Polimetakrylan metylu (PMMA, akryl)

Polimetakrylan metylu (PMMA, akryl)

Najważniejsze wnioski

• PMMA to najprzejrzystsze z powszechnych tworzyw termoplastycznych — około 92% przepuszczalności światła, lepsza odporność na warunki atmosferyczne niż poliwęglan, ale znacznie niższa udarność.
• Gatunki odlewane, wytłaczane i do wtrysku różnią się masą cząsteczkową i naprężeniami własnymi, więc inaczej reagują na laser, cięcie i klejenie.
• Lasery CO2 matowią, grawerują i polerują płomieniowo to tworzywo; lasery światłowodowe wymagają na gatunkach przezroczystych dodatku lub pigmentu.
• Pękanie rozpuszczalnikowe (crazing) jest wadą, przed którą trzeba się zabezpieczyć już w projekcie. Przed kontaktem z jakimkolwiek rozpuszczalnikiem lub klejem element należy odprężyć, a następnie sprawdzić rozpuszczalnikiem wzorcowym.

Polimetakrylan metylu (PMMA, akryl)

Polimetakrylan metylu (PMMA), sprzedawany jako akryl oraz pod nazwami handlowymi takimi jak Plexiglas i Lucite, to amorficzne, krystalicznie przezroczyste tworzywo termoplastyczne otrzymywane przez polimeryzację rodnikową metakrylanu metylu. Łączy ok. 92% przepuszczalności światła z doskonałą odpornością na warunki zewnętrzne, dużą twardością powierzchni i niską udarnością. Stosuje się je w soczewkach, światłowodach, lampach samochodowych, szyldach, wyświetlaczach i obudowach medycznych wszędzie tam, gdzie przejrzystość musi przetrwać działanie słońca.

Na linię obróbki wtórnej trafiają trzy postaci, które zachowują się odmiennie. Płyta odlewana, polimeryzowana między płytami szklanymi do masy cząsteczkowej powyżej 1 000 000 g/mol, ma najlepszą odporność na pękanie i najczystszą reakcję na laser. Płyta wytłaczana, ok. 100 000–150 000 g/mol, jest tańsza i zachowuje mniejsze tolerancje grubości, ale niesie naprężenia orientacji pochodzące z ustnika. Gatunki do wtrysku (MFR 2–25 g/10 min) służą do wytwarzania soczewek i obudów; gatunki modyfikowane udarowo zawierają cząstki kauczuku typu rdzeń–powłoka, które zwiększają udarność z karbem trzy- do pięciokrotnie kosztem pewnego spadku przejrzystości.

Właściwości decydujące o przetwarzaniu

Znakowanie laserowe i cięcie

PMMA silnie pochłania promieniowanie 10,6 µm i ulega depolimeryzacji zamiast się zwęglać: powyżej ok. 300°C łańcuch rozpada się do pary monomeru, dlatego laser CO2 graweruje prawie bez pozostałości węgla. Płyta odlewana daje jasnobiały efekt matowy; materiał wytłaczany i wtryskowy ulega ponownemu upłynnieniu i znakuje się przejrzyściej, z mniejszym kontrastem. Pary należy odciągać; MMA jest łatwopalny.

Gatunki przezroczyste prawie całkowicie przepuszczają 1064 nm, dlatego laser światłowodowy wymaga dodatku do znakowania laserowego (zwykle 0,1–1% pigmentu na bazie miki lub tlenku cyny) albo gatunku pigmentowanego lub wypełnionego. Źródła UV (355 nm) precyzyjnie znakują gatunki stabilizowane i pigmentowane przy niewielkim nagrzaniu, ale w dużej mierze przechodzą przez niestabilizowany materiał przezroczysty, więc najpierw należy wykonać próbę. Zestawienie do znakowania laserowego porównuje poszczególne drogi.

Cięcie opiera się na tej samej chemii: wiązka CO2 pozostawia na płycie odlewanej błyszczącą, polerowaną płomieniowo krawędź, a na wytłaczanej niewielki wał stopiony. Obie krawędzie niosą resztkowe naprężenia rozciągające, a klejenie nieodprężonej krawędzi ciętej laserem jest najczęstszą przyczyną pękania w obróbce akrylu (zob. cięcie laserowe a grawerowanie). Element naprężony może też pękać wokół znaku; należy najpierw odprężyć i stosować niższe natężenie promieniowania.

Klejenie, zadruk i powłoki

Przy 38–41 dyne/cm PMMA jest zwilżany przez większość farb, klejów i powłok, więc energia powierzchniowa rzadko bywa ograniczeniem; obróbkę koronową lub plazmową stosuje się wyłącznie do farb wodnych i niektórych podkładów pod powłoki twarde. Ograniczeniem jest pękanie naprężeniowe pod wpływem środowiska: alkohole, ketony, estry, związki aromatyczne, środki do szkła na bazie amoniaku i migrujące plastyfikatory powodują pękanie naprężonego akrylu. Naprężenie krytyczne w etanolu wynosi ok. 5–10 MPa wobec 35 MPa w powietrzu, a taki poziom nieodprężony element rutynowo przenosi.

Skuteczna kolejność to odprężenie, czyszczenie detergentem z wodą lub benzyną ekstrakcyjną, a następnie klejenie. Zgodne układy: kleje rozpuszczalnikowe (chlorek metylenu do cienkich spoin, dwuskładnikowe kleje MMA do wypełniania szczelin), akryle utwardzane UV do zespołów optycznych oraz żywice epoksydowe lub poliuretany do podłoży różnorodnych. Cyjanoakrylany powodują zmatowienie i pękanie. Sitodruk, tampondruk i druk atramentowy przyjmują bezpośrednio farby rozpuszczalnikowe i utwardzane UV; pękanie pod nadrukiem to skutek naprężeń, a nie przyczepności.

Niepowlekana płyta zyskuje 20–30% zmętnienia po 100 cyklach Tabera (ASTM D1044), dlatego soczewki i szyby otrzymują powłokę twardą o grubości 3–10 µm z siloksanu lub akrylouretanu utwardzanego UV, która utrzymuje zmętnienie poniżej 2–5%. Powłoki utwardzane termicznie wymagają wcześniej wysuszonych elementów i harmonogramu poniżej HDT; podkłady, utwardzanie i badania opisano w artykule o powłokach twardych do poliwęglanu i akrylu.

Spawanie

PMMA jest amorficzny i spawa się w polu dalekim, ale jest kruchy, więc spawanie ultradźwiękowe powoduje jego pękanie przy dużej amplitudzie: amplitudę 20 kHz należy utrzymywać w okolicach 30–50 µm lub przejść na 30–40 kHz, stosując na cienkich przekrojach prowadnik energii. Przezroczysty PMMA przepuszcza 808–1064 nm, więc spawanie laserowe wymaga absorbera bliskiej podczerwieni w dolnej części (sadza w ciemnej obudowie, mało widoczny barwnik lub powłoka dla połączeń przezroczysty z przezroczystym) albo źródła 1,5–2 µm, które PMMA pochłania samoistnie. Przezroczysta soczewka z PMMA na czarnej obudowie z PC lub PC/ABS to typowe połączenie lamp samochodowych; poliwęglan i PMMA dobrze współpracują, o ile PMMA przepuszcza promieniowanie, a okno procesu uwzględnia jego niższą Tg.

Rozwiązywanie problemów w operacjach wtórnych na PMMA

Określanie i weryfikacja elementów z PMMA

• Odprężanie. Należy je wymagać dla każdego elementu, który będzie klejony rozpuszczalnikowo, czyszczony rozpuszczalnikiem, cięty laserem lub powlekany powłoką twardą: 80°C dla elementów wytłaczanych i wtryskowych (do 90°C dla odlewanych), ok. 1 h na mm przy minimum 2 h, chłodzenie nie szybsze niż 15–20°C na godzinę do temperatury poniżej 40°C. Szybkie chłodzenie ponownie wprowadza naprężenia.
• Naprężenia własne. Należy określić test rozpuszczalnikiem wzorcowym: zwykle etanol przez 15 min (mieszaniny z octanem etylu są ostrzejsze), po czym oglądać element w świetle padającym pod kątem w poszukiwaniu pęknięć. Kryterium przyjęcia/odrzucenia należy skalibrować na paskach zginanych o znanym odkształceniu (ISO 22088-3, ASTM F791), aby próg był wartością naprężenia, a nie opinią. Skrzyżowane polaryzatory (ASTM D4093) pozwalają bezinwazyjnie ocenić dwójłomność wtryskową.
• Optyka. Przepuszczalność i zmętnienie wg ASTM D1003, wskaźnik żółknięcia wg ASTM E313, a dla elementów z powłoką twardą — zmiana zmętnienia w teście Tabera oraz przyczepność metodą siatki nacięć (ASTM D3359) po cyklach wilgotnościowych. Gatunki modyfikowane udarowo wymagają limitu żółknięcia po starzeniu atmosferycznym; przebarwia się modyfikator, a nie PMMA.

Powiązane pojęcia i lektura uzupełniająca

• Poliwęglan
• Znakowanie laserowe akrylu
• Spawanie laserowe tworzyw sztucznych typu przezroczysty z przezroczystym
• Znakowanie laserowe tworzyw sztucznych
• Klejenie i łączenie
• Powłoki przemysłowe

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie znakowania laserowego, cięcia, klejenia, powlekania i spawania elementów akrylowych. Jeżeli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub rozwiązują problem produkcyjny, pomoże nasz zespół usług inżynieryjnych. Skontaktuj się z nami, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Czy laser światłowodowy może znakować przezroczysty akryl?

Samodzielnie nie. Krystalicznie przezroczysty PMMA swobodnie przepuszcza 1064 nm, więc wiązka przechodzi na wylot i nic się nie dzieje. Mieszanka musi zawierać dodatek do znakowania laserowego w ilości ok. 0,1–1%, gatunek musi być pigmentowany lub wypełniony albo zadanie należy przenieść na laser CO2, który PMMA silnie pochłania.

Dlaczego akryl pęka po klejeniu rozpuszczalnikowym?

Ponieważ klej trafił na resztkowe naprężenia rozciągające, zwykle na krawędzi ciętej laserem lub wtryskowej. W powietrzu PMMA wytrzymuje ok. 35 MPa przed pęknięciem; w etanolu lub rozpuszczalniku kleju próg spada do 5–10 MPa, który nieodprężony element rutynowo przekracza. Należy odprężyć w 80°C, powoli ostudzić, a dopiero potem kleić.

Czy do prac laserowych określać akryl odlewany, czy wytłaczany?

Odlewany do grawerowania i uzyskania najlepszej krawędzi polerowanej płomieniowo: jego bardzo duża masa cząsteczkowa odparowuje czysto i pozostawia jasnobiały efekt matowy. Wytłaczany jest tańszy i zachowuje mniejsze tolerancje grubości, ale grawerowany jest przejrzystszy, z mniejszym kontrastem, i niesie naprężenia orientacji; jeżeli będzie miał kontakt z rozpuszczalnikiem, należy go odprężyć po cięciu.

Czy PMMA wymaga obróbki plazmowej lub koronowej przed zadrukiem lub klejeniem?

Rzadko. Przy 38–41 dyne/cm w stanie wtryskowym jest zwilżany przez większość farb rozpuszczalnikowych i utwardzanych UV, klejów rozpuszczalnikowych i innych klejów, więc obróbkę wstępną zarezerwowano dla farb wodnych i kilku podkładów pod powłoki twarde. Czyszczenie ma większe znaczenie niż aktywacja, a środkiem czyszczącym na elemencie naprężonym nie może być alkohol ani keton; bezpieczne są detergent z wodą lub benzyna ekstrakcyjna.

---