有機玻璃

有機玻璃，化學名為聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，簡稱PMMA），是一種由甲基丙烯酸甲酯聚合形成的高度透明的高分子聚合物，也被稱作亞克力、亞加力，它的商品名有Lucite、PerSPex、Plexiglas等，其化學式為(C₅H₈O₂)_n，屬于丙烯酸樹脂。PMMA的密度通常介于1.19到1.22g/cm3，分子量在50萬到100萬之間，其玻璃化溫度達104℃，具有線型結構，及較好的光學、力學、熱學和電學性能等。

PMMA最早由德國科學家羅姆（Rohm）在1901年合成。1927年由羅姆（Rohm）和哈斯（Haas）在德國開始小批量生產，當時獲得的材料是軟而透明的膠狀物。1930年，希爾（Hill）制成PMMA透明板，用作飛機窗玻璃。帝國化學工業有限公司（英國ICI公司）和德國的羅姆–哈斯公司分別于1932年和1933年實現了有機玻璃的工業化生產。美國和日本分別于1936年和1937年相繼投產PMMA，第二次世界大戰期間（1939~1945年）因PMMA具有優異的強韌性及透光性，被應用于飛機的擋風玻璃、坦克司機駕駛室的視野鏡。1949年里德利（Ridley）爵士將首例人工晶體成功植入人眼，其材質是PMMA。他之所以認為PMMA是一種良好的材料，是因為他在二戰時期擔任英國軍隊眼科醫生時，發現飛行透明罩蓋（PMMA材質）碎片所形成的眼內異物的組織耐受性好。隨后長達40年間，PMMA一直是人工晶體的首選材料。中國在1954年開始生產PMMA，1955年，張錫華教授完成了中國首例人工晶狀體植入術。中國上海珊瑚化工廠于1956年首先投產，中國錦西化工廠于1958年投產。此后，中國蘇州人民化工廠，中國晨光化工研究院，中國河南焦作化工廠等也相繼建廠投產。

有機玻璃，也稱為亞克力或亞加力等，源自英文acrylic（丙烯酸塑料），化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，簡稱PMMA），英文名為Poly(methyl 2-methylpropenoate)、Poly(methyl methacrylate)等，其常見的商品名包括Lucite、Plexiglas（美）、Perspex（英）、Acrylite等，它是一種開發較早的重要的可塑性高分子材料。

有機玻璃外觀透明，表面光整，與無機玻璃某些特點相似，因而得“玻璃”之名。其密度在1.19到1.22g/cm3之間，擁有較大的分子量范圍，介于50萬到100萬之間。它浸入20℃水中的平均吸水率為2.1%，可以溶于二氯乙烷、氯仿、丙酮等有機溶劑，不溶于乙醇、乙醚或石油醚等。

PMMA可耐較稀的無機酸，但濃的無機酸可侵蝕它。PMMA的耐堿性較好，但濕熱的氫氧化鈉、氫氧化鉀可侵蝕它。它可耐鹽類、油脂類和脂肪烴類，可吸收醇類溶脹，并產生應力開裂，不耐酮[tóng]類、氯代烴和芳烴。此外，PMMA對臭氧和二氧化硫具有良好的抵抗能力。燃燒反應：PMMA的氧指數為17.3，屬于易燃塑料，點燃離火后不能自熄，火焰呈淺藍色，燃燒時伴有腐爛水果、蔬菜的氣味。在其燃燒的過程中，氧氣主要消耗于單體MMA的氧化反應中，PMMA的主要產物為CO₂和少量CO，并且CO₂和CO的產率與反應溫度（輻射熱流強度）及樣品厚度基本無關，其反應方程式可表示為：

PMMA是高度透明的無定形熱塑性塑料，具有十分優異的光學性能，透光率可達90%~92%，比玻璃的透光度高，折射率為1.49，霧度不大于2%，可透過大部分紫外線和紅外線。石英能完全透過紫外線，但價格高昂，普通玻璃只能透過0.6%的紫外線，但PMMA卻能透過73%。在照射紫外光的狀況下，與聚碳酸酯相比，PMMA具有更佳的穩定性。PMMA允許小于2800nm波長的紅外線通過。

PMMA的拉伸強度為55~77MPa，彎曲強度為110MPa，斷裂伸長率為2.5%~6%，屬于硬而脆的塑料，且具有缺口敏感性，應力作用下易開裂，但其斷口不像聚苯乙烯（PS）或普通玻璃那樣尖銳。40℃是一個二級轉變溫度，相當于側甲基開始運動的溫度，超過40℃ ，材料的韌性、延展性有所改善。經過加熱和拉伸處理過的PMMA，分子鏈段排列有序，材料的韌性顯著提高，即使釘子穿透也不產生裂紋。PMMA具有室溫蠕變特性，隨著負荷加大、時間增長，可導致應力開裂現象。PMMA表面硬度低，易于劃傷，耐磨性較差，抗銀紋能力較差。

PMMA的耐熱溫度不高，它的玻璃化轉變溫度（T_g）雖然達到約104℃，但最高連續使用溫度卻隨工作條件的不同而不同，只在65~95℃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。PMMA的耐寒性較差，脆化溫度約9.2℃。它的熱穩定性屬于中等，優于聚氯乙烯和聚甲醛，但不及聚烯烴和聚苯乙烯，熱分解溫度略高于270℃，其流動溫度約為160℃，故有較寬的熔融加工溫度范圍。熱降解反應：在270℃以下，PMMA可以全部解聚成單體，溫度較高時，伴有無規斷鏈。利用此原理，可處理廢有機玻璃，回收單體。

PMMA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（PS）等非極性塑料，但仍具有良好的介電和電絕緣性能以及較好的抗電弧性。在電弧作用下，表面不會產生碳化電弧徑跡現象。

有色透明有機玻璃（彩板）：其特點是光透過時柔和，制作出的燈箱和工藝品給人一種舒適且大方的感覺。根據透明度的不同，有色透明有機玻璃又可分為完全透明、半透明和不透明三種類型。珠光有機玻璃：這種有機玻璃是在普通有機玻璃中加入珠光粉或熒光粉制成的。珠光有機玻璃色彩鮮明，表面光滑，即使經過磨平和拋光處理，仍可保持其模壓時的花紋，創造出獨特的藝術效果。它適用于制作人物和動物造型、商標、裝飾品以及用于宣傳和展覽的材料。壓花有機玻璃：這類有機玻璃具有透明和半透明的無色類型，質地較脆，容易斷裂，適于制作。磁有機玻璃：其光澤度不如珠光有機玻璃那樣鮮亮，同樣質地脆弱，容易斷裂。適合于制作表盤、盒子、醫療器械以及人物和動物的造型材料。

PMMA在航空航天器械、飛機、汽車、船舶等方面用作防彈玻璃和窗玻璃，此外還應用于儀表零件、信號顯示燈罩、座艙蓋、指示燈罩和表面覆蓋板，以及儀器儀表表盤、罩殼、刻度盤、尾燈、信號燈等。

飛機窗玻璃

在室內外照明及非照明信號顯示、天花板照明設備方面，PMMA可作為一個重要的材料選擇。它也被用于制作高級裝飾品（如雕塑品）、家具、隔板材料，以及太陽能集熱器的外罩、室內紫外線操作的日光浴床、溫室玻璃、陽臺玻璃和水槽等。還可以應用于建筑采光體、透明屋頂、棚頂、電話亭、樓梯和展示窗、廣告窗、天花板等。

溫室玻璃

PMMA的高透明性使其成為制造各種光學鏡片的理想材料，包括眼鏡、放大鏡、透鏡以及用于激光掃描控制的慢轉錄像帶等，還可用于制作信息傳播材料，如光盤及光纖等。此外，PMMA也可作為原子力顯微鏡探針的基底，以便于操作。

眼鏡

作為一種優質的醫用高分子材料，PMMA被廣泛應用于整形外科，用于制造假肢、假鼻（眼、牙及牙托）以及醫用導光管，還可以制造人工角膜等。此外，它也用作嬰幼兒保護箱的透明防護罩等。

嬰幼兒保護箱的透明防護罩

當藝術作品配有畫框時，可以使用有機玻璃替代傳統玻璃，以避免眩光問題。有機玻璃也適用于制作仿琥珀工藝品。藝術家能夠利用有機玻璃創作出靈巧、實用且環保的玻璃擺件。有機玻璃還可作為保護罩，用于保護珍貴的收藏品，例如將古錢幣中的稀有品種放入充滿氮氣的有機玻璃圓盒中封存。此外，三維藝術廣告常常利用有機玻璃等材料制作具有立體感的標題等。

有機玻璃擺件

PMMA還常用于制作日用品和文化用品，如制圖用具、示教模型、標本及標本防護罩、燈具、筆桿、紐扣、發卡、糖果盒、肥皂盒及各種容器和其他日用裝飾品等。由于PMMA浴缸具有外觀豪華、有深度感、容易清洗、強度高、質量小及使用舒適等特點，故在衛生潔具方面有廣泛的應用，如浴缸、洗臉盆、化妝臺等有機玻璃產品。

PMMA浴缸

PMMA共聚物在纖維、皮革處理劑、塑料和橡膠粘合劑、靜電植絨粘合劑、復合安全玻璃夾層、乳膠漆、磁漆、密封材料、薄膜、軟管、透明管道、儀器零件、機器外殼、框架、食品及化妝品包裝等方面具有廣泛的應用。

MMA的聚合反應

PMMA的合成以甲基丙烯酸甲酯（MMA）為原料，通過MMA的聚合反應來生產PMMA。該反應主要按自由基聚合機理進行，引發方式有光、熱或引發劑。可以按本體、乳液、懸浮聚合等方法實施工業生產：

將單體和引發劑混合后加熱預聚，制得的漿液澆鑄在一定厚度的無機玻璃模型內，在確定風速的循環空氣烘房內，于40℃左右聚合至膠狀，再于95~110℃高溫聚合，最后降至室溫脫模得產品。

單體在水中進行乳液聚合，乳液固含量為30%~50%。常用乳化劑為非離子型，引發劑使用水溶性過硫酸鉀或過硫酸銨等。需要PMMA固體產品時，乳液需經過凝聚、洗涂、脫水、干燥等工序。殘留乳化劑等雜質會影響透明性和電絕緣性。

單體分散在水介質中，于攪拌下加熱聚合，制得直徑0.1~1.0mm的珠狀體模塑粉，經擠出造粒為模塑料，供注塑成型和擠出加工用。工業產品均為MMA和少量苯乙烯或丙烯酸甲酯及其乙酯或丁酯的共聚物。

PMMA的平均吸水率為2.1%，成型前必須干燥，干燥條件為80~100℃下干燥4~6h。可采用澆鑄、注塑、熱成型等工藝來加工PMMA樹脂：（1）澆鑄成型：指在常壓下將樹脂的液態單體或預聚體灌入大口模腔，經聚合固化定型成為制品的成型方法。澆鑄成型用于成型有機玻璃板材、棒材等型材，澆鑄成型后的制品需要進行后處理，后處理條件是60℃下保溫2h，120℃下保溫2h。（2）注塑成型：在一定溫度下，通過螺桿攪拌完全熔融的塑料材料，用高壓射入模腔，經冷卻固化后，得到成型品的方法。料筒溫度200~240℃，模具溫度40~80℃，注射壓力80~130MPa。所得制品需要進行后處理消除內應力，處理溫度70~80℃，時間3~4h。（3）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材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。

PMMA的結構式

PMMA是一種具有獨特結構特征的線型高分子聚合物，這些結構特點決定了它的物理和化學性能。下面是PMMA結構的主要特征：線型高聚物與主鏈剛性：PMMA是一種線型高聚物，其主鏈由碳碳單鍵相連。在同一碳原子上，既含有甲基也含有側甲酯基，這種結構使得分子鏈的剛性增強。相比于聚乙烯（PE），PMMA的玻璃化溫度顯著升高，達到104℃。這表明PMMA在更高的溫度下保持硬度和形狀，是因為其分子鏈較為剛性。極性側甲酯基：PMMA分子鏈上的側甲酯基是極性基團。這意味著相對于分子量相同的PE，PMMA的分子間作用力更大。極性基團的存在使得PMMA具有良好的透明性、優秀的耐化學品性能以及較好的電絕緣性能。頭尾相連結構與空間異構體：PMMA的分子結構具有頭尾相連的構造，這導致了空間異構現象的存在，包括全同異構體、間同異構體和無規異構體。全同異構體和間同異構體的PMMA具有一定的結晶能力。然而，工業生產的PMMA主要是三種空間異構體的混合物，以間規異構體和無規異構體為主，含有少量的等規異構體。這使得PMMA大多數情況下表現為無定形高聚物。

有機玻璃應儲存在干燥、通風良好且無有機溶劑的環境中，避熱源與火種，并備有消防設施，嚴禁與易燃、易爆、有毒和易污物品共貯共運。經過適當包裝的有機玻璃產品，可在篷布覆蓋的車輛中運輸；運輸時避免日曬、雨淋或受潮。消防可用水、砂土和各種滅火劑。有機玻璃的表面硬度較低，因此在使用過程中應避免與硬物接觸摩擦，以免損壞其外觀和減少透光性。避免長時間將有機玻璃置于日光直射下，因為這可能會導致其變黃和透明度降低，甚至出現裂紋。有機玻璃對熱的耐受性不高，使用環境的溫度若超過100攝氏度，可能會導致軟化變形，進而損壞。