сантехника (оборудование ванных комнат) строительство и архитектура ( остекление проемов, перегородки, купола, танц-пол, объемные формованные изделия, аквариумы) транспорт (остекление самолетов, катеров, обтекатели) приборостроение (циферблаты, смотровые окна, корпуса, диэлектрические детали, емкости).

ПММА широко используется в микро- и наноэлектронике. В частности, ПММА нашёл применение в качестве позитивного электронного резиста в электронно-лучевой литографии. Раствор ПММА наносят на кремниевую пластину или другую подложку с помощью центрифуги, в результате чего образуется тонкая плёнка, после чего сфокусированным электронным лучом, например, в растровом электронном микроскопе (РЭМ) создаётся требуемый рисунок. В тех местах плёнки ПММА, куда попали электроны, происходит разрыв межмолекулярных связей, в результате чего в плёнке образуется скрытое изображение. С помощью проявляющего растворителя засвеченные участки удаляются. Помимо электронного пучка рисунок можно сформировать путём облучения ПММА ультрафиолетом и рентгеновским излучением. Преимущество ПММА в сравнении с другими резистами состоит в том, что с его помощью удаётся получать рисунки с линиями нанометровой ширины. Гладкая поверхность ПММА может быть легко наноструктурирована путём обработки в кислородной высокочастотной плазме^[4], а наноструктурированная поверхность ПММА может быть легко сглажена путём облучения вакуумным ультрафиолетом (ВУФ).^[4]

Прозрачное оргстекло

Бесцветный кристально прозрачный лист со светопропусканием 92–93 % (при толщине 3 мм), с идеально гладкой поверхностью, отличающейся сильным блеском с обеих сторон. Максимальная прозрачность, отсутствие искажений изображения Остекление зданий и сооружений (наружное и внутреннее), витрины Прозрачная защита приборов и механизмов.

Прозрачное цветное оргстекло

Равномерно окрашенное в массе прозрачное оргстекло. Наиболее популярны тонированные листы серых (дымчатое), голубых и коричневых (бронза) оттенков. Вообще листы могут быть окрашены в абсолютно любой цвет, иметь многие варианты оттенков разной степени насыщенности, оставаясь при этом прозрачными, не искажающими изображение. Максимальная прозрачность, отсутствие искажений изображения.

Применение

Остекление транспорта, медицинское оборудование, перегородки, ограждающие конструкции купола, навесы, атриумы, фонари, теплицы, оранжереи, солярии, элементы мебели, столешницы, полки, торговое и выставочное оборудование, подставки, держатели, «кармашки» информационных стендов, демонстрационные конструкции, модели, изделия наружной и интерьерной рекламы, POSM, сувенирная продукция, номерки, бирки, различные термоформованные изделия, защитное остекление фотографий, картин, стендов аквариумы, детали интерьера, прозрачные полы, ступени лестниц, перила и т. д. Оформление выставок, шоу, концертов, телестудий.

Прозрачное рифленое оргстекло

Прозрачное бесцветное и цветное оргстекло с выпуклым рисунком на одной стороне листа, другая сторона гладкая. Эффекты светорассеивания за счет светопреломления при значительном пропускании видимого света. За такими стеклами предметы и изображения приобретают размытые очертания. Классические виды рифления: «колотый лед», мелкое и крупное рифление «призматическое», «пчелиные соты», «мелкие волны», «капля». Эксклюзивные виды рифления: «ручей», «укол булавки», «квадраты», «пирамиды», «вельвет», «кожа». Прозрачность, светопреломление, частичное скрытие изображения за листом, особая декоративность.

Применение

Остекление душевых кабин, шторки ванн, остекление межкомнатных дверей, заполнение перегородок, мебель, элементы дизайна, рассеиватели светильников, подвесные потолки с внутренней подсветкой, декоративные конструкции интерьера.

Матовое белое оргстекло

Светорассеивающий лист белого цвета со светопропусканием от 20 (внешне непрозрачный) до 70 % (полупрозрачный) с гладкой, отличающейся сильным блеском с обеих сторон поверхностью. Равномерное светорассеивание, полное скрытие изображения за листом (при подсветке образуется световой экран).

Цветное матовое оргстекло

Светорассеивающий лист определенного цвета (с указанием цвета по RAL, Pantone или каталогу производителя) с различной степенью светопропускания, идеально глянцевой поверхностью. Равномерное светорассеивание, полное скрытие изображения за листом (при подсветке образуется световой экран).

Применение

Рассеиватели светильников, светящиеся подвесные потолки, подиумы, полы с внутренней подсветкой, торговые и рекламные световые вывески (лайт-боксы) с нанесением аппликации из самоклеящихся пленок,фотокаширование, шелкография, дорожные световые короба, пилоны, указатели общественных учреждений,автостоянок и т. д. Объемные буквы, макеты рекламируемой продукции с внутренней подсветкой, миниатюрные световые короба с указанием улиц (номеров домов), использованием технологии печати по пластикам, медицинская техника, приборы и т. д.

Рифленое матовое белое и цветное оргстекло

Белое (или цветное) оргстекло с разной степенью светопропускания, рифлением, нанесенным с одной стороны листа, другая сторона гладкая. Неравномерное светорассеивание, полное скрытие изображения за стеклом Имеет наиболее ограниченные сферы применения Рассеиватели светильников для люминесцентных ламп Декоративные элементы интерьера с внутренней подсветкой.

Технические характеристики

Показатели	Единица измерения	Литьевое оргстекло	Экструзионное без УФ защиты	Экструзионное с УФ защитой
Предел прочности при растяжении (23 °C)	МPа	70		70
Модуль упругости при растяжении	МPа	3000		3500
Относительное удлинение при растяжении (23 °C)	%	4		5
Температура размягчения	°C	95	100	105
Ударная вязкость (не менее ) 2,5-4 мм	кДж/м²	9	9	12
Ударная вязкость (не менее) 5-24 мм	кДж/м²	13
Максимальная температура эксплуатации*	°С	80	80	80
Температура формования	°C	150-170	150-155	150-155
Удельный вес	г/см3	1,19	1,19	1,19
Коэффициент светопропускания	%	92	92	92

Методы обработки

• Фрезерование и обработка по заданному профилю
• Резка
• Сверление
• Точение
• Склеивание
• Полирование срезов
• Горячая штамповка
• Нагревание
• Вакуумное формование
• Шлифование

Уход и очистка

Для регулярной чистки оргстекла используется обычная вода, в случае более серьёзного загрязнения можно использовать тёплую воду с мягким моющим средством. Во избежание царапин не следует допускать сухого трения. Окна часто очищают с помощью распылителей высокого давления.

Примечания

1. ↑ Karl Anders und Hans Eichelbaum Wörterbuch des Flugwesens. Verlag von Quelle and Meyer. Leipzig, 1937, S. 266-267
2. ↑ Бейдер Э. Я. и др. Опыт применения фторполимерных материалов в авиационной технике. — Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, 2008, т. LII, № 3, с. 30-44
3. ↑ Новый материал для контактных линз Санкт-Петербургского филиала Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН — Наука в Сибири № 5 (2491) 4 февраля 2005 года
4. ↑ ^{1 2} Р. В. Лапшин, А. П. Алехин, А. Г. Кириленко, С. Л. Одинцов, В. А. Кротков (2010). «Сглаживание наношероховатостей поверхности полиметилметакрилата вакуумным ультрафиолетом» (PDF). Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (МАИК) (1): 5-16. ISSN 0207-3528..

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставить шаблон-карточку, который существует для предмета статьи. Пример использования шаблона есть в статьях на похожую тематику.