亚克力塑料
背景
丙烯酸塑料是指包含一种或多种丙烯酸衍生物的合成或人造塑料材料家族。最常见的丙烯酸塑料是聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)，它以有机玻璃、Lucite、有机玻璃和微晶的品牌名称出售。 PMMA 是一种坚韧、高度透明的材料，具有出色的抗紫外线辐射和耐候性。它可以被着色、模制、切割、钻孔和成型。这些特性使其成为许多应用的理想选择，包括飞机挡风玻璃、天窗、汽车尾灯和户外标志。一个值得注意的应用是休斯顿太空馆的天花板，它由数百个 PMMA 丙烯酸塑料双层绝缘板组成。
与所有塑料一样，丙烯酸塑料是聚合物。聚合物这个词来自希腊词 poly, 意思是很多， meros， 意思是一部分。因此，聚合物是由许多分子或部分组成的材料，它们像链一样连接在一起。聚合物可能有数百个甚至数千个连接在一起的分子。更重要的是，聚合物是一种性质与其组成部分完全不同的材料。制造聚合物的过程被称为聚合，就像将废玻璃、铜和其他材料铲进一个盒子里，摇晃盒子，一个小时后回来找到一台可以工作的彩色电视机。玻璃、铜和其他组成部分仍然存在，但它们已重新组装成外观和功能完全不同的东西。
1869 年开发出第一种塑料聚合物赛璐珞，即硝酸纤维素和樟脑的混合物。它以植物中存在的天然聚合物纤维素为基础。赛璐珞被用来制作许多物品，包括照相胶片， 梳子和男士衬衫领子。
1909 年，Leo Baekeland 开发了第一种商业上成功的合成塑料聚合物，他为酚醛树脂申请了专利，他将其命名为 Bakelite。电木立即取得了成功。它可以被加工和成型。它是一种极好的电绝缘体，耐热、耐酸和耐候。它还可以着色和染色以用于装饰物品。电木塑料用于收音机、电话和电气设备，以及台面、 按钮、 和刀柄。
丙烯酸于 1843 年首次制备。甲基丙烯酸是丙烯酸的衍生物，于 1865 年配制。当甲基丙烯酸与甲醇反应时，会生成称为甲基丙烯酸甲酯的酯。 1877 年，德国化学家 Fittig 和 Paul 发现了将甲基丙烯酸甲酯转化为聚甲基丙烯酸甲酯的聚合工艺，但直到 1936 年，该工艺才被用于商业化生产丙烯酸安全玻璃板。二战期间，亚克力玻璃被用于潜艇的潜望镜端口和飞机的挡风玻璃、顶篷和炮塔。
原材料
甲基丙烯酸甲酯是形成聚甲基丙烯酸甲酯和许多其他丙烯酸塑料聚合物的基本分子或单体。这种材料的化学符号是 CH 2 =C(CH 3 ) 
图1显示了甲基丙烯酸甲酯聚合成聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的过程。图 2 显示了可以与甲基丙烯酸甲酯共聚的其他丙烯酸塑料单体。 3 .它以这种格式书写，而不是更常见的化学符号 C 5 H 8 O 2 ，以显示中间两个碳原子之间的双键 (=)。在聚合过程中，该双键的一条腿断裂并与另一个甲基丙烯酸甲酯分子的中间碳原子连接以开始一条链。这个过程不断重复，直到形成最终的聚合物。 （见图一）
甲基丙烯酸甲酯可以通过多种方式形成。一种常见的方法是将丙酮 [CH 3 COCH 3 ] 与氰化钠 [NaCN] 反应生成丙酮氰醇 [(CH 3 ) 2 C(OH)CN]。这又与甲醇 [CH 3 OH] 反应生成甲基丙烯酸甲酯。
其他类似的单体如丙烯酸甲酯[CH 2 =CHCOOCH,]和丙烯腈[CH 2 =CHCN]可以与甲基丙烯酸甲酯结合形成不同的丙烯酸塑料。 （参见图 2）当两个或多个单体连接在一起时，结果称为共聚物。就像甲基丙烯酸甲酯一样，这两种单体在中间碳原子上都有一个双键，在聚合过程中分裂以与其他分子的碳原子连接。控制这些其他单体的比例会导致所得塑料的弹性和其他特性发生变化。
制造
过程
丙烯酸塑料聚合物是由单体（如甲基丙烯酸甲酯）与催化剂反应形成的。典型的催化剂是有机过氧化物。催化剂启动反应并进入其中以保持反应进行，但不会成为所得聚合物的一部分。
丙烯酸塑料有三种形式：平板、细长形状（棒状和管状）和成型粉末。成型粉末有时是通过一种称为悬浮聚合的工艺制成的，在该工艺中，悬浮在水和催化剂溶液中的单体微滴之间发生反应。这导致聚合物颗粒的分子量受到严格控制，适用于模塑或挤出。
丙烯酸塑料板是通过一种称为本体聚合的过程形成的。在此过程中，将单体和催化剂倒入模具中进行反应。可以使用两种本体聚合方法：间歇池或连续聚合。批量电池是最常见的，因为它很简单，很容易适应制造厚度从 0.06 到 6.0 英寸（0.16-15 厘米）和宽度从 3 英尺（0.9 米）到几百英尺的亚克力板。间歇池法也可用于形成棒和管。连续法速度更快，劳动量更少。它用于制造比批量电池法生产的板材厚度更薄、宽度更小的板材。
我们将描述通常用于生产透明聚甲基丙烯酸 (PMMA) 片材的间歇池和连续本体聚合工艺。
批量细胞本体聚合是制造丙烯酸塑料板最常用的方法，因为它简单且易于适应制造厚度为 0.06 至 6 英寸的板材。
批量细胞本体聚合
- 用于生产板材的模具由两块抛光玻璃板组装而成，两块抛光玻璃板由一个灵活的“窗框”隔板隔开。隔板沿玻璃板表面的外周放置并在板之间形成密封腔。垫片是柔性的这一事实允许模腔在聚合过程中收缩，以补偿材料在反应从单个分子到连接的聚合物时的体积收缩。在某些生产应用中，使用抛光金属板代替玻璃。几块板可以堆叠在彼此的顶部，其中一块板的上表面成为下一个更高模具型腔的底表面。板和垫片用弹簧夹夹在一起。
- 每个模具型腔的一个开口角填充有预先称量好的甲基丙烯酸甲酯单体和催化剂液体糖浆。在某些情况下，还加入甲基丙烯酸甲酯预聚物。预聚物是一种具有部分形成的聚合物链的材料，用于进一步帮助聚合过程。液体糖浆流过模腔以填充它。
- 然后密封模具并加热以帮助催化剂开始反应。
- 随着反应的进行，它本身可能会产生大量热量。这种热量在空气烤箱中散开或通过将模具放入水浴中。遵循程序化的温度循环以确保适当的固化时间而不会额外蒸发单体溶液。这也可以防止形成气泡。较薄的片材可能会在 10 到 12 小时内固化，但较厚的片材可能需要几天时间。
- 塑料固化后，模具冷却并打开。玻璃或金属板被清洁并重新组装用于下一批。
- 塑料板可以按原样使用，也可以通过将它们加热到 284-302°F（140-150°C）几个小时进行退火，以减少材料中可能导致翘曲或其他尺寸不稳定性的任何残余应力。
- 任何多余的材料或毛边都会从边缘修剪掉，并在成品板的表面贴上遮蔽纸或塑料薄膜，以在处理和运输过程中提供保护。纸张或薄膜通常标有材料的品牌名称、尺寸和处理说明。还注明符合适用的安全或建筑规范标准。
连续本体聚合
- 连续工艺类似于间歇式单元工艺，但由于片材更薄更小，因此工艺时间要短得多。单体和催化剂的浆液在一组平行运行的水平不锈钢带的一端引入，一个在另一个上面。带之间的距离决定了要形成的片材的厚度。
- 传送带将反应单体和催化剂糖浆保持在它们之间，并根据程序化的温度循环将其移动通过一系列加热和冷却区以固化材料。
- 电加热器或热空气可以在材料从皮带末端出来时对其进行退火。
- 将片材切割成一定尺寸并贴上遮蔽纸或塑料薄膜。
质量控制
制造丙烯酸塑料的化学品的储存、处理和加工在受控环境条件下进行，以防止材料污染或不安全的化学反应。温度的控制对于聚合过程尤其重要。甚至单体和催化剂的初始温度在它们被引入模具之前也被控制。在整个过程中，对反应材料的温度进行监测和控制，以确保加热和冷却循环处于合适的温度和持续时间。
成品亚克力材料的样品也会定期进行实验室分析，以确认物理、光学和化学特性。
有毒材料、安全
注意事项和
回收
丙烯酸塑料制造涉及剧毒物质，需要小心储存、处理和处置。如果监控不当，聚合过程可能会导致爆炸。它还会产生有毒烟雾。最近的立法要求聚合过程在密闭环境中进行，并且在排放到大气之前必须清洁、捕获或以其他方式中和烟气。
丙烯酸塑料不易回收。它被认为是回收塑料中的第 7 组塑料，在大多数社区中不会被收集起来进行回收。如果大件没有受到太大的压力、龟裂或开裂，它们可以被改造成其他有用的物品，但这仅占丙烯酸塑料废物的很小一部分。在垃圾填埋场中，丙烯酸塑料与许多其他塑料一样，不容易生物降解。一些丙烯酸塑料高度易燃，必须防止燃烧源。
未来
丙烯酸塑料的消费量年均增长率一直在10%左右。预计未来的年增长率约为 5%。尽管丙烯酸塑料是当今使用的最古老的塑料材料之一，但它们仍然具有相同的光学透明度和耐室外环境优势，使其成为许多应用的首选材料。
制造工艺