有机玻璃的力学特性及发展前景

王友明

摘 要：随着科学技术的不断进步，许多高分子化合物走入我们的生活当中，其中，有机玻璃作为近年来一种新型热塑性塑料制品在生产生活方面得到广泛关注，本文根据有机玻璃的粘弹性理论以及屈服应力和模量之间的关系结合准静态以及断裂实验对有机玻璃的力学性能进行了分析研究，并对目前以及未来可能涉足的有机玻璃的发展前景进行了展望。

关键词：有机玻璃；粘弹性；屈服应力

一、有机玻璃的定义及应用范围

有机玻璃本身是由甲基丙烯酸甲酯聚合而形成的一种高分子化合物，本质是一种较早开发的带有热塑性能的塑料。有机玻璃制品被人们习惯称之为亚克力。因为生产使用当中的不同需求有机玻璃可以细化为无色透明有机玻璃，压花有机玻璃以及珠光有机玻璃等不同类别。有机玻璃因其优良先进的制作方法以及本身材料构成的属性致使有机玻璃具有较为稳定的化学性能和力学性能，相较于玻璃制品它也具有优良的透明性，并且更容易加工和染色，外观更为华丽优美的优点。有机玻璃传统玻璃制品而言它质量更轻，抗破碎性能好并且耐老性也比较突出。目前有机玻璃的使用范围逐渐涵盖了建筑业、生物医学专业以及航空航天专业等领域。其中在航空航天领域的运用较为普遍。例如运用有机玻璃突出的力学性能作为飞机舱盖以及挡风玻璃的材料。

二、有机玻璃的力学性能

有机玻璃的热变形温度一般为90℃～100℃，在有机玻璃加热过程中，它自身分子间相互作用力会有所减弱，从而导致材料变软，在温度高于200℃后材料会融化为粘性液体，温度降低的过程中材料会重新凝固成固体状态。因为这个可循环的过程所以这种材料可以进行热塑性加工。有机玻璃的力学性能表现与外界温度，加载的速率以及负荷时间有较为明显的关系。在常温下以及冻结的温度条件下分别对有机玻璃试件进行实验研究，测出两种不同温度条件下有机玻璃试件的弹性模量、屈服极限以及泊松比等。表中数据含义分别是：代表压缩状态下的屈服强度，而代表压缩状态下的强度极限值。和分别代表拉伸状态下的屈服强度以及强度极限，E是材料的弹性模量。以及分别代表材料的伸长率、收缩率以及材料在塑性状态下的泊松比。通过实验结果可以表明在冻结温度下有机玻璃表现出额很好的塑性。有机玻璃力学性能数据如表1所示。

有机玻璃在上述实验过程中表现出了力学性能方面的弹性，在应力松弛、蠕变、应变率敏感以及蠕变等方面有所体现。有机玻璃在温度上升状态下会存在玻璃态方面的转化，在达到上述转化温度后，有机玻璃开始出现由玻璃态向橡胶态的转化。

目前我国对有机玻璃力学性能实验的研究依据材料理论除了进行的实验以外，还根据不同的应变率与不同温度之间的关系得到材料的屈服特性以及各模量的特性。通过上述试验，结果表明：（1）准静态压缩实验以及拉伸实验过程中。1.有机玻璃具备明显的应变率敏感性，在应变率增大的情况下有机玻璃的强度以及初始模量也开始增大。2.在对有机玻璃分别使用有套管和无套管状况下的准静态压缩实验时，套管对试验材料的径向变形进行了限制。实验中套管的压力值是在有无套管两种情况下轴立应力之间的差值，我们在考虑管套和试件之间摩擦值的前提下通过管套外的应变值得到应变和管套压力值之间的对应关系，借此推算出套管的压力。结果表明套管的压力值变化较小，影响因素较大的值仍然是温度。（2）对实验中断裂扩展以及疲劳的分析研究中可以得出。1.在对有机玻璃采用拉伸裂纹扩展实验过程当中，实验对失效应力以及裂纹的长度进行了观测，通过实验可以看到材料的浅切口具有更快的分裂速度。2.在对有机玻璃进行不同温度条件下的拉伸至断裂的实验过程中可知，随着不同状态下实验温度的升高材料的断裂伸长率以及拉伸长度分别呈现增加和降低两种状态，材料在高温状态下其表面显示韧性的特征，材料的结构以及断裂特征与温度之间有密切的关联。3.在对有机玻璃的尖槽式切口圆盘状试件进行动态断裂实验过程中得出材料的断裂韧度与和加载速率之间成正比关系，而断口的宽度与之呈反比关系。4.在对不同温度下的有机玻璃的疲劳试验当中可以得出，疲劳强度随着温度的升高逐渐降低，通过材料的疲劳使用寿命计算方程可以对材料应变的增长规律进行分析。5.在对有机玻璃进行穿孔实验、压缩实验以及单轴实验过程中发现有机玻璃在厚度方向具有较高的强度以及硬度，定向较之非定向具有较高的断裂韧性，切口的敏感性以及强度也较低。（3）在对材料的蠕变实验过程中可以看到，有机玻璃在不同温度以及不同荷载情况下进行单向拉伸蠕变的实验，在温度恒定的条件下，材料的断裂时间缩短，蠕变速率变快并且蠕变的断裂伸长量也随之增大。而在应力恒定的情况下，随着温度的升高，蠕变速率逐渐变快。

三、有机玻璃的发展前景

作为一种高分子塑料制品，有机玻璃因其自身质量较轻、外观优美等特点在各行业当中广泛应用。例如建筑行业当中将有机玻璃制品广泛应用于棚顶、楼梯以及采光体等部位。随着城市的现代化日益增强，城市内如饭店、加油站以及高档住宅当中采光体的大量使用。得益于有机玻璃的价格低廉且易加工的特点有机玻璃制品开始越来越贴近于人们生活，与人们生活关系越发的密切。（1）亚克力制品在卫浴领域得到关注，作为传统卫浴制品陶瓷的替代品，亚克力具有更为明显的优势，相较于传统陶瓷亚克力制品具有更好的光亮度并且它的质地相对较为柔和，可以生产的款式更为多样精美并且经久耐用更为环保。（2）有机玻璃制品本身具有较好的透光性，对人体无毒并且容易加工等特点科学家开始将其加工制作成为眼角膜已在临床中广泛使用。（3）有机玻璃制品的显示器开始在LED等背面投屏电视中广泛使用，有机玻璃具有质量轻且刚性较低易于弯曲的特点，因此成为取代玻璃的最佳材料。（4）有机玻璃的高透明性以及容易著色的特点使其在室内装饰、招牌以及灯饰当中广泛应用，将有机玻璃切割成一定的形状后在平面上进行粘贴，或者是通过将有机玻璃加热后，在磨具当中进行压制成型，通过这种方式制作出的工艺品线条流畅，立体感强，具有浮雕的艺术感。

结论

目前，美日两国在法律中强制规定中小学以及幼儿园建筑必须采用有机玻璃，随着我国法律的不断完善这中要求也会应运而生，目前我国的城市化建设道路加快了步伐，在街头标志、灯箱、招牌以及广告灯箱等也广泛使用有机玻璃制品，可以预期有机玻璃的市场前景极为广大。

参考文献

[1]周光泉，刘孝敏.粘弹性理论【M】合肥：中国科技大学出版社，1996

[2]珊瑚化工厂.有机玻璃（及同类聚合物）【M】上海：上海科学技术出版社，1979

[3]张涛.改性有机玻璃的制备、结构和性能研究.【硕士论文】.杭州：浙江大学，2007

（作者单位：四川轻化工大学（原四川理工学院））