Polymethyl methacrylate (PMMA, acrylic)

Polymethyl methacrylate (PMMA, acrylic)

Điểm chính

• PMMA là loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng trong suốt nhất — truyền sáng khoảng 92%, chịu thời tiết tốt hơn polycarbonate, nhưng độ bền va đập thấp hơn nhiều.
• Các loại đúc tấm, đùn và ép phun khác nhau về khối lượng phân tử và ứng suất dư, nên khi khắc laser, cắt và dán chúng cho kết quả khác nhau.
• Laser CO2 làm mờ, khắc chìm và đánh bóng mép bằng ngọn lửa; laser sợi quang cần phụ gia hoặc bột màu đối với các loại trong suốt.
• Nứt chân chim do dung môi là khuyết tật cần thiết kế để tránh. Hãy ủ (anneal) chi tiết trước khi tiếp xúc với bất kỳ dung môi hay keo dán nào, rồi kiểm chứng bằng dung môi chuẩn.

Polymethyl methacrylate (PMMA, acrylic)

Polymethyl methacrylate (PMMA), bán dưới tên acrylic (còn gọi là mica) và các thương hiệu như Plexiglas, Lucite, là nhựa nhiệt dẻo vô định hình, trong như nước, được tạo ra bằng trùng hợp gốc tự do methyl methacrylate; vật liệu kết hợp độ truyền sáng khoảng 92% với khả năng chịu thời tiết ngoài trời xuất sắc, độ cứng bề mặt cao và độ bền va đập thấp. PMMA được dùng cho thấu kính, thanh dẫn sáng, đèn ô tô, biển hiệu, màn hình và vỏ thiết bị y tế, nơi độ trong phải bền dưới ánh nắng.

Có ba dạng vật liệu đến dây chuyền gia công thứ cấp và mỗi dạng ứng xử khác nhau. Tấm đúc, trùng hợp giữa hai tấm kính đạt trên 1.000.000 g/mol, có khả năng chống nứt chân chim tốt nhất và đáp ứng laser sạch nhất. Tấm đùn, khoảng 100.000–150.000 g/mol, rẻ hơn và giữ dung sai độ dày chặt hơn nhưng mang ứng suất định hướng từ khuôn đùn. Các loại ép phun (MFR 2–25 g/10 phút) dùng cho thấu kính và vỏ; loại biến tính chịu va đập bổ sung các hạt cao su lõi–vỏ giúp tăng độ bền va đập có khía lên gấp ba đến năm lần, đổi lại độ trong giảm đôi chút.

Các đặc tính chi phối quá trình gia công

Khắc laser và cắt

PMMA hấp thụ mạnh bức xạ 10,6 µm và bị khử trùng hợp thay vì cháy thành than: trên khoảng 300°C, mạch polymer tách dần thành hơi monomer, nên laser CO2 khắc chìm gần như không để lại cặn carbon. Tấm đúc cho lớp mờ trắng sáng; vật liệu đùn và ép phun chảy lại và vết khắc trong hơn, độ tương phản thấp hơn. Cần hút hơi; MMA dễ cháy.

Các loại trong suốt truyền gần như hoàn toàn bước sóng 1064 nm, nên laser sợi quang cần phụ gia khắc laser (thường là 0,1–1% bột màu gốc mica hoặc oxit thiếc) hoặc loại có bột màu hay có chất độn. Nguồn UV (355 nm) khắc mịn các loại đã ổn định và có bột màu với rất ít nhiệt, nhưng phần lớn xuyên qua vật liệu trong suốt không ổn định, nên cần thử trước. Biểu đồ khắc laser so sánh các hướng đi.

Việc cắt theo cùng cơ chế hóa học: chùm CO2 để lại mép bóng, được đánh bóng bằng ngọn lửa trên tấm đúc và một gờ chảy nhẹ trên tấm đùn. Cả hai loại mép đều mang ứng suất kéo dư, và dán keo lên mép cắt laser chưa ủ là nguồn gây nứt chân chim phổ biến nhất trong gia công acrylic (xem cắt laser so với khắc chìm). Chi tiết chịu ứng suất cũng có thể nứt chân chim quanh vết khắc; hãy ủ trước và dùng cường độ chiếu thấp hơn.

Dán keo, in và phủ

Ở mức 38–41 dyne/cm, PMMA thấm ướt hầu hết các loại mực, keo và lớp phủ, nên năng lượng bề mặt hiếm khi là yếu tố giới hạn; xử lý corona hoặc plasma chỉ dành cho mực gốc nước và một số lớp lót của lớp phủ cứng. Giới hạn nằm ở nứt do ứng suất môi trường: rượu, ketone, ester, hợp chất thơm, nước lau kính chứa amoniac và chất hóa dẻo di chuyển đều gây nứt chân chim trên acrylic chịu ứng suất. Ứng suất tới hạn trong ethanol vào khoảng 5–10 MPa so với 35 MPa trong không khí, mức mà chi tiết chưa ủ thường xuyên mang phải.

Trình tự hiệu quả là ủ, làm sạch bằng chất tẩy rửa và nước hoặc naphtha, rồi mới dán. Các hệ tương thích: keo dung môi (methylene chloride cho mối dán mỏng, keo MMA hai thành phần để lấp khe hở), acrylic đóng rắn UV cho cụm quang học, và epoxy hoặc polyurethane cho các vật liệu nền khác loại. Cyanoacrylate gây trắng mờ và nứt chân chim. In lụa, in tampon và in phun dùng mực dung môi và mực đóng rắn UV trực tiếp được; nứt chân chim dưới lớp in là do ứng suất, không phải do độ bám dính.

Tấm không phủ tăng độ mờ đục 20–30% sau 100 chu kỳ Taber (ASTM D1044), vì vậy thấu kính và kính lắp được phủ lớp cứng siloxane hoặc acrylic-urethane đóng rắn UV dày 3–10 µm để giữ độ mờ dưới 2–5%. Lớp phủ đóng rắn nhiệt cần chi tiết được sấy khô trước và chế độ nhiệt thấp hơn HDT; xem lớp phủ cứng cho polycarbonate và acrylic để biết về lớp lót, đóng rắn và thử nghiệm.

Hàn

PMMA là vật liệu vô định hình và hàn được ở trường xa nhưng giòn, nên hàn siêu âm làm nứt ở biên độ cao: giữ biên độ 20 kHz ở khoảng 30–50 µm hoặc chuyển sang 30–40 kHz, kèm gờ dẫn năng lượng với tiết diện mỏng. PMMA trong suốt truyền bước sóng 808–1064 nm, nên hàn laser cần chất hấp thụ cận hồng ngoại ở phần dưới (carbon black trên vỏ tối màu, thuốc nhuộm hoặc lớp phủ ít nhìn thấy cho mối ghép trong–trong) hoặc nguồn 1,5–2 µm mà PMMA tự hấp thụ. Thấu kính PMMA trong suốt trên vỏ PC hoặc PC/ABS màu đen là mối ghép đèn ô tô điển hình; polycarbonate và PMMA kết hợp tốt miễn là PMMA truyền được tia và cửa sổ hàn tôn trọng Tg thấp hơn của nó.

Xử lý sự cố các công đoạn thứ cấp với PMMA

Chỉ định và kiểm chứng chi tiết PMMA

• Ủ. Chỉ định cho mọi chi tiết sẽ dán keo, lau dung môi, cắt laser hoặc phủ lớp cứng: 80°C cho chi tiết đùn và ép phun (tới 90°C với loại đúc), khoảng 1 giờ cho mỗi mm và tối thiểu 2 giờ, làm nguội không quá 15–20°C mỗi giờ xuống dưới 40°C. Làm nguội nhanh sẽ tạo lại ứng suất.
• Ứng suất dư. Chỉ định thử nghiệm bằng dung môi chuẩn: thường là ethanol trong 15 phút (hỗn hợp ethyl acetate khắc nghiệt hơn), sau đó kiểm tra vết nứt chân chim dưới ánh sáng chiếu xiên. Hiệu chuẩn tiêu chí đạt/không đạt bằng các mẫu dải uốn ở biến dạng đã biết (ISO 22088-3, ASTM F791) để ngưỡng là một giá trị ứng suất, không phải ý kiến chủ quan. Kính phân cực chéo (ASTM D4093) sàng lọc hiện tượng lưỡng chiết tạo ra khi ép phun mà không gây hư hại.
• Quang học. Độ truyền sáng và độ mờ đục theo ASTM D1003, chỉ số vàng theo ASTM E313 và, với chi tiết phủ lớp cứng, mức thay đổi độ mờ Taber cùng độ bám dính cắt ô (ASTM D3359) sau chu kỳ ẩm. Các loại biến tính chịu va đập cần giới hạn độ ngả vàng sau thử thời tiết; chất biến tính, không phải PMMA, mới là thứ đổi màu.

Thuật ngữ và tài liệu liên quan

• Polycarbonate
• Khắc laser trên acrylic
• Hàn laser nhựa trong–trong
• Khắc laser trên nhựa
• Dán keo và ghép nối
• Lớp phủ công nghiệp

Ứng dụng vào sản xuất thực tế

The Sabreen Group cung cấp hỗ trợ kỹ thuật độc lập cho khắc laser, cắt, dán keo, phủ và hàn các chi tiết acrylic. Nếu quý khách đang chỉ định một quy trình, thẩm định vật liệu hoặc xử lý sự cố sản xuất, đội ngũ dịch vụ kỹ thuật của chúng tôi có thể hỗ trợ. Hãy liên hệ để trao đổi về ứng dụng của quý khách.

Câu hỏi thường gặp

Laser sợi quang có khắc được acrylic trong suốt không?

Không thể tự khắc được. PMMA trong như nước truyền 1064 nm tự do, nên chùm tia xuyên qua và không có gì xảy ra. Hợp chất phải chứa phụ gia khắc laser ở mức khoảng 0,1–1%, hoặc loại vật liệu phải có bột màu hay chất độn, hoặc chuyển sang laser CO2, loại mà PMMA hấp thụ mạnh.

Vì sao acrylic bị nứt chân chim sau khi dán bằng keo dung môi?

Vì keo gặp ứng suất kéo dư, thường ở mép cắt laser hoặc mép ép phun. Trong không khí PMMA chịu được khoảng 35 MPa trước khi nứt chân chim; trong ethanol hoặc dung môi của keo, ngưỡng này giảm còn 5–10 MPa, mức mà chi tiết chưa ủ thường xuyên vượt qua. Hãy ủ ở 80°C, làm nguội chậm rồi mới dán.

Nên chỉ định acrylic đúc hay đùn cho gia công laser?

Chọn loại đúc để khắc chìm và có mép đánh bóng bằng ngọn lửa tốt nhất: khối lượng phân tử rất cao của nó bay hơi sạch và để lại lớp mờ trắng sáng. Loại đùn rẻ hơn và giữ dung sai độ dày chặt hơn nhưng khắc trong hơn với độ tương phản thấp hơn và mang ứng suất định hướng; hãy ủ sau khi cắt nếu chi tiết sẽ tiếp xúc dung môi.

PMMA có cần tiền xử lý plasma hoặc corona trước khi in hay dán không?

Hiếm khi. Ở mức 38–41 dyne/cm, nó thấm ướt hầu hết mực dung môi và mực đóng rắn UV, keo dung môi và keo dán ngay khi vừa ép phun, nên tiền xử lý chỉ dành cho mực gốc nước và một số lớp lót của lớp phủ cứng. Làm sạch quan trọng hơn hoạt hóa, và chất tẩy không được là rượu hay ketone trên chi tiết chịu ứng suất; chất tẩy rửa với nước hoặc naphtha là an toàn.

---