Оргстекло: тепловые и механические характеристики

Оргстекло является полимером метилметакрилата C₅H₈O₂, и представляет собой термопластичную смолу, отвержденную в виде порошка или гранул, и выпускаемую в форме листов и блоков различной толщины и размеров. Органическое стекло имеет множество наименований: акриловое стекло, акрил, плексиглас, полиметилметакрилат, акрилайт, метаплекс и т. д.

Листы этого полимера могут производиться в различной цветовой гамме (синий, красный, зеленый и др. цвета) с разной степенью светопропускания. Стекла высокой чистоты имеют коэффициент светопропускания около 93…95%. Применение специальных добавок позволяет регулировать механические, оптические и тепловые характеристики этого материала в необходимом диапазоне.

Производство листов и блоков

Согласно ГОСТ 17622-72 техническое оргстекло производится двух марок: ТОСП и ТОСН. Первая марка представляет собой пластифицированный полимер метилового эфира метакриловой кислоты, а вторая — непластифицированный. Производство изделий осуществляется методом экструзии через калиброванное сопло, либо литьем под давлением в металлические или стеклянные формы с последующей полимеризацией. Процесс экструзии проводят при температуре сырья 200…220°С. Литье под давлением — при 190…235°С, сжатие в процессе достигает 100…120 МПа.

Оргстекло в основном выпускают в форме листов и блоков прямоугольной формы. Распространенные размеры листов составляют 1250х1150, 1600х1400, 2050х3050 мм. Толщина листа может изменяться от 1 до 28 мм. Толщина блоков значительно больше — она изменяется в пределах от 28 до 200 мм. Габаритные размеры блоков, отлитых в стеклянных формах, могут достигать 600х900 мм. Для отливок блоков органического стекла, выполненных в металлические формы, допустимы существенно большие линейные размеры.

На поверхности листа не допускается наличие:

• посторонних включений размером более 3 мм;
• внутренних воздушных пузырей диаметром более 1 мм;
• грубых царапин и сколов;
• поверхностных наплывов и трещин;
• сколов, щербин и зазубрин длиной более 4 мм с торца листа.

Основные технические характеристики

Основные технические характеристики оргстекла, полученного экструзией или литьем, практически не отличаются. Однако, использование дополнительных компонентов в составе сырья позволяет регулировать некоторые свойства готовой продукции. Например, стекло, полученное способом литья, имеет повышенную прочность и прекрасно формуется.

Технические характеристики оргстекла при 20°С

Характеристика	Значение
Плотность оргстекла, кг/м3	1100…1200
Температура эксплуатации, °С	-60…100
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)	0,19…0,3
Коэффициент линейного расширения, К-1	7·10-5…9·10-5
Удельная теплота сгорания, МДж/кг	27,7
Температура размягчения по Вика, °С	90…133
Теплостойкость по Мартенсу, °С	88…95
Морозостойкость, °С	-50
Линейная усадка, %	3,5…5
Ударная вязкость, кДж/м2	7,8…13
Прочность на разрыв, МПа	61,7…70
Прочность на растяжение, МПа	40
Прочность на сжатие, МПа	70
Прочность на изгиб, МПа	140
Модуль упругости при растяжении, МПа	2870
Твердость по Бринеллю, МПа	170…180
Коэффициент светопропускания, %	более 88
Удельное электрическое сопротивление, Ом·см	1015
Электрическая прочность, МВ·м	27

Органическое стекло, в зависимости от марки, имеет диапазон плотности от 1100 до 1200 кг/м³ и рабочую температуру от минус 60 до 100 градусов Цельсия. Этот материал, как и другие полимеры, не проводит электрический ток, обладает низкой теплопроводностью и может быть отнесен к теплоизоляции.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом органического стекла над обычным силикатным является его низкая плотность и легкость в обработке. Оргстекло значительно (более чем в 2 раза) легче своего силикатного аналога. Кроме того, этот полимер не окисляется на воздухе, обладает высокой устойчивостью к воздействию влаги, не мутнеет со временем, является прекрасным звукоотражающим материалом, имеет низкую теплопроводность.

Оргстекло легко гнется при нагревании и сохраняет полученную форму после охлаждения, что позволяет изготовлять из него строительные и декоративные конструкции практически любой конфигурации. Особенно легко формуется литьевое органическое стекло, что позволяет использовать его для изготовления объемных конструкций довольно сложной формы.

Благодаря хорошей морозостойкости этот полимер успешно применяется в конструкциях с температурой эксплуатации до минус 60°С. При нагревании выдерживает температуру до 100°С без снижения своих механических характеристик. При обычных температурах органическое стекло не выделяет токсичных веществ, является полностью безопасным для человека, обладает устойчивостью к воздействию микроорганизмов, не привлекает грызунов и насекомых.

К недостаткам оргстекла относятся:

• является легковоспламеняющимся материалом;
• взаимодействует со спиртами (этанол, метанол);
• склонен к сколам;
• чувствителен к царапинам;
• склонен к появлению трещин в местах сгиба.

Область применения и особенности обработки

Органическое стекло широко применяется, как альтернатива обычным силикатным стеклам. В отличие от них, этот полимер значительно легче и не поглощает рентгеновские и ультрафиолетовые лучи. На основе оргстекла создают композитные материалы, применяемые в качестве ветровых стекол летательных аппаратов и обтекателей глубоководной техники.

Кроме того, этот материал широко используют в таких областях, как:

• строительство и транспорт;
• реклама и дизайн;
• торгово-выставочное оборудование:
• 3D макетирование;
• офтальмология и протезирование;
• осветительная техника и приборостроение;
• сантехника и шумоизоляция.

Органическое стекло прекрасно обрабатывается точением, сверлением, фрезеровкой, полировкой, шлифовкой, гибкой и лазерной резкой. При механической обработке в местах соприкосновения с режущим инструментом не образуется внутренних напряжений, однако возможно замутнение, которое легко исчезает при полировке.

При обработке лазером (с соблюдением норм техпроцесса) кромка получается ровной, без наплывов и сколов, но из-за воздействия высокой температуры происходит накопление внутренних напряжений, что не позволяет производить склеивание по линии реза.

Источники:

1. ГОСТ 10667-90 Стекло органическое листовое. Технические условия.
2. ГОСТ 17622-72 Стекло органическое техническое. Технические условия.
3. Сайт https://polikarbonat-online.ru/
4. Кацнельсон М. Ю., Балаев Г. А. Пластические массы: свойства и применение. Справочник.