Кое-что об органическом стекле

Предисловие

В отличие от анекдотов моему рассказу требуется предисловие. В одном из альманахов "Сделай сам" аж за 1993 год кто-то из читателей просил поделиться опытом работы с цветным органическим стеклом. Я решил помочь ему и начал писать статью на эту тему. Но тут началась перестроечная чехарда, цены на периодику полезли вверх, и пришлось объявить "рекламную паузу", которая затянулась до 1998 года. Практически все журналы выписывать перестал, так как "Боливар не выдержит двоих", но с альманахом "Сделай сам" не расстался. Рекламную паузу прервал А. Нестеров, который в "Сделай сам" №2 за 1998 год обратился к читателям с тем же вопросом об оргстекле. Будучи верным и постоянным почитателем альманаха твердо знаю, что в альманахе эта тема не освещалась, если не считать статьи Н. Коноплевой в номере 6 за 1994 год "Новые роли старых термопластов", где об оргстекле сказано лишь вскользь. Если редакция альманаха сочтет возможным напечатать мою статью, я надеюсь, она попадется на глаза А. Нестерову.

В этой статье я хочу поделиться со всеми заинтересованными читателями небольшим опытом своей работы с этим необычайно полезным, интересным и благодарным материалом - органическим стеклом. Но прежде, чем говорить о нем конкретно, я хочу вскользь коснуться истории искусственных пластических масс, одним из представителей которых является органическое стекло.

Я не специалист-химик по пластмассам, поэтому статья моя не научный реферат. Я любитель, и хочу в силу своих возможностей поведать об этом замечательном материале в совсем ненаучном ключе, чтобы дать неискушенным читателям хотя бы элементарные понятия о материале, с которым мы собираемся работать.

Итак, пластмассы окружают нас повсюду. Недаром 20-й век называют веком искусственных пластмасс.

Что же представляют из себя пластмассы, или пластические массы, или пластики? Как объясняет "Политехнический словарь", пластмассы - это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формироваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять приданную форму. Теперь разберемся, что такое полимеры. В том же "Политехническом словаре" читаем, что полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно или нерегулярно повторяющихся звеньев одного или нескольких типов. К природным полимерам относятся: натуральный каучук, гуттаперча, природные смолы (например, янтарь), целлюлоза и др.

Первые искусственные полимеры были получены в первой половине 19-го века. Самым известным из них стала резина - продукт вулканизации каучука. Напомним, что вулканизация - технологический процесс резинового производства, при котором пластичный "сырой" каучук превращают в резину, нагревая его с элементарной серой до 140...160°С. Затем, увеличив количество серы (до 30...50 % в расчете на массу каучука), обычную (мягкую) резину превратили в резину твердую, то есть эбонит. Далее появились пластмассы на основе целлюлозы, а точнее пластики на основе белков, например, галалит, который производят на основе технического казеина. Замечу, что многие пластмассы были получены случайно, так как молекулярная химия находилась в те времена еще в стадии зарождения.

В начале второй половины 20-го века в связи с активным развитием органической и молекулярной химии новые искусственные пластмассы стали появляться, как грибы после дождя. Конечно, процесс промышленного производства пластмасс довольно сложен, и чтобы разобраться в нем требуются глубокие и всесторонние знания в области химии. Нам это не особенно нужно, но чтобы не утонуть в химическом вареве и не путаться в химической терминологии, я позволю себе напомнить, что означают те или иные химические понятия. Что такое пластмассы и полимеры, мы уже разобрались раньше. Теперь добавим, что полимеры образуются из низкомолекулярных веществ (мономеров), молекулы которых способны вступать в реакцию (полимеризацию или поликонденсацию) друг с другом или с молекулами других веществ. Не думаю, что подобные пояснения окажутся достаточными, чтобы неспециалисту разобраться во всех этих мономерах и полимерах. Но все-таки...

Отметим еще только, что названия многих пластмасс начинаются с "поли", например, полиэтилен, полиуретан, полистирол. Так вот, "поли..." - часть сложных слов, указывающая на множество, на разнородный состав чего-либо. Следовательно, из названия полистирола ясно, что этот пластик состоит из мономера стирола - жидкий углеводород. Я надеюсь все-таки, что химические термины после всего написанного стали чуть понятнее.

Итак, ушедший век породил множество самых разнообразных пластмасс, пришедших на замену древесине, металлу и другим традиционным материалам, запасы которых на Земле катастрофически уменьшаются.

В наше время полимеры проникли во все сферы деятельности человека. Да и как обходиться без пластмасс, если изделия из них красивы, элегантны, гигиеничны, легки, долговечны? Словом, нет нужды подробно описывать плюсы и минусы пластмасс - о них вы сами все хорошо знаете. Пора перейти к рассмотрению конкретных наиболее распространенных представителей полимеров.

Я еще раз подчеркиваю, что я не шеф-повар на кухне полимеров, но используя свои знания и, заимствуя нужную информацию из технической литературы, постараюсь набросать "портреты" некоторых наиболее часто встречающихся в нашем быту полимеров. Каждый из них имеет отличительные свойства, присущие только ему, хотя внешне некоторые полимеры настолько похожи один на другой, что трудно определить, с каким из них имеешь дело. Да и редко кто утруждает себя этим занятием. Ведь обычно считают, что пластмасса она и есть пластмасса. Какая разница... Но разница есть! И очень большая. Поэтому свою статью я в первую очередь адресую начинающим мастерам, желающим научиться работе с пластмассами, в частности, с органическим стеклом.

Портреты некоторых пластиков

Целлулоид. Эта прозрачная пластмасса на основе нитрата целлюлозы была получена скорее всего случайно. При исследовании взаимодействия хлопка с камфорой обнаружилось, что неожиданно для всех находящийся в колбе раствор с этими (и некоторыми другими) веществами превратился в твердую стеклоподобную массу. Так появилось на свет новое вещество - пластическая масса, названная впоследствии целлулоидом.

Целлулоид хорошо поддается термической и механической обработке, надежно сохраняет заданную форму в условиях окружающей среды. Он без особого труда окрашивается в разные цвета. Раньше из него делали игрушки, гребенки, оправы для очков, основу фотопленки, чертежные принадлежности и т.д. Целлулоид неплохой диэлектрик, водостоек. Растворяясь легко в ацетоне, он служит основой для нитроклеев. Главный недостаток целлулоида - "безраздельная любовь" к огню. Горит он с удовольствием, как артиллерийский порох. Правда, "порох" этот хотя и интенсивно горит, но не взрывается, как ружейный. Что очковые оправы делают до сих пор из целлулоида легко обнаружить, попробовав поджечь кусочек оправы. Если пластмасса вспыхнет, значит это целлулоид, и очковую оправу можно клеить нитроклеем. Кстати, не выбрасывайте обломки оправ, а растворяйте их в ацетоне. Ведь в результате получится нитроклей, которым удается клеить и другие материалы.

Полиэтилен. Как понятно из названия, этот пластик получают полимеризацией газа этилена при высоком давлении (полиэтилен низкой плотности), а также при среднем и низком давлении (полиэтилен высокой плотности). Твердый материал молочного цвета. Тонкие листы полиэтилена почти прозрачны. Обладает достаточной механической прочностью, стоек к действию щелочей, органических кислот, концентрированных соляной и плавиковой кислот. Однако разрушается азотной кислотой, а при температуре выше 80°С растворяется в ароматических углеводородах. Отличается высокими диэлектрическими свойствами, поэтому незаменим в производстве электроаппаратуры. Хорошо обрабатывается термическим и механическим способами. Но не пытайтесь его клеить существующими в продаже клеями - он к ним равнодушен. Зато полиэтилен хорошо сваривается. Из него делают парниковую, пищевую, упаковочную пленку, сумки, нетканные материалы (кожзаменители, линолеум). Диапазон его применения настолько широк, что лучше воздержаться от перечисления. Добавлю лишь, что из него делают медицинские шприцы, зажимы, трубки, сантехнические трубы, канистры, тару, шланги, посуду и прочее, и прочее.

Полипропилен. Данный материал получают из газа пропилена. От полиэтилена он отличается большими прочностью и термостойкостью, лучшими диэлектрическими свойствами. Используется аналогично полиэтилену.

Полистирол. Полимер, вырабатываемый из стирола (бесцветной жидкости со своеобразным запахом). Твердый прозрачный хрупкий материал. Для полистирола характерно низкое водопоглощение. Он хорошо растворяется в стироле, ароматических и хлорированных углеводородах. Стоек к действию щелочей, разрушается концентрированной азотной кислотой, а также ледяной уксусной кислотой. Легко окрашивается в различные цвета. Обладая высокой прозрачностью, широко применяется в оптике. Незаменим в производстве электротоваров и медицинской аппаратуры. Он легок, но хрупок. При введении в него газообразующих добавок превращается в пенополистирол, обладающий прекрасными термоизоляционными свойствами. Он достаточно прочен, так что из него формируется рельефная тара для хрупких изделий из стекла. Как уже говорилось, полистирол хорошо растворяется в ацетоне и дихлорэтане. Я использую это его свойство, применяя полученный раствор различной плотности как клей, шпаклевку или замазку, добавляя в них при необходимости тот или иной наполнитель (мел, песок, опилки, цемент).

Поливинилхлорид. Полимер винилхлорида - бесцветного газа с приятным эфирным запахом. Пластик белого цвета, хороший диэлектрик. Свойства композиций из поливинилхлорида зависят от способа его получения и от количества введенного в него пластификатора. Так, жесткий материал с высокими физико-механическими характеристиками (всем известный винипласт) содержит не более 10% пластификатора. Из материалов на основе поливинилхлорида делают музыкальные пластинки, корпуса радио- и телеприемников, музыкальной аппаратуры и электроприборов, диэлектрические промышленные и бытовые изделия, пленки, изоляционные ленты А также покрытия, наносимые на ткани, бумагу. К клеям полихлорвинил не питает особой склонности и не склеивается.

Полиуретан (полиуретаны). Для синтеза полиуретанов используют полиэфиры, гликоли, глицерин и другие вещества. Свойства полиуретанов зависят от их структуры, молекулярной массы и многих других причин. Так что полиуретаны могут быть и вязкими жидкостями, и достаточно жесткими пластиками. Полиуретаны применяют в виде пен, каучуков (из последних делают долговечные автопокрышки и обувные подошвы), в виде волокон. Из некоторых полиуретанов при добавлении газообразующих присадок образуются пенополиуретаны - эластичные пружинящие материалы, используемые для изготовления мягких подушек, сидений, матрацев.

Фенопласты. Так называют пластмассы на основе фенолоальдегидных смол. В чистом виде с этими смолами мы в быту не встречаемся. Но зато все знают текстолит и гетинакс - слоистые пластики, широко применяемые в радиотехнике. Текстолит состоит из нескольких слоев хлопчатобумажной ткани (миткаль, бязь и др.), пропитанных этой смолой, а в гетинаксе вместо ткани - листы бумаги. Наполнителями в фенопластах служат также шпон и древесные опилки, асбест. Детали, изготовленные из фенопластов, довольно прочны, химически стойки.

А самая знакомая для вас пластмасса - это полиамидные волокна, которые известны нам под торговыми названиями капрон, нейлон, дедерон и др. Но носки и чулки вязать мы не собираемся, поэтому перейдем к оргстеклу - полимеру, работе с которым и посвящен этот материал.

Итак, полиметилметакрилат или органическое стекло (оргстекло), или плексиглас. Этот замечательный материал представляет собой твердое стекловидное вещество с высокой прозрачностью. В обиходе его называют небьющимся стеклом. Товарное оргстекло выпускают в виде листов различной толщины и расцветки, которые вырабатывают полимеризацией мономера (метилметакрилата) в плоских формах из полированного силикатного стекла, помещенных в нагревательную камеру.

Для получения оргстекла того или иного цвета в мономер добавляют различные красители и добавки. Окраска бывает глухой и прозрачной. Так, применения в качестве красителя окиси цинка, из которой делают цинковые белила, оргстекло окрашивают в молочный цвет. Чем больше окиси, тем глуше окраска.

В отличие от силикатного стекла плексиглас при ударе не рассыпается вдрызг со звоном и тучей опасных осколков. При этом толстый лист оргстекла разбить молотком вообще весьма проблематично. При механическом воздействии плексиглас, разрушаясь, не рассыпается, а скорее сминается и трескается. При нагревании свыше 105°С оргстекло размягчается, так что легко штампуется, хорошо сохраняя рельеф штампа.

Оргстекло прекрасно поддается механической обработке (его без труда удается точить, сверлить, пилить, нарезать в нем резьбу). В нагретом состоянии его легко изгибать или скручивать. Оргстекло без проблем можно сварить, клеится оно как чистыми растворителями, так и клеями из растворов оргстекла в разных растворителях (дихлорэтане, уксусной кислоте и др.). Плексиглас - хороший диэлектрик.

Благодаря всем этим качествам оргстекло нашло широкое применение во всех сферах человеческой деятельности. Его применяют как конструкционный материал в авиа-, автомобиле- и судостроении, для остекления, для изготовления деталей приборов и инструментов. Оргстекло прекрасный материал для изделий прикладного искусства. Его способность окрашиваться во все цвета радуги с глубинной игрой и тональными переливами цвета позволяет достигать удивительных результатов при имитации драгоценных и полудрагоценных камней, фарфора, гранита, янтаря, перламутра, хрусталя и многих других минералов и керамики.

Я занимаюсь только поделками из готового оргстекла. Но если кто-то захочет дерзнуть заниматься отливкой и прессованием оргстекла, а также моделированием из него архитектурных и скульптурных изделий, я отсыпаю их к небольшой брошюрке, изданной, скорее всего, в качестве пособия для школьных мастерских. Ее название "Работа с пластическими массами". Из нее я позаимствовал кое-что для своей статьи. К сожалению, автора (или авторов) брошюры в последней я не нашел. В сносках на страницах значится лишь ее вышеприведенное название. Однако замечу, что для проведения работ, описываемых в брошюре, требуются специальные помещения с хорошей вытяжкой, так как в процессе этих работ выделяются ядовитые пары. Поэтому в домашних условиях, занимаясь поделками из листового оргстекла, я не применяю материалов и технологий, требующих специального помещения.

Обработка органического стекла

Приступая к обработке оргстекла, необходимо учесть, что этот материал больше всего боится высокой температуры и абразивной пыли.

Температура материала обычно повышается при его сварке, а также при резке и сверлении (особенно, если режущий инструмент тупой), в результате чего оргстекло начинает плавиться. Что касается абразивной пыли, то одна крупинка абразива или металла способна так "разрисовать" поверхность листа или детали, что их легче выбросить, чем восстановить качество их поверхности. Вывести следы глубоких царапин на оргстекле - дохлое дело. Проще изготовить новую вещь. Поэтому я предъявляю самые высокие требования к чистоте рабочего места и качественной заточке режущего инструмента. Зажимая заготовку в тисках, плоскогубцах, с помощью струбцин, я всегда надеваю на их губки мягкую "одежку" из картонных либо бумажных уголков или же чехлы из алюминиевой фольги. Мыть и протирать оргстекло безопаснее всего мыльным раствором с помощью тампона из ваты или фланели. Рельефные детали и изделия мою зубной щеткой или малярными кистями. Для удаления жирных налетов использую солярку, скипидар, уайтспирит, бензин. Ацетоном пользоваться не рекомендую, так как на некоторых видах оргстекла он оставляет следы, хотя само по себе оргстекло в ацетоне не растворяется.

А теперь коротко о способах обработки оргстекла, которые осуществляют обычно теми же инструментами, что применяют для обработки дерева и металла, соблюдая, понятно, соответствующие режимы сверления, резания и т. д.

Сверление. Отверстия в оргстекле формируют как сверлами по металлу, так и пёрками для дерева. Обращаться с подобными инструментами следует весьма осторожно. Хорошо заточенное сверло с острым углом при вершине может затянуть в деталь, в результате либо расколется деталь, либо сломается сверло. Подачу сверла осуществляют без особых усилий, сдержанно. Тупое сверло так разогревает оргстекло, что оно, расплавившись, начинает наматываться на сверло, в результате чего сверло часто ломается. Причем, если конец обломка не выступает над поверхностью детали, сверло уже не извлечь, не разрушив деталь. Правда, если конец обломка находится недалеко от поверхности, можно попытаться его прогреть паяльником, после чего извлечь плоскогубцами.

Если сверлить приходится на большую глубину, то лучше всего это делать с охлаждением, периодически вынимая и охлаждая сверло и заливая в отверстие воду. Иногда сверлят деталь, погрузив ее в воду, но это весьма опасное занятие, так как мастера обычно не заземляют дрель, а это чревато поражением током. И еще одно важное табу. Нельзя сверлить оргстекло насквозь, если конец сверла выходит в пустоту. Дело в том, что сверло на выходе срывается, как пес с цепи, и вполне может покалечить не только деталь, но и самого мастера. Сверлят сквозные отверстия, обязательно подложив под лист или деталь деревянную дощечку или лист резины.

Если же при обработке в листе оргстекла возникает трещина, следует с помощью пипетки смочить трещину дихлорэтаном или ледяной уксусной кислотой, причем попытаться слегка сместить стенки трещины относительно друг друга, чтобы растворитель проник в трещину. После дальнейшей полировки подобные трещины обычно не заметны. Всем известно, что при сверлении прозрачного оргстекла, стенки отверстия имеют молочный цвет. Если необходимо избавиться от этого дефекта, следует нагреть докрасна металлический полированный стержень и прогладить им отверстие изнутри. В результате стенки отверстия оплавятся и станут зеркальными, а молочный цвет исчезнет. Такое отверстие не только хорошо смотрится, но иногда становится и украшением изделия. Кстати, используя способность режущего инструмента оставлять молочный след внутри прозрачного оргстекла, мастера-умельцы создают объемные художественные композиции внутри прозрачной массы оргстекла, причем не только молочно-белые, но и цветные. Подобные композиции создаются с помощью сверл, зубоврачебных и других фрез. Дело это очень интересное и увлекательное, но я этому еще не научился. Может кто-либо другой поделится опытом объемного рисования в прозрачном оргстекле. А зубоврачебные боры подходят также для сверления мелких отверстий с помощью бормашинки, а если последней нет, то с помощью дрели. Неглубокие отверстия удается прожигать раскаленным стержнем из нержавейки, так как при нагревании на последнем не образуется окалина, и такой стержень не пачкает стенки отверстия.

Токарная обработка сродни сверлению, только при сверлении вращается инструмент (сверло), а при токарной обработке - деталь. Поэтому требования к подобной обработке те же: идеальная заточка инструмента, малая подача, то есть тонкая стружка. А вот скорости резания здесь больше, чем при сверлении. При соблюдении этих требований детали можно точить без охлаждения. Однако при шлифовке и полировке на станке необходимо следить, чтобы деталь не перегревалась. Причем лучше вести шлифовку водостойкими шлифшкурками, охлаждая деталь водой, например, мокрой тряпкой.

Распиливать оргстекло можно всеми видами пил с мелкими и хорошо разведенными зубьями. Частота вращения круглых механических пил должна быть невысокой или распиловку следует производить, охлаждая пилу водой. В противном случае, особенно при распиловке толстых листов пластика, полотно пилы разогревается и намертво схватывается оргстеклом. Тонкие листы оргстекла (до 10...12 мм) проще резать специальным резаком, сделанным из обломка ножовочного полотна по металлу. Лист пластика прорезают на небольшую глубину (иногда с обеих сторон), после чего лист по следу реза просто разламывают. То есть данная операция очень похожа на резку силикатного стекла алмазом. Идеальные резы получаются если использовалась гидрорезка, но не все имеют доступ к этой технологии. Подробнее о резке для оргстекла мы расскажем в разделе об инструментах.

Конечно, удобно и легко резать пластик по прямой, используя металлическую линейку. А как быть, если захочется вырезать из оргстекла, например, свой профиль, который весьма извилист? Я не раз пробовал вырезать кривые контуры изделия из листового пластика с помощью ручного лобзика, но результаты плачевны. Тонкие полотна моментально рвутся, едва начав пилить. От этого метода пришлось отказаться - одна морока и разорение. После некоторых проб и поисков я сделал простенький прибор с нагревающейся нихромовой нитью, которая режет оргстекло по заданному контуру, как масло. Но об этом тоже ниже.

Шлифовка и полировка. Оргстекло легко обрабатывается наждачными кругами и шкурками. Для грубой обработки заготовок из пластика годятся наждачные круги, которые периодически приходится очищать от налипшей массы пластика с помощью металлической пластинки или осколка оконного стекла. Чтобы наждак не так часто приходилось чистить и чтобы деталь не повело от нагрева, ее обрабатывают не за один заход, а прерывисто, периодически охлаждая в воде. Обычно такая операция требуется, когда нет возможности все лишнее "отсечь" пилой, напильником или раскаленной нитью из нихрома.

При шлифовке внутренних поверхностей я применяю различного диаметра деревянные или металлические стержни с наклеенными на них полосками наждачной шкурки. Для ручной обработки длинных сопрягаемых граней листов оргстекла наклеиваю на чертежную доску длинные полосы наждачной шкурки и, двигая по ним саму деталь, как рубанок, добиваюсь необходимой точности обработки. Механическую шлифовку я осуществляю картонными кругами с наклеенными на них наждачными шкурками различной зернистости. Доводку поверхностей под полировку хорошо производить с помощью подходящих кусочков оконного стекла. Хочу сказать, что после снятия стружки острой кромкой осколка стекла, поверхность детали приобретает степень чистоты обработки, близкую к полированной поверхности. Кусочки оконного стекла с участками нужной кривизны нарезаю роликовым или алмазным стеклорезом без линейки или какого-либо шаблона. Режущей кромкой этих кусочков является ребро, находящееся под следом от стеклореза. Если нет стеклореза, осколки получают, просто стукнув по стеклу первым попавшимся предметом. Но прежде наденьте защитные очки, а лист накройте тряпкой или газетой.

Полировку произвожу с помощью полировочных кругов, на которые наношу абразивную пасту. Сами полировальные круги делают из войлока, фетра, хлопчатобумажных тканей. Тонкие круги склеивают или сшивают. Обновляют круги, удаляя засаленный слой, тонкой металлической пластинкой или осколком стекла. В качестве абразивных материалов в полировальных пастах применяют алмазные порошки и окислы металлов различной зернистости. Наиболее распространенные полировальные пасты: "Крокус" на основе окислов железа, паста "ГОИ", содержащая окись хрома.

Годятся для полировки имеющиеся в продаже пасты для правки бритв, зубные пасты и порошки, применяют для этой цели и масляные краски, содержащие в качестве пигмента окислы металлов, например, хрома (зеленая краска), железа (сурик красно-оранжевого цвета) и др. Сам я пасту делаю из сухого пигмента - окиси хрома, добавляя его в расплав воска, стеарина или парафина. Из бумаги сворачиваю трубочку, чтобы в нее плотно входила винная пробка, которой я и закупориваю один конец трубочки. В консервной банке расплавляю обыкновенную свечу и насыпаю в расплав, помешивая, порошок окиси, объем которой составляет примерно 1/3 от объема расплава. Далее, не дав порошку осесть, быстро выливаю расплав в трубочку и сразу же помещаю ее в воду, чтобы побыстрее охладить. При всей быстроте заливки и охлаждения нижние слои застывшего карандаша пасты будут более насыщены пигментом с более крупным зерном. Так что, разрезав карандаш поперек, например, на три части, получим три вида пасты с абразивом разной зернистости. Хорошие, достаточно однородные брусочки пасты получаются, если расплав заливать в спичечные коробки.

Однажды, по случаю, в отделе уцененных товаров я приобрел для правки бритв пару карандашей, сделанных из белого наполнителя, похожего на мел. А после пробной полировки я вернулся в магазин и забрал все оставшиеся карандаши (всего 120 штук). "Для парикмахерской?" - улыбнулась продавщица. - "Угу", - ответил я. С тех пор я не испытываю нужду в пасте.

Кстати, добывать пасту из масляных красок совсем не сложно. Содержимое тюбика просто растворяют в керосине или бензине и дают раствору отстояться. Осевший слой промывают еще один - два раза керосином. Теперь порошок можно добавлять в расплав парафина. Если полировальный круг расположен горизонтально, то порошки просто разводят водой.

Тем, кто хочет более подробно познакомиться с абразивными материалами, их характеристикой, обозначениями и способом приготовления паст, я отсылаю к статье В. Санникова "Чем отличаются абразивы", помещенной в альманахе "Сделай сам" №2 за 1997 год.