Акриловый пластик: свойства, производство и будущие тенденции

Основы

Акриловый пластик — семейство синтетических полимеров, производных акриловой кислоты. Самый известный представитель — полиметилметакрилат (PMMA), продается под брендами Plexiglas, Lucite, Perspex, Crystallite. PMMA — прочный, высокопрозрачный материал с выдающейся устойчивостью к ультрафиолету и выветриванию. Универсальность — окраска, литье, резка, сверление, термоформование — делает его идеальным для ветровых лобовых стекол самолетов, люков, задних фар авто, наружной рекламы и даже легендарных двухслойных изолирующих панелей потолка Хьюстонского Астродома.

Полимеры — длинные цепи повторяющихся молекулярных единиц. Термин от греческих корней «много частей». При объединении единиц материал получает свойства, далеко превосходящие свойства компонентов — как если бы сырые материалы в коробке превратились в работающий цветной телевизор.

Первый полимер — целлулоид (1869) из нитрата целлюлозы и камфоры — нашел применение в фотопленке, гребнях, воротничках. В 1909 Лео Бэкленд представил бекелит — фенолформальдегидную смолу, которую можно было обрабатывать, лить, окрашивать; стал основой радио, телефонов, электрооборудования, столешниц, пуговиц, ножевых рукояток.

Акриловая кислота известна с 1843, метакриловая — её производная — с 1865. Реакция метакриловой кислоты с метиловым спиртом дает метилметакрилат — мономер, который при полимеризации (немецкие химики Фиттиг и Пауль, 1877) дает PMMA. Коммерческие акриловые листы появились в 1936 г., во Вторую мировую использовали в перископах подводных лодок, лобовых стеклах, фонарях, башнях танков.

Сырье

Базовый мономер — метилметакрилат (CH₂=C(CH₃)COOCH₃), изображен на рис. 1. Двойная связь между центральными углеродами разрывается при полимеризации, связывая цепи в PMMA. Рис. 2 показывает другие мономеры — метилакрилат и акрилонитрил — способные ккополимеризовываться с метилметакрилатом для настройки свойств (эластичность и др.).

Метилметакрилат получают реакцией ацетона (CH₃COCH₃) с цианидом натрия (NaCN) → ацетонциангидрин, затем с метиловым спиртом (CH₃OH). Кополимеризация с другими мономерами дает точный контроль характеристик пластика.

Процесс производства

Акриловые полимеры образуются, когда мономер (метилметакрилат) реагирует с катализатором — часто органическим перекисью — запуская цепную реакцию без включения катализатора в итоговый полимер.

Продукция выпускается в виде плоских листов, стержней, труб или литьевых порошков. Порошки обычно делают суспензионной полимеризацией, получая гранулы с контролируемой молекулярной массой для экструзии или литья.

Листы производят объемной полимеризацией. Два основных метода: партионная ячейка (batch cell) и непрерывный. Партионный — самый частый из-за простоты и адаптивности для листов толщиной 0,06–6 дюймов (0,16–15 см) и шириной от 3 футов (0,9 м) до сотен футов. Непрерывный — быстрее, менее трудоемок, для более тонких и узких листов.

Ниже подробно описаны оба процесса.

Партионная объемная полимеризация — предпочтительный метод для акриловых листов разной толщины.

Партионная объемная полимеризация

1. Две полированные стеклянные пластины разделены гибким «оконным» распором, позволяющим формообразующей полости усаживаться, компенсируя усадку материала при полимеризации. Иногда используют полированные металлические пластины. Пластины можно стакать — верхняя поверхность одной становится дном следующей полости. Пружинные зажимы фиксируют сборку.
2. Каждую полость заполняют отмеренным жидким сиропом метилметакрилата и катализатора, иногда с добавлением преполимера — коротких цепей, ускоряющих реакцию. Сироп заполняет полость полностью.
3. Форму герметизируют и нагревают для активации катализатора.
4. Экзотермическая реакция выделяет тепло, управляемое воздушными печами или водяной баней. Программируемый температурный цикл обеспечивает правильное время отверждения, предотвращая испарение мономера и пузыри. Тонкие листы отвердевают за 10–12 часов; толстые — несколько дней.
5. После отверждения форма остывает, раскрывается, листы извлекают. Пластины очищают и собирают для следующей партии.
6. Листы могут проходить отжиг — нагрев до 284–302 °F (140–150 °C) на несколько часов — для снятия остаточных напряжений, вызывающих искривление.
7. Излишки (заборы) подрезают. Маскирующая бумага или пленка наносится для защиты при транспортировке, часто с оттиском бренда, размера, инструкций и указанием соответствия стандартам безопасности/строительства.

Непрерывная объемная полимеризация

1. Процесс аналогичен партионному, но для более тонких малых листов, сокращая цикл. Сироп мономера и катализатора подают на один конец параллельных нержавеющих лент; зазор лент задает толщину листа.
2. Ленты двигают реагирующую смесь через последовательные зоны нагрева и охлаждения по программному температурному циклу для отверждения.
3. Электрические нагреватели или горячий воздух отжигают материал на выходе с лент.
4. Листы режут по размеру и наклеивают маскирующую бумагу или пленку.

Контроль качества

На протяжении производства химикаты хранят, обрабатывают и перерабатывают в контролируемых условиях для исключения загрязнений и обеспечения безопасности. Температурный контроль критичен: мономер и катализатор предусматривают, температура реагирующей смеси непрерывно мониторят и регулируют во время полимеризации. Периодические лабораторные анализы подтверждают физические, оптические и химические свойства готового акрила.

Токсичные материалы, безопасность и переработка

Производство акрила задействует высокотоксичные вещества. Полимеризация может вызывать взрывы при неконтролируемом ходе и образует токсичные пары. Современные нормативы требуют замкнутые системы и полный улов/нейтрализацию паров перед выбросом в атмосферу.

Акрил классифицируется как пластик группы 7 и редко собирают на переработку. Крупные неповрежденные куски иногда можно переплавить, но это малая доля отходов. На свалках акрил небиоразлагаем и может быть высокогорючим, требуя хранения вдали от источников возгорания.

Будущее

Ежегодное потребление акриловых пластиков растет ~10 % в год, прогноз — ~5 % на ближайшее десятилетие. Будучи одним из старейших пластиков, акрил продолжает предлагать непревзойденную оптическую чистоту и уличную долговечность, сохраняя статус материала выбора в разнообразных приложениях.