Polimetacrilato de metilo)

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Termoplástico transparente, comúnmente llamado acrílico
Compuesto químico
Figura Lichtenberg: colapso dieléctrico de alta tensión en un bloque de polímero acrílico

Poli(metacrilato de metilo) (PMMA) es el polímero sintético derivado del metacrilato de metilo. Al ser un plástico de ingeniería, es un termoplástico transparente. El PMMA también se conoce como acrílico, vidrio acrílico, así como por los nombres comerciales y marcas Crylux, Alfaplas, Plexiglas, Acrylite, Lucite y Perspex, entre varios otros (ver más abajo). Este plástico se usa a menudo en forma de lámina como una alternativa ligera o resistente al vidrio. También se puede utilizar como resina de fundición, en tintas y revestimientos, y para muchos otros fines.

A menudo se clasifica técnicamente como un tipo de vidrio, ya que es una sustancia vítrea no cristalina, de ahí su designación histórica ocasional como vidrio acrílico.

Historia

El primer ácido acrílico se creó en 1843. El ácido metacrílico, derivado del ácido acrílico, se formuló en 1865. La reacción entre el ácido metacrílico y el metanol da como resultado el éster de metacrilato de metilo.

Fue desarrollado en 1928 en varios laboratorios diferentes por muchos químicos, como William R. Conn, Otto Röhm y Walter Bauer, y lanzado al mercado por primera vez en 1933 por German Röhm & Haas AG (a partir de enero de 2019, parte de Evonik Industries) y su socio y antigua filial estadounidense Rohm and Haas Company bajo la marca comercial Plexiglas.

El metacrilato de polimetilo fue descubierto a principios de la década de 1930 por los químicos británicos Rowland Hill y John Crawford en Imperial Chemical Industries (ICI) en el Reino Unido. ICI registró el producto bajo la marca Perspex. Casi al mismo tiempo, el químico e industrial Otto Röhm de Röhm and Haas AG en Alemania intentó producir vidrio de seguridad polimerizando metacrilato de metilo entre dos capas de vidrio. El polímero se separó del vidrio como una lámina de plástico transparente, a la que Röhm le dio el nombre comercial de Plexiglas en 1933. Tanto Perspex como Plexiglas se comercializaron a fines de la década de 1930. En los Estados Unidos, E. I. du Pont de Nemours &Amp; Company (ahora DuPont Company) introdujo posteriormente su propio producto bajo la marca comercial Lucite. En 1936, ICI Acrylics (ahora Lucite International) inició la primera producción comercialmente viable de vidrio acrílico de seguridad. Durante la Segunda Guerra Mundial, tanto las fuerzas aliadas como las del Eje utilizaron vidrio acrílico para los periscopios de los submarinos y los parabrisas, capotas y torretas de los aviones. A los pilotos de aviones cuyos ojos resultaron dañados por fragmentos de PMMA voladores les fue mucho mejor que a los que sufrieron lesiones por vidrio estándar, lo que demostró una mejor compatibilidad entre el tejido humano y el PMMA que el vidrio. Las aplicaciones civiles siguieron después de la guerra.

Nombres

Los estilos ortográficos comunes incluyen polimetilmetacrilato y polimetilmetacrilato. El nombre químico completo de la IUPAC es poli(2-metilpropenoato de metilo). (Es un error común usar "an" en lugar de "en").

Aunque el PMMA a menudo se denomina simplemente "acrílico", acrílico también puede referirse a otros polímeros o copolímeros que contienen poliacrilonitrilo. Los nombres comerciales y marcas notables incluyen Acrylite, Lucite, PerClax, R-Cast, Plexiglas, Optix, Perspex, Oroglas, Altuglas, Cyrolite, Astariglas, Cho Chen, Sumipex y Crystallite.

PMMA es una alternativa económica al policarbonato (PC) cuando la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión, la transparencia, la capacidad de pulido y la tolerancia a los rayos UV son más importantes que la resistencia al impacto, la resistencia química y la resistencia al calor. Además, PMMA no contiene las subunidades de bisfenol-A potencialmente dañinas que se encuentran en el policarbonato y es una opción mucho mejor para el corte por láser. A menudo se prefiere debido a sus propiedades moderadas, fácil manejo y procesamiento y bajo costo. El PMMA no modificado se comporta de manera quebradiza cuando está bajo carga, especialmente bajo una fuerza de impacto, y es más propenso a rayarse que el vidrio inorgánico convencional, pero el PMMA modificado a veces puede lograr una alta resistencia a los arañazos y al impacto.

Propiedades

Estructura esquelética del metilmetralato, el monómero constitutivo de PMMA
Piezas de Plexiglas(R), el parabrisas de un avión alemán derribado durante la Segunda Guerra Mundial

PMMA es un material fuerte, resistente y liviano. Tiene una densidad de 1,17 a 1,20 g/cm3, que es menos de la mitad que el vidrio. También tiene buena resistencia al impacto, superior tanto al vidrio como al poliestireno; sin embargo, la resistencia al impacto del PMMA sigue siendo significativamente menor que la del policarbonato y algunos polímeros de ingeniería. El PMMA se enciende a 460 °C (860 °F) y se quema, formando dióxido de carbono, agua, monóxido de carbono y compuestos de bajo peso molecular, incluido el formaldehído.

El PMMA transmite hasta el 92 % de la luz visible (3 mm de grosor) y proporciona un reflejo de alrededor del 4 % en cada una de sus superficies debido a su índice de refracción (1,4905 a 589,3 nm). Filtra la luz ultravioleta (UV) en longitudes de onda inferiores a unos 300 nm (similar al vidrio de una ventana normal). Algunos fabricantes agregan recubrimientos o aditivos al PMMA para mejorar la absorción en el rango de 300 a 400 nm. El PMMA deja pasar luz infrarroja de hasta 2800 nm y bloquea IR de longitudes de onda más largas de hasta 25 000 nm. Las variedades de PMMA coloreadas permiten el paso de longitudes de onda IR específicas mientras bloquean la luz visible (para aplicaciones de control remoto o sensor de calor, por ejemplo).

El PMMA se hincha y se disuelve en muchos solventes orgánicos; también tiene poca resistencia a muchos otros productos químicos debido a sus grupos éster fácilmente hidrolizados. No obstante, su estabilidad ambiental es superior a la de la mayoría de los demás plásticos, como el poliestireno y el polietileno, y por lo tanto, a menudo es el material elegido para aplicaciones al aire libre.

El PMMA tiene una relación máxima de absorción de agua de 0,3 a 0,4 % por peso. La resistencia a la tracción disminuye con el aumento de la absorción de agua. Su coeficiente de expansión térmica es relativamente alto a (5–10)×10−5 °C−1.

La casa Futuro estaba hecha de plástico de poliéster reforzado con fibra de vidrio, poliéster-poliuretano y poli(metilmetacrilato); se descubrió que uno de ellos estaba degradado por cianobacterias y Archaea.

El PMMA se puede unir usando cemento de cianoacrilato (comúnmente conocido como superpegamento), con calor (soldadura) o usando solventes clorados como diclorometano o triclorometano (cloroformo) para disolver el plástico en la unión, que luego se fusiona y fragua. formando una soldadura casi invisible. Los rayones pueden eliminarse fácilmente puliendo o calentando la superficie del material. El corte por láser se puede utilizar para formar diseños intrincados a partir de láminas de PMMA. El PMMA se vaporiza a compuestos gaseosos (incluidos sus monómeros) al cortar con láser, por lo que se realiza un corte muy limpio y se realiza muy fácilmente. Sin embargo, el corte por láser pulsado introduce grandes tensiones internas que, al exponerse a disolventes, producen un "resquebrajamiento por tensión" en el borde cortado y varios milímetros de profundidad. Incluso los limpiacristales a base de amonio y casi todo lo que no sea agua y jabón producen un agrietamiento indeseable similar, a veces en toda la superficie de las piezas cortadas, a grandes distancias del borde sometido a tensión. El recocido de las piezas/láminas de PMMA es, por lo tanto, un paso de posprocesamiento obligatorio cuando se pretende unir químicamente piezas cortadas con láser.

En la mayoría de las aplicaciones, no se romperá. Más bien, se rompe en pedazos grandes y sin brillo. Dado que el PMMA es más blando y se raya más fácilmente que el vidrio, a menudo se agregan revestimientos resistentes a los arañazos a las láminas de PMMA para protegerlo (así como otras posibles funciones).

El homopolímero de poli(metacrilato de metilo) puro rara vez se vende como producto final, ya que no está optimizado para la mayoría de las aplicaciones. Más bien, se crean formulaciones modificadas con cantidades variables de otros comonómeros, aditivos y rellenos para usos donde se requieren propiedades específicas. Por ejemplo,

Síntesis y procesamiento

El PMMA se produce habitualmente mediante polimerización en emulsión, polimerización en solución y polimerización en masa. En general, se usa la iniciación por radicales (incluidos los métodos de polimerización viva), pero también se puede realizar la polimerización aniónica de PMMA.

La temperatura de transición vítrea (Tg) del PMMA atáctico es de 105 °C (221 °F). Los valores Tg de los grados comerciales de PMMA varían de 85 a 165 °C (185 a 329 °F); la gama es tan amplia debido a la gran cantidad de composiciones comerciales que son copolímeros con comonómeros distintos del metacrilato de metilo. El PMMA es por tanto un vidrio orgánico a temperatura ambiente; es decir, está por debajo de su Tg. La temperatura de formación comienza en la temperatura de transición vítrea y sube desde allí. Se pueden usar todos los procesos de moldeo comunes, incluidos el moldeo por inyección, el moldeo por compresión y la extrusión. Las láminas de PMMA de la más alta calidad se producen mediante fundición celular, pero en este caso, los pasos de polimerización y moldeo ocurren simultáneamente. La resistencia del material es mayor que la de los grados de moldeo debido a su masa molecular extremadamente alta. El endurecimiento del caucho se ha utilizado para aumentar la tenacidad del PMMA y superar su comportamiento frágil en respuesta a las cargas aplicadas.

Aplicaciones

Cierre de la esfera de presión de la Trieste batiscaphe, con una sola ventana cónica de PMMA puesta en el casco de la esfera. El pequeño círculo negro (pequeño que la cabeza del hombre) es el lado interior de la "ventana" plástica, sólo unas pulgadas de diámetro. El área negra circular más grande representa el lado exterior más grande del espeso cono plástico de una pieza "ventana".

Al ser transparente y duradero, el PMMA es un material versátil y se ha utilizado en una amplia gama de campos y aplicaciones, como luces traseras y grupos de instrumentos para vehículos, electrodomésticos y lentes para anteojos. El PMMA en forma de láminas permite romper paneles resistentes para la construcción de ventanas, tragaluces, barreras de seguridad a prueba de balas, letreros & expositores, sanitarios (bañeras), pantallas LCD, muebles y muchas otras aplicaciones. También se utiliza para el recubrimiento de polímeros a base de MMA que proporciona una excelente estabilidad frente a las condiciones ambientales con una emisión reducida de VOC. Los polímeros de metacrilato se utilizan ampliamente en aplicaciones médicas y dentales donde la pureza y la estabilidad son fundamentales para el rendimiento.

Sustituto de vidrio

10 metros de profundidad (33 pies) El tanque de acuario Monterey Bay tiene ventanas acrílicas de hasta 33 centímetros de espesor para soportar la presión del agua.

Redireccionamiento de la luz del día

Medicina

En particular, las lentes de tipo acrílico son útiles para la cirugía de cataratas en pacientes que tienen inflamación ocular recurrente (uveítis), ya que el material acrílico induce menos inflamación.

Odontología

Debido a su biocompatibilidad antes mencionada, el poli(metacrilato de metilo) es un material comúnmente utilizado en la odontología moderna, particularmente en la fabricación de prótesis dentales, dientes artificiales y aparatos de ortodoncia.

Construcción estética acrílica
Las esferas PMMA pre-polímeros y en polvo se mezclan con un monómero líquido metacrilato de metil, Benzoyl Peroxide (iniciador), y NN-Dimetil-P-Toluidine (acelerador), y se colocan bajo calor y presión para producir una estructura PMMA polimerizada endurecida. Mediante el uso de técnicas de moldeo por inyección, los diseños basados en cera con dientes artificiales establecidos en posiciones predeterminadas construidas sobre modelos de piedra de yeso de la boca de los pacientes se pueden convertir en prótesis funcionales utilizadas para reemplazar la dentición perdida. La mezcla de monómeros de pólvora PMMA y metilmetacrilato se inyecta en un frasco que contiene un molde de yeso de la prótesis previamente diseñada, y se coloca bajo calor para iniciar el proceso de polimerización. La presión se utiliza durante el proceso de curado para minimizar la reducción de la polimerización, asegurando un ajuste preciso de la prótesis. Aunque existen otros métodos de polimerización de PMMA para la fabricación de prótesis, como la activación de resina química y de microondas, la técnica de polimerización de resina activada por calor anteriormente descrita es la más utilizada debido a su eficacia de costes y la reducción mínima de la polimerización.
dientes artificiales
Mientras que los dientes de dentadura se pueden hacer de varios materiales diferentes, PMMA es un material de elección para la fabricación de dientes artificiales utilizados en prótesis dental. Las propiedades mecánicas del material permiten un mayor control de la estética, ajustes de superficie fáciles, un menor riesgo de fractura cuando funciona en la cavidad oral y un desgaste mínimo contra los dientes opuestos. Además, dado que las bases de las prótesis dentales se construyen a menudo utilizando PMMA, la adherencia de los dientes de dentadura de PMMA a las bases de dentadura de PMMA es incomparable, lo que conduce a la construcción de una prótesis fuerte y duradera.

Arte y estética

escultura en coche de Lexus Perspex
PMMA art by Manfred Kielnhofer
Kawai acrílico piano de cola
Muestra química de bromo Ilustrativa y segura utilizada para enseñar. El frasco de vidrio del líquido corrosivo y venenoso ha sido lanzado en un cubo de plástico acrílico

Metacrilato de metilo "resina sintética" para fundición (simplemente el producto químico líquido a granel) se puede usar junto con un catalizador de polimerización como el peróxido de metiletilcetona (MEKP), para producir PMMA transparente endurecido en cualquier forma, a partir de un molde. Objetos como insectos o monedas, o incluso sustancias químicas peligrosas en ampollas de cuarzo rompibles, pueden estar incrustados en dicho "fundido" bloques, para exhibición y manejo seguro.

Otros usos

Zapatos de tacón alto hechos de Lucite
Una guitarra de bajo eléctrico hecha de poli(metil methacrylate)
Una casa de Futuro en Warrington, Nueva Zelanda