增塑剂对有机玻璃性能的影响

刘超 杜斌 黄威 朱聪昊 赵维忠 杜尚锋

（锦西化工研究院有限公司 葫芦岛 125000）

0 引言

有机玻璃具有良好的光学性能、力学性能和耐热性能，除了在飞机上用作座舱盖、风挡和弦窗外，也用作汽车的风挡和车窗、大型建筑的天窗（可以防破碎）、电视和雷达的屏幕、仪器和设备的防护罩、电器仪表的外壳、望远镜和照相机上的光学镜片等。目前在飞机上使用的有机玻璃主要有3种：第一种材料为纯甲基丙烯酸甲酯的聚合物，用于飞机座舱盖，具有良好的耐老化性能和耐候性能，但力学性能和抗银纹性能一般；第二种为改性有机玻璃，通过加入交联剂来提高有机玻璃的力学性能、抗银纹性能和尺寸稳定性，其综合性能有了很大的提高；第三种为含氟有机玻璃，此为前苏联特有的品种，具有较高的维卡软化温度，用于制造高速战斗机的前风挡。

增塑剂是指添加到聚合物材料中能使聚合物塑性增加的物质。增塑剂的加入可使聚合物大分子链之间的距离增大，减小分子间的相互作用力，分子间相对运动容易，有利于链段运动，宏观表现为聚合物的硬度、模量、维卡软化温度和脆化温度下降，而断裂伸长率和柔韧性提高。

为了改善有机玻璃的加工性能和使用性能，本文研究了增塑剂的加入对有机玻璃热变形温度、热松弛及冲击强度等性能的影响。

1 试验部分

1.1 性能测试

（1）热变形温度按GB/T 1634.2—2004 《塑料 负荷变形温度的测定》测试［1］，试验设备为RV-300DW型维卡热变形试验机，试样尺寸见图1。

图1 热变形温度试样（厚度为10 mm）

（2）热松弛按HB 5369—1987《定向有机玻璃热松弛试验方法》测试［2］，试验设备为401A型热老化试验箱，试样尺寸见图2。

图2 热松弛试样（厚度为16 mm）

（3）冲击强度按GB/T 1043—2008 《塑料简支梁冲击性能的测定》测试［3］，试验设备为XCJ-50型冲击试验机，试样尺寸见图3。

图3 冲击强度试样

1.2 试验条件

性能测试过程中，环境温度为（23±2）℃，相对湿度为50%±5%；试样在环境温度下放置时间不少于4 h。

2 结果与讨论

2.1 增塑剂含量对有机玻璃热变形温度性能的影响

有机玻璃属于热塑性材料，在实际使用过程中，不仅要求在室温下具有良好的力学性能，而且要求在较高温度下也具有良好的力学性能［4］。因此，有机玻璃的热变形温度是其重要的性能指标之一，对确定其成型加工温度和使用温度上限非常关键。

本文选用RV-300DW型维卡热变形试验机来测定有机玻璃的热变形温度。首先测量试样中点附近的高度和宽度，精确至0.01 mm。把试样对称地放在试样支座上，高度为13 mm的一面垂直放置。将装好试样的支架放入试验机的保温槽内，保温槽内的温度与室温相同，且试样应置于液面35 mm以下。加上砝码，使试样产生的最大弯曲正应力为18.1 MPa。开动搅拌器，5 min后调节千分表，使之为零，开始以2 ℃/min的速率加热升温。当试样中点的变形量达到0.25 mm时，记录此时的温度，此温度即为该试样在相应最大弯曲正应力条件下的热变形温度。

增塑剂含量对有机玻璃热变形温度的影响见表1、图4。

表1 增塑剂含量对有机玻璃热变形温度的影响

图4 增塑剂含量对有机玻璃热变形温度的影响

试验表明，在有机玻璃中加入增塑剂会降低其热变形温度。这是因为增塑剂削弱了有机玻璃分子之间的次价键，增加了分子链的移动性，受到外力时其更容易从玻璃态转变为高弹态。

2.2 增塑剂含量对有机玻璃热松弛性能的影响

为了提高有机玻璃的综合性能，通常在聚合完成后对其进行双轴定向拉伸。热松弛是指定向有机玻璃受热后试样表面尺寸收缩的相对百分数。首先用弹簧分规和刻针在试样中心划相互垂直的刻线，再划直径为（40±1）mm的圆，用读数显微镜测量横轴和纵轴圆的直径。将试样放入鼓风干燥箱内，升温到110 ℃，恒温6 h，恒温结束后自然冷却至室温（不打开干燥箱），最后测量X轴和Y轴方向上圆的直径，按下面的公式计算有机玻璃的热松弛。

式中：R——热松弛，%；

L0——X或Y方向上加热前圆的直径，mm；

Lx——X或Y方向上加热后圆的直径，mm。

分别计算X轴和Y轴方向上的热松弛，将其平均值作为最终的测试结果。

增塑剂含量对有机玻璃热松弛的影响见表2、图5。

表2 增塑剂含量对有机玻璃热松弛的影响

图5 增塑剂含量对有机玻璃热松弛的影响

从表2和图5中可以看出，有机玻璃的热松弛随着增塑剂含量的增加而大幅增加，试样表面甚至出现翘曲。这是由于未加增塑剂的有机玻璃热变形温度为114 ℃，而鼓风干燥箱内的温度仅为110 ℃，试样基本不会变形，因此其热松弛很小，仅为1.0%，试样表面平整。随着增塑剂含量的增加，有机玻璃的热变形温度降低，在加热过程中试样发生变形，回弹收缩明显，热松弛大幅增加。

2.3 增塑剂含量对有机玻璃冲击强度的影响

冲击试验是用来评价材料在高速载荷状态下的韧性或对断裂的抵抗能力的试验。冲击强度是有机玻璃一项重要的力学性能指标，它反映了有机玻璃抵抗高速冲击而致破坏的能力［5］。

有机玻璃的冲击试验采用简支梁型，试样选用无缺口冲击试样。首先测量试样中部的宽度和厚度，精确至0.02 mm。由于试样厚度小于10 mm，因此需要在支撑块后加上垫片，使试样中部与摆锤的垂直线接触。根据试样破坏时所需的能量选择相应的摆锤，使消耗的能量在摆锤总能量的10%～85%范围内。调节能量度盘指针零点，使它在摆锤处于起始位置时与主动指针接触。抬起并锁住摆锤，把试样按规定放置在两支撑块上，试样支撑面紧贴在支撑块上，将冲击刀刃对准试样中心进行冲击。试样断裂时单位面积所消耗的冲击功即冲击强度，以kJ/m2来表示。

增塑剂含量对有机玻璃冲击强度的影响见表3、图6。

表3 增塑剂含量对有机玻璃冲击强度的影响

图6 增塑剂含量对有机玻璃冲击强度的影响

试验表明，增塑剂的加入提高了有机玻璃的冲击强度；当增塑剂含量为1～2份时，有机玻璃的冲击强度增幅较大；当增塑剂含量超过2份时，有机玻璃的冲击强度增幅较小。

3 结论

增塑剂的加入，降低了有机玻璃的热变形温度，增大了有机玻璃热松弛，小幅提高了有机玻璃的冲击强度。因此，通过添加增塑剂来对有机玻璃进行改性时，其用量不宜过多，建议用量为1～2份。

目前, 国内外科学工作者在不断努力, 通过多种方式来对有机玻璃进行改性，努力研发高性能有机玻璃，从而在一些高端领域打破国外产品的垄断，也为企业带来更高的经济效益。