Что такое акриловый пластик?

Акриловый пластик (акриловое стекло, акрил, оргстекло) — популярный материал для производства мебели, рекламных конструкций и других изделий. Для его получения применяют синтез метилметакрилата. В зависимости от метода (литье либо экструзия) получают вещества с различным набором физических свойств, несмотря на идентичный химический состав. Они похожи по своим характеристикам, но применяются в разных сферах.

История создания акрила

История акрилового пластика началась в 1930-х годах, когда химики активно исследовали возможности создания прочных и прозрачных синтетических материалов. Первые успешные опыты привели к созданию материала под названием полиметилметакрилат (ПММА). В 1933 году компания Röhm and Haas запустила первый в мире коммерческий акриловый пластик под брендом Plexiglass™, который вскоре стал популярной альтернативой стеклу.

Во время Второй мировой войны прочность и устойчивость акрила к ударам сделали его востребованным для военных целей. Этот материал использовали для изготовления перископов, козырьков, орудийных башен и смотровых окон на подводных лодках. Акрил был оценен за свою устойчивость к повреждениям и легкость, что дало ему преимущество над стеклом в условиях боевых действий.

Впоследствии, благодаря своей прозрачности, прочности и способности принимать разные формы, акрил нашел применение и в мирных сферах. Он стал основой для больших аквариумов, ограждений для спортивных объектов, защитных щитков для производственного оборудования и других изделий, требующих устойчивости к повреждениям.

Химические свойства акрилового пластика

Акриловый пластик (ПММА), представляет собой термопластичный полимер с уникальными химическими свойствами. На молекулярном уровне акрил имеет аморфную структуру, благодаря чему он прозрачен и легко пропускает свет. Аморфная структура также объясняет его термопластичность — способность переходить в мягкое состояние при нагревании и возвращаться в твердое состояние при охлаждении. Высокая степень кристалличности, наоборот, снижает гибкость материала, делая его более жестким и хрупким, поэтому в акриле достигается баланс между аморфными и поликристаллическими участками для оптимальных свойств.

• Образование метилметакрилата. ПММА образуется в результате полимеризации метилметакрилата (ММА). Это реакция присоединения, в которой молекулы мономера соединяются в длинные цепи. Процесс полимеризации ПММА часто протекает при участии инициаторов, таких как бензоилпероксид, для образования радикалов, которые запускают цепную реакцию. Такая цепная структура делает ПММА стабильным и устойчивым к многим воздействиям.
• Химическая формула ПММА — (C5O2H8)n, где n — число звеньев, которое определяет молекулярную массу и прочность материала. В его структуре присутствует сложноэфирная группа (-COO-) в каждом мономерном звене. Именно эта группа определяет химическую активность и многие свойства материала. Полимер содержит углеводородные цепи и полярные функциональные группы, что делает его одновременно химически устойчивым и прочным.
• Химическая устойчивость. Акриловые пластик демонстрирует высокую устойчивость к большинству неорганических кислот и щелочей. Он остается инертным при контакте с такими кислотами, как серная, соляная и фосфорная, что позволяет применять его в лабораториях и производственных процессах, где требуется химическая устойчивость. Однако акриловый пластик чувствителен к органическим растворителям — ацетону, бензолу, метанолу и толуолу. Эти вещества могут вызывать набухание, размягчение и даже разрушение ПММА из-за проникновения в межмолекулярные пространства и разрушения связей в полимерной цепи.
• Взаимодействие с водой. ПММА обладает низким водопоглощением — около 0.3-0.4% от массы при длительном погружении. Он не растворяется в воде и сохраняет свои механические и оптические свойства при контакте с влагой, что делает его пригодным для использования в условиях высокой влажности. Это связано с тем, что водородные связи в молекулах воды не взаимодействуют с углеводородными цепями ПММА, что препятствует проникновению молекул воды в полимерную структуру.
• Устойчивость к ультрафиолетовому излучению. Акриловый пластик хорошо противостоит ультрафиолетовому излучению благодаря устойчивым углеводородным связям и отсутствию групп, подверженных фоторазложению. В отличие от других пластиков, он не желтеет и не теряет прозрачности под воздействием солнечных лучей. Это качество позволяет широко использовать акрил в наружной рекламе, остеклении и защитных экранах, которые находятся под воздействием прямого солнечного света.
• Термохимические свойства. При температуре выше 160°C ПММА начинает размягчаться, а его молекулы получают дополнительную подвижность. Хотя при нагревании материал остается относительно стабильным, его деформация начинается при температуре около 85-90°C, и при 160°C возможен процесс деполимеризации. Эта реакция приводит к распаду полимера обратно в метилметакрилат, выделяя его в виде паров. Деполимеризация ПММА — важное свойство для его переработки и вторичного использования, поскольку продукт разложения может быть очищен и использован для повторного синтеза акрила.

Физические свойства акрилового пластика

• Прозрачность и оптические свойства. ПММА обладает высоким коэффициентом пропускания света (около 92%), что делает его сравнимым со стеклом и позволяет использовать его для оптических изделий, таких как линзы и защитные экраны. Показатель преломления акрилового пластика равен приблизительно 1.49, что обеспечивает четкость и минимизацию искажений при прохождении света через материал. Эти оптические свойства делают акрил пригодным для изготовления изделий, где необходима высокая светопроницаемость и оптическая чистота.
• Механическая прочность и твердость. Акрил имеет предел прочности на растяжение около 48–76 МПа (в зависимости от состава и обработки). Он также демонстрирует твердость по шкале Роквелла (M) на уровне около 90–100, что указывает на его устойчивость к царапинам и механическим повреждениям. Акриловый пластик в 17 раз прочнее стекла, что делает его менее подверженным ударам. Его стойкость к разрыву и ударопрочность обеспечиваются кристаллической структурой полимера, что предотвращает образование осколков при повреждении.
• Термостойкость и температурные характеристики. Температура плавления ПММА составляет примерно 160°C, однако он начинает терять свои механические свойства при температурах выше 85°C. В этом диапазоне акрил становится гибким и легко поддается формовке, что широко используется в промышленности. Температура стеклования (Tg) ПММА равна около 105°C, и он сохраняет свои физические свойства при температуре до 80–85°C, что позволяет ему выдерживать значительные перепады температур.
• Электрические свойства. Акрил — диэлектрик с удельным электрическим сопротивлением около 10 (в степени 13) - 10 (в степени 14) Ом·см, что делает его хорошим изолятором. Его диэлектрическая проницаемость составляет примерно 2.6–4.0 при частотах до 1 ГГц, и он характеризуется низким значением диэлектрических потерь, что позволяет использовать его в качестве изоляционного материала в электронике.
• Плотность и удельная масса. Плотность акрилового пластика составляет около 1.18–1.20 г/см³, что делает его значительно легче стекла, плотность которого составляет примерно 2.5 г/см³. Легкость акрила в сочетании с его прочностью и прозрачностью делает его удобным материалом для создания крупных изделий, таких как рекламные конструкции, защитные экраны и элементы интерьера.

Преимущества акрила

Если сократить перечисленные выше свойства акрилового пластика, то мы получим список его основных преимуществ:

• Светопроницаемость очень высокая, сравнима с характеристиками кварцевого стекла. Коэффициент светопропускания достигает 92 процентов у прозрачных модификаций, у окрашенных она меньше.
• Акрил пропускает до 70% ультрафиолета, но сам абсолютно не подвержен воздействию солнечных лучей, не теряет яркости и прозрачности на свету.
• Легкий и прочный. Листовой пластик в 2,5 раза легче кварцевого стекла, поэтому его применяют для облегчения несущих конструкций.
• Большая ударопрочность — в пять раз выше, чем у обычного стекла.
• Легко поддается обработке (особенно при нагревании) — сгибанию, резке, гравировке, фрезерованию и т. д.
• Не разлагается под воздействием агрессивных сред, чувствителен только к концентрированным кислотам, растворяется в хлоруглеводородах.
• Гигиеничный, легко чистится и моется. Подходит для помещений с высокой влажностью: ванной, кухни. Используется даже для аквариумов.

Высокая прозрачность, легкость и прочность этой разновидности пластика позволяет применять его для остекления зданий, общественного транспорта. Акрил используется для изготовления и оформления мебели, других изделий, так как обладает уникальными декоративными характеристиками. Прежде всего, это широкая палитра. Оттенок может быть любым, в зависимости от добавленного пигмента. Это влияет на светопропускную способность. Окрашенные варианты имеют различную степень прозрачности — от 20% и выше.

Способы обработки акрилового пластика




Акриловый пластик — популярный материал, который легко поддается обработке даже в бытовых условиях. Поэтому его часто применяют домашние мастера. Существует множество методик и технологий обработки:

• Резка — электроинструментом, ручной ножовкой. Это довольно простой процесс. Рез получается более аккуратным при нагревании материала. В промышленных условиях чаще всего используется плоттер, лазерный инструмент.
• Сверление — позволяет создавать необычные декоративные эффекты. Если сверлить пластик на высоких оборотах, он становится матовым. Этот прием часто используют при изготовлении необычных стенных панелей. Если вы хотите получить цветные разводы, пятна, рисунки, добавьте при сверлении пигмент нужного оттенка.
• Сгибание — для линейного сгибания и при небольшом радиусе кривизны применяется механическая обработка по готовым шаблонам. Для получения сложного рельефа необходимо нагревание листов в печах, помещение в формы. В бытовых условиях сгибание производят при помощи разогретой струны.
• Фрезеровка позволяет придать листовому пластику нужную форму и рельеф. Производится на фрезеровочных станках, при этом важно уменьшать обороты и охлаждать материал — он деформируется при +150 градусах.