Polimetil metakrilat (PMMA), komercijalno poznat kaoakril, predstavlja jedan od najznačajnijih razvoja sintetskih polimera u dvadesetom stoljeću. Prvi put sintetiziran 1928., a komercijalno predstavljen od strane Röhm & Haas AG pod zaštitnim znakom pleksiglasa 1933., ovaj prozirni termoplast iz temelja je promijenio specifikacije materijala u proizvodnji, konstrukciji, medicinskim uređajima i optičkom inženjerstvu. Smjesa postiže propusnost svjetlosti od 92%-što je brojka koja zapravo premašuje standardno silikatno staklo-zadržavši približno upola manju težinu i pokazujući otpornost na udarce otprilike sedamnaest puta veću od svojih staklenih parnjaka.
Razumijevanje što je akril zahtijeva ispitivanje njegove molekularne arhitekture. Materijal se dobiva iz monomera metil metakrilata kroz procese polimerizacije, tvoreći proširene PMMA lance koji daju karakterističnu prozirnost i mehanička svojstva koja inženjeri cijene. Sama kemijska oznaka -poli(metil 2-metilpropenoat) prema IUPAC nomenklaturi odražava ovu polimernu strukturu. Stručnjaci u industriji često se susreću s ovim materijalom pod različitim trgovačkim imenima: Lucite, Perspex, Acrylite, Plexiglas. Ista kemija, drugačiji brend.
Molekularna struktura i putevi sinteze
Proizvodnja MMA obično slijedi postupak aceton cijanohidrina-aceton u kombinaciji s cijanovodikom daje aceton cijanohidrin, koji zatim reagira sa sumpornom kiselinom da bi proizveo metakrilamid sulfat. Daljnjom preradom nastaje monomer metil metakrilata. Noviji pristupi proizvodnji koriste izobutilen ili etilen kao sirovinu, smanjujući petrokemijski intenzitet koji je povijesno karakterizirao proizvodnju PMMA.
Sam mehanizam polimerizacije pokazao se poučnim za razumijevanje svojstava akrila. Polimerizacija slobodnih-radikala započinje kada peroksidni katalizatori generiraju reaktivne vrste koje pokreću širenje lanca. Kontrola temperature tijekom ove egzotermne reakcije određuje konačnu optičku jasnoću-požurivanje procesa unosi mjehuriće, unutarnje naprezanje i zamagljenost. Proizvođači lijevanog akrila učili su ovu lekciju više puta tijekom ranih proizvodnih serija.
Lijevano nasuprot ekstrudiranom: podjela u proizvodnji
Ovdje su bitne specifikacije. Ćel-lijevani akril uključuje izlijevanje MMA sirupa između ploča od kaljenog stakla, brtvljenje kalupa fleksibilnim brtvama, zatim stvrdnjavanje sklopa u kontroliranim vodenim kupkama ili pećnicama na temperaturama između 40-80 stupnjeva. Postupna polimerizacija proizvodi listove s vrhunskom distribucijom molekularne težine i optičkim svojstvima koja zahtijevaju vrhunsku cijenu.
Ekstrudirani akril je jeftiniji. Peletizirani PMMA ulazi u zagrijane bačve, omekšava do rastaljenog stanja, zatim prolazi kroz kalupe na kalendarske valjke koji određuju konačnu debljinu. Ekonomika kontinuirane proizvodnje favorizira-velike količine, iako se mehaničke karakteristike mjerljivo razlikuju od lijevanog materijala. Proces ekstruzije uvodi usmjerena naprezanja-proizvođači to primjećuju kada usmjeravanje ili lasersko rezanje proizvodi različite kvalitete rubova ovisno o orijentaciji reza u odnosu na smjer ekstruzije.
Vlačna čvrstoća govori dio priče. Lijevani akril postiže približno 10 000 psi, ekstrudirani nešto manje. Kemijska otpornost pogoduje lijevanom materijalu-otapala, sredstva za čišćenje, ljepila međusobno djeluju različito ovisno o metodi proizvodnje. Proizvođači znakova koji odabiru supstrat za osvijetljene zaslone općenito određuju lijevano kad proračun to dopušta. Čistiji rezovi glodalom, smanjena toplinska osjetljivost tijekom izrade i vrhunska optička jasnoća opravdavaju premiju troškova na projektima gdje je konačni izgled bitan.
Ali ekstrudirano ima svoje mjesto. Primjene termoformiranja često preferiraju nižu temperaturu omekšavanja-oko 195 stupnjeva F u odnosu na viši prag lijevanja-što pojednostavljuje operacije vakuumskog oblikovanja. Prodavaonice okvira koje naručuju listove za osnovne zaslonske aplikacije rijetko trebaju lijevani-materijal.
Optičke i mehaničke karakteristike
Ta brojka od 92% prijenosa svjetlosti zaslužuje naglasak. Standardno float staklo propušta približno 90%, dok neka specijalna optička stakla dosežu 91%. Akril u biti nestaje kada se pravilno polira-što je karakteristično za dizajnere akvarija i proizvođače muzejskih izložaka. Indeks loma materijala (1,49) u potpunosti odgovara uobičajenim optičkim zahtjevima bez gubitka težine koji nameće staklo.
Gustoća se kreće od 1,17-1,20 g/cm³, otprilike upola manje od staklenih sastava koji se obično kreću od 2,2-2,5 g/cm³. Ova prednost težine pridonosi velikim instalacijama. Arhitekt koji specificira akrilno ostakljenje za krov atrija iz temelja mijenja izračune strukturnog opterećenja u usporedbi s alternativama od stakla.
Izvedba udarca zaslužuje pažljivu specifikaciju. PMMA pokazuje otprilike 10-17 puta veću otpornost stakla na udarce, iako se materijal na kraju lomi pod dovoljnim opterećenjem-raspadajući se u komade relativno tupih rubova, a ne opasne krhotine karakteristične za žareno staklo. Ovaj obrazac ponašanja potaknuo je rano usvajanje kupola zrakoplova tijekom Drugog svjetskog rata. Piloti ozlijeđeni fragmentiranjem akrila oporavljali su se znatno bolje od onih ozlijeđenih konvencionalnim staklenim komponentama.
Ponašanje prema vremenskim uvjetima
Izdržljivost na otvorenom razlikuje akril od konkurentske prozirne plastike. Ispravno formulirane vrste PMMA održavaju optičku čistoću kroz produženu UV izloženost bez žutila koje muči polikarbonatne instalacije. Industrijske studije dokumentiraju stope degradacije ispod 3% tijekom deset-godišnjih izlaganja-na otvorenom, objašnjavajući dominaciju materijala u znakovima, staklenicima i arhitektonskim primjenama gdje dugovječnost opravdava početno ulaganje materijala.
Rad s materijalom
Proizvođači cijene relativnu obradivost akrila. Standardna oprema za obradu drva obavlja većinu operacija-stolne pile, glodalice, bušilice, sve funkcioniraju učinkovito s odgovarajućim alatima i brzinama dodavanja. Posebna akrilna glodala i svrdla minimiziraju pucanje rubova. Sporije pomicanje smanjuje toplinu uslijed trenja koja može otopiti i ponovno -zavariti rezane površine.
Lasersko rezanje promijenilo je ekonomičnost proizvodnje akrila. Materijal reže čisto pod energijom CO2 lasera, proizvodeći polirane rubove izravno u procesu rezanja. Lijevani akril posebno dobro reagira-plamen-polirani izgled konkurira ručnoj završnoj obradi uz djelić cijene rada. Proizvođači znakova koji koriste lasersku tehnologiju promijenili su čitave poslovne modele oko ove mogućnosti.
Vezanje otapalom ostaje poželjna metoda spajanja. Ljepila na bazi-metilen klorida omekšavaju spojene površine, dopuštajući međudifuziju lanaca polimera koja stvara spojeve potencijalno jače od osnovnog materijala. Tehnika zahtijeva precizno namještanje-up-praznine se ne popunjavaju kao aplikacije građevinskog ljepila. Pravilno izvedeni zavari otapalom postaju gotovo nevidljivi, što je značajna prednost za izradu zaslona gdje vidljivost pričvršćivača ugrožava estetsku namjeru.
Termoformiranje otvara dodatne mogućnosti dizajna. Zagrijane akrilne ploče prevlače se preko kalupa pod vakuumom ili pritiskom, pretpostavljajući složene tro-dimenzionalne geometrije koje je nemoguće postići izradom ravnih-zaliha. Proizvođači kada za kupanje, dizajneri interijera zrakoplova i proizvođači--kupnih izloga iskorištavaju ovu sposobnost oblikovanja.
Pitanje polikarbonata
Specifikatori neprestano raspravljaju o odabiru akrila naspram polikarbonata. Usporedba nije jednostavna.
Polikarbonat je dramatično bolji-u otpornosti na udarce. Dok akril postiže 10-17 puta veću čvrstoću od stakla, polikarbonat doseže približno 250 puta. Staklo otporno na metke, štitovi protiv nereda, specifikacije zaštitne opreme daju prednost polikarbonatu iz tog razloga. Materijal se savija, a ne lomi, apsorbirajući energiju udarca deformacijom, a ne lomom.
Akrilni pultovi otporni na ogrebotine i UV postojanost. Polikarbonat se lako grebe-mekoća površine koja omogućuje apsorpciju udaraca ugrožava otpornost na abraziju. Vanjske instalacije od polikarbonata zahtijevaju UV-zaštitne premaze kako bi se spriječilo požutjelo degradiranje koje se manifestira unutar nekoliko godina izlaganja suncu. Akril se sam po sebi nosi s oba izazova.
Trošak daje prednost akrilu. Polikarbonat obično ima 35% više od usporedivih vrsta akrila. Za primjene gdje optička jasnoća i otpornost na vremenske uvjete nadmašuju ekstremne zahtjeve za udarce, ekonomski argument podržava specifikaciju akrila.
Propustljivost svjetlosti: akril 92% u odnosu na polikarbonat 88%. Razlika se čini marginalnom dok se ne ispita u zahtjevnim optičkim primjenama. Cirkularno polarizirani svjetlosni sustavi-uobičajeni u vrhunskim-čitačima crtičnih kodova i optičkim instrumentima-zahtijevaju amorfnu strukturu lijevanog akrila. Ekstrudirani materijali uvode dvolom koji neprihvatljivo degradira kvalitetu optičkog signala.
Gdje akril počinje raditi
Raspon primjene obuhvaća nevjerojatnu raznolikost. Automobilska rasvjeta predstavlja znatnu količinu-leća prednjih svjetala, poklopaca stražnjih svjetala, komponenti ploče s instrumentima, sve obično specificiraju PMMA stupnjeve optimizirane za zahtjeve optičkih performansi i udara. Materijal je zamijenio staklo u ovim primjenama prije nekoliko desetljeća.
Izgradnja i arhitektura uvelike se oslanjaju na akrilno ostakljenje. Krovni prozori, prozori, zvučne barijere, ukrasne ploče-kombinacija male težine, otpornosti na udarce i fleksibilnosti dizajna odgovara primjenama gdje ograničenja stakla ograničavaju mogućnosti. Muzejske vitrine obično koriste akril za zaštitu vrijednih artefakata uz zadržavanje vizualne transparentnosti koja privlači posjetitelje.
Medicinske aplikacije iskorištavaju biokompatibilnost PMMA. Intraokularne leće vraćaju vid pacijentima s kataraktom. Zubna protetika-baze proteza, umjetni zubi-uvelike se oslanjaju na akrilnu kemiju. Kombinaciju mehaničkih svojstava, mogućnosti obrade i biološke tolerancije materijala teško je ponoviti s alternativama.
Izrada akvarija pokazuje optički i strukturni potencijal akrila. Velike instalacije-javni akvariji koji prikazuju morsko okruženje-koriste debele akrilne ploče koje mogu izdržati znatan hidrostatski pritisak, a istovremeno održavaju jasnoću koju posjetitelji očekuju. Glavni prozor za gledanje akvarija Monterey Bay predstavlja primjer ove primjene, pokazujući što postižu ispravno projektirani akrilni sustavi.
Proizvodnja elektronike koristi PMMA na zaslonima, zaštitnim poklopcima i optičkim komponentama. Industrija natpisa-osvijetljeni zasloni, slova kanala,--oprema za-kupnju-troše značajnu količinu akrila godišnje. Umjetnici su otkrili medij prije desetljeća; sama akrilna boja sadrži PMMA suspendiran u-emulziji na bazi vode.
Priča iza materijala
Doktorska disertacija Otta Röhma iz 1901. o polimerizaciji akrilne kiseline posadila je sjeme koje je urodilo plodom trideset godina kasnije. Njemački kemičar u početku je težio drugim primjenama-enzimska obrada kože, kemija deterdženata-prije nego što se vratio akrilnim spojevima u kasnim 1920-ima. Radeći sa suradnikom Ottom Haasom, Röhmov tim prvi je razvio Luglas, laminirano sigurnosno staklo koje uključuje akrilne međuslojeve.
Proboj je došao dijelom slučajno. Uzorak monomera metil metakrilata pohranjen u blizini suncem obasjanog prozora spontano se polimerizirao, uništavajući svoj spremnik, ali otkrivajući krutu, prozirnu krutinu s izvanrednim optičkim svojstvima. Uslijedili su kontrolirani pokusi. Do 1933. Röhm je registrirao zaštitni znak pleksiglasa. Materijal je osvojio Grand Prix na Svjetskom sajmu u Parizu 1937. godine.
Paralelni razvoj dogodio se u Britaniji, gdje su kemičari iz Imperial Chemical Industries otkrili isti materijal, reklamirajući ga kao Perspex. Američki kemičar William Conn pridonio je samostalnim radom. Mnoštvo istodobnih otkrića sugerira da je pojava PMMA-a odražavala širi napredak u kemiji polimera, a ne jedinstveni inventivni genij-iako Röhm zaslužuje značajne zasluge za komercijalni razvoj.
Drugi svjetski rat dramatično je ubrzao usvajanje. I savezničke i sile Osovine odredile su akril za zastakljivanje zrakoplova-vjetrobrana, nadstrešnica, kućišta kupola. Podmornički periskopi ugradili su materijal. Pokazane sigurnosne prednosti u odnosu na staklo cementirane vojne specifikacije koje su postojale dugo nakon završetka neprijateljstava. Civilne primjene brzo su uslijedile nakon rata, jer su proizvođači koji su posjedovali ratne proizvodne kapacitete tražili mirnodopska tržišta.
Iskrena procjena ograničenja
Nijedan materijal ne odgovara svim primjenama. Akril grebe lakše od stakla-polimernoj površini nedostaje tvrdoća koju postižu mineralni silikati. Premazi otporni-na ogrebotine djelomično rješavaju ovo ograničenje, iako se premazane površine naposljetku troše pod abrazivnim uvjetima. Muzeji koji izlažu -izloške kojima se dosta trguje često navode staklo iz tog razloga unatoč kaznama težine.
Toplinska ekspanzija znatno premašuje staklo. Dizajneri se moraju prilagoditi promjenama dimenzija u rasponu temperatura kako bi spriječili izvijanje panela ili naprezanje okvira. Instalacije ostakljenja zahtijevaju odgovarajući razmak od rubova i odgovarajuće materijale za brtvljenje.
Ponašanje u požaru zahtijeva pozornost. PMMA se pali na približno 460 stupnjeva i gori uz oslobađanje ugljičnog dioksida, ugljičnog monoksida i raznih spojeva male -molekularne- težine uključujući formaldehid. Građevinski propisi ograničavaju upotrebu akrila u određenim klasifikacijama zauzetosti i zahtijevaju odgovarajuće mjere zaštite-od požara tamo gdje specifikacije dopuštaju materijal.
Kemijska kompatibilnost varira. Mnoga otapala napadaju PMMA-čišćenje neodgovarajućim sredstvima uzrokuje pucanje, zamućenje ili strukturno slabljenje. Specifikatori moraju potvrditi kemijsku otpornost prema predviđenim uvjetima izloženosti.
Razmatranja održivosti
Petrokemijsko podrijetlo postavlja opravdana pitanja održivosti. Put sinteze aceton cijanohidrina troši fosilno-izvedene sirovine i stvara zabrinutost za okoliš kroz proizvodni lanac. Odgovor industrije usmjeren je na dva smjera: razvoj bio-prekursora MMA-a i poboljšanje mogućnosti recikliranja.
PMMA učinkovito reciklira-polimer se može depolimerizirati natrag u MMA monomer termičkom obradom, a zatim ponovno polimerizirati u materijal-kvalitete. Ovaj potencijal zatvorene -petlje razlikuje akril od mnogih konkurentskih polimera kod kojih recikliranje neizbježno degradira svojstva materijala. Nekoliko proizvođača sada nudi stupnjeve koji uključuju reciklirani sadržaj, rješavajući zahtjeve kružnog gospodarstva koje sve više postavljaju ekološki-osviješteni kupci.
Nedavno predstavljanje PLEXIGLAS proTerra od strane Röhm GmbH-a primjer je industrijskog smjera-održivo proizvedenih akrilnih razreda koji izazivaju pažnju tržišta od strane specifikacija balansirajući zahtjeve performansi i procjene utjecaja na okoliš.
Konačna perspektiva
Razumijevanje što je akril u konačnici znači cijeniti materijal koji je transformirao proizvodne mogućnosti u više industrija. Pitanje "što je akril?" poziva na tehničke odgovore o kemiji polimera, ali praktično razumijevanje zahtijeva prepoznavanje-specifičnih karakteristika izvedbe koje određuju odluke o specifikacijama.
Devet desetljeća od komercijalnog predstavljanja, PMMA se nastavlja razvijati. Nove formulacije rješavaju nove zahtjeve-poboljšane ocjene utjecaja, poboljšane performanse protiv požara, bio-izvedene alternative. Fundamentalna kemija koju je Otto Röhm istraživao u svom laboratoriju s početka dvadesetog-stoljeća ostaje relevantna, pročišćena stalnim istraživanjem i razvojem koji odgovara na promjenjive zahtjeve tržišta.
Izbor materijala uvijek uključuje kompromise. Akril nudi iznimnu optičku jasnoću, razumnu otpornost na udarce, izvrsnu otpornost na vremenske uvjete i svestranost izrade uz umjerenu cijenu. Prijave koje zahtijevaju ekstremne udarne performanse mogu specificirati polikarbonat. Oni koji zahtijevaju maksimalnu otpornost na ogrebotine mogli bi dati prednost staklu. Ali za izvanredan raspon primjena uravnotežujući ove konkurentske zahtjeve, akril pruža performanse koje opravdavaju njegove široko rasprostranjene specifikacije u industrijskim, arhitektonskim, medicinskim i potrošačkim aplikacijama diljem svijeta.