Nhựa PMMA (Polymethyl methacrylate) là gì? Đặc điểm, tính chất và lịch sử hình thành nhựa PMMA

PMMA được tạo ra như thế nào?

PMMA có thể được tạo ra thông qua một số phương pháp, nhưng phổ biến nhất là phương pháp trùng hợp methyl metethacrylat (Quá trình trùng hợp gốc tự do của monome này xảy ra khi nó ở dạng tấm).

Quá trình trùng hợp gốc tự do

Ngoài ra, methyl methacrylate có thể được tổng hợp từ các phản ứng hóa học, chẳng hạn như phản ứng giữa acetone và hydrogen cyanide để tạo ra acetone cyanhydrin, sau đó tiếp tục phản ứng với methanol để tạo ra methyl methacrylate.

Bên cạnh PMMA, một số monome khác như methyl acrylate và acrylonitrile cũng có thể được kết hợp với methyl methacrylate để tạo ra các loại nhựa acrylic khác nhau. Khi hai hoặc nhiều monome kết hợp, sản phẩm thu được gọi là copolymer. Việc điều chỉnh tỷ lệ các monome này giúp thay đổi độ dẻo và các tính chất khác của nhựa.

Điều kiện gia công PMMA

PMMA thích hợp để xử lý bằng cách ép phun, ép đùn, đúc thổi đùn (chỉ với acrylic biến tính va đập), tạo hình và đúc nhiệt.
Để tránh các khuyết tật bề mặt và vết phồng rộp trên bề mặt thành phẩm cần làm khô nguyên liệu trước khi sản xuất.
Ép phun

• Nhiệt độ nóng chảy: 200-250 °C
• Nhiệt độ khuôn: 40-80 °C
• Áp suất phun cao là cần thiết vì đặc tính dòng chảy kém và có thể cần bơm chậm để có được dòng chảy chính xác
• Ứng suất bên trong có thể được loại bỏ bằng cách gia nhiệt ở 80 °C

Ép đùn

• Nhiệt độ đùn: 180-250 °C
• Nên sử dụng vít khử khí với tỷ lệ L / D 20-30

PMMA có thể được hàn bằng tất cả các quá trình hàn nhựa như lưỡi cắt nóng, khí nóng, siêu âm hoặc hàn quay.
Do tính trong suốt và độ cứng của nó , PMMA cũng được sử dụng làm vật liệu In 3D nhưng nó yêu cầu nhiệt độ hơi cao và dễ bị vón lại hơn một chút so với PLA. Sợi PMMA có nhiều màu sắc.

Thông số cơ lý của PMMA

Tính chất lý hóa PMMA

PMMA có cấu trúc phân tử đặc trưng được tạo thành từ monome methyl methacrylate thông qua quá trình trùng hợp. Cấu trúc này giúp PMMA có khả năng duy trì độ bền cơ học cao và tính ổn định trong môi trường sử dụng. Nhờ vào tính chất hóa học này, PMMA có thể duy trì hình dạng và tính chất vật lý ổn định khi tiếp xúc với các điều kiện nhiệt độ và độ ẩm khác nhau. Tuy nhiên, PMMA có điểm nóng chảy cao (160°C), giúp nó chịu được nhiệt độ trong một phạm vi tương đối rộng mà không bị biến dạng hay chảy.

Ngoài ra, PMMA có khả năng chống chịu tốt với nhiều loại dung môi và hóa chất. Vật liệu này không hòa tan trong nước, rượu, và các hydrocarbon aliphatic, nhưng lại có thể hòa tan trong các dung môi như tetrahydrofuran, toluene, cyclohexanone, ethyl acetate và chloroform. Tính chất này khiến PMMA có thể dễ dàng được chế tạo và gia công thành các sản phẩm nhựa có độ chính xác cao. Tuy nhiên, nó cần phải tránh tiếp xúc với các chất oxy hóa mạnh, vì có thể gây phản ứng hóa học không mong muốn, dẫn đến sự phân hủy hoặc giảm độ bền của vật liệu.

PMMA cũng có tính dễ cháy khi tiếp xúc với lửa, với điểm cháy đạt 250°C, do đó cần được bảo quản cẩn thận trong môi trường an toàn. Mặc dù có tính ổn định trong điều kiện bình thường, nhưng việc PMMA có khả năng chịu nhiệt tốt, kết hợp với khả năng chống mài mòn và kháng tia cực tím, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho nhiều ứng dụng ngoài trời, chẳng hạn như sản xuất kính bảo vệ, biển hiệu và các thiết bị điện tử.

Bảng thông số tính chất của Poly (Methyl Methacrylate)

Nhựa PMMA là polymer vô định hình trong suốt, không màu, với nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) từ 100°C đến 130°C và mật độ 1.18 g/cm³. PMMA hòa tan chậm trong dung môi, với quá trình hòa tan bắt đầu từ việc phồng lên và khuếch tán dần vào polymer. Polymer này cũng có thể bị thủy phân hoàn toàn với axit sulfuric (H₂SO₄) thành poly(methacrylic acid). PMMA chủ yếu chứa carbon và hydro, dễ bị đốt cháy tỏa ra CO₂, CO và H₂O khi gặp nhiệt độ cao.

Ưu điểm & nhược điểm của nhựa PMMA

Ưu Điểm của PMMA
Polyme PMMA thể hiện các phẩm chất giống như Thủy tinh – độ trong, sáng, trong suốt, mờ – với trọng lượng bằng một nửa và khả năng chống va đập cao hơn gấp 10 lần. Nó chắc chắn hơn và có ít rủi ro hư hỏng hơn.

• Độ truyền sáng – Polyme PMMA (Acrylic) có Chỉ số khúc xạ là 1,49 và do đó cung cấp độ truyền ánh sáng cao. Lớp PMMA cho phép 92% ánh sáng đi qua nó, nhiều hơn thủy tinh hoặc các loại nhựa khác. Những vật liệu nhựa này có thể dễ dàng được nhiệt luyện mà không làm giảm độ trong của quang học. So với polystyrene và polyethylene, PMMA được khuyên dùng cho hầu hết các ứng dụng ngoài trời nhờ tính ổn định với môi trường của nó.
• Độ cứng bề mặt – PMMA là một loại nhựa nhiệt dẻo dai, bền và nhẹ. Nó có khả năng chống xước tuyệt vời khi so sánh với các loại polyme trong suốt khác, tuy nhiên kém hơn thủy tinh. Nó có tính chất hút nước và độ ẩm thấp, do đó các sản phẩm được tạo ra có độ ổn định kích thước tốt.
• Độ ổn định tia cực tím – PMMA có khả năng chống lại tia cực tím và thời tiết cao. Hầu hết các polyme acrylic thương mại được thêm vào hoạt chất chống tia UV làm cho nó có khả năng chống chịu tốt khi tiếp xúc lâu với ánh sáng mặt trời. Do đó, PMMA thích hợp cho các ứng dụng ngoài trời.
• Kháng hóa chất – Acrylics không bị ảnh hưởng bởi dung dịch nước của hầu hết các hóa chất trong phòng thí nghiệm, bởi chất tẩy rửa, chất tẩy rửa, axit vô cơ loãng, kiềm và hydrocacbon béo. Tuy nhiên, acrylic KHÔNG được khuyến khích sử dụng với hydrocacbon thơm, este hoặc xeton được clo hóa hoặc khử trùng.

Vì PMMA tinh khiết đôi khi không đáp ứng được các yêu cầu trong những ứng dụng nhất định, các chất phụ gia hoặc chất độn được thêm vào trong quá trình sản xuất để nâng cao hơn nữa các đặc tính của PMMA như chống va đập, kháng hóa chất, chống cháy, khuếch tán ánh sáng, lọc tia UV, hoặc hiệu ứng quang học. Ví dụ như:

• Sử dụng co-monomemetyl acrylat giúp tăng cường độ ổn định nhiệt bằng cách giảm xu hướng khử phân tử trong quá trình xử lý nhiệt
• Chất hóa dẻo được thêm vào để sửa đổi quá trình chuyển đổi thủy tinh, độ bền va đập
• Chất độn có thể được thêm vào để sửa đổi các thuộc tính vật liệu cuối cùng hoặc cải thiện hiệu quả chi phí
• Tạo màu có thể được thêm vào trong quá trình trùng hợp để bảo vệ ánh sáng tia cực tím hoặc tạo ra một số màu nhất định

Nhược điểm PMMA

• Chống va đập kém
• Khả năng chịu nhiệt giới hạn (80 ° C)
• Khả năng kháng hóa chất hạn chế, dễ bị dung môi hữu cơ tấn công
• Khả năng chống mài mòn và mài mòn kém
• Có thể bị nứt khi chịu tải

Ứng dụng của PMMA

Do đặc tính trong suốt, trọng lượng nhẹ và độ dẻo dai vượt trội so với thủy tinh, PMMA đã trở nên phổ biến trong Thế chiến thứ hai. Nó được sử dụng rộng rãi để làm kính chắn gió, tán cây và tháp súng cho máy bay. Sau đó, một số ứng dụng thương mại khác đã được phát triển cho PMMA như tấm lợp kính, thiết kế mặt dựng, quảng cáo, đèn pha ô tô, v.v.

Ngày nay, nhiều loại lớp acrylic khác nhau được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ:

Kiến trúc và Xây dựng
Nhờ tác động tuyệt vời của nó và khả năng chống tia cực tím, PMM được sử dụng rộng rãi trong các cấu hình cửa sổ và cửa đi, mái che, tấm panel, thiết kế mặt dựng, … Nó có độ truyền ánh sáng và cách nhiệt tốt, do đó là một lựa chọn phù hợp để xây dựng nhà xanh. PMMA cũng được sử dụng để xây dựng bể cá thủy cung.

Tấm PMMA chiếu sáng được sử dụng để thiết kế đèn LED , nơi nó giúp tối đa hóa tiềm năng phát sáng. Nó cũng được sử dụng để chế tạo đèn nhờ tính chất trong suốt và quang học của nó.

Sản phẩm quang học

PMMA thường được sử dụng trong sản xuất kính mắt, ống kính máy ảnh và kính phóng đại nhờ vào độ trong suốt cao và chỉ số khúc xạ ổn định. Nó cũng được dùng trong sản xuất sợi quang và bộ dẫn sáng.

Ô tô và Giao thông Vận tải
Trong xe cộ, tấm PMMA được sử dụng trong cửa sổ ô tô, kính chắn gió xe máy, tấm nội thất và ngoại thất, chắn bùn, v.v. Ngoài ra, tấm acrylic màu được sử dụng trong vỏ đèn báo ô tô, vỏ đèn nội thất, v.v. Nó cũng được sử dụng cho cửa sổ tàu thuyền (chống muối) và các mục đích hàng không.

PMMA cũng mở ra những khả năng thiết kế mới cho các nhà sản xuất xe hơi nhờ đặc tính cách âm, khả năng định hình vượt trội và độ cứng bề mặt tuyệt vời.

Điện tử
Do có độ rõ nét quang học tuyệt vời, khả năng truyền ánh sáng cao và khả năng chống xước, PMMA được sử dụng rộng rãi trong màn hình TV LCD / LED, máy tính xách tay, màn hình điện thoại thông minh cũng như màn hình thiết bị điện tử . PMMA cũng được sử dụng trong các tấm pin mặt trời làm vật liệu che phủ nhờ khả năng chống tia cực tím và khả năng truyền sáng cao cho phép hiệu suất chuyển đổi năng lượng tối ưu.

Y tế và chăm sóc sức khỏe
là vật liệu có độ tinh khiết cao và dễ làm sạch, do đó được sử dụng để chế tạo tủ ấm, thiết bị kiểm nghiệm thuốc, tủ bảo quản trong bệnh viện và phòng thí nghiệm nghiên cứu. Ngoài ra, do tính tương hợp sinh học cao, PMMA cũng được ứng dụng làm chất trám răng và xi măng xương.

Các bộ phận ô tô

PMMA được sử dụng trong sản xuất kính cửa ô tô, đèn pha và gương chiếu hậu vì có độ bền cao và trong suốt. Đây là một sự thay thế nhẹ và bền cho kính thông thường.

Nội thất
PMMA cung cấp các đặc tính ngoại lệ như độ trong suốt, độ dẻo dai và tính thẩm mỹ để sản xuất ghế, bàn, tủ bếp, bát đũa, thảm trải bàn, v.v. ở bất kỳ hình dạng, màu sắc hoặc hoàn thiện nào.

So sánh PMMA và Polycarbonate (PC)

Acrylic, Polycarbonate và thủy tinh đều là những vật liệu trong suốt và như đã thảo luận ở trên, PC và PMMA là những lựa chọn thay thế phù hợp, chống vỡ cho thủy tinh. PMMA thường được sử dụng như một vật liệu nhẹ thay thế cho thủy tinh. Tuy vậy PMMA tỏ ra kém phù hợp hơn so với Polycarbonate vì khả năng chịu lực và chấp va đập thấp hơn.
Ngoài ra, PMMA ít có khả năng bị xước và không bị ố vàng trong một khoảng thời gian. PMMA có độ truyền rất cao và độ rõ nét quang học tốt hơn so với PC nên nó là một lựa chọn tuyệt vời cho các thiết bị quang học vì nó ít gây tổn hại cho các mô khi nó bị gãy.

Độc tính và khả năng tái chế của PMMA

Polymethyl methacrylate là vật liệu tương thích sinh học cao, 100% có thể tái chế và không phân hủy sinh học. PMMA được coi là nhựa nhóm 7 theo hệ thống mã nhận diện nhựa.

Có một số cách để tái chế PMMA. Thông thường, các quy trình tái chế này liên quan đến quá trình nhiệt phân, trong đó PMMA được đốt nóng ở nhiệt độ cực cao trong điều kiện không có oxy. Một quy trình khác liên quan đến việc khử phân tử PMMA bằng cách sử dụng chì nóng chảy để thu được MMA monome có độ tinh khiết> 98%. Tuy nhiên, quy trình tái chế này không khả thi với môi trường do chì tạo ra các sản phẩm phụ có hại trong quá trình xử lý, và do đó cần hạn chế việc sử dụng acrylic.

Acrylic tái chế có thể được tạo thành các tấm được sử dụng trong xây dựng cho cửa sổ và cửa ra vào, ngành y tế , ngành quảng cáo và hơn thế nữa.

PMMA tương thích tự nhiên với mô người và là một thành phần thường xuyên của kính áp tròng trong quá khứ; nó cũng được sử dụng để làm răng giả và thay thế xương.

Quy trình tái chế PMMA

1. Thu gom và phân loại: Các sản phẩm chứa PMMA như kính acrylic, biển quảng cáo, hoặc các vật liệu xây dựng được thu gom và phân loại cẩn thận.
2. Nghiền nhỏ: PMMA được nghiền thành các hạt nhỏ để chuẩn bị cho giai đoạn tái chế.
3. Làm sạch: Loại bỏ các tạp chất như bụi bẩn, sơn hoặc các chất phủ bề mặt khác.
4. Tái chế cơ học hoặc hóa học:
   • Tái chế cơ học: Hạt PMMA được nung chảy và tái sử dụng để tạo thành các sản phẩm mới.
   • Tái chế hóa học: PMMA có thể được phân hủy thành monomer nguyên bản (methyl methacrylate – MMA), sau đó sử dụng lại để sản xuất PMMA mới với chất lượng tương đương.

Xem thêm: Phân Loại Hoạt Động Tái Chế: Các Phương Pháp và Ứng Dụng Tái chế

Ưu điểm của việc tái chế PMMA

• Tiết kiệm tài nguyên: Tái chế PMMA giúp giảm phụ thuộc vào nguyên liệu từ dầu mỏ, bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.
• Giảm rác thải nhựa: Việc tái chế giúp giảm thiểu lượng rác thải nhựa khó phân hủy trong môi trường.
• Ứng dụng đa dạng: PMMA tái chế được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, quảng cáo, và sản xuất hàng tiêu dùng, giữ vững tính năng kỹ thuật và thẩm mỹ cao.

Tuy nhiên, để tối ưu hóa khả năng tái chế của PMMA, cần có hệ thống thu gom và xử lý hiệu quả cũng như nâng cao ý thức cộng đồng về phân loại và tái chế vật liệu nhựa.

Lịch sử Phát Triển và Thương Mại Hóa PMMA

Nhựa PMMA (Poly Methyl Methacrylate) bắt đầu được nghiên cứu và phát triển từ đầu thế kỷ 20, với những bước tiến quan trọng dưới sự dẫn dắt của Otto Röhm, người sáng lập công ty Evonik Röhm GmbH. Năm 1901, ông đã thực hiện những nghiên cứu đầu tiên về các polyme của axit acrylic, mở ra con đường nghiên cứu cho những phát minh sau này.

Otto Röhm

Vào thập niên 1930, Röhm đã nhìn thấy tiềm năng lớn của một loại nhựa mới làm từ methyl methacrylate (MMA). Sau khi thử nghiệm và chứng minh tính năng vượt trội của chất liệu này, ông quyết định đưa nó ra thị trường dưới cái tên PLEXIGLAS® vào năm 1933. Sự đổi mới này không chỉ tạo ra một vật liệu mới mà còn đặt nền móng cho việc phát triển PMMA như một vật liệu thương mại phổ biến. PLEXIGLAS® ngay lập tức nhận được sự công nhận quốc tế và vinh dự giành huy chương vàng tại Hội chợ Thế giới Paris năm 1937.

Đến năm 1935, những cải tiến tiếp theo đã dẫn đến sự ra đời của các hợp chất nhựa tiêm, hỗ trợ việc sản xuất các tấm PMMA một cách hiệu quả hơn. Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng của PMMA từ các sản phẩm đơn giản đến những thành phẩm phức tạp hơn, giúp PMMA tiếp cận nhiều lĩnh vực hơn, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô. Đến những năm 1950, PMMA được sử dụng rộng rãi trong việc thay thế kính cho các bộ phận như nắp đèn hậu ô tô, nhờ vào tính chất nhẹ, bền và khả năng chống va đập.

Hiện nay, PMMA đã trở thành một vật liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, từ xây dựng, trang trí nội thất, đến công nghệ cao và y tế. Các ứng dụng tiêu biểu như cửa sổ sân hiên, nhà kính, màn hình LCD, và mái vòm của Sân vận động Olympic Munich đã chứng minh sự phổ biến và tính linh hoạt của PMMA trong thế giới hiện đại. Thương mại hóa PMMA đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp nhựa, và nó tiếp tục phát triển mạnh mẽ, khẳng định giá trị của mình trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Tóm lại

Nhựa PMMA (Poly Methyl Methacrylate) là một vật liệu với nhiều ưu điểm vượt trội như tính trong suốt, nhẹ, độ bền cao và khả năng chịu được các yếu tố môi trường khắc nghiệt. Với những tính chất vượt trội này, PMMA đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau từ xây dựng, thiết bị điện tử đến y tế và hàng không. Sự phát triển của PMMA từ một nghiên cứu cơ bản đến việc trở thành một vật liệu thương mại quan trọng đã đánh dấu một bước tiến lớn trong ngành công nghiệp nhựa, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới, phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của xã hội hiện đại.

Xem thêm các loại nhựa khác:

Nhựa PS (Polystyrene) là gì? Công dụng, tính năng và thông số kỹ thuật

Nhựa Composite là gì? Thành phần Cấu tạo, quá trình sản xuất và ưu nhược điểm

Nhựa Phenol formaldehyde (PF) là gì? Cấu trúc, Tính chất, Ứng Dụng và Quy trình sản xuất Phenol formaldehyde

Nhựa PVC là gì? Đặc điểm, cấu trúc và tính chất cấu tạo

Nhựa PET là gì? Đặc tính, Thông số kỹ thuật và Ứng dụng của PET

Nhựa PP (Polypropylene) là gì? Đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm và ứng dụng

Nhựa PE (Polyethylene) Đặc Điểm, Tính Chất và Ứng Dụng Thực Tiễn

Nhựa Polycarbonate (PC): Đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm và ứng dụng