劉超 杜斌 黃威 朱聰昊 趙維忠 杜尚鋒

（錦西化工研究院有限公司 葫蘆島 125000）

0 引言

有機玻璃具有良好的光學性能、力學性能和耐熱性能，除了在飛機上用作座艙蓋、風擋和弦窗外，也用作汽車的風擋和車窗、大型建筑的天窗（可以防破碎）、電視和雷達的屏幕、儀器和設備的防護罩、電器儀表的外殼、望遠鏡和照相機上的光學鏡片等。目前在飛機上使用的有機玻璃主要有3種：第一種材料為純甲基丙烯酸甲酯的聚合物，用于飛機座艙蓋，具有良好的耐老化性能和耐候性能，但力學性能和抗銀紋性能一般；第二種為改性有機玻璃，通過加入交聯劑來提高有機玻璃的力學性能、抗銀紋性能和尺寸穩(wěn)定性，其綜合性能有了很大的提高；第三種為含氟有機玻璃，此為前蘇聯特有的品種，具有較高的維卡軟化溫度，用于制造高速戰(zhàn)斗機的前風擋。

增塑劑是指添加到聚合物材料中能使聚合物塑性增加的物質。增塑劑的加入可使聚合物大分子鏈之間的距離增大，減小分子間的相互作用力，分子間相對運動容易，有利于鏈段運動，宏觀表現為聚合物的硬度、模量、維卡軟化溫度和脆化溫度下降，而斷裂伸長率和柔韌性提高。

為了改善有機玻璃的加工性能和使用性能，本文研究了增塑劑的加入對有機玻璃熱變形溫度、熱松弛及沖擊強度等性能的影響。

1 試驗部分

1.1 性能測試

（1）熱變形溫度按GB/T 1634.2—2004 《塑料 負荷變形溫度的測定》測試［1］，試驗設備為RV-300DW型維卡熱變形試驗機，試樣尺寸見圖1。

圖1 熱變形溫度試樣（厚度為10 mm）

（2）熱松弛按HB 5369—1987《定向有機玻璃熱松弛試驗方法》測試［2］，試驗設備為401A型熱老化試驗箱，試樣尺寸見圖2。

圖2 熱松弛試樣（厚度為16 mm）

（3）沖擊強度按GB/T 1043—2008 《塑料簡支梁沖擊性能的測定》測試［3］，試驗設備為XCJ-50型沖擊試驗機，試樣尺寸見圖3。

圖3 沖擊強度試樣

1.2 試驗條件

性能測試過程中，環(huán)境溫度為（23±2）℃，相對濕度為50%±5%；試樣在環(huán)境溫度下放置時間不少于4 h。

2 結果與討論

2.1 增塑劑含量對有機玻璃熱變形溫度性能的影響

有機玻璃屬于熱塑性材料，在實際使用過程中，不僅要求在室溫下具有良好的力學性能，而且要求在較高溫度下也具有良好的力學性能［4］。因此，有機玻璃的熱變形溫度是其重要的性能指標之一，對確定其成型加工溫度和使用溫度上限非常關鍵。

本文選用RV-300DW型維卡熱變形試驗機來測定有機玻璃的熱變形溫度。首先測量試樣中點附近的高度和寬度，精確至0.01 mm。把試樣對稱地放在試樣支座上，高度為13 mm的一面垂直放置。將裝好試樣的支架放入試驗機的保溫槽內，保溫槽內的溫度與室溫相同，且試樣應置于液面35 mm以下。加上砝碼，使試樣產生的最大彎曲正應力為18.1 MPa。開動攪拌器，5 min后調節(jié)千分表，使之為零，開始以2 ℃/min的速率加熱升溫。當試樣中點的變形量達到0.25 mm時，記錄此時的溫度，此溫度即為該試樣在相應最大彎曲正應力條件下的熱變形溫度。

增塑劑含量對有機玻璃熱變形溫度的影響見表1、圖4。

表1 增塑劑含量對有機玻璃熱變形溫度的影響

圖4 增塑劑含量對有機玻璃熱變形溫度的影響

試驗表明，在有機玻璃中加入增塑劑會降低其熱變形溫度。這是因為增塑劑削弱了有機玻璃分子之間的次價鍵，增加了分子鏈的移動性，受到外力時其更容易從玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)。

2.2 增塑劑含量對有機玻璃熱松弛性能的影響

為了提高有機玻璃的綜合性能，通常在聚合完成后對其進行雙軸定向拉伸。熱松弛是指定向有機玻璃受熱后試樣表面尺寸收縮的相對百分數。首先用彈簧分規(guī)和刻針在試樣中心劃相互垂直的刻線，再劃直徑為（40±1）mm的圓，用讀數顯微鏡測量橫軸和縱軸圓的直徑。將試樣放入鼓風干燥箱內，升溫到110 ℃，恒溫6 h，恒溫結束后自然冷卻至室溫（不打開干燥箱），最后測量X軸和Y軸方向上圓的直徑，按下面的公式計算有機玻璃的熱松弛。

式中：R——熱松弛，%；

L0——X或Y方向上加熱前圓的直徑，mm；

Lx——X或Y方向上加熱后圓的直徑，mm。

分別計算X軸和Y軸方向上的熱松弛，將其平均值作為最終的測試結果。

增塑劑含量對有機玻璃熱松弛的影響見表2、圖5。

表2 增塑劑含量對有機玻璃熱松弛的影響

圖5 增塑劑含量對有機玻璃熱松弛的影響

從表2和圖5中可以看出，有機玻璃的熱松弛隨著增塑劑含量的增加而大幅增加，試樣表面甚至出現翹曲。這是由于未加增塑劑的有機玻璃熱變形溫度為114 ℃，而鼓風干燥箱內的溫度僅為110 ℃，試樣基本不會變形，因此其熱松弛很小，僅為1.0%，試樣表面平整。隨著增塑劑含量的增加，有機玻璃的熱變形溫度降低，在加熱過程中試樣發(fā)生變形，回彈收縮明顯，熱松弛大幅增加。

2.3 增塑劑含量對有機玻璃沖擊強度的影響

沖擊試驗是用來評價材料在高速載荷狀態(tài)下的韌性或對斷裂的抵抗能力的試驗。沖擊強度是有機玻璃一項重要的力學性能指標，它反映了有機玻璃抵抗高速沖擊而致破壞的能力［5］。

有機玻璃的沖擊試驗采用簡支梁型，試樣選用無缺口沖擊試樣。首先測量試樣中部的寬度和厚度，精確至0.02 mm。由于試樣厚度小于10 mm，因此需要在支撐塊后加上墊片，使試樣中部與擺錘的垂直線接觸。根據試樣破壞時所需的能量選擇相應的擺錘，使消耗的能量在擺錘總能量的10%～85%范圍內。調節(jié)能量度盤指針零點，使它在擺錘處于起始位置時與主動指針接觸。抬起并鎖住擺錘，把試樣按規(guī)定放置在兩支撐塊上，試樣支撐面緊貼在支撐塊上，將沖擊刀刃對準試樣中心進行沖擊。試樣斷裂時單位面積所消耗的沖擊功即沖擊強度，以kJ/m2來表示。

增塑劑含量對有機玻璃沖擊強度的影響見表3、圖6。

表3 增塑劑含量對有機玻璃沖擊強度的影響

圖6 增塑劑含量對有機玻璃沖擊強度的影響

試驗表明，增塑劑的加入提高了有機玻璃的沖擊強度；當增塑劑含量為1～2份時，有機玻璃的沖擊強度增幅較大；當增塑劑含量超過2份時，有機玻璃的沖擊強度增幅較小。

3 結論

增塑劑的加入，降低了有機玻璃的熱變形溫度，增大了有機玻璃熱松弛，小幅提高了有機玻璃的沖擊強度。因此，通過添加增塑劑來對有機玻璃進行改性時，其用量不宜過多，建議用量為1～2份。

目前, 國內外科學工作者在不斷努力, 通過多種方式來對有機玻璃進行改性，努力研發(fā)高性能有機玻璃，從而在一些高端領域打破國外產品的壟斷，也為企業(yè)帶來更高的經濟效益。