王友明

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，許多高分子化合物走入我們的生活當(dāng)中，其中，有機玻璃作為近年來一種新型熱塑性塑料制品在生產(chǎn)生活方面得到廣泛關(guān)注，本文根據(jù)有機玻璃的粘彈性理論以及屈服應(yīng)力和模量之間的關(guān)系結(jié)合準(zhǔn)靜態(tài)以及斷裂實驗對有機玻璃的力學(xué)性能進行了分析研究，并對目前以及未來可能涉足的有機玻璃的發(fā)展前景進行了展望。

關(guān)鍵詞：有機玻璃；粘彈性；屈服應(yīng)力

一、有機玻璃的定義及應(yīng)用范圍

有機玻璃本身是由甲基丙烯酸甲酯聚合而形成的一種高分子化合物，本質(zhì)是一種較早開發(fā)的帶有熱塑性能的塑料。有機玻璃制品被人們習(xí)慣稱之為亞克力。因為生產(chǎn)使用當(dāng)中的不同需求有機玻璃可以細化為無色透明有機玻璃，壓花有機玻璃以及珠光有機玻璃等不同類別。有機玻璃因其優(yōu)良先進的制作方法以及本身材料構(gòu)成的屬性致使有機玻璃具有較為穩(wěn)定的化學(xué)性能和力學(xué)性能，相較于玻璃制品它也具有優(yōu)良的透明性，并且更容易加工和染色，外觀更為華麗優(yōu)美的優(yōu)點。有機玻璃傳統(tǒng)玻璃制品而言它質(zhì)量更輕，抗破碎性能好并且耐老性也比較突出。目前有機玻璃的使用范圍逐漸涵蓋了建筑業(yè)、生物醫(yī)學(xué)專業(yè)以及航空航天專業(yè)等領(lǐng)域。其中在航空航天領(lǐng)域的運用較為普遍。例如運用有機玻璃突出的力學(xué)性能作為飛機艙蓋以及擋風(fēng)玻璃的材料。

二、有機玻璃的力學(xué)性能

有機玻璃的熱變形溫度一般為90℃～100℃，在有機玻璃加熱過程中，它自身分子間相互作用力會有所減弱，從而導(dǎo)致材料變軟，在溫度高于200℃后材料會融化為粘性液體，溫度降低的過程中材料會重新凝固成固體狀態(tài)。因為這個可循環(huán)的過程所以這種材料可以進行熱塑性加工。有機玻璃的力學(xué)性能表現(xiàn)與外界溫度，加載的速率以及負荷時間有較為明顯的關(guān)系。在常溫下以及凍結(jié)的溫度條件下分別對有機玻璃試件進行實驗研究，測出兩種不同溫度條件下有機玻璃試件的彈性模量、屈服極限以及泊松比等。表中數(shù)據(jù)含義分別是：代表壓縮狀態(tài)下的屈服強度，而代表壓縮狀態(tài)下的強度極限值。和分別代表拉伸狀態(tài)下的屈服強度以及強度極限，E是材料的彈性模量。以及分別代表材料的伸長率、收縮率以及材料在塑性狀態(tài)下的泊松比。通過實驗結(jié)果可以表明在凍結(jié)溫度下有機玻璃表現(xiàn)出額很好的塑性。有機玻璃力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表1所示。

有機玻璃在上述實驗過程中表現(xiàn)出了力學(xué)性能方面的彈性，在應(yīng)力松弛、蠕變、應(yīng)變率敏感以及蠕變等方面有所體現(xiàn)。有機玻璃在溫度上升狀態(tài)下會存在玻璃態(tài)方面的轉(zhuǎn)化，在達到上述轉(zhuǎn)化溫度后，有機玻璃開始出現(xiàn)由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)化。

目前我國對有機玻璃力學(xué)性能實驗的研究依據(jù)材料理論除了進行的實驗以外，還根據(jù)不同的應(yīng)變率與不同溫度之間的關(guān)系得到材料的屈服特性以及各模量的特性。通過上述試驗，結(jié)果表明：（1）準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗以及拉伸實驗過程中。1.有機玻璃具備明顯的應(yīng)變率敏感性，在應(yīng)變率增大的情況下有機玻璃的強度以及初始模量也開始增大。2.在對有機玻璃分別使用有套管和無套管狀況下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗時，套管對試驗材料的徑向變形進行了限制。實驗中套管的壓力值是在有無套管兩種情況下軸立應(yīng)力之間的差值，我們在考慮管套和試件之間摩擦值的前提下通過管套外的應(yīng)變值得到應(yīng)變和管套壓力值之間的對應(yīng)關(guān)系，借此推算出套管的壓力。結(jié)果表明套管的壓力值變化較小，影響因素較大的值仍然是溫度。（2）對實驗中斷裂擴展以及疲勞的分析研究中可以得出。1.在對有機玻璃采用拉伸裂紋擴展實驗過程當(dāng)中，實驗對失效應(yīng)力以及裂紋的長度進行了觀測，通過實驗可以看到材料的淺切口具有更快的分裂速度。2.在對有機玻璃進行不同溫度條件下的拉伸至斷裂的實驗過程中可知，隨著不同狀態(tài)下實驗溫度的升高材料的斷裂伸長率以及拉伸長度分別呈現(xiàn)增加和降低兩種狀態(tài)，材料在高溫狀態(tài)下其表面顯示韌性的特征，材料的結(jié)構(gòu)以及斷裂特征與溫度之間有密切的關(guān)聯(lián)。3.在對有機玻璃的尖槽式切口圓盤狀試件進行動態(tài)斷裂實驗過程中得出材料的斷裂韌度與和加載速率之間成正比關(guān)系，而斷口的寬度與之呈反比關(guān)系。4.在對不同溫度下的有機玻璃的疲勞試驗當(dāng)中可以得出，疲勞強度隨著溫度的升高逐漸降低，通過材料的疲勞使用壽命計算方程可以對材料應(yīng)變的增長規(guī)律進行分析。5.在對有機玻璃進行穿孔實驗、壓縮實驗以及單軸實驗過程中發(fā)現(xiàn)有機玻璃在厚度方向具有較高的強度以及硬度，定向較之非定向具有較高的斷裂韌性，切口的敏感性以及強度也較低。（3）在對材料的蠕變實驗過程中可以看到，有機玻璃在不同溫度以及不同荷載情況下進行單向拉伸蠕變的實驗，在溫度恒定的條件下，材料的斷裂時間縮短，蠕變速率變快并且蠕變的斷裂伸長量也隨之增大。而在應(yīng)力恒定的情況下，隨著溫度的升高，蠕變速率逐漸變快。

三、有機玻璃的發(fā)展前景

作為一種高分子塑料制品，有機玻璃因其自身質(zhì)量較輕、外觀優(yōu)美等特點在各行業(yè)當(dāng)中廣泛應(yīng)用。例如建筑行業(yè)當(dāng)中將有機玻璃制品廣泛應(yīng)用于棚頂、樓梯以及采光體等部位。隨著城市的現(xiàn)代化日益增強，城市內(nèi)如飯店、加油站以及高檔住宅當(dāng)中采光體的大量使用。得益于有機玻璃的價格低廉且易加工的特點有機玻璃制品開始越來越貼近于人們生活，與人們生活關(guān)系越發(fā)的密切。（1）亞克力制品在衛(wèi)浴領(lǐng)域得到關(guān)注，作為傳統(tǒng)衛(wèi)浴制品陶瓷的替代品，亞克力具有更為明顯的優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)陶瓷亞克力制品具有更好的光亮度并且它的質(zhì)地相對較為柔和，可以生產(chǎn)的款式更為多樣精美并且經(jīng)久耐用更為環(huán)保。（2）有機玻璃制品本身具有較好的透光性，對人體無毒并且容易加工等特點科學(xué)家開始將其加工制作成為眼角膜已在臨床中廣泛使用。（3）有機玻璃制品的顯示器開始在LED等背面投屏電視中廣泛使用，有機玻璃具有質(zhì)量輕且剛性較低易于彎曲的特點，因此成為取代玻璃的最佳材料。（4）有機玻璃的高透明性以及容易著色的特點使其在室內(nèi)裝飾、招牌以及燈飾當(dāng)中廣泛應(yīng)用，將有機玻璃切割成一定的形狀后在平面上進行粘貼，或者是通過將有機玻璃加熱后，在磨具當(dāng)中進行壓制成型，通過這種方式制作出的工藝品線條流暢，立體感強，具有浮雕的藝術(shù)感。

結(jié)論

目前，美日兩國在法律中強制規(guī)定中小學(xué)以及幼兒園建筑必須采用有機玻璃，隨著我國法律的不斷完善這中要求也會應(yīng)運而生，目前我國的城市化建設(shè)道路加快了步伐，在街頭標(biāo)志、燈箱、招牌以及廣告燈箱等也廣泛使用有機玻璃制品，可以預(yù)期有機玻璃的市場前景極為廣大。

參考文獻

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[3]張濤.改性有機玻璃的制備、結(jié)構(gòu)和性能研究.【碩士論文】.杭州：浙江大學(xué)，2007

（作者單位：四川輕化工大學(xué)（原四川理工學(xué)院））