Реферат : Органическое стекло

Введение

Органическое стекло — техническое название прозрачных твердых материалов на основе органических полимеров. К этой группе относятся полиакрилаты, полистирол, полимеры аллиловых соединений, поликарбонаты, сополимеры винилхлорида, сополимеры некоторых эфиров целлюлозы и др.

В промышленности под “органическим стеклом” чаще всего понимают листовой материал, получаемый полимеризацией в массе метилметакрилата. Производство этого материала покрывает основные потребности в органическом стекле; выпуск остальных видов невелик.

Получение

[sms]

Полиметилметакрилатное органическое стекло получают радикальной полимеризацией метилметакрилата в массе. В зависимости от назначения в состав полимеризационной смеси могут входить пластификаторы, красители, замутнители, стабилизаторы, а также другие акриловые мономеры. Сополимеризация метилметакрилата с другими акриловыми мономерами или стиролом, а также введение термостабилизирующих добавок позволяет получить органическое стекло с термостойкостью до 200 °С.

Полимеризация метилметакрилата сопровождается усадкой реакционной массы (до 23 %), что могло бы привести к получению листов с дефектами. Поэтому процесс обычно проводят в два этапа. Сначала получат полимер невысокой молекулярной массы (форполимер). Затем форполимер заливают в форму для получения листа; дальнейшая полимеризация форполимера сопровождается значительно меньшей усадкой. Аналогичный эффект достигается, если полимеризации подвергают раствор полиметилметакрилата в мономере (сироп-раствор). Применение форполимера или сиропа-раствора предотвращает также утечку реакционной массы из недостаточно уплотненных форм. Полимеризацию в один этап осуществляют только в тех случаях, когда необходимо получить полиметилметакрилатное стекло очень высокой оптической прозрачности.

Все необходимые ингредиенты органического стекла вводят в форполимер или сироп-раствор. Полученную смесь тщательно перемешивают, вакуумируют для удаления пузырьков газа и фильтруют. Полимеризацию проводят в формах, собранных из двух листов полированного силикатного стекла, стали или алюминия, скрепленных зажимами, с проложенными между ними эластичными прокладками. Толщина эластичных прокладок определяет будущую толщину листа органического стекла. В качестве материала для эластичных прокладок используют различные резины, пластики и др. форму либо оклеивают по краям плотной бумагой, либо по периметру формы укладывают резиновые или поливинилхлоридные трубки. Устройство формы обеспечивает возможность усадки в одном направлении — по толщине формы. Форму заполняют через воронку точно отмеренной порцией полимеризованной смеси, герметически закрывают или заклеивают и помещают в камеры с циркулирующим теплым воздухом или в ванны с теплой водой (в некоторых случаях температура воздуха или воды может быть 18 – 20 °С).

Полимеризацию проводят в изотермических условиях. Нарушение изотермического режима может привести к перегреву формы, вскипанию мономера, т. е. образованию пузырчатой массы.

Если отвод тепла осуществляется неравномерно, то глубина полимеризации в различных частях формы будет различной. Обычно полимеризацию в формах проводят медленно, часто в течение 24 – 48 ч, а в толстых слоях (более 50 мм) — неделями при 20 – 50 °С до конверсии мономера свыше 90 %. Процесс завершается при температурах, близких к температуре размягчения полиметилметакрилата, т. к. при низких температурах диффузия мономера, который не прореагировал, затруднена, поэтому даже за большой период невозможно полное превращение мономера.

По окончании полимеризации формы охлаждают до 50 °C и отделяют силикатное стекло от органического. Ориентацию осуществляют с помощью машин и прессов различной конструкции, равномерно растягивая (обычно на 50 – 70 %) или сжимая заготовки, разогретые до температуры, на 10 – 12 °С превышающей температуру размягчения. Ориентированные листы охлаждают под давлением.

В отдельных случаях листы органического стекла получают методом фотополимеризации. Заполненные формы облучают УФ-светом до образования геля, после чего осуществляют процесс по обычной схеме.

Для производства стержней из полиметилметакрилатного органического стекла полимеризационную смесь заливают в горизонтальные вращающиеся алюминиевые трубы, которые затем в вертикальном положении помещают в водяную ванну. Режимы полимеризации те же, что и при получении листового органического стекла. Изделия сложной конфигурации получают литьем под давлением или экструзией гранулированного полиметилметакрилата.

При получении литьевого органического полимера метилметакрилата с акрилонитрилом сополимеризацию осуществляют по той же технологии, как и в производстве полиметилметакрилатного стекла. Листы из полистирола, поликарбоната, сополимеров винилхлорида и эфиров целлюлозы получают экструзией, а изделия сложной конфигурации — литьем под давлением гранулированных или порошкообразных полимеров, полученных обычными методами.

Свойства

Органическое стекло обладает сравнительно невысокой плотностью и малой хрупкостью, что является существенным преимуществом перед силикатным стеклом. Однако температура размягчения органического стекла значительно ниже, чем у силикатного стекла.

Полиметилметакрилатное органическое стекло удовлетворительно переносит пребывание на воздухе в условиях 97 % влажности в течение 12 месяцев и старение в атмосферных условиях от 5 до 10 лет и более. Полистирол менее атмосферостоек; при длительном воздействии солнечного света он желтеет и становится хрупким.

Среди оптических свойств органического стекла наиболее важны показатель преломления, оптическая прозрачность (светопрозрачность), оптические искажения и фотоупругость.

Оптическая прозрачность органического стекла не может превышать 92 %, если рассеяние и поглощение света равны нулю.

По оптической прозрачности органические стекла делят на прозрачные в блоке и прозрачные только в пленках (тонких листах). К первой группе относятся полимеры и сополимеры метилметакрилата, полистирол, поликарбонат и др. полимеры, обладающие незначительным поглощением света; ко второй — органические стекла на основе эфиров целлюлозы, винопроз, литые эпоксидные и фенол-формальдегидные стекла.

Рассеяние света с поверхности изделий из органического стекла можно свести практически к минимуму при условии, что качество обработки поверхности аналогично качеству обработки полированного силикатного стекла.

Под действием механических нагрузок в первоначально изотропном органическом стекле возникает явление фотоупругости, поэтому на поверхности напряженного органического стекла возникают радужные эллиптические картины, которые мешают наблюдению через стекло. Наибольшей фотоупругостью обладают эпоксидные, фенол-формальдегидные и термостойкие полиакрилатные стекла; наименьшей — полиметилметакрилатные, полистирольные и поликарбонатные стекла.

Оптические искажения предметов, наблюдаемых сквозь органическое стекло, связаны с невозможностью изготовить изделия из этих стекол с плоскопараллельными поверхностями. Поэтому любое изделие из органического стекла является в той или иной мере призмой, обладающей абсолютным (угловым) оптическим искажением.

Переработка

Листовое органическое стекло перерабатывают вакуумированием, пневмоформованием и штампованием. Заготовку перед формованием нагревают до температуры, которую выбирают в интервале между температурами размягчения и деструкции полимера. В случае полиметилметакрилатного органического стекла продолжительность разогрева заготовки t (мин) может быть ориентировочно определена по уравнению

t = 10 + 3 d,

где d — толщина листа в мм.

При формовании изделий из ориентированного органического стекла перед разогревом лист закрепляют в массивной раме, в которой затем осуществляют формование. Используют также метод холодного формования.

Листовое органическое стекло можно подвергать всем видам механической обработки инструментом, специально разработанным для этой цели. При отсутствии специального инструмента механическую обработку органического стекла осуществляют с применением инструментов и режимов, обычно используемых для обработки легких сплавов и дерева. Фрезерование производится на высокоскоростных режимах резания. Охлаждение и отвод стружки осуществляется сжатым воздухом. Шлифование граней органического стекла производится на тонких шлифовальных кругах сухим способом. Создаваемое при этом давление не должно вызывать перегрев материала.

Органические стекла склеивают клеями и сваривают встык или внахлест.

Для крепления листового органического стекла в рамах остекляемых проемов разработаны различные способы. При жестком болтовом креплении органическое стекло прижимают к раме или каркасу при помощи болтов, винтов или заклепок, пропущенных через отверстия в стекле или специальные вырезы (фестоны). Заворачивание болтов можно осуществлять только специальными тарированными гаечными ключами.

При жестком безболтовом креплении прижим листа к каркасу или раме осуществляется металлическими накладками, которые крепятся болтами.

Этот вид крепления более совершенен, т. к. нет необходимости рассверливать отверстия в листе стекла, а возникающие в нем напряжения распределены более равномерно, чем в предыдущем случае.

Мягкое безболтовое крепление листового органического стекла не приводит к возникновению напряжений в стекле в момент крепления и не препятствует деформации листа при эксплуатации.

Применение

Применение полиметилметакрилатного органического стекла чрезвычайно разнообразно: в авиа-, автомобиле- и судостроении — как конструкционный материал; в промышленности и гражданском строительстве — для остекления куполов, окон, веранд и декоративной отделки интерьеров зданий; в сельском хозяйстве — для остекления парников, теплиц и т. п.; в светотехнической промышленности — для изготовления защитных колпаков светильников; в медицинской промышленности — для изготовления интраокулярных линз (глазных хрусталиков), деталей приборов и инструментов, а также протезов; в химическом машиностроении и пищевой промышленности — для изготовления труб; в оптике — в производстве линз и призм; в искусстве — для создания гравюр, скульптур и т. д.

Органическое стекло, поглощающее УФ-излучение, применяют в музеях для защиты экспонатов от разрушающего действия коротковолнового излучения.

Сополимер метилметакрилата с акрилонитрилом используют для изготовления корпусов приборов, безопасных смотровых куполов, деталей остекления самолетов, вагонов, автобусов и пр., предназначенных для работы под повышенными нагрузками.

Основные области применения прозрачного полистирола — изготовление мелких деталей для электро- и радиоприборов, линз для карманных фонарей, светильников, увеличительных стекол и предметов домашнего обихода.

Из аллилкарбоната изготавливают линзы и стекла для очков. Поликарбонат применяют там, где требуется высокая ударопрочность и теплостойкость, в частности для изготовления смотровых стекол, сигнальных светильников, защитных экранов, деталей и корпусов приборов и др.

Винопроз служит преимущественно для производства листов, прутков, труб. Его используют также для изготовления шкал, чертежных приборов, логарифмических линеек, клише и матриц для типографических работ, для защиты фотосхем, светокопировальных работ, в картографии и для других целей. Матированный продукт применяют для снятия копий с планов и вычерчивания на нем копий несмываемой тушью.

Органическое стекло на основе целлюлозы применяют для изготовления защитных стекол очков, светозащитных оконных стекол и штор, а также для покрытия рекламных щитов. Прозрачные формованные детали используют в производстве магнитофонов, радиоприемников и телевизоров.

Правила обращения

Стекло запрещается протирать органическими растворителями. Работы, связанные с применением растворителей, необходимо проводить в помещениях, снабженных вентиляцией, обеспечивающей удаление паров растворителей. При окраске изделия с органическим стеклом поверхность органического стекла должна закрываться несколькими слоями защитной бумаги.

Во избежание образования в органическом стекле внутренних напряжений при механической обработке необходимо следить за тем, чтобы стекло не разогревалось в местах обработки.

При монтажных работах необходимо применять защитные чехлы, предохраняющие стекла от повреждений.

Техника безопасности

Органическое стекло в обращении безопасно. При длительном действии повышенных температур (свыше 100 °С) возможно выделение паров метилметакрилата. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны 10 мг/м3. Работа с органическим стеклом при температуре выше температуры размягчения должна проводиться в помещениях, снабженных приточно-вытяжной вентиляцией и устройствами с отсасывающей вентиляцией в местах выделения газа.

Температура воспламенения органического стекла 260 °С, температура самовоспламенения — 460 °С. При загорании тушить тонкораспыленной водой, пеной, песком.

Упаковка, хранение, транспортирование

Листовое органическое стекло оклеивают с двух сторон плотной бумагой или конвертируют в папирусную или конденсаторную бумагу. Законвертированное органическое стекло завертывают в оберточную бумагу и упаковывают в деревянные ящики.

Стекло хранят в упаковке изготовителя в закрытых складских помещениях с относительной влажностью воздуха до 65 % при температуре от 5 до 35 °С.

Транспортируют любым видом транспорта в условиях, исключающих попадание влаги и пыли.

Не допускается совместное транспортирование и хранение стекла с химическими продуктами.

Библиографический список

Энциклопедия полимеров. — М.: Советская энциклопедия, 1972.

Органические стекла и метакрилатные формовочные полимеры: Каталог. — Черкассы, 1987.

[/sms]