พอลิเมทิลเมทาคริเลต (PMMA, อะคริลิก)

พอลิเมทิลเมทาคริเลต (PMMA, อะคริลิก)

ประเด็นสำคัญ

• PMMA เป็นเทอร์โมพลาสติกทั่วไปที่ใสที่สุด ผ่านแสงได้ราว 92% ทนสภาพอากาศดีกว่าพอลิคาร์บอเนต แต่ทนแรงกระแทกได้ต่ำกว่ามาก
• เกรดแบบหล่อ แบบอัดรีด และแบบขึ้นรูปมีน้ำหนักโมเลกุลและความเค้นตกค้างต่างกัน จึงตอบสนองต่อการมาร์กด้วยเลเซอร์ การตัด และการยึดติดต่างกัน
• เลเซอร์ CO2 ทำให้เกิดรอยฝ้า แกะสลัก และขัดเงาขอบด้วยเปลวความร้อนได้ ส่วนไฟเบอร์เลเซอร์ต้องใช้สารเติมแต่งหรือเม็ดสีในเกรดใส
• การแตกลายงาจากตัวทำละลายเป็นข้อบกพร่องที่ต้องออกแบบเพื่อป้องกัน ควรอบอ่อนก่อนที่ตัวทำละลายหรือซีเมนต์จะสัมผัสชิ้นงาน แล้วตรวจสอบด้วยตัวทำละลายอ้างอิง

พอลิเมทิลเมทาคริเลต (PMMA, อะคริลิก)

พอลิเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) ซึ่งจำหน่ายในชื่ออะคริลิกและภายใต้ชื่อการค้า เช่น Plexiglas และ Lucite เป็นเทอร์โมพลาสติกอสัณฐานใสเหมือนน้ำ ผลิตจากการพอลิเมอไรเซชันแบบอนุมูลอิสระของเมทิลเมทาคริเลต มีการผ่านของแสงราว 92% ทนสภาพอากาศกลางแจ้งได้ดีเยี่ยม ความแข็งผิวสูง แต่ทนแรงกระแทกต่ำ ใช้ทำเลนส์ ท่อนำแสง ไฟรถยนต์ ป้ายโฆษณา จอแสดงผล และตัวเรือนอุปกรณ์การแพทย์ ในงานที่ความใสต้องคงอยู่ภายใต้แสงแดด

วัสดุที่เข้าสู่สายการแปรรูปขั้นรองมี 3 รูปแบบ ซึ่งมีพฤติกรรมต่างกัน แผ่นหล่อ ที่พอลิเมอไรซ์ระหว่างแผ่นกระจกจนมีน้ำหนักโมเลกุลสูงกว่า 1,000,000 g/mol ทนต่อการแตกลายงาได้ดีที่สุดและตอบสนองต่อเลเซอร์ได้สะอาดที่สุด แผ่นอัดรีด ที่มีน้ำหนักโมเลกุลราว 100,000–150,000 g/mol ราคาถูกกว่าและควบคุมความหนาได้แม่นยำกว่า แต่มีความเค้นจากการจัดเรียงโมเลกุลที่มาจากหัวดาย เกรดสำหรับขึ้นรูป (MFR 2–25 g/10 min) ใช้ผลิตเลนส์และตัวเรือน ส่วนเกรดปรับปรุงแรงกระแทกเติมอนุภาคยางแบบแกน-เปลือกที่เพิ่มความทนแรงกระแทกแบบมีรอยบากได้ 3–5 เท่า โดยต้องแลกกับความใสที่ลดลงบ้าง

คุณสมบัติที่กำหนดการแปรรูป

การมาร์กและการตัดด้วยเลเซอร์

PMMA ดูดซับรังสี 10.6 µm ได้ดีและสลายตัวกลับเป็นโมโนเมอร์แทนการกลายเป็นถ่าน กล่าวคือที่อุณหภูมิสูงกว่าราว 300°C สายโซ่จะสลายตัวต่อเนื่องเป็นไอโมโนเมอร์ เลเซอร์ CO2 จึงแกะสลักได้โดยแทบไม่มีคาร์บอนตกค้าง แผ่นหล่อให้รอยฝ้าสีขาวสว่าง ส่วนวัสดุอัดรีดและขึ้นรูปจะหลอมไหลซ้ำและให้รอยมาร์กที่ใสกว่า ความคมชัดน้อยกว่า ต้องดูดไอระเหยออก เพราะ MMA ติดไฟได้

เกรดใสผ่านความยาวคลื่น 1064 nm ได้เกือบทั้งหมด ไฟเบอร์เลเซอร์จึงต้องใช้สารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์ (โดยทั่วไป 0.1–1% ของเม็ดสีกลุ่มไมกาหรือทินออกไซด์) หรือเกรดที่ผสมสีหรือเติมสารเติมเต็ม แหล่งกำเนิด UV (355 nm) มาร์กเกรดที่เติมสารเสถียรและเกรดที่ผสมสีได้ละเอียดโดยใช้ความร้อนน้อย แต่แทบจะผ่านวัสดุใสที่ไม่เติมสารเสถียรไปทั้งหมด จึงควรทดลองก่อน ตารางการมาร์กด้วยเลเซอร์เปรียบเทียบแต่ละแนวทาง

การตัดใช้หลักเคมีเดียวกัน คือลำแสง CO2 ให้ขอบเงามันแบบขัดด้วยเปลวความร้อนบนแผ่นหล่อ และมีสันหลอมเล็กน้อยบนแผ่นอัดรีด ขอบทั้งสองแบบมีความเค้นดึงตกค้าง และการทาซีเมนต์บนขอบตัดด้วยเลเซอร์ที่ยังไม่ได้อบอ่อนเป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของการแตกลายงาในงานอะคริลิก (ดูการตัดด้วยเลเซอร์เทียบกับการแกะสลัก) ชิ้นงานที่มีความเค้นอาจเกิดรอยแตกลายงารอบรอยมาร์กได้เช่นกัน จึงควรอบอ่อนก่อนและใช้ความหนาแน่นรังสีที่ต่ำลง

การยึดติด การพิมพ์ และการเคลือบ

ที่ 38–41 dyne/cm PMMA ให้หมึก กาว และสารเคลือบส่วนใหญ่เปียกผิวได้ดี พลังงานพื้นผิวจึงแทบไม่เป็นข้อจำกัด โคโรนาหรือพลาสมาสงวนไว้สำหรับหมึกฐานน้ำและไพรเมอร์ของชั้นเคลือบแข็งบางชนิด ข้อจำกัดอยู่ที่การแตกร้าวจากความเค้นสิ่งแวดล้อม ได้แก่ แอลกอฮอล์ คีโตน เอสเทอร์ สารอะโรมาติก น้ำยาเช็ดกระจกที่มีแอมโมเนีย และสารพลาสติไซเซอร์ที่ย้ายตัว ล้วนทำให้อะคริลิกที่มีความเค้นเกิดการแตกลายงา ความเค้นวิกฤตในเอทานอลอยู่ที่ราว 5–10 MPa เทียบกับ 35 MPa ในอากาศ ซึ่งเป็นระดับที่ชิ้นงานที่ไม่ได้อบอ่อนมีอยู่เป็นปกติ

ลำดับที่ได้ผลคือ อบอ่อน ทำความสะอาดด้วยผงซักฟอกกับน้ำหรือแนฟทา แล้วจึงยึดติด ระบบที่เข้ากันได้ ได้แก่ ซีเมนต์ตัวทำละลาย (เมทิลีนคลอไรด์สำหรับรอยต่อบาง ซีเมนต์ MMA สองส่วนสำหรับเติมช่องว่าง) อะคริลิกบ่มด้วย UV สำหรับชุดประกอบทางแสง และอีพอกซีหรือพอลิยูรีเทนสำหรับวัสดุต่างชนิด ไซยาโนอะคริเลตทำให้เกิดคราบขาวและแตกลายงา การพิมพ์สกรีน แพด และอิงก์เจ็ทใช้หมึกตัวทำละลายและหมึกบ่มด้วย UV ได้โดยตรง การแตกลายงาใต้งานพิมพ์เกิดจากความเค้น ไม่ใช่การยึดเกาะ

แผ่นที่ไม่เคลือบจะมีค่าความขุ่นเพิ่มขึ้น 20–30% ภายใน 100 รอบการทดสอบ Taber (ASTM D1044) เลนส์และกระจกจึงต้องเคลือบแข็งด้วยซิลอกเซนหรืออะคริลิก-ยูรีเทนบ่มด้วย UV หนา 3–10 µm ซึ่งคุมค่าความขุ่นให้ต่ำกว่า 2–5% ชั้นเคลือบที่บ่มด้วยความร้อนต้องอบชิ้นงานให้แห้งก่อนและใช้ตารางอุณหภูมิที่ต่ำกว่า HDT ดูชั้นเคลือบแข็งสำหรับพอลิคาร์บอเนตและอะคริลิกสำหรับไพรเมอร์ การบ่ม และการทดสอบ

การเชื่อม

PMMA เป็นวัสดุอสัณฐานและเชื่อมแบบระยะไกลได้ แต่เปราะ การเชื่อมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจึงทำให้แตกร้าวเมื่อใช้แอมพลิจูดสูง ควรคุมแอมพลิจูดที่ 20 kHz ไว้ราว 30–50 µm หรือเปลี่ยนไปใช้ 30–40 kHz และใช้ตัวนำพลังงานในส่วนที่บาง PMMA ใสผ่านความยาวคลื่น 808–1064 nm ได้ การเชื่อมด้วยเลเซอร์จึงต้องมีสารดูดซับอินฟราเรดใกล้ในชิ้นล่าง (คาร์บอนแบล็กบนตัวเรือนสีเข้ม สีย้อมหรือสารเคลือบที่มองเห็นได้น้อยสำหรับรอยต่อใสกับใส) หรือใช้แหล่งกำเนิด 1.5–2 µm ที่ PMMA ดูดซับได้เอง เลนส์ PMMA ใสบนตัวเรือน PC หรือ PC/ABS สีดำคือรอยต่อไฟรถยนต์ พอลิคาร์บอเนตกับ PMMA ใช้คู่กันได้ดี หากชั้น PMMA ยอมให้แสงผ่านและช่วงอุณหภูมิเชื่อมคำนึงถึง Tg ที่ต่ำกว่า

การแก้ปัญหาในกระบวนการขั้นรองของ PMMA

การกำหนดและตรวจสอบชิ้นงาน PMMA

• การอบอ่อน กำหนดไว้สำหรับชิ้นงานทุกชิ้นที่จะทาซีเมนต์ ล้างด้วยตัวทำละลาย ตัดด้วยเลเซอร์ หรือเคลือบแข็ง: 80°C สำหรับชิ้นงานอัดรีดและขึ้นรูป (สูงสุด 90°C สำหรับแบบหล่อ) ประมาณ 1 ชม. ต่อมิลลิเมตร ขั้นต่ำ 2 ชม. และลดอุณหภูมิไม่เกิน 15–20°C ต่อชั่วโมงจนต่ำกว่า 40°C การเย็นเร็วจะทำให้เกิดความเค้นขึ้นอีก
• ความเค้นตกค้าง กำหนดการทดสอบด้วยตัวทำละลายอ้างอิง โดยทั่วไปใช้เอทานอล 15 นาที (ส่วนผสมเอทิลอะซีเทตรุนแรงกว่า) แล้วตรวจหารอยแตกลายงาภายใต้แสงเฉียง ปรับเทียบเกณฑ์ผ่าน/ไม่ผ่านกับแถบโค้งงอที่ทราบค่าความเครียด (ISO 22088-3, ASTM F791) เพื่อให้เกณฑ์เป็นค่าความเค้น ไม่ใช่ความเห็น แผ่นโพลาไรเซอร์ไขว้ (ASTM D4093) ใช้คัดกรองการหักเหแสงคู่ที่เกิดจากการขึ้นรูปโดยไม่ทำลายชิ้นงาน
• คุณสมบัติทางแสง ค่าการส่องผ่านและความขุ่นตาม ASTM D1003 ดัชนีความเหลืองตาม ASTM E313 และสำหรับชิ้นงานเคลือบแข็ง ให้วัดการเปลี่ยนแปลงความขุ่นแบบ Taber และการยึดเกาะแบบขีดตาราง (ASTM D3359) หลังวัฏจักรความชื้น เกรดปรับปรุงแรงกระแทกต้องมีขีดจำกัดการเหลืองหลังการทดสอบสภาพอากาศ เพราะสารปรับปรุงเป็นตัวที่เปลี่ยนสี ไม่ใช่ PMMA

ศัพท์และบทความที่เกี่ยวข้อง

• พอลิคาร์บอเนต
• การมาร์กอะคริลิกด้วยเลเซอร์
• การเชื่อมพลาสติกใสกับใสด้วยเลเซอร์
• การมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์
• การยึดติดด้วยกาวและการประกอบ
• สารเคลือบอุตสาหกรรม

การนำไปใช้ในการผลิต

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมแบบอิสระสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์ การตัด การยึดติด การเคลือบ และการเชื่อมชิ้นส่วนอะคริลิก หากอยู่ระหว่างกำหนดกระบวนการ รับรองวัสดุ หรือแก้ปัญหาในสายการผลิต ทีมบริการด้านวิศวกรรมของเรายินดีช่วยเหลือ ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งาน

คำถามที่พบบ่อย

ไฟเบอร์เลเซอร์มาร์กอะคริลิกใสได้หรือไม่

ไม่ได้หากไม่มีสารช่วย PMMA ใสเหมือนน้ำผ่านความยาวคลื่น 1064 nm ได้อย่างอิสระ ลำแสงจึงทะลุผ่านและไม่เกิดผลใด ๆ คอมพาวด์ต้องมีสารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์ราว 0.1–1% หรือเกรดต้องผสมสีหรือเติมสารเติมเต็ม หรือเปลี่ยนไปใช้เลเซอร์ CO2 ซึ่ง PMMA ดูดซับได้ดี

เหตุใดอะคริลิกจึงแตกลายงาหลังทาซีเมนต์ตัวทำละลาย

เพราะซีเมนต์ไปสัมผัสกับความเค้นดึงตกค้าง ซึ่งมักอยู่ที่ขอบที่ตัดด้วยเลเซอร์หรือขอบจากการขึ้นรูป ในอากาศ PMMA ทนได้ราว 35 MPa ก่อนแตกลายงา แต่ในเอทานอลหรือตัวทำละลายของซีเมนต์ เกณฑ์ลดลงเหลือ 5–10 MPa ซึ่งชิ้นงานที่ไม่ได้อบอ่อนเกินเป็นปกติ ควรอบอ่อนที่ 80°C ทำให้เย็นลงช้า ๆ แล้วจึงทาซีเมนต์

งานเลเซอร์ควรกำหนดใช้อะคริลิกแบบหล่อหรือแบบอัดรีด

แบบหล่อเหมาะกับการแกะสลักและให้ขอบขัดเงาด้วยเปลวความร้อนที่ดีที่สุด เพราะน้ำหนักโมเลกุลที่สูงมากระเหยได้สะอาดและเหลือรอยฝ้าสีขาวสว่าง แบบอัดรีดราคาถูกกว่าและควบคุมความหนาได้แม่นยำกว่า แต่แกะสลักแล้วใสกว่า ความคมชัดน้อยกว่า และมีความเค้นจากการจัดเรียงโมเลกุล ควรอบอ่อนหลังตัดหากชิ้นงานจะสัมผัสตัวทำละลาย

PMMA ต้องปรับสภาพด้วยพลาสมาหรือโคโรนาก่อนพิมพ์หรือยึดติดหรือไม่

ไม่ค่อยจำเป็น ที่ 38–41 dyne/cm หมึกตัวทำละลายและหมึกบ่มด้วย UV ซีเมนต์ และกาวส่วนใหญ่เปียกผิวได้ทันทีหลังขึ้นรูป การปรับสภาพจึงสงวนไว้สำหรับหมึกฐานน้ำและไพรเมอร์ชั้นเคลือบแข็งบางชนิด การทำความสะอาดสำคัญกว่าการกระตุ้นผิว และสารทำความสะอาดต้องไม่ใช่แอลกอฮอล์หรือคีโตนเมื่อชิ้นงานมีความเค้น ผงซักฟอกกับน้ำหรือแนฟทาปลอดภัย

---