Polimetilmetakrilāts (PMMA), komerciāli pazīstams kāakrils, ir viens no nozīmīgākajiem sintētisko polimēru jauninājumiem divdesmitajā gadsimtā. Šo caurspīdīgo termoplastu pirmo reizi sintezēja 1928. gadā un komerciāli ieviesa Röhm & Haas AG ar Plexiglas preču zīmi 1933. gadā, un tā ir būtiski mainījusi materiālu specifikācijas ražošanā, būvniecībā, medicīnas ierīcēs un optiskajā inženierijā. Savienojums sasniedz 92% gaismas caurlaidību -kas faktiski pārsniedz standarta silikāta stiklu-, vienlaikus saglabājot aptuveni pusi no svara un demonstrējot triecienizturību, kas ir aptuveni septiņpadsmit reizes lielāka nekā tā stikla ekvivalentiem.
Lai saprastu, kas ir akrils, ir jāpārbauda tā molekulārā arhitektūra. Materiāls iegūts no metilmetakrilāta monomēriem, izmantojot polimerizācijas procesus, veidojot pagarinātas PMMA ķēdes, kas nodrošina raksturīgo caurspīdīgumu un mehāniskās īpašības, ko novērtē inženieri. Pats ķīmiskais apzīmējums -poli(metil-2-metilpropenoāts) saskaņā ar IUPAC nomenklatūru atspoguļo šo polimēra struktūru. Nozares profesionāļi bieži sastopas ar šo materiālu ar dažādiem tirdzniecības nosaukumiem: Lucite, Perspex, Acrylite, Plexiglas. Tāda pati ķīmija, cits zīmols.
Molekulārā struktūra un sintēzes ceļi
MMA ražošana parasti notiek pēc acetona ciānhidrīna procesa-acetons kopā ar ciānūdeņradi iegūst acetona ciānhidrīnu, kas pēc tam reaģē ar sērskābi, veidojot metakrilamīda sulfātu. Turpmāka apstrāde rada metilmetakrilāta monomēru. Jaunākās ražošanas pieejās tiek izmantotas izobutilēna vai etilēna izejvielas, samazinot naftas ķīmijas intensitāti, kas vēsturiski raksturo PMMA ražošanu.
Pats polimerizācijas mehānisms ir pamācošs, lai izprastu akrila īpašības. Brīvo radikāļu polimerizācija sākas, kad peroksīda katalizatori ģenerē reaktīvas vielas, kas izraisa ķēdes izplatīšanos. Temperatūras kontrole šīs eksotermiskās reakcijas laikā nosaka galīgo optisko skaidrību,{3}}steidzinot procesu, rodas burbuļi, iekšējie spriedzi un miglainība. Lieta akrila ražotāji šo mācību vairākkārt apguva agrīnās ražošanas laikā.
Cast versus Extruded: ražošanas sadalījums
Lūk, kur specifikācijām ir nozīme. Šūnu-akrila liešana ietver MMA sīrupa ieliešanu starp rūdīta stikla plāksnēm, veidnes noblīvēšanu ar elastīgām starplikām, pēc tam kompleksa konservēšanu kontrolētā ūdens vannā vai krāsnī 40–80 grādu temperatūrā. Pakāpeniska polimerizācija rada loksnes ar izcilu molekulmasas sadalījumu un optiskām īpašībām, kas nosaka augstākās kvalitātes cenu.
Ekstrudēts akrils ir lētāks. Granulēts PMMA tiek ievadīts sakarsētās mucās, mīkstina līdz izkusušam stāvoklim, pēc tam caur presformām tiek uzspiests uz kalendāra ruļļiem, kas nosaka galīgo biezumu. Nepārtrauktas ražošanas ekonomija dod priekšroku liela-apjoma lietojumiem, lai gan mehāniskās īpašības ievērojami atšķiras no lietajiem materiāliem. Ekstrūzijas procesā tiek ieviesti virziena spriegumi,{4}}ražotāji to ievēro, kad frēzēšana vai lāzergriešana rada dažādas malas kvalitātes atkarībā no griezuma orientācijas attiecībā pret ekstrūzijas virzienu.
Stiepes spēks stāsta daļu no stāsta. Lietais akrils sasniedz aptuveni 10 000 psi, ekstrudēts nedaudz mazāk. Ķīmiskā izturība dod priekšroku lietajiem materiāliem-šķīdinātājiem, tīrīšanas līdzekļiem un līmvielām atkarībā no ražošanas metodes. Izkārtņu ražotāji, izvēloties substrātu apgaismotiem displejiem, parasti nosaka liešanu, kad to atļauj budžets. Tīrāki maršrutētāja griezumi, samazināta termiskā jutība ražošanas laikā un izcila optiskā skaidrība attaisno izmaksu piemaksu projektiem, kur galīgajam izskatam ir nozīme.
Bet ekstrudētai ir sava vieta. Termoformēšanas lietojumprogrammas bieži dod priekšroku zemākai mīkstināšanas temperatūrai -aptuveni 195 °F, salīdzinot ar augstāko slieksni,-kas vienkāršo vakuuma formēšanas darbības. Rāmju veikaliem, kas pasūta loksnes pamata displeja lietojumiem, reti ir nepieciešams liets{5}}materiāls.
Optiskie un mehāniskie raksturlielumi
Šis 92% gaismas caurlaidības rādītājs ir pelnījis uzsvaru. Standarta pludinātais stikls caurlaidība ir aptuveni 90%, savukārt daži speciālie optiskie stikli sasniedz 91%. Akrils būtībā pazūd, kad tas ir pareizi pulēts,{5}}ko plaši izmanto akvāriju dizaineri un muzeju displeju ražotāji. Materiāla laušanas koeficients (1,49) pilnībā atbilst parastajām optiskajām prasībām bez svara soda stikla.
Blīvums ir 1,17–1,20 g/cm³, kas ir aptuveni puse no stikla kompozīciju blīvuma, kas parasti svārstās no 2,2–2,5 g/cm³. Šī svara priekšrocība tiek izmantota lielās iekārtās. Arhitekts, kurš nosaka akrila stiklojumu ātrija jumtam, būtiski maina konstrukcijas slodzes aprēķinus salīdzinājumā ar stikla alternatīvām.
Ietekmes veiktspēja ir rūpīgi jāprecizē. PMMA uzrāda aptuveni 10-17 reižu lielāku stikla triecienizturību, lai gan materiāls galu galā saplīst pietiekamā spriedzē-, sadaloties gabalos ar relatīvi blāvām malām, nevis bīstamās lauskas, kas raksturīgas atlaidinātam stiklam. Šis uzvedības modelis izraisīja agrīnu ieviešanu lidmašīnu nojumēs Otrā pasaules kara laikā. Piloti, kas tika ievainoti ar akrila sadrumstalotību, atveseļojās ievērojami labāk nekā tie, kas tika ievainoti ar parastajiem stikla komponentiem.
Laikapstākļu uzvedība
Izturība ārpus telpām atšķir akrilu no konkurējošām caurspīdīgām plastmasām. Pareizi izstrādātas PMMA kategorijas saglabā optisko skaidrību, pateicoties ilgstošai UV iedarbībai, bez dzeltenuma, kas nomoka polikarbonāta iekārtas. Nozares pētījumi dokumentē degradācijas līmeni, kas ir mazāks par 3% desmit -gadu āra ekspozīcijas- veiktspējas laikā, izskaidrojot materiāla dominējošo stāvokli izkārtnēs, siltumnīcu stiklojumos un arhitektūras lietojumos, kur ilgmūžība attaisno sākotnējos materiālos ieguldījumus.
Darbs ar materiālu
Izgatavotāji novērtē akrila relatīvo apstrādājamību. Standarta kokapstrādes aprīkojums veic lielāko daļu darbību -galda zāģi, frēzes, urbjmašīnas darbojas efektīvi, izmantojot atbilstošus instrumentus un padeves ātrumu. Speciālie akrila frēzes uzgaļi un urbšanas uzgaļi samazina malu šķelšanos. Lēnāka padeve samazina berzes siltumu, kas var izkausēt un no jauna{4}}metināt grieztās virsmas.
Lāzergriešanas pārveidotā akrila ražošanas ekonomika. Materiāls tīri griež zem CO2 lāzera enerģijas, veidojot pulētas malas tieši no griešanas procesa. Lietais akrils īpaši labi reaģē uz-liesmas-pulēto izskatu, kas konkurē ar roku apdari par nelielu daļu no darbaspēka izmaksām. Zīmju veidotāji, izmantojot lāzertehnoloģiju, mainīja visus biznesa modeļus uz šo iespēju.
Šķīdinātāja savienošana joprojām ir vēlamā savienošanas metode. Līmes, kuru pamatā ir metilēnhlorīds{1}}, mīkstina savienojošās virsmas, nodrošinot polimēru ķēdes savstarpēju difūziju, kas rada savienojumus, kas ir potenciāli stiprāki nekā pamatmateriāls. Lai izmantotu šo paņēmienu, ir nepieciešama precīza pielāgošana-pielāgošanai-neaizpilda spraugas, piemēram, celtniecības līmes. Pareizi izpildītas šķīdinātāju metinājuma šuves kļūst gandrīz neredzamas, kas ir būtiska priekšrocība displeja izgatavošanā, kur stiprinājuma redzamība apdraud estētisko nolūku.
Termoformēšana paver papildu dizaina iespējas. Apsildāmās akrila loksnes vakuumā vai spiedienā pārklājas pār veidnēm, pieņemot sarežģītas trīsdimensiju ģeometrijas, kuras nav iespējams sasniegt ar plakanu{2}}pakalpojumu izgatavošanu. Vannu ražotāji, lidmašīnu interjera dizaineri un -pirkuma-izstādes ražotāji izmanto šo formēšanas iespēju.
Jautājums par polikarbonātu
Speciālisti pastāvīgi apspriež akrila un polikarbonāta izvēli. Salīdzinājums nav vienkāršs.
Polikarbonāts ievērojami uzlabo triecienizturību{0}}. Ja akrils sasniedz 10-17 reižu stikla stiprību, polikarbonāts sasniedz aptuveni 250 reizes. Šā iemesla dēļ ložu necaurlaidīgs stiklojums, masu nekārtību vairogi un aizsardzības aprīkojuma specifikācijas dod priekšroku polikarbonātam. Materiāls liecas, nevis saplīst, absorbējot trieciena enerģiju deformācijas, nevis lūzuma rezultātā.
Akrila skaitītāji ar izturību pret skrāpējumiem un UV stabilitāti. Polikarbonāts viegli saskrāpē-virsmas mīkstumu, kas nodrošina triecienu absorbciju, un tas apdraud nodilumizturību. Āra polikarbonāta instalācijām ir nepieciešami UV-aizsargpārklājumi, lai novērstu dzeltenuma degradāciju, kas izpaužas vairāku gadu laikā pēc saules iedarbības. Akrils tiek galā ar abiem izaicinājumiem.
Izmaksas dod priekšroku akrilam. Polikarbonāts parasti ir par 35% augstāks nekā salīdzināmām akrila kategorijām. Lietojumprogrammām, kurās optiskā skaidrība un laikapstākļu izturība pārsniedz ārkārtējas trieciena prasības, ekonomiskais arguments atbalsta akrila specifikāciju.
Gaismas caurlaidība: akrils 92% pret polikarbonātu 88%. Atšķirība šķiet neliela, līdz tā tiek pārbaudīta prasīgos optiskos lietojumos. Cirkulāri polarizētām gaismas sistēmām-, kas ir izplatītas augstas klases-svītrkodu lasītājos un optiskajos instrumentos-, ir nepieciešama lieta akrila amorfā struktūra. Ekstrudēti materiāli rada divkāršu laušanu, kas nepieņemami pasliktina optiskā signāla kvalitāti.
Kur akrils dodas uz darbu
Pielietojuma diapazons aptver ievērojamu daudzveidību. Automobiļu apgaismojumam ir liela apjoma-priekšējo lukturu lēcas, aizmugurējo lukturu pārsegi, instrumentu paneļa komponenti, visi parasti nosaka PMMA kategorijas, kas optimizētas optiskās veiktspējas un trieciena prasībām. Materiāls šajos lietojumos pirms gadu desmitiem aizstāja stiklu.
Būvniecība un arhitektūra lielā mērā ir atkarīga no akrila stiklojuma. Jumta logi, logi, skaņas barjeras, dekoratīvie paneļi-viegla svara, triecienizturības un dizaina elastības kombinācija ir piemērota lietojumiem, kur stikla ierobežojumi ierobežo iespējas. Muzeju vitrīnās parasti tiek izmantots akrils, lai aizsargātu vērtīgus artefaktus, vienlaikus saglabājot vizuālo caurspīdīgumu, kas piesaista apmeklētājus.
Medicīnas lietojumprogrammas izmanto PMMA bioloģisko saderību. Intraokulārās lēcas atjauno redzi kataraktas pacientiem. Zobu protezēšana-protēžu pamatnes, mākslīgie zobi-ir lielā mērā balstīti uz akrila ķīmiju. Materiāla mehānisko īpašību, apstrādājamības un bioloģiskās tolerances kombināciju ir grūti atkārtot ar alternatīvām.
Akvārija konstrukcija demonstrē akrila optisko un strukturālo potenciālu. Lielās instalācijās-publiskajos akvārijos, kas demonstrē jūras vidi-, tiek izmantoti biezi akrila paneļi, kas spēj izturēt ievērojamu hidrostatisko spiedienu, vienlaikus saglabājot apmeklētāju gaidīto skaidrību. Monterejas līča akvārija galvenais skata logs ir šīs lietojumprogrammas piemērs, parādot, ko panāk pareizi izstrādātas akrila sistēmas.
Elektronikas ražošanā tiek izmantots PMMA displeju ekrānos, aizsargapvalkos un optiskajos komponentos. Izkārtņu nozares-izgaismotie displeji, kanālu burti,-iegādāšanās-armatūra- katru gadu patērē ievērojamu daudzumu akrila. Mākslinieki atklāja mediju pirms gadu desmitiem; Pati akrila krāsa satur PMMA, kas suspendēts ūdens{6}} emulsijā.
Stāsts aiz materiāla
Oto Rēma 1901. gada doktora disertācijā par akrilskābes polimerizāciju tika iestādītas sēklas, kas nesa augļus trīsdesmit gadus vēlāk. Vācu ķīmiķis sākotnēji izmantoja citus lietojumus-enzīmu ādas apstrādē, mazgāšanas līdzekļu ķīmijā-, pirms 20. gadu beigās atgriezās pie akrila savienojumiem. Sadarbojoties ar līdzstrādnieku Otto Haas, Röhm komanda vispirms izstrādāja Luglas, laminētu drošības stiklu ar akrila starpslāņiem.
Izrāviens notika daļēji nejauši. Metilmetakrilāta monomēra paraugs, kas tika glabāts pie saules apspīdēta loga, spontāni polimerizējās, iznīcinot tā konteineru, bet atklājot stingru, caurspīdīgu cietvielu ar ievērojamām optiskām īpašībām. Sekoja kontrolēti eksperimenti. Līdz 1933. gadam Rēms bija reģistrējis plexiglas preču zīmi. Materiāls ieguva Grand Prix apbalvojumus 1937. gada Parīzes pasaules izstādē.
Paralēla attīstība notika Lielbritānijā, kur Imperial Chemical Industries ķīmiķi atklāja to pašu materiālu, tirgojot to kā Perspex. Amerikāņu ķīmiķis Viljams Konns veica neatkarīgu darbu. Vienlaicīgu atklājumu daudzveidība liecina, ka PMMA parādīšanās atspoguļoja plašākus sasniegumus polimēru ķīmijā, nevis īpašu izgudrojumu ģēniju-, lai gan Rēms ir pelnījis ievērojamu atzinību par komerciālo attīstību.
Otrais pasaules karš dramatiski paātrināja adopciju. Gan sabiedroto, gan Axis spēki noteica akrilu lidmašīnu stiklojuma-vējiem, nojumēm, lielgabalu torņu korpusiem. Zemūdens periskopi iekļāva materiālu. Demonstrētās drošības priekšrocības salīdzinājumā ar stikla cementētajām militārajām specifikācijām, kas saglabājās ilgi pēc karadarbības beigām. Pēckara laikā strauji sekoja civilie pielietojumi, jo ražotāji, kuriem bija kara laika ražošanas jauda, meklēja miera laika tirgus.
Godīgs ierobežojumu novērtējums
Neviens materiāls nav piemērots visiem lietojumiem. Akrils skrāpējas vieglāk nekā stikls,{1}}polimēra virsmai trūkst minerālsilikātu cietības. Pret skrāpējumiem{3} izturīgie pārklājumi daļēji novērš šo ierobežojumu, lai gan pārklātās virsmas galu galā nolietojas abrazīvos apstākļos. Muzejos, kuros izstādīti eksponāti,{5}}kuru pārvietošanās ir liela, šī iemesla dēļ bieži tiek izmantots stikls, neskatoties uz sodu par svaru.
Termiskā izplešanās ievērojami pārsniedz stiklu. Projektētājiem ir jāņem vērā izmēru izmaiņas dažādos temperatūras diapazonos, lai novērstu paneļa izliekšanos vai rāmja spriegumu. Stiklojuma iekārtām ir nepieciešams atbilstošs attālums no malām un piemēroti blīvju materiāli.
Ugunsgrēka uzvedība prasa uzmanību. PMMA aizdegas aptuveni 460 grādos un deg, izdalot oglekļa dioksīdu, oglekļa monoksīdu un dažādus mazmolekulārus -savienojumus, tostarp formaldehīdu. Būvnormatīvi ierobežo akrila izmantošanu noteiktās apdzīvotības klasifikācijās un pieprasa atbilstošus ugunsaizsardzības pasākumus, ja specifikācijas atļauj materiālu.
Ķīmiskā saderība ir atšķirīga. Daudzi šķīdinātāji uzbrūk PMMA-tīrīšanai ar nepiemērotiem līdzekļiem, kas izraisa plaisāšanu, duļķainību vai struktūras pavājināšanos. Specifikētājiem ir jāpārbauda ķīmiskā izturība pret paredzamajiem iedarbības apstākļiem.
Ilgtspējības apsvērumi
Naftas ķīmijas izcelsme rada pamatotus ilgtspējības jautājumus. Acetona ciānhidrīna sintēzes ceļš patērē fosilās -atvasinātās izejvielas un rada bažas par vidi visā ražošanas ķēdē. Nozares reakcija ir vērsta uz diviem virzieniem: bio-MMA prekursoru izstrādi un pārstrādājamības uzlabošanu.
PMMA efektīvi pārstrādā -polimēru termiskās apstrādes rezultātā var depolimerizēt atpakaļ līdz MMA monomēram, pēc tam repolimerizēt neapstrādātā-kvalitatīvā materiālā. Šis slēgtās -cilpas potenciāls atšķir akrilu no daudziem konkurējošiem polimēriem, kur otrreizēja pārstrāde neizbēgami pasliktina materiāla īpašības. Vairāki ražotāji tagad piedāvā kategorijas, kurās ir iekļauts otrreizēji pārstrādāts saturs, kas atbilst aprites ekonomikas prasībām, ko arvien vairāk nosaka videi draudzīgi pircēji.
Röhm GmbH nesen ieviestā PLEXIGLAS proTerra ir piemērs nozares virzienam{0}}ilgtspējīgi ražotām akrila kategorijām, pievēršot tirgus uzmanību no speciālistiem, kas līdzsvaro veiktspējas prasības un ietekmes uz vidi novērtējumus.
Galīgā perspektīva
Izpratne par to, kas ir akrils, galu galā nozīmē novērtēt materiālu, kas pārveidoja ražošanas iespējas vairākās nozarēs. Jautājums "kas ir akrils?" aicina sniegt tehniskas atbildes par polimēru ķīmiju, taču praktiskai izpratnei ir jāatzīst lietojumprogrammas -specifiskās veiktspējas īpašības, kas nosaka specifikācijas lēmumus.
Deviņas desmitgades kopš komerciālās ieviešanas PMMA turpina attīstīties. Jaunie formulējumi atbilst jaunajām prasībām-uzlabotām trieciena pakāpēm, uzlabotām ugunsdrošības īpašībām, bioloģiski atvasinātām alternatīvām. Fundamentālā ķīmija, ko Otto Rēms izpētīja savā divdesmitā-gadsimta sākuma laboratorijā, joprojām ir aktuāla, un to pilnveido, turpinot pētniecību un attīstību, reaģējot uz mainīgajām tirgus prasībām.
Materiālu izvēle vienmēr ir saistīta ar kompromisiem. Akrils piedāvā izcilu optisko skaidrību, saprātīgu triecienizturību, izcilu laika apstākļu noturību un ražošanas daudzpusību par mērenām izmaksām. Lietojumprogrammās, kas prasa ārkārtēju triecienu veiktspēju, var norādīt polikarbonātu. Tie, kuriem nepieciešama maksimāla izturība pret skrāpējumiem, var dot priekšroku stiklam. Taču ievērojamam lietojumu klāstam, kas līdzsvaro šīs konkurējošās prasības, akrils nodrošina veiktspēju, kas attaisno tā plaši izplatīto specifikāciju rūpnieciskajos, arhitektūras, medicīnas un patērētāju lietojumos visā pasaulē.