制玻璃最基本的原料是石英(砂子)、石灰石、碳酸钠或碳酸钾,玻璃内部的基本结构单元是硅氧四面体。虽然,目前的玻璃品种已发展了许多,例如石英玻璃、泡沫玻璃、变色玻璃、吸热玻璃、光学玻璃、微晶玻璃、易熔玻璃、导电玻璃、仪器玻璃等,但它们都是无机化合物,尽管都具有自己独特的优点,但是,却存在着一个共同的缺点——一摔就破。
有机玻璃就是在这样的条件下闯进来的,它是高分子透明材料。顾名思义,有机玻璃和无机玻璃属于不同类的化合物,是一类有机高分子化合物。
高分子透明材料的特点是透光度高,相对密度小(比无机玻璃轻得多),绝缘性能良好,具有一定的强度和韧性(不像无机玻璃那样容易破碎),加工成型工艺比较简单,可以制成各种透明的板、管、棒材,以及各种物罩、器皿、光学镜片、透明模型等。它的缺点是使用温度低,表面硬度小,不耐磨损,在受到较大的应力或在某种有机溶剂作用时会产生微裂纹,这种微裂纹在光线照耀下闪烁着银光,故称银纹。严重的银纹会影响材料的透明度。另外,高分子透明材料在长期使用中,由于受到紫外线和湿热环境的影响,会发生降解反应,使表面发黄。
有机玻璃是通俗名称,这种高分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯,化学式是:1927年德国罗姆-哈斯公司的化学家在两块玻璃板之间将丙烯酸酯加热聚合时,生成了粘性橡胶状夹层,可用做防破碎的安全玻璃。当他们用同样的方法浇铸和使甲基丙烯酸甲酯聚合时,得到了透明度很好与其他性能也良好的有机玻璃板,即聚甲基丙烯酸甲酯,它是最重要的丙烯酸酯聚合物产品。1931年以后,罗姆—哈斯公司建厂投产,而且在1936年首先在飞机工业上应用,取代了赛璐珞塑料(是由硝酸纤维素制成的一种透明塑料)板,用做飞机座舱罩等。
有机玻璃的生产方法有三种工艺:(1)浇铸本体聚合法(此法应用最广)。将甲基丙烯酸甲酯单体和引发剂(如过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈等)以及增塑剂(如苯二甲酸二丁酯等)混合均匀后,先加热预聚,制得的浆液浇铸在一定厚度的无机玻璃模型内,在风速一定的循环空气烘房内,于40℃左右聚合至胶体状态,再于95℃~110℃下进行高温聚合,最后降低至室温,脱模后即得有机玻璃产品。
(2)乳液聚合法。甲基丙烯酸甲酯单体在水中进行乳液聚合,采用非离子型乳化剂,引发剂为水溶性的过硫酸钾或过硫酸铵,聚合物可用注射成型和挤出成型加工。此法经济,工艺简单。
(3)悬浮聚合法。甲基丙烯酸甲酯单体被分散在水介质中,在搅拌下加热聚合,制得直径为0.1~1.0毫米的珠状体聚合物,再用注射成型和挤出成型加工。此法可降低成本,节省大量平板无机玻璃做模型。
如果在生产有机玻璃时加入各种染色剂,就可聚合成彩色有机玻璃;如果加入荧光剂(如硫化锌),可聚合成荧光有机玻璃;如果加入珍珠粉(如碱式碳酸铅),则可制得珠光有机玻璃。
有机玻璃的特点是:(1)高度透明性。它是目前最优的高分子透明材料,透光率达到92%,比无机玻璃还高。太阳灯上的灯管是用石英做的,这是因为石英能完全透过紫外线,而普通无机玻璃只能透过0.6%,但有机玻璃却能透过73%。
(2)机械强度高。有机玻璃的式量大约为200万,是长支链的线型高分子化合物,存在柔软的大分子链段。因此,有机玻璃的强度比较高,它的抗拉强度可达600~750千克/厘米2,冲击强度可达12~13千克/厘米2,比无机玻璃高7~18倍。有机玻璃的分子链本来是无规则排列的,若将它加热到玻璃化温度之上,并从两个方向或多个方向拉伸到一定程度,使结构中各个分子链沿拉伸方向排列成有序状态,就制成了取向聚甲基丙烯酸甲酯(或称拉伸的丙烯酸酯塑料)。其冲击强度和抗银纹性都可提高1.5倍,显著地改善了韧性,用钉子穿透时不产生裂纹,被子弹击穿后不会破成碎片,可做防弹玻璃。因此,现今的军用飞机都用拉伸过的取向聚甲基丙烯酸甲酯做座舱盖。
(3)重量轻。有机玻璃的比重为1.18,同样大小的材料,其重量只有无机玻璃的一半、金属铝(属于轻金属)的43%。
(4)易于加工。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、氯仿等溶剂粘接成各种器具,也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型方法制成大到飞机座舱盖,小到假牙、牙托等形形式式的制品。
有机玻璃具有以上优点,使它的用途也极为广泛。除了在飞机上用做座舱盖、风挡、舷窗外,也用于吉普车风挡,大型建筑和住宅的天窗(可以防破碎),电视的屏幕,仪器和设备的防护罩,电讯仪表的外壳。光学镜片还可用于望远镜和照相机。
有机玻璃的日用品也是琳琅满目的,如用珠光有机玻璃制成的纽扣,还有各种玩具、灯具也都因为有了彩色有机玻璃的装饰作用,使它们增添了特色。
有机玻璃在医学上还有一个绝妙的用处,就是制造人工角膜。如果人眼的透明角膜长满了不透明物质,光线就不能进入眼内,这就是全角膜白斑病引起的失明,这种病无法用药物治疗。医学家没想用人工角膜代替长满白斑的角膜。所谓人工角膜,就是用一种透明的物质做成一个直径只有几毫米的镜柱,然后在人眼的角膜上钻一个小孔,把镜柱固定在角膜上,光线通过镜柱进入眼内,人眼就能重见光明。早在1771年,就有眼科医生用光学玻璃做成镜柱,植入角膜,但并未成功。后来,用水晶代替光学玻璃,也只用了半年就失效了。在第二次世界大战中,有些飞行员的飞机失事,飞机上用有机玻璃做的座舱盖炸碎时,他们的眼睛里嵌入了有机玻璃碎片,虽然许多年以后,这些碎片并未被取出,但也并未进一步引起人眼发生炎症或其他不良反应。这个偶然的发现说明有机玻璃和人体组织有良好的相容性,同时它又启示了眼科医生,采用有机玻璃制造人工角膜,它的透光性好,化学性质稳定,对人体无毒,容易加工成所需形状,能与人眼长期相容。现在,这种人工角膜已经普遍用于临床。