聚甲基丙烯酸甲酯与二醋酸纤维镜架材料性能对比

王永康 俞文骥 张梅

摘 要：本文对比研究了作为眼镜架用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）与二醋酸纤維素（DAC）材料各性能；结果表明，PMMA性脆、冲击性能差、反复加工性能差，与CA相比性能处于劣势；耐酒精溶剂性能优于CA。

关键词：关键词：聚甲基丙烯酸甲酯；研究；讨论

0 引言

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗称有机璃或亚克力，PMMA为无定型聚合物，具有良好的表观光泽性及后加工性能，是一种综合性能优异的透明材料。因此被广泛地应用于汽车、建筑、广告、医学、通讯、电子等领域[1-2]。近年来也被用于非金属眼镜架的制造。

二醋酸纤维素（CA）材料自20世纪80年代以来，作为非金属眼镜架主要材料，具有不过敏、不褪色、易加工、时尚靓丽、高端奢华等优点，深受广大消费者青睐，是眼镜架领域内经久不衰的主流产品[3-5]。

随着眼镜行业的发展，新材料在眼镜架制造应用不断兴起与发展，镜架材料在彰显轻的同时，不能忽略其实用性，新材料要同时兼顾眼镜的“轻巧、耐用、时尚”三元素[6]，否则也只是昙花一现。近年来，市场上出现了一种改性PMMA材料（KM93），在眼镜行业内进行推广，本文对比研究了PMMA材料与CA材料各项性能。

1 试验方法

1.1 实验原料

二醋酸纤维素胶粒，CA，四川普什醋酸纤维素有限责任公司；

改性聚甲基丙烯酸甲酯，KM93，日本可乐丽公司；

聚甲基丙烯酸甲酯，工业级，台湾奇美实业股份有限公司；

丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯，EXL-2620，美国陶氏化学公司；

三醋酸甘油酯，工业级，江苏立成化学有限公司。

1.2 主要设备与仪器

熔体流动速率仪，TWEL vindex，意大利Atsfaar公司；

塑料注射成型机，MA1600/540，海天塑机集团有限公司；

电子拉力试验机，XLD-10 C，承德市金建检测仪器有限公司；

洛氏硬度计，XHRD-150，莱州华银实验仪器有限公司；

摆锤冲击试验机，Model Impact 104，天氏欧森测试设备有限公司；

维卡软化点温度定仪，XRW-300A，承德市金建检测仪器有限公司。

1.3 试样制备

改性PMMA制备，将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分别与3%三醋酸甘油酯GTA、8%冲击改性剂丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯（EXL-2620）混合均匀后挤出造粒，得到改性PMMA-GTA和PMMA-EXL胶粒。

将不同规格二醋酸纤维素胶粒（CA-22、CA-26、CA-28、CA-31、CA-37），改性KM93、PMMA-GTA和PMMA-EXL分别使用注塑机注塑成相应测试标准拉伸、冲击、弯曲样条和圆形板材。

测试反复加工性能时，分别将胶粒使用双螺杆挤出机再次挤出成颗粒，并将颗粒注塑成拉伸、冲击、弯曲样条和圆形板材，此为二次加工胶粒产品和测试样条；将二次挤出胶粒再次挤出和注塑，得到三次加工胶粒产品和测试样条。

1.4 性能测试

色度测试，采用测色仪，将胶粒样品装入测试的比色皿中压实，用不锈钢钢刷刮去多余的样品，用软布擦拭被子外壁，将其放在测量位置，读取YIE313数据。

力学性能测试，断裂强度按ASTM D638进行，速度为50mm/min，弯曲模量测试标准ASTM D790，速度为1.27mm/min，缺口冲击强度测试标准ASTM D256，热变形温度测试标准ASTM D648，载荷1.82MPa，洛氏硬度测试标准ASTM D785，R Scale，比重测试标准ASTM D792。

耐溶剂测试，将样品裁成大小规格为10mm*4mm*2mm规格样条，将样条放置于如下溶液中：25%酒精、50%酒精、75%酒精，3.5%盐水、食醋，测试样品增重和观察形变情况。

2 结果与讨论

2.1 CA与KM93各项性能对比

由于CA分子链上大量的极性基团，分子内及分子间作用力大，进行熔融加工时难加工易分解，因此CA加工时需要加入增塑剂邻苯二甲酸二乙酯（DEP）降低其加工温度，避免或尽量减少加工过程中材料的分解。表1中显示了不同增塑剂含量CA与KM93各项性能数据。对于眼镜架板材来说，冲击强度和弯曲模量是关键的指标，影响着眼镜架在实用过程中抗冲击及形变。冲击强度测试表明，KM93材料脆性强，抗冲击能力差，在不开缺口的条件下，KM93易冲断，而CA材料在不开缺口条件下，不能冲断，且随着CA材料中增塑剂量的提高，冲击强度是明显得到提高，CA材料中增塑剂含量最低样品CA22其缺口冲击强度也远远高于KM93。弯曲模量测试结果可看出，当CA中增塑剂含量低于26%时，其弯曲模量高于KM93，随着增塑剂含量的增加，弯曲模量有所下降，低于KM93材料。断裂强度CA22基本与KM93相当，但随着增塑剂含量增加CA材料断裂强度随之降低。材料洛氏硬度、热变形温度在高增塑剂含量的CA材料中低于KM93，但也满足眼镜架使用需求，两者比重比较接近。表1中所有数据显示了，提高CA增塑剂含量，可明显降低CA材料刚性，提高韧性，而KM93材料则刚性强、偏脆，但即使在刚性最强和韧性最差的CA22韧性也是明显高于KM93，因此KM93即PMMA材料替代CA材料在镜架上应用，性能上还有很大的缺陷。

2.2 反复加工性能变化

PMMA材料性本脆，反复加工应会明显降低其性能，同时由于PMMA改性中常用到三醋酸甘油酯和冲击改性剂丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯，以下图1中不仅对比了KM93反复加工性能，同时也测试了纯PMMA分别加入3%GTA和8%EXL-2620改性产品的反复加工性能。就KM93和改性PMMA-GTA，PMMA-EXL来看，KM93弯曲模量低，冲击强度高，说明KM93韧性比未改性PMMA明显提高。1，2，3分别表示第一次，第二次和第三次挤出造粒产品。从图1（a）可以看出，PMMA弯曲模量优于CA31。从图1（b）可以看出，PMMA产品的冲击强度明显低于CA31。反复加工后，KM93、PMMA-GTA和PMMA-EXL弯曲模量的变化较小，冲击强度降低明显；CA31的冲击强度有小幅下降，但优于PMMA系列产品，弯曲模量受反复加工影响较小。

2.3 反复加工颜色外观变化

PMMA与CA材料相比，PMMA材料反复加工后，产品明显变黄，如表2中所示。并且PMMA在变黄的同时，材料变得不透明，粘度下降、脆性变强，加工性能明显下降；而CA黄变幅度小，透明性未受到明显影响，如图2所示。因眼镜板材加工程序复杂，存在多次挤出和压板等热加工工序，其加工性能的下降或不透明情况发生，导致板材成本质量变差或者色变严重；其次板材边角回料的加入对眼镜板材质量和上色有影响，增加成本或导致各种质量问题产生。反复加工性能差，限制了PMMA在眼镜架领域的推广。

2.4 耐溶剂性

测试的溶剂分别是25%酒精、50%酒精、75%酒精、食用醋和3.5%食盐水（海水盐度），将CA注塑样条和PMMA注塑样条在温度23℃环境中，分别放置在上述溶剂浸泡了72h。

两种材料在食用醋和食盐水中没有变形，而在三种不同浓度的酒精中都变软、变形，但是CA变形更加严重；质量变化上如表3数据所示，在食醋和鹽水中质量基本没有变化，三种不同的酒精溶液中，KM93样条增重0.2%，CA样条增重1.5%。CA样条在酒精水溶液中表现出更大的形变和更高的增重率，因为CA分子链上极性基团多，与溶液中强极性的酒精和水分子间作用力强，因此在耐酒精溶剂方面CA材料与PMMA材料相比处于劣势。

3 结语

眼镜架领域应用，PMMA和CA各有所长。CA的反复加工性和抗冲击性优于PMMA；在眼镜架制作过程中产生的边角料需回收利用，以降低生产成本，CA优于PMMA；PMMA耐酒精性能优异CA。

参考文献：

[1]陈继新，吕洁，赵金德，胡慧林，刘哲.聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）生产工艺与设备研究概述[J].化工科技，2012，20（2）：81-84.

[2]刘继纯，李晴媛，付梦月，张玉柱，罗杰.聚甲基丙烯酸甲酯改性研究进展[J].化工新型材料，2009，37（1）：5-7.

[3]张智.醋酸纤维素改性研究[D].天津：天津科技大学，2014.

[4]Paul Rustemyer. History of CA and evolution of markets[J]. Macromolecular Symposia， 2004（208）：1-6.

[5]Paolo Carollo， Barbara Grospietro. Plastic Materials. Macromolecular Symposia， 2004（208）：335-351.

[6]徐景新.眼镜架新材料的应用[J].中国眼镜科技杂志，2014 （9）：123-125.