聚甲基丙烯酸甲酯

高分子聚合物

聚甲基丙烯酸甲酯（Poly(methyl methacrylate），简称PMMA)，是一种高分子聚合物，又称作亚克力或有机玻璃，具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点，是平常经常使用的玻璃替代材料，被广泛应用于制备透明材料、医疗器械、建筑材料和工艺品等领域。聚合过程中，通过引发剂的催化，甲基丙烯酸甲酯单体中的双键发生聚合反应，形成高分子链结构。这种聚合物的制备过程相对简单，且可以通过不同的合成方法来调控其分子量和结构，以满足不同用途的需求。

化学结构

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的化学结构非常重要，因为它直接影响了其物理和化学性能。PMMA是由甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体通过自由基聚合反应形成的高分子材料。

基本单体

甲基丙烯酸甲酯（MMA，C5H8O2）是PMMA的基础单体，该分子包含一个丙烯基（CH2=），该双键连接到一个酯基（–C(O)OCH3）上，这个酯基包括一个甲基（–CH3）作为侧基，并且带有一个酯基团（–C=O和–OCH3）。

聚合过程

PMMA是通过自由基聚合反应将甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体连接成聚合物的。在聚合过程中，MMA单体的双键会发生开环反应，形成长链高分子。在外部引发剂（例如过氧化物）或热的作用下，MMA的双键断裂，生成自由基。自由基会攻击其他MMA单体分子的双键，引发聚合反应。一旦自由基形成，新的单体不断地接入链中，形成长链聚合物。聚合反应最终停止，可能通过两条链的碰撞、消耗引发剂等途径终止，形成最终的PMMA聚合物。

分子链特性

PMMA分子链上的每个重复单元都有一个甲基（–CH3）侧基，这使得PMMA具有一定的非极性特性。甲基的存在也增强了PMMA的化学稳定性，并帮助提高材料的耐紫外线性能。PMMA的分子量可以通过调节聚合过程来控制，分子量的大小直接影响PMMA的机械性能和溶解性。

性质

物理性质

密度：PMMA的密度比玻璃低：PMMA的密度大约在1.15-1.19g/cm3，是玻璃（2.40-2.80g/cm3）的一半、金属铝（属于轻金属）的43%。这与其分子结构中的较大碳链和较小氢原子有关。低密度有助于降低制品的重量，使其在要求轻量化的应用中更具竞争力。

机械强度：PMMA的机械强度较高：PMMA的相对分子质量大约为200万，是长链的高分子聚合物，而且形成分子的链很柔软，因此，PMMA的强度比较高，抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7～18倍。有一种经过加热和拉伸处理过的PMMA有机玻璃，其中的分子链段排列得非常有次序，使材料的韧性有显著提高。用钉子钉进这种有机玻璃，即使钉子穿透了，也不产生裂纹。这种有机玻璃被子弹击穿后同样不会破成碎片。因此，拉伸处理的PMMA可用作防弹玻璃，也用作军用飞机上的座舱盖。

熔点：PMMA的熔点较低，比玻璃约1000度的高温低很多。

光学性能：PMMA的出色透明性与其分子结构有关，其分子链结构有利于光的透过。PMMA在紫外光和可见光范围内的透明度很高，使其在光学应用中成为首选材料。PMMA的折射率较高，与光学器件的设计和制造密切相关。其光学性能可以通过控制制备条件和添加物进行调控，以满足不同光学应用的要求。

（1）可见光：PMMA是优良的高分子透明材料，透光率达到92%，比玻璃的透光度高。

（2）紫外光：石英能完全透过紫外线，但价格高昂，普通玻璃只能透过0.6%的紫外线。PMMA能有效滤除波长小于300nm的紫外光，但300nm至400nm之间滤除效果较差。部分制造商在PMMA表面进行镀膜，以增加其滤除300nm至400nm紫外光的效果和性质。另一方面，在照射紫外光的状况下，与聚碳酸酯相比，PMMA具有更佳的稳定性

（3）红外线：PMMA允许小于2800nm波长的红外线(IR)通过。更长波长的IR，小于25,000nm时，基本上可被阻挡。存在特殊的有色PMMA，可以让特定波长IR透过，同时阻挡可见光（应用于远程控制或热感应等）。

（4）PMMA的玻璃转化温度为大约105°C。

黏度：由于其较大的支链，聚甲基丙烯酸甲酯的黏度较高，因此在使用热加工方法时加工速度比较慢，有机玻璃不但能用车床进行切削，钻床进行钻孔，而且能用丙酮、氯仿等粘结成各种形状的器具，也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型的方法加工成大到飞机座舱盖，小到假牙和牙托等形形色色的制品。

化学性质

化学稳定性：PMMA在一般化学条件下相对稳定，对酸碱和溶剂具有较好的抵抗性。但需要注意，在某些有机溶剂中，特别是含有酮和醚的溶剂中，PMMA可能发生溶解。

热稳定性

熔点与玻璃化温度：PMMA的玻璃化温度（Tg）大约在105°C左右。低于该温度，PMMA表现为玻璃态，具有较高的刚性；而超过该温度时，PMMA变为弹性较强的橡胶态。熔点通常高于160°C，但PMMA的热变形温度（HDT）较低，一般在95–105°C之间。

热降解：PMMA具有较高的热稳定性，能够在较高温度下保持其结构稳定。然而，当温度过高（>250°C）时，PMMA会开始分解，释放出甲烯、二氧化碳等有害气体。这个过程通常伴随着材料表面变色、裂纹和性能下降。

热膨胀：PMMA的热膨胀系数较大，这意味着在温度变化时，PMMA会出现较明显的体积变化。因此，在一些高温环境下应用时，需要考虑到材料的热膨胀问题。

可燃性：生产1公斤的PMMA，需要大约2公斤的石油。在有氧的情况下，PMMA在458°C开始燃烧，燃烧后生成二氧化碳、水、一氧化碳及包括甲醛在内的一些低分子化合物。

发现和发展

发现：PMMA最早是由德国化学家奥托·罗姆林在1901年进行的实验中首次合成的。他使用甲基丙烯酸甲酯作为单体，通过聚合过程得到了聚甲基丙烯酸甲酯。然而，当时的合成过程对于大规模制备并不实际。

透明性研究：在1928年，英国化学家罗万·乔治（Rowland Hill）对聚甲基丙烯酸甲酯进行了深入的研究，特别是对其透明性质的认识。他注意到PMMA具有与玻璃相似的透明性，但密度更低，为之后的广泛应用奠定了基础。

商业化和品牌化

二战应用：在二战期间，PMMA广泛用于制造飞机的透明罩，用于替代玻璃。这是因为PMMA不仅轻便，而且在飞行员和观察员的视线范围内提供了优越的透明性。

随着科学技术的发展，人们对PMMA的制备工艺和性能进行了不断的改进。在20世纪后半叶，PMMA的生产技术逐渐成熟，其物理、光学和机械性能得到了进一步提高。近年来，科学家们继续对PMMA进行改进和创新，以满足不同领域对材料性能的不断提高的需求。改进的合成方法、新型共聚物和添加剂的引入，使得PMMA在现代材料科学中仍然扮演着重要的角色。

原料特性

1、无色透明，透光率达90%-92%，韧性强，比硅玻璃大10倍以上。

2、光学性、绝缘性、加工性及耐候性佳。

3、溶解于四氯化碳、苯、甲苯、二氯乙烷、三氯甲烷和丙酮等有机溶剂。

4、具有较高透明度和光亮度，耐热性好，并有坚韧，质硬，刚性特点，热变形温度80℃，弯曲强度110Mpa。

5、密度1.14-1.20g/cm3，变形温度76-116℃，成型收缩率0.2-0.8%。

6、线膨胀系数0.00005-0.00009/℃，热变形温度68-69℃（74-107℃）。

PMMA变体和衍生物

共聚PMMA

PMMA与苯乙烯共聚物（PS-PMMA）

苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯通过自由基聚合反应共聚。这种共聚物结合了PMMA和苯乙烯的优点，兼具较高的透明度、抗冲击性、耐热性和刚性。它的应用包括高性能的透明塑料件、汽车部件和包装材料。

PMMA与丁二烯共聚物（PMMA-Polybutadiene）

通过甲基丙烯酸甲酯与丁二烯单体的共聚反应，得到PMMA-丁二烯共聚物。这种共聚物在增加冲击韧性的同时，保持了PMMA的透明性和耐候性，特别适用于需要韧性和透明度的应用。常见于汽车外部件、建筑材料和高韧性透明塑料制品。

PMMA与甲基丙烯酸乙酯共聚物（PMMA-Ethyl Methacrylate）

在PMMA中加入甲基丙烯酸乙酯，通过自由基聚合反应得到共聚物。这种共聚物提高了PMMA的低温冲击强度、柔韧性和加工性。

PMMA改性衍生物

PMMA纳米复合材料（PMMA Nanocomposites）

通过在PMMA中引入无机纳米颗粒（如纳米二氧化硅、纳米黏土、纳米碳管等），形成PMMA纳米复合材料。这种材料具有改善的机械性能、热稳定性、电学性能以及阻隔性能。纳米填料的加入通常可以提升PMMA的强度、硬度、导电性和抗紫外线能力。

PMMA光学涂层

在PMMA表面涂覆一层特殊的光学涂层（如抗反射涂层、抗紫外线涂层等），以增强其光学性能。通过涂层处理，PMMA的光学透过率、抗紫外线能力、抗刮擦性等得到提高。这使得PMMA材料在光学领域的应用更加广泛。

PMMA光纤（PMMA Optical Fiber）

使用PMMA作为光纤的核心材料，通过熔融拉伸或溶液法制成光纤。PMMA光纤具有较低的折射率和较好的光学传输性能，适用于短距离的数据传输。PMMA光纤通常较便宜，易于加工。

PMMA交联材料（Crosslinked PMMA）

通过引入交联剂，如二甲基过氧化物或紫外线交联，使PMMA在聚合过程中形成三维网状结构。交联后的PMMA具有更强的热稳定性、化学稳定性和更低的溶解性，同时提升了材料的硬度和耐磨性。

应用领域

医学领域

人工晶体

PMMA最著名的医用应用之一是在眼科领域，尤其是在人工晶体的制造中。人工晶体（IOL，Intraocular Lens）是用于白内障手术后替代天然晶状体的植入物。PMMA人工晶体通常采用透光性极高的PMMA材料，并且具有生物相容性，能够长期留在眼内而不产生不良反应。

优点：

高透明性：PMMA的透光率非常高，接近92%，适合用于眼内镜片。

生物相容性：PMMA的生物相容性良好，与人体组织亲和，不容易引起免疫反应。

化学稳定性：PMMA不容易受到眼内环境（如盐水、酸性或碱性体液等）的腐蚀，因此能长时间维持其物理和化学性能。

可塑性：PMMA能够通过精密加工技术，如激光刻蚀、模压等，制造出细致、符合需求的人工晶体。

牙科应用

PMMA在牙科领域的应用同样十分重要，主要用于制造假牙、牙冠、牙桥等。

牙科修复材料：PMMA是常见的牙科修复材料，尤其是用于制作临时牙冠和牙桥。它能够快速成型、透明度较好且具有一定的机械强度。

临时修复：PMMA常用于制作临时假牙或临时牙冠，因为它易于加工，且具有足够的机械强度，可以在患者等待永久修复时使用。

长期应用：PMMA还可以与其他材料复合（如陶瓷材料），用作长期植入的牙齿修复材料，具有较好的生物相容性。

优点：

良好的透明性：与天然牙齿的色泽和透明性相近，因此在外观上能够做到比较自然。

较低的成本：相比其他牙科修复材料，PMMA的成本较低，因此常被用于临时修复。

加工性强：PMMA易于加工，可以快速根据患者的需求进行定制。

骨科假体

骨水泥：PMMA经常用于人工关节置换和脊椎手术中作为固定材料。它通过液态与粉末形式的两组分混合后，形成一种强力的粘结剂，用于将人工关节或假体牢固地固定到骨骼中。PMMA具有良好的粘附性和强度，能够有效增强假体与骨骼之间的结合。

优点：

高强度：固化后的PMMA具有较高的压缩强度，能够承受关节部位的负载。

快速固化：PMMA的固化过程较快，手术中能减少时间，提升效率。

良好的生物相容性：PMMA材料不会引起明显的免疫反应，因此能与骨组织兼容。

可塑性：PMMA可以根据需求进行调整，以适应不同类型的骨折或假体。

关节假体：PMMA有时也被用作人工关节中的一部分，尤其是在较早的关节置换中。

PMMA可以用于制造关节假体的插片或作为复合材料的一部分，虽然现代关节假体更多地采用钛合金或其他金属材料，但PMMA仍有一定的应用空间。

建筑与装饰

基于PMMA的有机玻璃压克力（亚克力）在建筑业中的应用在建筑方面，有机玻璃压克力（亚克力）主要应用于建筑采光体、透明屋顶、棚顶、电话亭、楼梯和房间墙壁护板等方面；还可以用作卫生洁具方面有浴缸、洗脸盆、化妆台等产品，市场前景十分广阔。

建筑幕墙和窗户：PMMA常用于建筑物的幕墙和窗户系统，尤其是在需要大面积采光或者要求轻质的场合。PMMA可以制造出比普通玻璃轻的透明板材，且耐候性强，不易变黄。

天窗和屋顶：PMMA板材广泛用于天窗、屋顶及采光窗的制作，能够有效提供自然采光，同时耐候性好，不易受紫外线影响而老化。

广告牌和指示牌：PMMA具有良好的透明性和优异的光透过性，常用于制作广告板、指示牌和标牌，尤其是户外广告和交通标志。

汽车工业

PMMA常用于汽车前灯、尾灯和转向灯罩的制造。其高透明性和良好的抗紫外线能力使得PMMA成为理想的材料，能够承受长时间暴露在阳光下而不老化。PMMA还可以用于制造汽车仪表盘的透明覆盖板，它不仅能够提供清晰的视觉效果，还具有较强的抗刮擦能力。在一些轻型车和概念车中，PMMA被用作车窗和挡风玻璃的替代材料，因为它的重量比普通玻璃轻，能够有效减少车体的总重量。这主要取决于PMMA的高透光率、良好的耐紫外线性能、优秀的抗冲击性和耐刮擦性。

家电与电子产品

PMMA常用于电视显示面板的制造，尤其是在液晶显示器（LCD）中，用作光学面板、背光板等部件。同时也用于LED灯罩和灯具外壳，因其高透明性、抗紫外线性能和较强的抗冲击性，能够延长灯具的使用寿命。PMMA也常用于家电产品（如冰箱、洗衣机、微波炉等）的外壳制造，因其优异的外观效果和较高的耐用性。

PMMA具有质轻、价廉，易于成型等优点。溶于有机溶剂如苯甲醚等，可以形成良好的薄膜和良好的介电性能，可以作为有机场效应管的介质层。

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