Polimetilmetacrilato (PMMA, acrilico)

Polimetilmetacrilato (PMMA, acrilico)

Punti chiave

• Il PMMA è il termoplastico comune più trasparente: circa il 92% di trasmissione della luce, resistenza agli agenti atmosferici migliore del policarbonato, resistenza all'urto molto inferiore.
• Le qualità colate, estruse e da stampaggio differiscono per peso molecolare e tensioni residue, perciò si marcano al laser, si tagliano e si incollano in modo diverso.
• I laser CO2 satinano, incidono e lucidano a fiamma; i laser a fibra richiedono un additivo o un pigmento sulle qualità trasparenti.
• Il crazing da solventi è il difetto da prevenire in fase di progetto. Si effettui la ricottura prima che qualsiasi solvente o collante tocchi il pezzo, poi si verifichi con un solvente di riferimento.

Polimetilmetacrilato (PMMA, acrilico)

Il polimetilmetacrilato (PMMA), venduto come acrilico e con nomi commerciali come Plexiglas e Lucite, è un termoplastico amorfo, limpido come l'acqua, ottenuto per polimerizzazione radicalica del metilmetacrilato; unisce circa il 92% di trasmissione della luce a un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici, un'elevata durezza superficiale e una bassa resistenza all'urto. Trova impiego in lenti, guide di luce, fari automobilistici, insegne, display e alloggiamenti medicali, ovunque la trasparenza debba resistere alla luce solare.

Alla linea di trasformazione secondaria arrivano tre forme dal comportamento diverso. La lastra colata, polimerizzata tra lastre di vetro oltre 1.000.000 g/mol, offre la migliore resistenza al crazing e la risposta al laser più pulita. La lastra estrusa, intorno a 100.000–150.000 g/mol, costa meno e mantiene tolleranze di spessore più strette, ma conserva tensioni di orientamento dovute alla filiera. Le qualità da stampaggio (MFR 2–25 g/10 min) riempiono lenti e alloggiamenti; le qualità modificate antiurto aggiungono particelle di gomma core-shell che aumentano di tre-cinque volte la resilienza con intaglio, a costo di una certa perdita di trasparenza.

Proprietà che governano la lavorazione

Marcatura e taglio laser

Il PMMA assorbe fortemente la radiazione a 10,6 µm e depolimerizza invece di carbonizzare: oltre circa 300 °C la catena si scinde in vapori di monomero, perciò un laser CO2 incide quasi senza residui carboniosi. La lastra colata dà una satinatura bianca brillante; il materiale estruso e stampato rifluisce e si marca più trasparente, con minore contrasto. Si aspirino i vapori: il MMA è infiammabile.

Le qualità trasparenti trasmettono quasi completamente i 1064 nm, perciò un laser a fibra richiede un additivo per marcatura laser (in genere lo 0,1–1% di un pigmento a base di mica od ossido di stagno) oppure una qualità pigmentata o caricata. Le sorgenti UV (355 nm) marcano finemente le qualità stabilizzate e pigmentate con poco calore, ma attraversano in buona parte il materiale trasparente non stabilizzato, quindi si esegua prima una prova. La tabella della marcatura laser confronta le diverse strade.

Il taglio segue la stessa chimica: un fascio CO2 lascia un bordo lucido, lucidato a fiamma, sulla lastra colata e una leggera cresta di fusione su quella estrusa. Entrambi i bordi conservano tensioni residue di trazione, e incollare un bordo tagliato al laser non ricotto è la causa più comune di crazing nella lavorazione dell'acrilico (si veda taglio laser contro incisione). Un pezzo in tensione può anche creparsi attorno a una marcatura; si effettui prima la ricottura e si usi una irradianza inferiore.

Incollaggio, stampa e rivestimento

A 38–41 dyne/cm il PMMA bagna la maggior parte di inchiostri, adesivi e rivestimenti, quindi l'energia superficiale raramente è un limite; corona o plasma sono riservati agli inchiostri a base acqua e ad alcuni primer per hardcoat. Il limite è la criccatura da stress ambientale: alcoli, chetoni, esteri, aromatici, detergenti per vetri a base di ammoniaca e plastificanti migranti causano tutti crazing nell'acrilico sollecitato. La tensione critica in etanolo è di circa 5–10 MPa contro 35 MPa in aria, livello che un pezzo non ricotto raggiunge regolarmente.

La sequenza che funziona è: ricottura, pulizia con detergente e acqua o con nafta, quindi incollaggio. Sistemi compatibili: collanti a solvente (cloruro di metilene per giunti sottili, collanti bicomponenti a base di MMA per il riempimento di giochi), acrilici a polimerizzazione UV per assemblaggi ottici, ed epossidici o poliuretani per substrati dissimili. I cianoacrilati causano appannamento e crazing. La stampa serigrafica, tampografica e a getto d'inchiostro accetta direttamente inchiostri a solvente e UV; il crazing sotto una stampa è dovuto a tensione, non ad adesione.

La lastra non rivestita acquista il 20–30% di opacità in 100 cicli Taber (ASTM D1044), perciò lenti e vetrature ricevono un hardcoat di 3–10 µm in silossano o in acrilico-uretano a polimerizzazione UV che la mantiene sotto il 2–5%. I rivestimenti a polimerizzazione termica richiedono pezzi pre-essiccati e un ciclo inferiore alla HDT; per primer, polimerizzazione e prove si vedano gli hardcoat per policarbonato e acrilico.

Saldatura

Il PMMA è amorfo e si salda bene in campo lontano, ma è fragile, perciò la saldatura a ultrasuoni lo crepa ad ampiezze elevate: si mantenga l'ampiezza a 20 kHz intorno a 30–50 µm oppure si passi a 30–40 kHz, con un direttore di energia sulle sezioni sottili. Il PMMA trasparente trasmette 808–1064 nm, perciò la saldatura laser richiede un assorbitore nel vicino infrarosso nella parte inferiore (nerofumo su un alloggiamento scuro, un colorante o rivestimento poco visibile per giunti trasparente su trasparente) oppure una sorgente a 1,5–2 µm che il PMMA assorbe in modo intrinseco. La lente in PMMA trasparente su un alloggiamento nero in PC o PC/ABS è il giunto tipico dei fari automobilistici; policarbonato e PMMA si accoppiano bene purché il PMMA trasmetta e la finestra rispetti la sua Tg più bassa.

Risoluzione dei problemi nelle operazioni secondarie sul PMMA

Specifica e verifica dei pezzi in PMMA

• Ricottura. La si specifichi per ogni pezzo che sarà incollato, pulito con solventi, tagliato al laser o rivestito con hardcoat: 80 °C per i pezzi estrusi e stampati (fino a 90 °C per quelli colati), circa 1 h per mm con un minimo di 2 h, raffreddando a non più di 15–20 °C all'ora fino a meno di 40 °C. Un raffreddamento rapido reintroduce la tensione.
• Tensione residua. Si specifichi una prova con solvente di riferimento: di solito etanolo per 15 min (le miscele con acetato di etile sono più aggressive), poi si ispezioni la comparsa di crazing in luce radente. Si tari il criterio di accettazione su provini a striscia piegati a deformazione nota (ISO 22088-3, ASTM F791), così che la soglia sia un valore di tensione e non un'opinione. I polarizzatori incrociati (ASTM D4093) permettono di controllare la birifrangenza da stampaggio senza danni.
• Ottica. Trasmittanza e opacità secondo ASTM D1003, indice di giallo secondo ASTM E313 e, per i pezzi con hardcoat, variazione di opacità Taber più adesione con reticolo (ASTM D3359) dopo cicli di umidità. Le qualità modificate antiurto richiedono un limite di ingiallimento dopo invecchiamento climatico; a scolorire è il modificante, non il PMMA.

Termini correlati e letture

• Policarbonato
• Marcatura laser dell'acrilico
• Saldatura laser trasparente su trasparente delle materie plastiche
• Marcatura laser delle materie plastiche
• Incollaggio e assemblaggio
• Rivestimenti industriali

Applicazione in produzione

The Sabreen Group offre supporto ingegneristico indipendente per la marcatura laser, il taglio, l'incollaggio, il rivestimento e la saldatura di componenti in acrilico. Se Lei sta definendo un processo, qualificando un materiale o risolvendo un problema di produzione, il nostro team dei servizi di ingegneria può aiutarLa. Ci contatti per discutere la Sua applicazione.

Domande frequenti

Un laser a fibra può marcare l'acrilico trasparente?

Non da solo. Il PMMA limpido trasmette liberamente i 1064 nm, quindi il fascio lo attraversa e non accade nulla. Il compound deve contenere un additivo per marcatura laser in ragione di circa 0,1–1%, oppure la qualità deve essere pigmentata o caricata, oppure si passa a un laser CO2, che il PMMA assorbe fortemente.

Perché l'acrilico va incontro a crazing dopo l'incollaggio con solvente?

Perché il collante ha incontrato una tensione residua di trazione, di solito su un bordo tagliato al laser o stampato. In aria il PMMA tollera circa 35 MPa prima del crazing; in etanolo o in un solvente da collante la soglia scende a 5–10 MPa, valore che un pezzo non ricotto supera regolarmente. Si effettui la ricottura a 80 °C, si raffreddi lentamente, poi si incolli.

Per la lavorazione laser conviene specificare acrilico colato o estruso?

Colato per l'incisione e per il miglior bordo lucidato a fiamma: il suo peso molecolare molto elevato vaporizza in modo pulito e lascia una satinatura bianca brillante. L'estruso costa meno e mantiene tolleranze di spessore più strette, ma incide più trasparente con minore contrasto e conserva tensioni di orientamento; lo si ricuocia dopo il taglio se dovrà entrare in contatto con solventi.

Il PMMA richiede un pretrattamento al plasma o corona prima di stampa o incollaggio?

Raramente. A 38–41 dyne/cm bagna la maggior parte di inchiostri a solvente e UV, collanti e adesivi così com'è stampato, perciò il pretrattamento è riservato agli inchiostri a base acqua e ad alcuni primer per hardcoat. La pulizia conta più dell'attivazione, e il detergente non deve essere un alcol o un chetone su un pezzo in tensione; detergente e acqua o nafta sono sicuri.

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