Πολυμεθακρυλικό μεθύλιο

Το πολυμεθακρυλικό μεθύλιο (PMMA) είναι διαφανές θερμοπλαστικό που ανήκει σε μια ομάδα υλικών που ονομάζονται πλαστικά μηχανικής. Το PMMA είναι επίσης γνωστό ως ακρυλικό ή ακρυλικό γυαλί, καθώς και με τις εμπορικές ονομασίες Crylux, Plexiglas, Acrylite, Astariglas, Lucite, Perclax και Perspex, μεταξύ πολλών άλλων ( δείτε παρακάτω ). Αυτό το πλαστικό χρησιμοποιείται συχνά σε μορφή φύλλου ως μια ελαφριά ή ανθεκτική στη θραύση εναλλακτική λύση αντί για γυαλί. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως ρητίνη χύτευσης, σε μελάνια και επιστρώσεις και για πολλούς άλλους σκοπούς. Αν και δεν είναι ένας τύπος γυαλιού με βάση το πυρίτιο, η ουσία, όπως πολλά θερμοπλαστικά, συχνά ταξινομείται τεχνικά ως τύπος γυαλιού, καθώς είναι μια μη κρυσταλλική υαλώδης ουσία—εξ ου και η περιστασιακή ιστορική ονομασία της ως ακρυλικό γυαλί. Χημικά, είναι το συνθετικό πολυμερές του μεθακρυλικού μεθυλεστέρα . Αναπτύχθηκε το 1928 σε πολλά διαφορετικά εργαστήρια από πολλούς χημικούς, όπως οι Γουιλίαμ Τσάλμερς, Ότο Ραίμ και Βάλτερ Μπάουερ, και κυκλοφόρησε για πρώτη φορά στην αγορά το 1933 από τη γερμανική Röhm & Haas AG και τον συνεργάτη της και πρώην θυγατρική της στις ΗΠΑ Rohm and Haas Company με το εμπορικό σήμα Plexiglas.Το PMMA είναι μια οικονομική εναλλακτική του πολυανθρακικού (PC) όταν η αντοχή σε εφελκυσμό, η αντοχή σε κάμψη, η διαφάνεια, η στιλβωτική ικανότητα και η ανοχή στην υπεριώδη ακτινοβολία είναι πιο σημαντικά από την αντοχή σε κρούση, τη χημική αντοχή και την αντοχή στη θερμότητα. Επιπλέον, το PMMA δεν περιέχει τις δυνητικά επιβλαβείς υπομονάδες δισφαινόλης-Α που βρίσκονται στο πολυανθρακικό και είναι πολύ καλύτερη επιλογή για κοπή με λέιζερ. Συχνά προτιμάται λόγω των μέτριων ιδιοτήτων του, του εύκολου χειρισμού και επεξεργασίας του και του χαμηλού κόστους του. Το μη τροποποιημένο PMMA συμπεριφέρεται με εύθραυστο τρόπο όταν είναι υπό φορτίο, ειδικά υπό κρουστική δύναμη, και είναι πιο επιρρεπές σε γρατσουνιές από το συμβατικό ανόργανο γυαλί, αλλά το τροποποιημένο PMMA μπορεί μερικές φορές να επιτύχει υψηλή αντοχή στις γρατσουνιές και στην κρούση.

 Το πρώτο ακρυλικό οξύ δημιουργήθηκε το 1843. Το μεθακρυλικό οξύ, που προέρχεται από το ακρυλικό οξύ, παρασκευάστηκε το 1865. Η αντίδραση μεταξύ μεθακρυλικού οξέος και μεθανόλης έχει ως αποτέλεσμα τον μεθακρυλικό εστέρα. Ο μεθακρυλικός πολυμεθυλεστέρας ανακαλύφθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1930 από τους Βρετανούς χημικούς Ρόουλαντ Χιλ και Τζον Κρόφορντ στην Imperial Chemical Industries (ICI) στο Ηνωμένο Βασίλειο. Η ICI κατοχύρωσε το προϊόν με το εμπορικό σήμα Perspex. Περίπου την ίδια εποχή, ο χημικός και βιομήχανος Όττο Ραιμ των Röhm και Haas AG στη Γερμανία προσπάθησε να παράγει γυαλί ασφαλείας πολυμερίζοντας μεθακρυλικό μεθυλεστέρα μεταξύ δύο στρωμάτων γυαλιού. Το πολυμερές διαχωρίστηκε από το γυαλί ως ένα διαφανές πλαστικό φύλλο, στο οποίο ο Röhm έδωσε το εμπορικό σήμα Plexiglas το 1933. Τόσο το Perspex όσο και το Plexiglas κυκλοφόρησαν στο εμπόριο στα τέλη της δεκαετίας του 1930. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η E.I. du Pont de Nemours & Company (τώρα DuPont Company) παρουσίασε στη συνέχεια το δικό της προϊόν με το εμπορικό σήμα Lucite. Το 1936 η ICI Acrylics (τώρα Lucite International) ξεκίνησε την πρώτη εμπορικά βιώσιμη παραγωγή ακρυλικού γυαλιού ασφαλείας. Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, τόσο οι δυνάμεις των Συμμάχων όσο και του Άξονα χρησιμοποίησαν ακρυλικό γυαλί για υποβρύχια περισκόπια και παρμπρίζ αεροσκαφών, στέγαστρα και πυργίσκους όπλων. Οι πιλότοι αεροπλάνων των οποίων τα μάτια υπέστησαν ζημιά από ιπτάμενα θραύσματα PMMA τα πήγαν πολύ καλύτερα από εκείνους που τραυματίστηκαν από τυπικό γυαλί, επιδεικνύοντας καλύτερη συμβατότητα μεταξύ του ανθρώπινου ιστού και του PMMA από το γυαλί. Ακολούθησαν πολιτικές εφαρμογές πολιτών μετά τον πόλεμο. Το PMMA παράγεται συνήθως με πολυμερισμό γαλακτώματος, πολυμερισμό διαλύματος και πολυμερισμό χύδην. Γενικά, χρησιμοποιείται ριζική εκκίνηση (συμπεριλαμβανομένων των μεθόδων ζωντανού πολυμερισμού), αλλά μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί ανιονικός πολυμερισμός του PMMA. Για την παραγωγή ενός κιλού PMMA, χρειάζονται περίπου 2 κιλά πετρέλαιο. Το PMMA που παράγεται με ριζικό πολυμερισμό (όλα τα εμπορικά PMMA) είναι ατακτικό και εντελώς άμορφο. Η θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Τg) του ατακτικού PMMA είναι 105 °C (221 °F) . Οι τιμές Τg των εμπορικών ποιοτήτων PMMA κυμαίνονται από 85 to 165 °C (185 to 329 °F): το εύρος είναι τόσο μεγάλο λόγω του τεράστιου αριθμού εμπορικών συνθέσεων που είναι συμπολυμερή με συν-μονομερή άλλα από τον μεθακρυλικό μεθυλεστέρα. Το PMMA είναι επομένως ένα οργανικό γυαλί σε θερμοκρασία δωματίου, δηλαδή, είναι κάτω από τη Tg του. Η θερμοκρασία σχηματισμού ξεκινά από τη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου και ανεβαίνει από εκεί. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλες οι κοινές διαδικασίες χύτευσης, συμπεριλαμβανομένης της χύτευσης με έγχυση, της χύτευσης με συμπίεση και της εξώθησης. Τα υψηλότερης ποιότητας φύλλα PMMA παράγονται με χύτευση κυψελών, αλλά σε αυτή την περίπτωση, τα βήματα πολυμερισμού και χύτευσης συμβαίνουν ταυτόχρονα. Η αντοχή του υλικού είναι υψηλότερη από τους βαθμούς χύτευσης λόγω της εξαιρετικά υψηλής μοριακής του μάζας . Η σκλήρυνση με καουτσούκ έχει χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της σκληρότητας του PMMA για να ξεπεραστεί η ευθραυστότητά του ως απόκριση στην εφαρμογή φορτίου. Το PMMA μπορεί να ενωθεί χρησιμοποιώντας κυανοακρυλικό τσιμέντο (κοινώς γνωστό ως υπερκόλλα), με θερμότητα (συγκόλληση) ή με χρήση χλωριωμένων διαλυτών όπως διχλωρομεθάνιο ή τριχλωρομεθάνιο (χλωροφόρμιο) για τη διάλυση του πλαστικού στην ένωση, το οποίο στη συνέχεια συντήκεται και πήζει. σχηματίζοντας μια σχεδόν αόρατη συγκόλληση. Οι γρατσουνιές μπορούν εύκολα να αφαιρεθούν με γυάλισμα ή με θέρμανση της επιφάνειας του υλικού. Η κοπή με λέιζερ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαμόρφωση περίπλοκων σχεδίων από φύλλα PMMA. Το PMMA εξατμίζεται σε αέριες ενώσεις (συμπεριλαμβανομένων των μονομερών του) κατά την κοπή με λέιζερ, έτσι γίνεται μια πολύ καθαρή κοπή και η κοπή εκτελείται πολύ εύκολα. Ωστόσο, η παλμική κοπή με λέιζερ εισάγει υψηλές εσωτερικές τάσεις κατά μήκος της κομμένης ακμής, οι οποίες με την έκθεση σε διαλύτες προκαλούν ανεπιθύμητη καταπόνηση στην κομμένη άκρη και σε βάθος πολλών χιλιοστών. Το PMMA είναι ένα ισχυρό, σκληρό και ελαφρύ υλικό. Έχει πυκνότητα 1,17–1,20 g/cm3, που είναι λιγότερο από το μισό της πυκνότητας του γυαλιού. Έχει επίσης καλή αντοχή στην κρούση, υψηλότερη από το γυαλί και το πολυστυρένιο. Ωστόσο, η αντοχή σε κρούση του PMMA εξακολουθεί να είναι σημαντικά χαμηλότερη από το πολυανθρακικό και ορισμένα κατασκευασμένα πολυμερή. Το PMMA αναφλέγεται στους 460 °C (860 °F) και καίγεται, σχηματίζοντας διοξείδιο του άνθρακα, νερό, μονοξείδιο του άνθρακα και ενώσεις χαμηλού μοριακού βάρους, συμπεριλαμβανομένης της φορμαλδεΰδης.Το PMMA διαπερνάται από έως και το 92% του ορατού φωτός (3 mm πάχος) και αντανακλά περίπου 4% από κάθε επιφάνειά του λόγω του δείκτη διάθλασής του (1,4905 στα 589,3 nm). Φιλτράρει το υπεριώδες φως (UV) σε μήκη κύματος κάτω από περίπου 300 nm (παρόμοιο με το συνηθισμένο γυαλί παραθύρων). Μερικοί κατασκευαστές προσθέτουν επικαλύψεις ή πρόσθετα στο PMMA για να βελτιώσουν την απορρόφηση στα 300-400 εύρος nm. Το υπέρυθρο φως διαπερνά το ΡΜΜΑ έως και 2.800 nm και μπλοκάρει το υπέρυθρο με μεγαλύτερα μήκη κύματος έως 25.000 nm. Οι έγχρωμες ποικιλίες PMMA επιτρέπουν σε συγκεκριμένα μήκη κύματος υπερύθρων να περνούν ενώ εμποδίζουν το ορατό φως (όπως για παράδειγμα σε τηλεχειριστήρια ή αισθητήρες θερμότητα). Το PMMA διογκώνεται και διαλύεται σε πολλούς οργανικούς διαλύτες. Έχει επίσης χαμηλή αντοχή σε πολλές άλλες χημικές ουσίες λόγω των εύκολα υδρολυόμενων εστερικών ομάδων του. Ωστόσο, η περιβαλλοντική του σταθερότητα είναι ανώτερη από τα περισσότερα άλλα πλαστικά, όπως το πολυστυρένιο και το πολυαιθυλένιο, και επομένως είναι συχνά το υλικό επιλογής για εφαρμογές σε εξωτερικούς χώρους. Το PMMA έχει μέγιστη αναλογία απορρόφησης νερού 0,3–0,4% κατά βάρος. Η αντοχή σε εφελκυσμό μειώνεται με την αυξημένη απορρόφηση νερού. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του είναι σχετικά υψηλός (5–10)×10-5 °C−1. Όντας διαφανές και ανθεκτικό, το PMMA είναι ένα ευέλικτο υλικό και έχει χρησιμοποιηθεί σε ευρύ φάσμα πεδίων και εφαρμογών, όπως πίσω φώτα και ταμπλό οργάνων για οχήματα, συσκευές και φακούς για γυαλιά. Το PMMA με τη μορφή φύλλων μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ανθεκτικά πάνελ για παράθυρα κτιρίων, φεγγίτες, αλεξίσφαιρα φράγματα ασφαλείας, πινακίδες και οθόνες, είδη υγιεινής (μπανιέρα), οθόνες LCD, έπιπλα και πολλές άλλες εφαρμογές. Χρησιμοποιείται επίσης για την επίστρωση πολυμερών με βάση το MMA παρέχει εξαιρετική σταθερότητα έναντι των περιβαλλοντικών συνθηκών με μειωμένη εκπομπή VOC. Τα μεθακρυλικά πολυμερή χρησιμοποιούνται εκτενώς σε ιατρικές και οδοντιατρικές εφαρμογές όπου η καθαρότητα και η σταθερότητα είναι κρίσιμες για την απόδοση. Το PMMA χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή ενυδρείων. Οι σχεδιαστές άρχισαν να κατασκευάζουν μεγάλα ενυδρεία όταν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί πολυ(μεθακρυλικός μεθυλεστέρας). Χρησιμοποιείται λιγότερο συχνά σε άλλους τύπους κατασκευών λόγω περιστατικών όπως η καταστροφή του Σάμερλαντ. Το PMMA χρησιμοποιείται για την θέαση λιμένων και ακόμη και για την κατασκευή του πλήρους κύτους υποβρυχίων, όπως η σφαίρα θέασης του υποβρυχίου Alicia και το παράθυρο του βαθυσκάφους Τεργέστη. Το PMMA χρησιμοποιείται στους φακούς των εξωτερικών φώτων αυτοκινήτων. Τα προστατευτικά θεατών στα παγοδρόμια χόκεϊ επί πάγου είναι κατασκευασμένη από PMMA. Ιστορικά, το PMMA ήταν μια σημαντική βελτίωση στον σχεδιασμό των παραθύρων αεροσκαφών, καθιστώντας δυνατά σχέδια όπως το διαφανές διαμέρισμα μύτης του βομβαρδιστή στο Boeing B-17 Flying Fortress. Οι σύγχρονες διαφάνειες αεροσκαφών χρησιμοποιούν συχνά ακρυλικές στρώσεις. Τα οχήματα της αστυνομίας για τον έλεγχο των ταραχών συχνά αντικαθιστούν το κανονικό γυαλί με PMMA για την προστασία των επιβαινόντων από εκτοξευόμενα αντικείμενα. Το PMMA είναι ένα σημαντικό υλικό για την κατασκευή ορισμένων φακών φάρων. Το PMMA χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή στέγης του συγκροτήματος στο Ολυμπιακό Στάδιο για τους Θερινούς Ολυμπιακούς Αγώνες του 1972 στο Μόναχο. Κατέστησε δυνατή μια ελαφριά και ημιδιαφανή δομή. Ακρυλικά πάνελ κομμένα με λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί για να ανακατευθύνουν το ηλιακό φως σε έναν φωτεινό σωλήνα ή σωληνωτό φεγγίτη και, από εκεί, για να το απλώσουν σε ένα δωμάτιο. Η εξασθένηση είναι αρκετά έντονη για αποστάσεις πάνω από ένα μέτρο (περισσότερο από 90% απώλεια έντασης για πηγή 3000 K), οπότε οι ακρυλικοί ευρυζωνικοί οδηγοί φωτός έχουν κυρίως διακοσμητικές χρήσεις. Ζεύγη ακρυλικών φύλλων με ένα στρώμα μικροαναπαραγόμενων πρισμάτων μεταξύ των φύλλων μπορεί να έχουν ανακλαστικές και διαθλαστικές ιδιότητες που τους επιτρέπουν να ανακατευθύνουν μέρος του εισερχόμενου ηλιακού φωτός ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης. Τέτοια πάνελ έχουν διατεθεί στο εμπόριο για χρήση ως παράθυρο ή στέγαστρο έτσι ώστε το φως του ήλιου που κατεβαίνει από τον ουρανό να κατευθύνεται προς την οροφή ή προς το δωμάτιο και όχι προς το πάτωμα. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερο φωτισμό του πίσω μέρους ενός δωματίου, ιδίως όταν συνδυάζεται με λευκή οροφή, ενώ επιδρά ελάχιστα στην εξωτερική θέα σε σύγκριση με τα κανονικά τζάμια. Το PMMA έχει καλό βαθμό συμβατότητας με τον ανθρώπινο ιστό και χρησιμοποιείται στην κατασκευή άκαμπτων ενδοφακών που εμφυτεύονται στο μάτι όταν αφαιρεθεί ο αρχικός φακός για τη θεραπεία του καταρράκτη. Αυτή η συμβατότητα ανακαλύφθηκε από τον Άγγλο οφθαλμίατρο Χάρολντ Ρίντλεϊ σε πιλότους της RAF του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, των οποίων τα μάτια είχαν γεμίσει με θραύσματα PMMA που προέρχονταν από τα πλαϊνά παράθυρα των μαχητικών Supermarine Spitfire - το πλαστικό δεν προκάλεσε σχεδόν καμία απόρριψη, σε σύγκριση με θραύσματα γυαλιού. Ο Ρίντλεϊ ζήτησε από την εταιρεία Rayner να κατασκευάσει έναν φακό από Perspex πολυμερισμένο από την ICI. Στις 29 Νοεμβρίου 1949 στο νοσοκομείο St Thomas του Λονδίνου, ο Ρίντλεϊ εμφύτευσε τον πρώτο ενδοφθάλμιο φακό. Το ακρυλικό χρώμα αποτελείται ουσιαστικά από PMMA που αιωρείται σε νερό. Ωστόσο, δεδομένου ότι το PMMA είναι υδρόφοβο, πρέπει να προστεθεί μια ουσία με υδρόφοβες και υδρόφιλες ομάδες για να διευκολυνθεί το εναιώρημα. Οι σύγχρονοι κατασκευαστές επίπλων, ειδικά τις δεκαετίες του 1960 και του 1970, επιδιώκοντας να δώσουν στα προϊόντα τους μια διαστημική αισθητική, ενσωμάτωσαν το Lucite και άλλα προϊόντα PMMA στα σχέδιά τους, ειδικά στις καρέκλες γραφείου. Πολλά άλλα προϊόντα (για παράδειγμα, κιθάρες) κατασκευάζονται μερικές φορές με ακρυλικό γυαλί για να κάνουν τα συνήθως αδιαφανή αντικείμενα ημιδιαφανή. Το Perspex έχει χρησιμοποιηθεί ως επιφάνεια για ζωγραφική, για παράδειγμα από τον Σαλβαδόρ Νταλί. Το ακρυλικό γυαλί μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο του κανονικού γυαλιού σε κορνίζες. Αυτό γίνεται για το σχετικά χαμηλό κόστος, το μικρό βάρος, την αντοχή στη θραύση, την αισθητική και επειδή μπορεί να παραγγελθεί σε μεγαλύτερα μεγέθη από το τυπικό γυαλί κορνίζας. Ήδη από το 1939, ο Ολλανδός γλύπτης Γιαν Ντε Σβαρτ με έδρα το Λος Άντζελες πειραματίστηκε με δείγματα Lucite που του έστειλε η DuPont. Ο Ντε Σβαρτ δημιούργησε εργαλεία για να δουλέψει το Lucite για γλυπτική και ανάμειξε χημικά για να επιφέρει ορισμένα αποτελέσματα χρώματος και διάθλασης. Τις δεκαετίες του 1950 και του 1960, το Lucite ήταν ένα εξαιρετικά δημοφιλές υλικό για κοσμήματα, με αρκετές εταιρείες να ειδικεύονται στη δημιουργία κομματιών υψηλής ποιότητας από αυτό το υλικό. Οι χάντρες και τα στολίδια Lucite εξακολουθούν να πωλούνται από προμηθευτές κοσμημάτων. Τα ακρυλικά φύλλα παράγονται σε δεκάδες χρώματα, που πωλούνται πιο συχνά χρησιμοποιώντας αριθμούς χρωμάτων που αναπτύχθηκαν από τη Rohm & Haas τη δεκαετία του 1950.