聚甲基丙烯酸甲酯與二醋酸纖維鏡架材料性能對比

王永康 俞文驥 張梅

摘 要：本文對比研究了作為眼鏡架用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）與二醋酸纖維素（DAC）材料各性能；結果表明，PMMA性脆、沖擊性能差、反復加工性能差，與CA相比性能處于劣勢；耐酒精溶劑性能優于CA。

關鍵詞：關鍵詞：聚甲基丙烯酸甲酯；研究；討論

0 引言

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗稱有機璃或亞克力，PMMA為無定型聚合物，具有良好的表觀光澤性及后加工性能，是一種綜合性能優異的透明材料。因此被廣泛地應用于汽車、建筑、廣告、醫學、通訊、電子等領域[1-2]。近年來也被用于非金屬眼鏡架的制造。

二醋酸纖維素（CA）材料自20世紀80年代以來，作為非金屬眼鏡架主要材料，具有不過敏、不褪色、易加工、時尚靚麗、高端奢華等優點，深受廣大消費者青睞，是眼鏡架領域內經久不衰的主流產品[3-5]。

隨著眼鏡行業的發展，新材料在眼鏡架制造應用不斷興起與發展，鏡架材料在彰顯輕的同時，不能忽略其實用性，新材料要同時兼顧眼鏡的“輕巧、耐用、時尚”三元素[6]，否則也只是曇花一現。近年來，市場上出現了一種改性PMMA材料（KM93），在眼鏡行業內進行推廣，本文對比研究了PMMA材料與CA材料各項性能。

1 試驗方法

1.1 實驗原料

二醋酸纖維素膠粒，CA，四川普什醋酸纖維素有限責任公司；

改性聚甲基丙烯酸甲酯，KM93，日本可樂麗公司；

聚甲基丙烯酸甲酯，工業級，臺灣奇美實業股份有限公司；

丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯，EXL-2620，美國陶氏化學公司；

三醋酸甘油酯，工業級，江蘇立成化學有限公司。

1.2 主要設備與儀器

熔體流動速率儀，TWEL vindex，意大利Atsfaar公司；

塑料注射成型機，MA1600/540，海天塑機集團有限公司；

電子拉力試驗機，XLD-10 C，承德市金建檢測儀器有限公司；

洛氏硬度計，XHRD-150，萊州華銀實驗儀器有限公司；

擺錘沖擊試驗機，Model Impact 104，天氏歐森測試設備有限公司；

維卡軟化點溫度定儀，XRW-300A，承德市金建檢測儀器有限公司。

1.3 試樣制備

改性PMMA制備，將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）分別與3%三醋酸甘油酯GTA、8%沖擊改性劑丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯（EXL-2620）混合均勻后擠出造粒，得到改性PMMA-GTA和PMMA-EXL膠粒。

將不同規格二醋酸纖維素膠粒（CA-22、CA-26、CA-28、CA-31、CA-37），改性KM93、PMMA-GTA和PMMA-EXL分別使用注塑機注塑成相應測試標準拉伸、沖擊、彎曲樣條和圓形板材。

測試反復加工性能時，分別將膠粒使用雙螺桿擠出機再次擠出成顆粒，并將顆粒注塑成拉伸、沖擊、彎曲樣條和圓形板材，此為二次加工膠粒產品和測試樣條；將二次擠出膠粒再次擠出和注塑，得到三次加工膠粒產品和測試樣條。

1.4 性能測試

色度測試，采用測色儀，將膠粒樣品裝入測試的比色皿中壓實，用不銹鋼鋼刷刮去多余的樣品，用軟布擦拭被子外壁，將其放在測量位置，讀取YIE313數據。

力學性能測試，斷裂強度按ASTM D638進行，速度為50mm/min，彎曲模量測試標準ASTM D790，速度為1.27mm/min，缺口沖擊強度測試標準ASTM D256，熱變形溫度測試標準ASTM D648，載荷1.82MPa，洛氏硬度測試標準ASTM D785，R Scale，比重測試標準ASTM D792。

耐溶劑測試，將樣品裁成大小規格為10mm*4mm*2mm規格樣條，將樣條放置于如下溶液中：25%酒精、50%酒精、75%酒精，3.5%鹽水、食醋，測試樣品增重和觀察形變情況。

2 結果與討論

2.1 CA與KM93各項性能對比

由于CA分子鏈上大量的極性基團，分子內及分子間作用力大，進行熔融加工時難加工易分解，因此CA加工時需要加入增塑劑鄰苯二甲酸二乙酯（DEP）降低其加工溫度，避免或盡量減少加工過程中材料的分解。表1中顯示了不同增塑劑含量CA與KM93各項性能數據。對于眼鏡架板材來說，沖擊強度和彎曲模量是關鍵的指標，影響著眼鏡架在實用過程中抗沖擊及形變。沖擊強度測試表明，KM93材料脆性強，抗沖擊能力差，在不開缺口的條件下，KM93易沖斷，而CA材料在不開缺口條件下，不能沖斷，且隨著CA材料中增塑劑量的提高，沖擊強度是明顯得到提高，CA材料中增塑劑含量最低樣品CA22其缺口沖擊強度也遠遠高于KM93。彎曲模量測試結果可看出，當CA中增塑劑含量低于26%時，其彎曲模量高于KM93，隨著增塑劑含量的增加，彎曲模量有所下降，低于KM93材料。斷裂強度CA22基本與KM93相當，但隨著增塑劑含量增加CA材料斷裂強度隨之降低。材料洛氏硬度、熱變形溫度在高增塑劑含量的CA材料中低于KM93，但也滿足眼鏡架使用需求，兩者比重比較接近。表1中所有數據顯示了，提高CA增塑劑含量，可明顯降低CA材料剛性，提高韌性，而KM93材料則剛性強、偏脆，但即使在剛性最強和韌性最差的CA22韌性也是明顯高于KM93，因此KM93即PMMA材料替代CA材料在鏡架上應用，性能上還有很大的缺陷。

2.2 反復加工性能變化

PMMA材料性本脆，反復加工應會明顯降低其性能，同時由于PMMA改性中常用到三醋酸甘油酯和沖擊改性劑丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯，以下圖1中不僅對比了KM93反復加工性能，同時也測試了純PMMA分別加入3%GTA和8%EXL-2620改性產品的反復加工性能。就KM93和改性PMMA-GTA，PMMA-EXL來看，KM93彎曲模量低，沖擊強度高，說明KM93韌性比未改性PMMA明顯提高。1，2，3分別表示第一次，第二次和第三次擠出造粒產品。從圖1（a）可以看出，PMMA彎曲模量優于CA31。從圖1（b）可以看出，PMMA產品的沖擊強度明顯低于CA31。反復加工后，KM93、PMMA-GTA和PMMA-EXL彎曲模量的變化較小，沖擊強度降低明顯；CA31的沖擊強度有小幅下降，但優于PMMA系列產品，彎曲模量受反復加工影響較小。

2.3 反復加工顏色外觀變化

PMMA與CA材料相比，PMMA材料反復加工后，產品明顯變黃，如表2中所示。并且PMMA在變黃的同時，材料變得不透明，粘度下降、脆性變強，加工性能明顯下降；而CA黃變幅度小，透明性未受到明顯影響，如圖2所示。因眼鏡板材加工程序復雜，存在多次擠出和壓板等熱加工工序，其加工性能的下降或不透明情況發生，導致板材成本質量變差或者色變嚴重；其次板材邊角回料的加入對眼鏡板材質量和上色有影響，增加成本或導致各種質量問題產生。反復加工性能差，限制了PMMA在眼鏡架領域的推廣。

2.4 耐溶劑性

測試的溶劑分別是25%酒精、50%酒精、75%酒精、食用醋和3.5%食鹽水（海水鹽度），將CA注塑樣條和PMMA注塑樣條在溫度23℃環境中，分別放置在上述溶劑浸泡了72h。

兩種材料在食用醋和食鹽水中沒有變形，而在三種不同濃度的酒精中都變軟、變形，但是CA變形更加嚴重；質量變化上如表3數據所示，在食醋和鹽水中質量基本沒有變化，三種不同的酒精溶液中，KM93樣條增重0.2%，CA樣條增重1.5%。CA樣條在酒精水溶液中表現出更大的形變和更高的增重率，因為CA分子鏈上極性基團多，與溶液中強極性的酒精和水分子間作用力強，因此在耐酒精溶劑方面CA材料與PMMA材料相比處于劣勢。

3 結語

眼鏡架領域應用，PMMA和CA各有所長。CA的反復加工性和抗沖擊性優于PMMA；在眼鏡架制作過程中產生的邊角料需回收利用，以降低生產成本，CA優于PMMA；PMMA耐酒精性能優異CA。

參考文獻：

[1]陳繼新，呂潔，趙金德，胡慧林，劉哲.聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）生產工藝與設備研究概述[J].化工科技，2012，20（2）：81-84.

[2]劉繼純，李晴媛，付夢月，張玉柱，羅杰.聚甲基丙烯酸甲酯改性研究進展[J].化工新型材料，2009，37（1）：5-7.

[3]張智.醋酸纖維素改性研究[D].天津：天津科技大學，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.眼鏡架新材料的應用[J].中國眼鏡科技雜志，2014 （9）：123-125.