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聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate），簡稱PMMA)，是一種高分子聚合物，又稱作亞克力或有機(jī)玻璃，其化學(xué)式為(C5O2H8)n，具有高透明度，低價(jià)格，易于機(jī)械加工等優(yōu)點(diǎn)。

PMMA在聚合過程中，通過引發(fā)劑的催化，甲基丙烯酸甲酯單體中的雙鍵發(fā)生聚合反應(yīng)，形成高分子鏈結(jié)構(gòu)。這種聚合物的制備過程相對簡單，且可以通過不同的合成方法來調(diào)控其分子量和結(jié)構(gòu)，以滿足不同用途的需求。其研究歷史可以追溯到1901年。

PMMA是平常經(jīng)常使用的玻璃替代材料，被廣泛應(yīng)用于制備透明材料、醫(yī)療器械、建筑材料和工藝品等領(lǐng)域。2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的致癌物清單初步整理參考，聚甲基丙烯酸甲酯在3類致癌物清單中。[1]PMMA的碎屑或粉末進(jìn)入眼睛可能會(huì)導(dǎo)致眼部刺激、疼痛，嚴(yán)重時(shí)可能損傷角膜。若不慎接觸，應(yīng)立即用大量清水沖洗，并及時(shí)就醫(yī)。

化學(xué)結(jié)構(gòu)

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常重要，因?yàn)樗苯佑绊懥似湮锢砗突瘜W(xué)性能。PMMA是由甲基丙烯酸甲酯（MMA）單體通過自由基聚合反應(yīng)形成的高分子材料。

基本單體

甲基丙烯酸甲酯（MMA，C?H?O?）是PMMA的基礎(chǔ)單體，該分子包含一個(gè)丙烯基（CH?=），該雙鍵連接到一個(gè)酯基（–C(O)OCH?）上，這個(gè)酯基包括一個(gè)甲基（–CH?）作為側(cè)基，并且?guī)в幸粋€(gè)酯基團(tuán)（–C=O和–OCH?）。

聚合過程

PMMA是通過自由基聚合反應(yīng)將甲基丙烯酸甲酯（MMA）單體連接成聚合物的。在聚合過程中，MMA單體的雙鍵會(huì)發(fā)生開鍵反應(yīng)，形成長鏈高分子。在外部引發(fā)劑（例如過氧化物）或熱的作用下，MMA的雙鍵斷裂，生成自由基。自由基會(huì)攻擊其他MMA單體分子的雙鍵，引發(fā)聚合反應(yīng)。一旦自由基形成，新的單體不斷地接入鏈中，形成長鏈聚合物。聚合反應(yīng)Zui終停止，可能通過兩條鏈的碰撞、消耗引發(fā)劑等途徑終止，形成Zui終的PMMA聚合物。

分子鏈特性

PMMA分子鏈上的每個(gè)重復(fù)單元都有一個(gè)甲基（–CH?）側(cè)基，這使得PMMA具有一定的非極性特性。甲基的存在也增強(qiáng)了PMMA的化學(xué)穩(wěn)定性，并幫助提高材料的耐紫外線性能。PMMA的分子量可以通過調(diào)節(jié)聚合過程來控制，分子量的大小直接影響PMMA的機(jī)械性能和溶解性。

性質(zhì)

物理性質(zhì)

溶解性：可以溶解于、苯、、二氯乙烷、和等有機(jī)溶劑。

耐熱性：熱變形溫度80℃，彎曲強(qiáng)度110Mpa。密度1.15g/cm3，變形溫度76-116 ℃，成型收縮率0.2-0.8%。線膨脹系數(shù)0.00005-0.00009/℃，熱變形溫度68-69℃（74-107℃）。

密度：PMMA的密度比玻璃低：PMMA的密度大約在1.15g/cm3，是玻璃（2.40-2.80g/cm3）的一半、金屬鋁（屬于輕金屬）的43%。這與其分子結(jié)構(gòu)中的較大碳鏈和較小氫原子有關(guān)。低密度有助于降低制品的重量，使其在要求輕量化的應(yīng)用中更具競爭力。

機(jī)械強(qiáng)度：PMMA的機(jī)械強(qiáng)度較高：PMMA的相對分子質(zhì)量大約為200萬，是長鏈的高分子聚合物，而且形成分子的鏈很柔軟，因此，PMMA的強(qiáng)度比較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高7～18倍。有一種經(jīng)過加熱和拉伸處理過的PMMA有機(jī)玻璃，其中的分子鏈段排列得非常有次序，使材料的韌性有顯著提高。用釘子釘進(jìn)這種有機(jī)玻璃，即使釘子穿透了，也不產(chǎn)生裂紋。這種有機(jī)玻璃被子彈擊穿后同樣不會(huì)破成碎片。因此，拉伸處理的PMMA可用作防彈玻璃，也用作飛機(jī)上的座艙蓋。[2]

熔點(diǎn)：PMMA的熔點(diǎn)較低，比玻璃約1000度的高溫低很多。[2]

光學(xué)性能：PMMA的出色透明性與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，其分子鏈結(jié)構(gòu)有利于光的透過。PMMA在紫外光和可見光范圍內(nèi)的透明度很高，使其在光學(xué)應(yīng)用中成為shouxuan材料。[3]PMMA的折射率較高，與光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和制造密切相關(guān)。其光學(xué)性能可以通過控制制備條件和添加物進(jìn)行調(diào)控，以滿足不同光學(xué)應(yīng)用的要求。

可見光：PMMA是優(yōu)良的高分子透明材料，透光率達(dá)到92%，比玻璃的透光度高。[3]

紫外光：石英能完全透過紫外線，但價(jià)格高昂，普通玻璃只能透過0.6%的紫外線。PMMA能有效濾除波長小于300nm的紫外光，但300nm至400nm之間濾除效果較差。部分制造商在PMMA表面進(jìn)行鍍膜，以增加其濾除300nm至400nm紫外光的效果和性質(zhì)。另一方面，在照射紫外光的狀況下，與聚碳酸酯相比，PMMA具有更佳的穩(wěn)定性

紅外線：PMMA允許小于2800nm波長的紅外線(IR)通過。更長波長的IR，小于25,000nm時(shí)，基本上可被阻擋。存在特殊的有色PMMA，可以讓特定波長IR透過，同時(shí)阻擋可見光（應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制或熱感應(yīng)等）。[3]

PMMA的玻璃轉(zhuǎn)化溫度為大約105°C。

黏度：由于其較大的支鏈，聚甲基丙烯酸甲酯的黏度較高[4]，因此在使用熱加工方法時(shí)加工速度比較慢，有機(jī)玻璃不但能用車床進(jìn)行切削，鉆床進(jìn)行鉆孔，而且能用、氯仿等粘結(jié)成各種形狀的器具，也能用吹塑、注射、擠出等塑料成型的方法加工成大到飛機(jī)座艙蓋，小到假牙和牙托等形形色色的制品。

化學(xué)性質(zhì)

化學(xué)穩(wěn)定性：PMMA在一般化學(xué)條件下相對穩(wěn)定，對酸堿和溶劑具有較好的抵抗性。但需要注意，在某些有機(jī)溶劑中，特別是含有酮和醚的溶劑中，PMMA可能發(fā)生溶解。[5]

熱穩(wěn)定性

熔點(diǎn)與玻璃化溫度：PMMA的玻璃化溫度（Tg）大約在105°C左右。低于該溫度，PMMA表現(xiàn)為玻璃態(tài)，具有較高的剛性；而超過該溫度時(shí)，PMMA變?yōu)閺椥暂^強(qiáng)的橡膠態(tài)。熔點(diǎn)通常高于160°C，但PMMA的熱變形溫度（HDT）較低，一般在95–105°C之間。[6]

熱降解：PMMA具有較高的熱穩(wěn)定性，能夠在較高溫度下保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。然而，當(dāng)溫度過高（>250°C）時(shí)，PMMA會(huì)開始分解，釋放出甲烯、二氧化碳等有害氣體。這個(gè)過程通常伴隨著材料表面變色、裂紋和性能下降。

熱膨脹：PMMA的熱膨脹系數(shù)較大，這意味著在溫度變化時(shí)，PMMA會(huì)出現(xiàn)較明顯的體積變化。因此，在一些高溫環(huán)境下應(yīng)用時(shí)，需要考慮到材料的熱膨脹問題。

可燃性：在有氧的情況下，PMMA在458°C開始燃燒，燃燒后生成二氧化碳、水、一氧化碳及包括甲醛在內(nèi)的一些低分子化合物。

發(fā)現(xiàn)和發(fā)展

發(fā)現(xiàn)

PMMAZui早是由德國化學(xué)家奧托·羅姆林在1901年進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中首次合成的。他使用甲基丙烯酸甲酯作為單體，通過聚合過程得到了聚甲基丙烯酸甲酯。然而，當(dāng)時(shí)的合成過程對于大規(guī)模制備并不實(shí)際。

應(yīng)用研究

在1928年，英國化學(xué)家羅萬·喬治（RowlandHill）對聚甲基丙烯酸甲酯進(jìn)行了深入的研究，特別是對其透明性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。他注意到PMMA具有與玻璃相似的透明性，但密度更低，為之后的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

商業(yè)化

1933年，德國公司Rohm andHaas首次成功商業(yè)化制備PMMA，并推出了商用品牌"Plexiglas"。該產(chǎn)品在當(dāng)時(shí)的市場上引起轟動(dòng)，成為透明塑料的一種重要替代品。在二戰(zhàn)期間，PMMA廣泛用于制造飛機(jī)的透明罩，用于替代玻璃。這是因?yàn)镻MMA不僅輕便，而且在飛行員和觀察員的視線范圍內(nèi)提供了優(yōu)越的透明性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對PMMA的制備工藝和性能進(jìn)行了不斷的改進(jìn)。在20世紀(jì)后半葉，PMMA的生產(chǎn)技術(shù)逐漸成熟，其物理、光學(xué)和機(jī)械性能得到了進(jìn)一步提高。近年來，科學(xué)家們繼續(xù)對PMMA進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，以滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿牟粩嗵岣叩男枨?。改進(jìn)的合成方法、新型共聚物和添加劑的引入，使得PMMA在現(xiàn)代材料科學(xué)中仍然扮演著重要的角色。

PMMA變體和衍生物

共聚PMMA

PMMA與苯乙烯共聚物（PS-PMMA）

苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯通過自由基聚合反應(yīng)共聚。這種共聚物結(jié)合了PMMA和苯乙烯的優(yōu)點(diǎn)，兼具較高的透明度、抗沖擊性、耐熱性和剛性。它的應(yīng)用包括高性能的透明塑料件、汽車部件和包裝材料。[7]

PMMA與丁二烯共聚物（PMMA-Polybutadiene）

通過甲基丙烯酸甲酯與丁二烯單體的共聚反應(yīng)，得到PMMA-丁二烯共聚物。這種共聚物在增加沖擊韌性的同時(shí)，保持了PMMA的透明性和耐候性，特別適用于需要韌性和透明度的應(yīng)用[8]。常見于汽車外部件、建筑材料和高韌性透明塑料制品。

PMMA與甲基丙烯酸乙酯共聚物（PMMA-EthylMethacrylate）

在PMMA中加入甲基丙烯酸乙酯，通過自由基聚合反應(yīng)得到共聚物。這種共聚物提高了PMMA的低溫沖擊強(qiáng)度、柔韌性和加工性。

PMMA改性衍生物

PMMA納米復(fù)合材料（PMMANanocomposites）

通過在PMMA中引入無機(jī)納米顆粒（如納米二氧化硅、納米黏土、納米碳管等），形成PMMA納米復(fù)合材料。這種材料具有改善的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、電學(xué)性能以及阻隔性能。納米填料的加入通?？梢蕴嵘齈MMA的強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性和抗紫外線能力[9]。

PMMA光學(xué)涂層

在PMMA表面涂覆一層特殊的光學(xué)涂層（如抗反射涂層、抗紫外線涂層等），以增強(qiáng)其光學(xué)性能[10]。通過涂層處理，PMMA的光學(xué)透過率、抗紫外線能力、抗刮擦性等得到提高。這使得PMMA材料在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。

PMMA光纖（PMMA OpticalFiber）

使用PMMA作為光纖的核心材料，通過熔融拉伸或溶液法制成光纖。PMMA光纖具有較低的折射率和較好的光學(xué)傳輸性能，適用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸。PMMA光纖通常較便宜，易于加工。

PMMA交聯(lián)材料（CrosslinkedPMMA）

通過引入交聯(lián)劑，如二甲基過氧化物或紫外線交聯(lián)，使PMMA在聚合過程中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。交聯(lián)后的PMMA具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和更低的溶解性，同時(shí)提升了材料的硬度和耐磨性。

制備方法

本體聚合

在不加溶劑或稀釋劑的情況下，僅由單體本身在引發(fā)劑或光、熱、輻射等作用下進(jìn)行的聚合反應(yīng)。對于甲基丙烯酸甲酯（MMA）的本體聚合，引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體分子形成單體自由基，然后單體自由基不斷與其他單體分子加成，使鏈增長，Zui后發(fā)生鏈終止反應(yīng)形成聚甲基丙烯酸甲酯。該方法制備出的產(chǎn)品純度高、透明度好，可直接制成各種形狀的制品，但是聚合反應(yīng)過程中散熱困難，容易出現(xiàn)局部過熱，聚合反應(yīng)速率不易控制。

懸浮聚合

將不溶于水的單體以小液滴的形式懸浮在水中，在引發(fā)劑的作用下進(jìn)行聚合反應(yīng)。在 MMA的懸浮聚合中，單體 MMA在攪拌作用下分散成小液滴，懸浮于含有分散劑的水相中，引發(fā)劑溶解在單體液滴內(nèi)，引發(fā)單體聚合。該方法反應(yīng)溫度容易控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，且后處理簡單，但是產(chǎn)品中可能殘留少量分散劑，影響產(chǎn)品的透明度和電性能，而且生產(chǎn)過程中需要使用大量的水，會(huì)產(chǎn)生一定的廢水處理問題。

乳液聚合

在乳化劑的作用下，將單體分散在水相中形成乳液，然后在引發(fā)劑的作用下進(jìn)行聚合反應(yīng)。在MMA的乳液聚合中，乳化劑分子在水相中形成膠束，單體溶解在膠束中，引發(fā)劑在水相中分解產(chǎn)生自由基，自由基進(jìn)入膠束引發(fā)單體聚合。該方案聚合反應(yīng)速率快，反應(yīng)溫度容易控制，產(chǎn)品粒徑小、分散性好，但是過程較為復(fù)雜。

應(yīng)用領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

人工晶體

PMMAZuizhuming的醫(yī)用應(yīng)用之一是在眼科領(lǐng)域，尤其是在人工晶體的制造中。人工晶體（IOL，IntraocularLens）是用于白內(nèi)障手術(shù)后替代天然晶狀體的植入物。PMMA人工晶體通常采用透光性極高的PMMA材料，并且具有生物相容性，能夠長期留在眼內(nèi)而不產(chǎn)生不良反應(yīng)。

優(yōu)點(diǎn)：

高透明性：PMMA的透光率非常高，接近92%，適合用于眼內(nèi)鏡片。

生物相容性：PMMA的生物相容性良好，與人體組織親和，不容易引起免疫反應(yīng)。

化學(xué)穩(wěn)定性：PMMA不容易受到眼內(nèi)環(huán)境（如鹽水、酸性或堿性體液等）的腐蝕，因此能長時(shí)間維持其物理和化學(xué)性能。

可塑性：PMMA能夠通過精密加工技術(shù)，如激光刻蝕、模壓等，制造出細(xì)致、符合需求的人工晶體。

牙科應(yīng)用

PMMA在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用同樣十分重要，主要用于制造假牙、牙冠、牙橋等。[11-12]

牙科修復(fù)材料：PMMA是常見的牙科修復(fù)材料，尤其是用于制作臨時(shí)牙冠和牙橋。它能夠快速成型、透明度較好且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

臨時(shí)修復(fù)：PMMA常用于制作臨時(shí)假牙或臨時(shí)牙冠，因?yàn)樗子诩庸?，且具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，可以在患者等待yongjiu修復(fù)時(shí)使用。

長期應(yīng)用：PMMA還可以與其他材料復(fù)合（如陶瓷材料），用作長期植入的牙齒修復(fù)材料，具有較好的生物相容性。

優(yōu)點(diǎn)：

良好的透明性：與天然牙齒的色澤和透明性相近，因此在外觀上能夠做到比較自然。

較低的成本：相比其他牙科修復(fù)材料，PMMA的成本較低，因此常被用于臨時(shí)修復(fù)。

加工性強(qiáng)：PMMA易于加工，可以快速根據(jù)患者的需求進(jìn)行定制。

骨科假體

骨水泥：PMMA經(jīng)常用于人工關(guān)節(jié)置換和脊椎手術(shù)中作為固定材料。[13]它通過液態(tài)與粉末形式的兩組分混合后，形成一種強(qiáng)力的粘結(jié)劑，用于將人工關(guān)節(jié)或假體牢固地固定到骨骼中。PMMA具有良好的粘附性和強(qiáng)度，能夠有效增強(qiáng)假體與骨骼之間的結(jié)合。

優(yōu)點(diǎn)：

高強(qiáng)度：固化后的PMMA具有較高的壓縮強(qiáng)度，能夠承受關(guān)節(jié)部位的負(fù)載。

快速固化：PMMA的固化過程較快，手術(shù)中能減少時(shí)間，提升效率。

良好的生物相容性：PMMA材料不會(huì)引起明顯的免疫反應(yīng)，因此能與骨組織兼容。

可塑性：PMMA可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同類型的骨折或假體。

關(guān)節(jié)假體：PMMA有時(shí)也被用作人工關(guān)節(jié)中的一部分，尤其是在較早的關(guān)節(jié)置換中。

PMMA可以用于制造關(guān)節(jié)假體的插片或作為復(fù)合材料的一部分，雖然現(xiàn)代關(guān)節(jié)假體更多地采用鈦合金或其他金屬材料，但PMMA仍有一定的應(yīng)用空間。

建筑與裝飾

基于PMMA的有機(jī)玻璃壓克力（亞克力）在建筑業(yè)中的應(yīng)用在建筑方面[14]，有機(jī)玻璃壓克力（亞克力）主要應(yīng)用于建筑采光體、透明屋頂、棚頂、電話亭、樓梯和房間墻壁護(hù)板等方面；還可以用作衛(wèi)生潔具方面有浴缸、洗臉盆、化妝臺(tái)等產(chǎn)品，市場前景十分廣闊[15]。

建筑幕墻和窗戶：PMMA常用于建筑物的幕墻和窗戶系統(tǒng)，尤其是在需要大面積采光或者要求輕質(zhì)的場合。PMMA可以制造出比普通玻璃輕的透明板材，且耐候性強(qiáng)，不易變黃。

天窗和屋頂：PMMA板材廣泛用于天窗、屋頂及采光窗的制作，能夠有效提供自然采光，同時(shí)耐候性好，不易受紫外線影響而老化。

廣告牌和指示牌：PMMA具有良好的透明性和優(yōu)異的光透過性，常用于制作廣告板、指示牌和標(biāo)牌，尤其是戶外廣告和交通標(biāo)志。

汽車工業(yè)

PMMA常用于汽車前燈、尾燈和轉(zhuǎn)向燈罩的制造[16-17]。其高透明性和良好的抗紫外線能力使得PMMA成為理想的材料，能夠承受長時(shí)間暴露在陽光下而不老化。PMMA還可以用于制造汽車儀表盤的透明覆蓋板，它不僅能夠提供清晰的視覺效果，還具有較強(qiáng)的抗刮擦能力。在一些輕型車和概念車中，PMMA被用作車窗和擋風(fēng)玻璃的替代材料，因?yàn)樗闹亓勘绕胀úＡлp，能夠有效減少車體的總重量。這主要取決于PMMA的高透光率、良好的耐紫外線性能、youxiu的抗沖擊性和耐刮擦性。

家電與電子產(chǎn)品

PMMA常用于電視顯示面板的制造，尤其是在液晶顯示器（LCD）中，用作光學(xué)面板、背光板等部件。同時(shí)也用于LED燈罩和燈具外殼，因其高透明性、抗紫外線性能和較強(qiáng)的抗沖擊性，能夠延長燈具的使用壽命。PMMA也常用于家電產(chǎn)品（如冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等）的外殼制造，因其優(yōu)異的外觀效果和較高的耐用性。

PMMA具有質(zhì)輕、價(jià)廉，易于成型等優(yōu)點(diǎn)。溶于有機(jī)溶劑如苯甲醚等，可以形成良好的薄膜和良好的介電性能，可以作為有機(jī)場效應(yīng)管的介質(zhì)層。

安全事項(xiàng)

運(yùn)輸

裝卸過程中要輕拿輕放，避免產(chǎn)品與其他物體發(fā)生碰撞和摩擦。特別是對于易碎的 PMMA制品，更要格外小心，防止因碰撞而導(dǎo)致產(chǎn)品破裂或損壞。如果使用敞篷運(yùn)輸工具，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，如覆蓋篷布等，以防止產(chǎn)品受到雨淋、日曬和風(fēng)吹。

儲(chǔ)存

PMMA的儲(chǔ)存溫度應(yīng)控制在適宜的范圍內(nèi)，過高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品變軟、變形，而過低的溫度則可能會(huì)使產(chǎn)品變脆、易碎。對于顆粒狀產(chǎn)品，應(yīng)存放在干燥、通風(fēng)的倉庫內(nèi)，并保持包裝密封完好。