아크릴 플라스틱

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배경

아크릴 플라스틱은 하나 이상의 아크릴산 유도체를 포함하는 합성 또는 인공 플라스틱 재료 계열을 나타냅니다. 가장 일반적인 아크릴 플라스틱은 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)이며, 이는 Plexiglas, Lucite, Perspex 및 Crystallite라는 브랜드 이름으로 판매됩니다. PMMA는 자외선 및 풍화에 대한 저항성이 우수한 견고하고 투명도가 높은 재료입니다. 착색, 성형, 절단, 드릴 및 성형이 가능합니다. 이러한 특성으로 인해 비행기 앞유리, 채광창, 자동차 미등 및 옥외 표지판을 포함한 많은 응용 분야에 이상적입니다. 주목할만한 응용 프로그램 중 하나는 PMMA 아크릴 플라스틱으로 된 수백 개의 이중 단열 패널로 구성된 Houston Astrodome의 천장입니다.

모든 플라스틱과 마찬가지로 아크릴 플라스틱은 폴리머입니다. 폴리머라는 단어는 그리스어 poly, 에서 유래했습니다. 많은 것을 의미하고 메로, 부분을 ​​의미합니다. 따라서 폴리머는 사슬처럼 함께 연결된 많은 분자 또는 부분으로 구성된 물질입니다. 폴리머는 수백 또는 수천 개의 분자가 함께 연결되어 있을 수 있습니다. 더 중요한 것은 폴리머는 구성 요소와 완전히 다른 특성을 가진 재료라는 것입니다. 중합이라고 하는 폴리머를 만드는 과정은 유리 조각, 구리 및 기타 재료를 삽으로 밀어 상자에 넣고 상자를 흔들고 작동하는 컬러 텔레비전 세트를 찾기 위해 한 시간 안에 다시 오는 것과 같습니다. 유리, 구리 및 기타 구성 부품은 여전히 ​​존재하지만 완전히 다르게 보이고 기능하는 것으로 재조립되었습니다.

최초의 플라스틱 중합체인 셀룰로이드는 질산셀룰로오스와 장뇌의 조합으로 1869년에 개발되었습니다. 이것은 식물에 존재하는 천연 고분자 셀룰로오스를 기반으로 했습니다. 셀룰로이드는 사진 필름, 등 많은 항목을 만드는 데 사용되었습니다. 빗, 남성용 셔츠 칼라.

1909년 Leo Beckeland는 페놀 포르말하이드 수지에 대한 특허를 받았을 때 최초로 상업적으로 성공한 합성 플라스틱 중합체를 개발했으며 이를 Bakelite라고 명명했습니다. 베이클라이트는 즉각적인 성공을 거두었습니다. 가공 및 성형이 가능합니다. 그것은 우수한 전기 절연체였으며 열, 산 및 날씨에 강했습니다. 또한 장식용 개체에 사용하기 위해 착색 및 염색될 수 있습니다. 베이클라이트 플라스틱은 라디오, 전화 및 전기 장비는 물론 조리대, 버튼, 그리고 칼 손잡이.

아크릴산은 1843년에 처음 제조되었습니다. 아크릴산의 유도체인 메타크릴산은 1865년에 공식화되었습니다. 메타크릴산이 메틸 알코올과 반응하면 메틸 메타크릴레이트로 알려진 에스테르가 생성됩니다. 메틸 메타크릴레이트를 폴리메틸 메타크릴레이트로 바꾸는 중합 공정은 1877년 독일 화학자 Fittig와 Paul에 의해 발견되었지만 1936년이 되어서야 아크릴 안전 유리 시트를 상업적으로 생산하는 데 사용되었습니다. 제2차 세계 대전 중 아크릴 유리는 잠수함의 잠망경 포트와 비행기의 앞유리, 캐노피 및 포탑에 사용되었습니다.

원자재

메틸 메타크릴레이트는 폴리메틸 메타크릴레이트 및 기타 많은 아크릴 플라스틱 중합체가 형성되는 기본 분자 또는 단량체입니다. 이 물질의 화학 표기법은 CH ₂ 입니다. =C(CH ₃ ) 그림 1은 메틸 메토크릴레이트의 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)로의 중합을 보여줍니다. 그림 2는 메틸 메타크릴레이트와 공중합될 수 있는 다른 아크릴 플라스틱 단량체를 보여줍니다. 코치 ₃ . 보다 일반적인 화학 표기법 C ₅ 대신 이 형식으로 작성됩니다. H <서브> 8 O ₂ , 중간에 있는 두 탄소 원자 사이의 이중 결합(=)을 표시합니다. 중합 동안 이 이중 결합의 한 다리가 끊어지고 다른 메틸 메타크릴레이트 분자의 중간 탄소 원자와 연결되어 사슬을 시작합니다. 이 과정은 최종 폴리머가 형성될 때까지 반복됩니다. (그림 1 참조)

메틸 메타크릴레이트는 여러 방식으로 형성될 수 있습니다. 한 가지 일반적인 방법은 아세톤 [CH ₃ COCH ₃ ] 시안화나트륨[NaCN]으로 아세톤 시안히드린[(CH ₃ ) <서브> 2 C(OH)CN]. 이것은 차례로 메틸 알코올과 반응합니다 [CH ₃ OH] 메틸 메타크릴레이트를 생성합니다.

메틸 아크릴레이트와 같은 기타 유사한 단량체 [CH ₂ =CHCOOCH,] 및 아크릴로니트릴 [CH ₂ =CHCN]은 메틸 메타크릴레이트와 결합하여 다른 아크릴 플라스틱을 형성할 수 있습니다. (그림 2 참조) 두 개 이상의 단량체가 함께 결합되면 그 결과를 공중합체라고 합니다. 메틸 메타크릴레이트와 마찬가지로 이 두 단량체는 중간 탄소 원자에 이중 결합이 있어 중합 중에 분리되어 다른 분자의 탄소 원자와 연결됩니다. 이러한 다른 단량체의 비율을 제어하면 생성된 플라스틱의 탄성 및 기타 특성이 변경됩니다.

제조
프로세스

아크릴 플라스틱 중합체는 메틸 메타크릴레이트와 같은 단량체를 촉매와 반응시켜 형성됩니다. 전형적인 촉매는 유기 과산화물일 것이다. 촉매는 반응을 시작하고 계속 진행하기 위해 반응에 들어가지만 생성된 중합체의 일부가 되지는 않습니다.

아크릴 플라스틱은 평평한 시트, 길쭉한 모양(막대 및 튜브) 및 성형 분말의 세 가지 형태로 제공됩니다. 성형 분말은 때때로 물과 촉매 용액에 현탁된 단량체의 작은 방울 사이에서 반응이 일어나는 현탁 중합으로 알려진 공정에 의해 만들어집니다. 그 결과 몰딩 또는 압출에 적합한 엄격하게 제어된 분자량을 갖는 폴리머 입자가 생성됩니다.

아크릴 플라스틱 시트는 벌크 중합으로 알려진 공정에 의해 형성됩니다. 이 과정에서 단량체와 촉매는 반응이 일어나는 주형에 부어집니다. 벌크 중합의 두 가지 방법이 사용될 수 있습니다:배치 셀 또는 연속. 배치 셀은 간단하고 두께가 0.06~6.0인치(0.16~15cm)이고 너비가 3피트(0.9m)~수백 피트인 아크릴 시트를 만드는 데 쉽게 적용할 수 있기 때문에 가장 일반적입니다. 배치 셀 방법을 사용하여 막대 및 튜브를 형성할 수도 있습니다. 연속 방법은 더 빠르고 노동력이 적습니다. 그것은 배치 셀 방식으로 생산되는 것보다 더 얇은 두께와 더 작은 너비의 시트를 만드는 데 사용됩니다.

투명 폴리메틸 메타크릴(PMMA) 시트를 생산하는 데 일반적으로 사용되는 배치 셀 및 연속 벌크 중합 공정을 모두 설명합니다.

배치 셀 벌크 중합은 간단하고 쉽게 제작할 수 있기 때문에 아크릴 플라스틱 시트를 만드는 가장 일반적인 방법입니다. 0.06 ~ 6인치 두께의 시트.

배치 셀 벌크 중합

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시트 생산용 몰드는 유연한 "창틀" 스페이서로 분리된 두 개의 광택 유리 판으로 조립됩니다. 스페이서는 유리판 표면의 외주를 따라 안착되고 판 사이에 밀봉된 공동을 형성합니다. 스페이서가 유연하기 때문에 개별 분자에서 연결된 폴리머로 반응이 진행됨에 따라 재료의 부피 수축을 보상하기 위해 중합 공정 중에 금형 캐비티가 수축할 수 있습니다. 일부 생산 응용 분야에서는 유리 대신 광택 처리된 금속판이 사용됩니다. 한 판의 윗면이 다음 상위 금형 캐비티의 바닥면이 되도록 여러 판을 서로의 상단에 쌓을 수 있습니다. 플레이트와 스페이서는 스프링 클램프로 함께 고정됩니다.

각 금형 캐비티의 열린 모서리는 메틸 메타크릴레이트 단량체와 촉매의 미리 측정된 액체 시럽으로 채워집니다. 경우에 따라 메틸 메타크릴레이트 예비 중합체도 추가됩니다. 예비 중합체는 중합 과정을 추가로 돕기 위해 사용되는 부분적으로 형성된 중합체 사슬을 가진 물질입니다. 액체 시럽이 몰드 캐비티 전체를 흐르면서 채워집니다.

그런 다음 주형을 밀봉하고 촉매가 반응을 시작하는 데 도움이 되도록 열을 가할 수 있습니다.

반응이 진행됨에 따라 자체적으로 상당한 열을 발생시킬 수 있습니다. 이 열은 공기 오븐에서 또는 금형을 수조에 넣어 부채질합니다. 프로그래밍된 온도 주기를 따라 단량체 용액의 추가 기화 없이 적절한 경화 시간을 보장합니다. 이것은 또한 거품이 형성되는 것을 방지합니다. 얇은 시트는 10~12시간 안에 경화될 수 있지만 두꺼운 시트는 며칠이 필요할 수 있습니다.

플라스틱이 경화되면 금형이 냉각되어 열립니다. 유리 또는 금속판을 세척하고 다음 배치를 위해 재조립합니다.

플라스틱 시트는 그대로 사용되거나 뒤틀림이나 기타 치수 불안정을 유발할 수 있는 재료의 잔류 응력을 줄이기 위해 몇 시간 동안 284-302°F(140-150°C)로 가열하여 어닐링됩니다.

과도한 재료 또는 플래시는 가장자리에서 잘라내고 처리 및 배송 중 보호를 위해 완성된 시트의 표면에 마스킹 페이퍼 또는 플라스틱 필름을 적용합니다. 종이나 필름에는 종종 재료의 브랜드 이름, 크기 및 취급 지침이 표시됩니다. 적용 가능한 안전 또는 건축 법규 표준에 대한 준수도 명시되어 있습니다.

연속 벌크 중합

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연속 공정은 배치 셀 공정과 유사하지만 시트가 얇고 작기 때문에 공정 시간이 훨씬 짧습니다. 모노머와 촉매의 시럽은 평행하게 달리는 수평 스테인리스 스틸 벨트 세트의 한쪽 끝에 다른 쪽 끝에 도입됩니다. 벨트 사이의 거리는 형성될 시트의 두께를 결정합니다.

벨트는 반응하는 단량체와 촉매 시럽 사이를 유지하고 프로그래밍된 온도 주기에 따라 일련의 가열 및 냉각 영역을 통해 벨트를 이동하여 재료를 경화시킵니다.

전기 히터나 뜨거운 공기는 재료가 벨트 끝에서 나올 때 재료를 어닐링할 수 있습니다.

시트를 적당한 크기로 자르고 마스킹지나 플라스틱 필름을 붙인다.

품질 관리

아크릴 플라스틱을 만드는 화학 물질의 저장, 취급 및 처리는 재료의 오염이나 위험한 화학 반응을 방지하기 위해 통제된 환경 조건에서 수행됩니다. 온도 제어는 중합 공정에서 특히 중요합니다. 단량체와 촉매의 초기 온도조차도 금형에 도입되기 전에 제어됩니다. 전체 공정 동안 반응 물질의 온도를 모니터링하고 제어하여 가열 및 냉각 주기가 적절한 온도와 지속 시간인지 확인합니다.

완성된 아크릴 재료의 샘플은 물리적, 광학적, 화학적 특성을 확인하기 위해 주기적인 실험실 분석도 제공됩니다.

독성 물질, 안전
고려 사항 및
재활용

아크릴 플라스틱 제조에는 주의 깊은 보관, 취급 및 폐기가 필요한 고독성 물질이 포함됩니다. 중합 과정을 제대로 모니터링하지 않으면 폭발이 발생할 수 있습니다. 또한 유독 가스를 생성합니다. 최근 법률은 중합 공정이 밀폐된 환경에서 수행되어야 하며 대기로 배출되기 전에 흄을 청소, 포집 또는 중화할 것을 요구하고 있습니다.

아크릴 플라스틱은 쉽게 재활용되지 않습니다. 재활용 플라스틱 중 그룹 7 플라스틱으로 간주되며 대부분의 지역 사회에서 재활용을 위해 수거되지 않습니다. 큰 조각은 너무 많은 스트레스, 균열 또는 균열을 겪지 않으면 다른 유용한 물건으로 개조할 수 있지만 이는 아크릴 플라스틱 폐기물의 아주 작은 부분에 불과합니다. 매립지에서 아크릴 플라스틱은 다른 많은 플라스틱과 마찬가지로 쉽게 생분해되지 않습니다. 일부 아크릴 플라스틱은 가연성이 높으므로 연소원으로부터 보호해야 합니다.

미래

아크릴 플라스틱 소비율의 연평균 증가율은 약 10%입니다. 향후 연간 5% 정도의 성장률이 예상됩니다. 아크릴 플라스틱은 오늘날 사용되는 가장 오래된 플라스틱 재료 중 하나라는 사실에도 불구하고 광학 선명도와 실외 환경에 대한 내성이라는 동일한 이점을 유지하여 많은 응용 분야에서 선택되는 재료입니다.