Polimetil metakrilat (PMMA), komercialno znan kotakril, predstavlja enega najpomembnejših razvojnih dosežkov sintetičnih polimerov dvajsetega stoletja. Ta prozorna termoplastika, ki je bila prvič sintetizirana leta 1928 in komercialno predstavljena s strani Röhm & Haas AG pod blagovno znamko pleksi steklo leta 1933, je bistveno spremenila specifikacije materialov v proizvodnji, gradnji, medicinskih napravah in optičnem inženirstvu. Zmes dosega 92-odstotno prepustnost svetlobe-, kar dejansko presega standardno silikatno steklo-, medtem ko ohranja približno polovico manjšo težo in izkazuje približno sedemnajstkrat večjo odpornost na udarce kot njegovi stekleni primerki.
Da bi razumeli, kaj je akril, je treba preučiti njegovo molekularno arhitekturo. Material izhaja iz monomerov metil metakrilata s postopki polimerizacije, ki tvorijo razširjene verige PMMA, ki dajejo značilno prosojnost in mehanske lastnosti, ki jih cenijo inženirji. Sama kemijska oznaka -poli(metil 2-metilpropenoat) po nomenklaturi IUPAC odraža to polimerno strukturo. Strokovnjaki v industriji se pogosto srečujejo s tem materialom pod različnimi trgovskimi imeni: Lucite, Perspex, Acrylite, Plexiglas. Ista kemija, drugačna blagovna znamka.
Molekularna struktura in sintezne poti
Proizvodnja MMA običajno poteka po postopku aceton cianohidrin-aceton v kombinaciji z vodikovim cianohidrinom daje aceton cianohidrin, ki nato reagira z žveplovo kislino in proizvede metakrilamid sulfat. Z nadaljnjo obdelavo nastane monomer metil metakrilata. Novejši proizvodni pristopi uporabljajo surovine izobutilen ali etilen, kar zmanjšuje petrokemično intenzivnost, ki je bila v preteklosti značilna za proizvodnjo PMMA.
Sam mehanizem polimerizacije se izkaže za poučnega za razumevanje lastnosti akrila. Polimerizacija prostih- radikalov se začne, ko peroksidni katalizatorji ustvarijo reaktivne vrste, ki sprožijo širjenje verige. Nadzor temperature med to eksotermno reakcijo določa končno optično čistost-pospeševanje procesa uvaja mehurčke, notranje napetosti in motnost. Proizvajalci litega akrila so se te lekcije večkrat naučili med zgodnjimi proizvodnimi serijami.
Cast Versus Extruded: Manufacturing Divide
Tukaj so pomembne specifikacije. Cell-lit akril vključuje vlivanje sirupa MMA med plošče iz kaljenega stekla, zapiranje kalupa s prožnimi tesnili, nato utrjevanje sklopa v nadzorovanih vodnih kopeli ali pečicah pri temperaturah med 40 in 80 stopinjami. Postopna polimerizacija proizvaja plošče z vrhunsko porazdelitvijo molekulske mase in optičnimi lastnostmi, ki zahtevajo vrhunsko ceno.
Ekstrudirani akril je cenejši. Peletiziran PMMA se dovaja v ogrevane sode, se zmehča v staljeno stanje, nato pa potisne skozi matrice na koledarske zvitke, ki določajo končno debelino. Ekonomika neprekinjene proizvodnje je naklonjena-velikim količinam uporabe, čeprav se mehanske značilnosti merljivo razlikujejo od litega materiala. Postopek iztiskanja uvaja usmerjene napetosti-proizvajalci to opazijo, ko rezkanje ali lasersko rezanje povzroči različne kakovosti robov, odvisno od orientacije reza glede na smer iztiskanja.
Natezna trdnost pove del zgodbe. Liti akril doseže približno 10.000 psi, ekstrudiran nekoliko manj. Kemična odpornost daje prednost litemu materialu-topila, čistilna sredstva, lepila, vsi medsebojno delujejo različno, odvisno od metode izdelave. Proizvajalci napisov, ki izbirajo substrat za osvetljene zaslone, na splošno določijo ulitek, ko proračun to dopušča. Čistejši rezkarji, zmanjšana toplotna občutljivost med izdelavo in vrhunska optična jasnost upravičujejo premijo pri stroških pri projektih, kjer je končni videz pomemben.
Toda ekstrudirano ima svoje mesto. Aplikacije za toplotno oblikovanje imajo pogosto raje nižjo temperaturo mehčanja-okoli 195 stopinj F v primerjavi z višjim pragom za litje-, ki poenostavlja postopke vakuumskega oblikovanja. Trgovine z okvirji, ki naročajo pločevino za osnovne zaslonske aplikacije, le redko potrebujejo lito-material.
Optične in mehanske lastnosti
To 92-odstotno prepustnost svetlobe si zasluži poudarek. Standardno float steklo prepušča približno 90 %, medtem ko nekatera posebna optična stekla dosegajo 91 %. Akril v bistvu izgine, ko je pravilno poliran-, kar je značilno, da oblikovalci akvarijev in proizvajalci muzejskih razstav v veliki meri izkoriščajo. Indeks loma materiala (1,49) se zelo ujema z običajnimi optičnimi zahtevami brez zmanjšanja teže, ki jo povzroča steklo.
Gostota je 1,17–1,20 g/cm³, kar je približno polovica gostote steklenih sestav, ki se običajno gibljejo med 2,2–2,5 g/cm³. Ta prednost teže se poveča pri velikih napravah. Arhitekt, ki določi akrilno zasteklitev za atrijsko streho, bistveno spremeni izračune strukturne obremenitve v primerjavi z alternativami iz stekla.
Učinkovitost udarca si zasluži natančno specifikacijo. PMMA izkazuje približno 10{2}}17-krat večjo odpornost stekla na udarce, čeprav se material sčasoma zlomi pod zadostno obremenitvijo-in razpade na kose z razmeroma pustimi robovi in ne na nevarne drobce, značilne za žarjeno steklo. Ta vzorec obnašanja je spodbudil zgodnjo uporabo v nadstreških letal med drugo svetovno vojno. Piloti, ki so bili poškodovani zaradi drobljenja akrila, so okrevali bistveno bolje kot tisti, ki so bili poškodovani zaradi običajnih steklenih komponent.
Vremensko vedenje
Zunanja vzdržljivost razlikuje akril od konkurenčne prozorne plastike. Pravilno oblikovani razredi PMMA ohranjajo optično čistost s podaljšano izpostavljenostjo UV brez porumenelosti, ki pesti polikarbonatne instalacije. Industrijske študije dokumentirajo stopnje razgradnje pod 3 % v deset-letni izpostavljenosti na prostem-, kar pojasnjuje prevlado materiala pri oznakah, zasteklitvi rastlinjakov in arhitekturnih aplikacijah, kjer dolgoživost upravičuje začetno naložbo v material.
Delo z materialom
Proizvajalci cenijo relativno obdelovalnost akrila. Standardna oprema za obdelavo lesa opravi večino operacij-namizne žage, rezkalniki, vrtalne stiskalnice, vse delujejo učinkovito z ustreznim orodjem in hitrostjo podajanja. Posebni akrilni rezkalniki in svedri zmanjšajo drobljenje robov. Počasnejši pomiki zmanjšajo toploto zaradi trenja, ki lahko stopi in ponovno-zvari odrezane površine.
Lasersko rezanje je spremenilo ekonomiko izdelave akrila. Material reže čisto pod energijo laserja CO2, pri čemer ustvari polirane robove neposredno med postopkom rezanja. Liti akril se še posebej dobro odziva-plamen-polirani videz tekmuje z ročno končno obdelavo z le delčkom stroškov dela. Proizvajalci napisov, ki so izkoristili lasersko tehnologijo, so preusmerili celotne poslovne modele okoli te zmogljivosti.
Lepljenje s topilom ostaja prednostna metoda spajanja. Lepila na osnovi-metilenklorida zmehčajo spojne površine, kar omogoča medsebojno difuzijo polimernih verig, ki ustvarja spoje, ki so potencialno močnejši od osnovnega materiala. Tehnika zahteva natančno prileganje-up-vrzeli se ne zapolnijo kot nanosi gradbenega lepila. Pravilno izvedeni zvari s topilom postanejo skoraj nevidni, kar je pomembna prednost pri izdelavi zaslonov, kjer vidnost pritrdilnih elementov ogroža estetski namen.
Termoformiranje odpira dodatne možnosti oblikovanja. Ogrevane akrilne plošče se nanesejo na kalupe pod vakuumom ali pritiskom, ob predpostavki, da so zapletene tri{1}}dimenzionalne geometrije, ki jih ni mogoče doseči z ravno-izdelovanjem surovin. Proizvajalci kopalnih kadi, oblikovalci notranjosti letal in proizvajalci--nakupnih vitrin vsi izkoriščajo to sposobnost oblikovanja.
Vprašanje polikarbonata
Specifikatorji nenehno razpravljajo o izbiri akrila proti polikarbonatu. Primerjava ni enostavna.
Polikarbonat je dramatično boljši- glede odpornosti na udarce. Če akril doseže 10-17-kratno trdnost stekla, polikarbonat doseže približno 250-kratno trdnost. Neprebojna zasteklitev, ščiti proti nemirom, specifikacije zaščitne opreme so iz tega razloga naklonjeni polikarbonatu. Material se raje upogne kot razbije, pri čemer absorbira udarno energijo z deformacijo in ne z zlomom.
Akrilni pulti z odpornostjo na praske in UV stabilnostjo. Polikarbonat se zlahka opraska-mehkoba površine, ki omogoča absorpcijo udarcev, ogroža odpornost proti obrabi. Polikarbonatne instalacije na prostem zahtevajo UV-zaščitne premaze, da se prepreči porumenelost, ki se pokaže v nekaj letih izpostavljenosti soncu. Akril se sam po sebi spopada z obema izzivoma.
Cena daje prednost akrilu. Polikarbonat običajno zahteva 35 % več kot primerljivi akrilni razredi. Za aplikacije, kjer optična jasnost in odpornost na vremenske vplive prevladata nad zahtevami nad ekstremnimi udarci, ekonomski argument podpira specifikacijo akrila.
Prepustnost svetlobe: akril pri 92 % proti polikarbonatu pri 88 %. Razlika se zdi nepomembna, dokler je ne pregledamo v zahtevnih optičnih aplikacijah. Krožno polarizirani svetlobni sistemi-ki so pogosti v-hitrih{5}}bralnikih črtne kode in optičnih instrumentih-zahtevajo amorfno strukturo litega akrila. Ekstrudirani materiali povzročajo dvolomnost, ki nesprejemljivo poslabša kakovost optičnega signala.
Kjer gre akril za delo
Področje uporabe je izjemno raznoliko. Avtomobilska razsvetljava predstavlja velik obseg-leč žarometov, pokrovov zadnjih luči, komponent armaturne plošče, ki običajno določajo razrede PMMA, optimizirane za optično zmogljivost in zahteve glede udarca. Material je v teh aplikacijah pred desetletji nadomestil steklo.
Gradnja in arhitektura se močno zanašata na akrilno zasteklitev. Strešna okna, okna, zvočne pregrade, okrasne plošče-kombinacija majhne teže, odpornosti na udarce in prilagodljivosti oblikovanja ustreza aplikacijam, kjer omejitve stekla omejujejo možnosti. Muzejske vitrine običajno uporabljajo akril za zaščito dragocenih artefaktov, hkrati pa ohranjajo vizualno preglednost, ki pritegne obiskovalce.
Medicinske aplikacije izkoriščajo biokompatibilnost PMMA. Intraokularne leče bolnikom s katarakto povrnejo vid. Zobna protetika-baze protez, umetni zobje-se v veliki meri zanašajo na akrilno kemijo. Kombinacijo mehanskih lastnosti, sposobnosti obdelave in biološke tolerance materiala je težko ponoviti z alternativami.
Izdelava akvarijev prikazuje optični in strukturni potencial akrila. Velike instalacije-javni akvariji, ki prikazujejo morsko okolje-uporabljajo debele akrilne plošče, ki lahko prenesejo velik hidrostatični pritisk, hkrati pa ohranjajo jasnost, ki jo obiskovalci pričakujejo. Glavno razgledno okno akvarija Monterey Bay ponazarja to aplikacijo in prikazuje, kaj dosegajo pravilno zasnovani akrilni sistemi.
Proizvodnja elektronike uporablja PMMA na zaslonih, zaščitnih pokrovih in optičnih komponentah. Industrija napisov-osvetljenih zaslonov, kanalskih črk,-na-nakupnih napeljav-letno porabi precejšnjo količino akrila. Umetniki so medij odkrili pred desetletji; sama akrilna barva vsebuje PMMA, suspendiran v-emulziji na osnovi vode.
Zgodba za materialom
Doktorska disertacija Otta Röhma iz leta 1901 o polimerizaciji akrilne kisline je zasadila semena, ki so trideset let pozneje obrodila sadove. Nemški kemik je sprva sledil drugim aplikacijam-encimska obdelava usnja, kemija detergentov-preden se je v poznih dvajsetih letih prejšnjega stoletja vrnil k akrilnim spojinam. V sodelovanju s sodelavcem Ottom Haasom je Röhmova ekipa najprej razvila Luglas, laminirano varnostno steklo, ki vključuje akrilne vmesne plasti.
Do preboja je prišlo delno po naključju. Vzorec monomera metil metakrilata, shranjen v bližini okna, obsijanega s soncem, se je spontano polimeriziral in uničil svojo posodo, vendar je razkril togo, prozorno trdno snov z izjemnimi optičnimi lastnostmi. Sledili so kontrolirani poskusi. Do leta 1933 je Röhm registriral blagovno znamko pleksi stekla. Material je prejel veliko nagrado na svetovni razstavi v Parizu leta 1937.
Vzporedni razvoj je potekal v Veliki Britaniji, kjer so kemiki Imperial Chemical Industries odkrili isti material in ga tržili kot Perspex. Samostojno delo je prispeval ameriški kemik William Conn. Množica sočasnih odkritij kaže, da je pojav PMMA odraz širšega napredka v kemiji polimerov in ne posebnega inventivnega genija-, čeprav si Röhm zasluži veliko zaslug za komercialni razvoj.
Druga svetovna vojna je dramatično pospešila sprejetje. Tako zavezniške sile kot sile osi so določile akril za zasteklitev-vetrobranskih stekel, nadstreškov, ohišij topovskih kupol. Podmorniški periskopi so vključili material. Izkazane varnostne prednosti v primerjavi s stekleno utrjenimi vojaškimi specifikacijami, ki so obstajale še dolgo po koncu sovražnosti. Civilne uporabe so hitro sledile po vojni, saj so proizvajalci, ki so imeli proizvodne zmogljivosti v času vojne, iskali trge v miru.
Poštena ocena omejitev
Noben material ne ustreza vsem aplikacijam. Akril se lažje opraska kot steklo-polimerna površina nima trdote, ki jo dosegajo mineralni silikati. Premazi,-odporni na praske, delno odpravijo to omejitev, čeprav se prevlečene površine sčasoma obrabijo v abrazivnih pogojih. Muzeji, ki razstavljajo zelo-prometne eksponate, zaradi tega pogosto navedejo steklo kljub kaznim glede teže.
Toplotna ekspanzija znatno presega steklo. Oblikovalci se morajo prilagoditi dimenzijskim spremembam v različnih temperaturnih območjih, da preprečijo upogibanje plošč ali obremenitev okvirja. Namestitev zasteklitve zahteva ustrezno oddaljenost od robov in ustrezne tesnilne materiale.
Obnašanje ob požaru zahteva pozornost. PMMA se vname pri približno 460 stopinjah in gori s sproščanjem ogljikovega dioksida, ogljikovega monoksida in različnih nizko{2}}molekularnih-spojin, vključno s formaldehidom. Gradbeni predpisi omejujejo uporabo akrila v določenih klasifikacijah zasedenosti in zahtevajo ustrezne protipožarne-ukrepe, kjer specifikacije dovoljujejo material.
Kemijska združljivost je različna. Številna topila napadajo PMMA-čiščenje z neustreznimi sredstvi povzroči razpoke, motnost ali strukturno oslabitev. Specifikatorji morajo preveriti kemično odpornost glede na pričakovane pogoje izpostavljenosti.
Premisleki glede trajnosti
Petrokemični izvor odpira upravičena vprašanja o trajnosti. Sintezna pot aceton cianohidrina porablja fosilne-surovine in povzroča skrbi za okolje v celotni proizvodni verigi. Odziv industrije je bil osredotočen na dve smeri: razvoj bio-osnovanih predhodnikov MMA in izboljšanje možnosti recikliranja.
PMMA učinkovito reciklira-polimer je mogoče s termično obdelavo depolimerizirati nazaj v monomer MMA, nato pa ponovno polimerizirati v prvoten-kakovosten material. Ta potencial zaprte{3}}zanke razlikuje akril od številnih konkurenčnih polimerov, kjer recikliranje neizogibno poslabša lastnosti materiala. Več proizvajalcev zdaj ponuja razrede, ki vključujejo reciklirano vsebino, s čimer obravnavajo zahteve krožnega gospodarstva, ki jih vedno bolj postavljajo okoljsko-ozaveščeni kupci.
Nedavna uvedba PLEXIGLAS proTerra s strani Röhm GmbH ponazarja industrijsko usmeritev-trajnostno proizvedenih akrilnih razredov, ki privabljajo tržno pozornost specifikacij, ki usklajujejo zahteve glede učinkovitosti in ocene vplivov na okolje.
Končna perspektiva
Razumeti, kaj je akril, navsezadnje pomeni ceniti material, ki je spremenil proizvodne možnosti v več panogah. Vprašanje "kaj je akril?" vabi k tehničnim odgovorom o kemiji polimerov, vendar praktično razumevanje zahteva prepoznavanje značilnosti učinkovitosti,-specifičnih za aplikacijo, ki določajo odločitve glede specifikacij.
Devet desetletij od komercialne uvedbe se PMMA še naprej razvija. Nove formulacije obravnavajo nastajajoče zahteve-izboljšane stopnje udarnosti, izboljšano požarno učinkovitost, bio-alternative. Temeljna kemija, ki jo je Otto Röhm raziskoval v svojem laboratoriju zgodnjega dvajsetega -stoletja, ostaja pomembna, izpopolnjena z nenehnimi raziskavami in razvojem, ki se odzivajo na spreminjajoče se zahteve trga.
Izbira materiala vedno vključuje kompromise. Akril ponuja izjemno optično jasnost, razumno odpornost na udarce, odlično odpornost na vremenske vplive in vsestranskost izdelave po zmerni ceni. Za aplikacije, ki zahtevajo ekstremne udarne lastnosti, je lahko naveden polikarbonat. Tisti, ki potrebujejo največjo odpornost proti praskam, bodo morda dali prednost steklu. Toda za izjemen nabor aplikacij, ki uravnotežijo te konkurenčne zahteve, akril zagotavlja zmogljivost, ki upravičuje njegovo široko razširjeno specifikacijo v industrijskih, arhitekturnih, medicinskih in potrošniških aplikacijah po vsem svetu.