ポリメタクリル酸メチル（PMMA、アクリル）
重要ポイント
- PMMAは一般的な熱可塑性樹脂の中で最も透明度が高く、光線透過率は約92%、耐候性はポリカーボネートより優れますが、耐衝撃性ははるかに劣ります。
- キャスト、押出、成形の各グレードは分子量と残留応力が異なるため、レーザー加工、切断、接着での挙動も異なります。
- CO2レーザーでは白濁（フロスト）加工、彫刻、火炎研磨が可能です。クリアグレードにファイバーレーザーを使うには、添加剤または顔料が必要です。
- 設計上、最も警戒すべき欠陥は溶剤クレイジングです。溶剤や接着剤を使用する前にアニールを行い、基準溶剤で検証してください。
ポリメタクリル酸メチル（PMMA、アクリル）
ポリメタクリル酸メチル（PMMA）は、アクリルとして、またPlexiglasやLuciteなどの商品名で販売されている、非晶性で水のように透明な熱可塑性樹脂です。メタクリル酸メチルのラジカル重合によって得られ、約92%の光線透過率、優れた屋外耐候性、高い表面硬度、低い耐衝撃性を併せ持ちます。日光下でも透明性を保つ必要があるレンズ、導光体、自動車用ランプ、サイン、ディスプレイ、医療機器ハウジングなどに使われます。
プラスチック二次加工のラインに入ってくる形態は3種類あり、それぞれ挙動が異なります。キャストシートは、ガラス板の間で1,000,000 g/mol超まで重合させたもので、耐クレイズ性に最も優れ、レーザーへの反応も最もきれいです。押出シートは分子量が約100,000～150,000 g/molで、低コストかつ厚み公差が厳しい反面、ダイ由来の配向応力が残ります。成形グレード（MFR 2～25 g/10 min）はレンズやハウジングに使われ、耐衝撃グレードはコアシェル型ゴム粒子を加えることでノッチ付き衝撃強さを3～5倍に高めますが、透明度はやや低下します。
加工を左右する特性
レーザーマーキングと切断
PMMAは10.6 µmの放射を強く吸収し、炭化せずに解重合します。約300°Cを超えると分子鎖がモノマー蒸気へ解重合するため、CO2レーザーでは炭素残渣がほとんど出ずに彫刻できます。キャストシートは明るい白色のフロストになり、押出材や成形材は再流動してより透明に近いマークとなり、コントラストは低くなります。MMAは可燃性のため、蒸気は必ず排気してください。
クリアグレードは1064 nmをほぼ完全に透過するため、ファイバーレーザーにはレーザーマーキング添加剤（通常は雲母系または酸化スズ系顔料を0.1～1%）、または顔料入りや充填グレードが必要です。UV（355 nm）光源は、安定化されたグレードや顔料入りグレードに、発熱の少ない精細なマークを施せますが、無安定化のクリア材はほとんど透過してしまうため、事前に試験してください。各方式の比較はレーザーマーキング一覧表にまとめています。
切断も同じ化学に従います。CO2ビームは、キャストシートでは光沢のある火炎研磨された端面を、押出シートではわずかな溶融隆起を残します。どちらの端面にも引張の残留応力が残り、アニール前のレーザー切断端面を接着することが、アクリル加工でクレイジングが発生する最大の原因です（レーザー切断と彫刻の違いを参照）。応力のかかった部品では、マークの周囲にもクレイジングが生じることがあるため、事前にアニールを行い、照射強度を下げてください。
接着、印刷、コーティング
PMMAは38～41 dyne/cmで、大半のインク、接着剤、コーティングを濡らすため、表面エネルギーが制約になることはまれです。コロナ処理やプラズマ処理は、水性インクや一部のハードコート用プライマーに限られます。限界となるのは環境応力亀裂で、アルコール、ケトン、エステル、芳香族、アンモニア系ガラスクリーナー、移行する可塑剤はいずれも、応力のかかったアクリルにクレイジングを起こします。エタノール中の限界応力は約5～10 MPaで、空気中の35 MPaを大きく下回り、アニール前の部品が日常的に抱える応力レベルです。
有効な手順は、アニールを行い、洗剤と水またはナフサで洗浄してから接着することです。適合する系は、溶剤接着剤（薄い接合には塩化メチレン、隙間充填には2液型MMA接着剤）、光学部品用のUV硬化アクリル、異種基材用のエポキシまたはポリウレタンです。シアノアクリレートは白化し、クレイジングを起こします。スクリーン印刷、パッド印刷、インクジェット印刷では、溶剤系およびUV硬化インクをそのまま使用できます。印刷下のクレイジングは密着不良ではなく応力が原因です。
未コートのシートは、100回のTaberサイクル（ASTM D1044）でヘーズが20～30%上昇するため、レンズやグレージングには、3～10 µmのシロキサン系またはUV硬化アクリルウレタン系のポリカーボネートおよびアクリル用ハードコートを施し、ヘーズを2～5%未満に抑えます。熱硬化型コートでは、部品を事前に乾燥させ、HDTを下回るスケジュールで硬化させる必要があります。プライマー、硬化、試験については、ポリカーボネートおよびアクリル用ハードコートの記事をご覧ください。
溶着
PMMAは非晶性で、遠方場での溶着が可能ですが、脆いため高振幅の超音波溶着では割れが生じます。20 kHzでは振幅を30～50 µm付近に保つか、30～40 kHzへ切り替え、薄肉部にはエネルギーダイレクターを設けてください。透明なPMMAは808～1064 nmを透過するため、レーザー溶着では、下側部品に近赤外吸収剤（暗色ハウジングにはカーボンブラック、クリア同士の接合には視認性の低い染料やコーティング）を用いるか、PMMAが本来吸収する1.5～2 µmの光源が必要です。黒色のPCまたはPC/ABSハウジングに透明なPMMAレンズを組み合わせるのが自動車ランプの接合で、ポリカーボネートとPMMAは、PMMAが光を透過し、窓部がより低いTgを考慮する限り、相性の良い組み合わせです。
PMMA二次加工のトラブルシューティング
PMMA部品の仕様化と検証
- アニール。接着、溶剤洗浄、レーザー切断、ハードコートを行う部品には必ず指定してください。押出材と成形部品は80°C（キャスト材は最大90°C）、厚み1 mmあたり約1時間（最低2時間）とし、毎時15～20°C以下の速度で40°C未満まで冷却します。急冷すると応力が再び生じます。
- 残留応力。基準溶剤試験を指定してください。通常はエタノールに15分浸漬します（酢酸エチル系の混合液はより厳しい条件です）。その後、斜光でクレイズの有無を確認します。合否基準は、既知のひずみを与えた曲げ試験片（ISO 22088-3、ASTM F791）で校正し、閾値を主観ではなく応力値で定めてください。直交偏光板（ASTM D4093）により、成形時に生じた複屈折を非破壊で確認できます。
- 光学特性。透過率とヘーズはASTM D1003、黄色度指数はASTM E313で評価し、ハードコート部品では、湿度サイクル後のTaberヘーズ変化とクロスハッチ密着性（ASTM D3359）も確認します。耐衝撃グレードでは、耐候試験後の黄変の上限を設けてください。変色するのはPMMAではなく改質剤です。
関連用語と参考情報
量産への適用について
The Sabreen Groupは、アクリル部品のレーザーマーキング、切断、接着、コーティング、溶着に関して、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様決定、材料の認定、量産上の問題のトラブルシューティングをご検討中のお客様は、当社のエンジニアリングサービスチームがお手伝いいたします。ご相談の際は、お問い合わせください。
よくある質問
ファイバーレーザーで透明アクリルにマーキングできますか？
単独ではできません。水のように透明なPMMAは1064 nmを自由に透過するため、ビームは素材を通り抜けて何も起こりません。コンパウンドに約0.1～1%のレーザーマーキング添加剤を配合するか、顔料入りまたは充填グレードを使うか、PMMAが強く吸収するCO2レーザーに切り替える必要があります。
アクリルは溶剤接着の後になぜクレイジングを起こすのですか？
接着剤が残留引張応力に接触したためで、多くの場合、レーザー切断端面や成形端面で起こります。PMMAは空気中では約35 MPaまでクレイジングに耐えますが、エタノールや接着剤の溶剤中では閾値が5～10 MPaまで低下し、アニール前の部品はこれを日常的に超えています。80°Cでアニールし、徐冷してから接着してください。
レーザー加工には、キャストとエクストルードのどちらのアクリルを指定すべきですか？
彫刻と最良の火炎研磨端面にはキャスト材です。分子量が非常に高いため、きれいに気化して明るい白色のフロストが得られます。押出材は安価で厚み公差が厳しい反面、彫刻は透明に近くコントラストが低く、配向応力も残ります。溶剤にさらされる場合は、切断後にアニールしてください。
印刷や接着の前に、PMMAにプラズマ処理やコロナ処理は必要ですか？
必要になることはまれです。38～41 dyne/cmのため、成形したままで大半の溶剤系・UV硬化インク、接着剤を濡らすことができ、前処理は水性インクや一部のハードコート用プライマーに限られます。活性化よりも洗浄のほうが重要で、応力のかかった部品にはアルコールやケトンの洗浄剤を使わず、洗剤と水またはナフサを使えば安全です。
無料お見積もりのご依頼
スコット・サブリーン（Scott Sabreen）— 社長兼チーフエンジニア、30年以上の経験。お客様のアプリケーションと SABREEN のソリューションについて、無料・無償でご相談いただけます。最も難しい課題をぜひお寄せください。
電話: +1 972-820-6777
