Polymethylmethacrylat

Grundlagen und Eigenschaften

Polymethylmethacrylat (PMMA), auch Acrylglas genannt, ist ein transparenter thermoplastischer Kunststoff. Thermoplasten können bei Erwärmung plastisch verformt werden; bei PMMA ist diese Verformung jenseits von 100 °C thermisch reversibel. Die Wiederholeinheit besitzt die Summenformel C5H8O2 und eine molare Masse von 100,12 g·mol−1. Das Monomer, aus dem PMMA aufgebaut wird, ist Methacrylsäuremethylester.

PMMA ist fest und hat eine Dichte von etwa 1,18 bis 1,19 g·cm−3. Die Glastemperatur, also der Übergang zwischen einem eher harten und einem weicheren Zustand, liegt bei etwa 105 °C. Die Wasseraufnahme beträgt 0,3 % in trockener Luft, 1,2 % in feuchter Luft und 2 % bei Wasserlagerung. Gegen polare Lösungsmittel wie Aceton ist PMMA unbeständig.

PMMA transmittiert sichtbares Licht besser als Mineralglas. Eine 3 mm dicke Platte lässt bis zu 92 % des sichtbaren Lichts durch und reflektiert wegen ihres Brechungsindex von 1,4905 bei 589,3 nm etwa 4 % an jeder Oberfläche. Der Brechungsindex wird auch mit 1,492 angegeben; zum Vergleich liegt er bei Mineralglas bei 1,45–1,9. PMMA absorbiert Ultraviolettstrahlung unter etwa 300 nm. Durch Beschichtungen oder Additive kann die Absorption zwischen 300 und 400 nm verbessert werden. Für bestimmte Anwendungen gibt es auch UV-durchlässige Varianten. Infrarotstrahlung lässt PMMA bis 2800 nm durch; längere Wellenlängen bis 25000 nm werden blockiert. Farbige Sorten können bestimmte IR-Wellenlängen durchlassen und sichtbares Licht blockieren.

Der Kunststoff ist gut einfärbbar sowie witterungs- und alterungsbeständig. Er widersteht Säuren, Laugen mittlerer Konzentration, Benzin und Öl, wird aber von Ethanol, Aceton und Benzol angegriffen. Alkohol und Lösungsmittel dürfen daher nicht zur Reinigung von Acrylglasflächen verwendet werden, weil Spannungsrisskorrosion entstehen kann. PMMA ist gut spanabhebend zu bearbeiten und lässt sich mit CO2-Lasern schneiden oder gravieren. Es ist kratzunempfindlicher als andere Thermoplaste; Kleben und Schweißen sind möglich. Es ist allerdings nur bedingt schlagfest, wobei schlagzäh verstärkte Varianten existieren.

Weitere technische Kennwerte sind eine Wärmeleitfähigkeit von 0,19 W/(m·K), eine spezifische Wärmekapazität von 1,47 kJ/(kg·K), ein Zug-E-Modul von 2700–3200 N/mm², eine Durchschlagsfestigkeit von 35–40 kV/mm, eine Reißfestigkeit von 70 N/mm² und eine Permittivität bei 50 Hz von 3,7. Der thermische Ausdehnungskoeffizient beträgt bei Halbzeug unterhalb der Glastemperatur 70–85 · 10−6 K−1. Pro 1 % Wassereinlagerung beträgt die Längenausdehnung etwa 0,001. PMMA verbrennt knisternd mit gelblicher Flamme, süßlichem Geruch, tropfend und ohne Rückstände. Sicherheitstechnisch sind keine GHS-Piktogramme, H-Sätze oder P-Sätze angegeben.

Herstellung und Kettenbildung

PMMA wird routinemäßig durch radikalische Substanz-, Emulsions- oder Suspensionspolymerisation hergestellt. Das dabei entstehende PMMA ist ataktisch, das heißt, die räumliche Anordnung der Seitengruppen ist nicht regelmäßig, und völlig amorph, besitzt also keine ausgeprägte kristalline Ordnung. Auch eine anionische Polymerisation einschließlich Methoden der lebenden Polymerisation ist möglich.

Bei einer beispielhaften radikalischen Polymerisation dient Dibenzoylperoxid als Initiator. Die Reaktion verläuft in vier grundlegenden Schritten:

• Radikalbildung: Dibenzoylperoxid zerfällt bei geringer Wärmezufuhr homolytisch. Von den entstehenden Radikalen spaltet sich Kohlenstoffdioxid (CO2) ab.
• Kettenstart: Das entstandene Radikal reagiert mit Methacrylsäuremethylester und bildet ein größeres Radikal.
• Kettenwachstum: Das wachsende Radikal reagiert wiederholt mit weiteren Monomermolekülen. Dadurch wird die Kette immer länger.
• Kettenabbruch: Zwei wachsende Ketten können sich verbinden, disproportionieren oder mit einem Starterradikal reagieren. Beim Verbinden entstehen aus zwei wachsenden Ketten eine gemeinsame Kette.

Druck, Temperaturverlauf und Dauer des Polymerisationsprozesses beeinflussen die mittlere Länge der Polymerketten sowie deren Vernetzung und Verschränkung. Dadurch ändern sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften, sodass Werte je nach Produktionsverfahren leicht abweichen können.

Durch die Verwendung weiterer Monomere, etwa Alkyl- oder Arylmethacrylate, lassen sich Mischpolymerisate an bestimmte Anforderungen anpassen. Langkettige Ester wie Lauryl- und Stearylmethacrylate führen bereits zu wachsartigen Polymereigenschaften; stark verzweigte Alkoholreste verringern die Lösungsviskosität. Multifunktionelle Acrylate wie Ethylenglycoldimethacrylat erzeugen durch Quervernetzung PMMA-Copolymere. Dadurch können unter anderem Biegefestigkeit, Elastizitätsmodul und Abrasionsbeständigkeit verändert werden. Kombinationen anionischer und kationischer PMMA bilden Interpolyelektrolytkomplexe (IPEC), die bevorzugt zur Ummantelung von Arzneistoffen und zu ihrer gezielten Freisetzung eingesetzt werden.

Entwicklung

Acrylglas wurde 1928 ungefähr gleichzeitig in Deutschland, Großbritannien und Spanien entwickelt. In Deutschland war der Chemiker Walter Bauer (1893–1968) beteiligt. Die ersten gegossenen Acrylglasscheiben stellte Otto Röhm 1933 in Deutschland her und brachte sie zur Marktreife.

1940 fertigte Heinrich Wöhlk die ersten Kunststoffkontaktlinsen aus PMMA an und erprobte sie im Selbstversuch. Zuvor bestanden Kontaktlinsen ausschließlich aus geschliffenem Silikatglas, das einen deutlich schlechteren Tragekomfort aufwies. Zu den frühen Alltagsprodukten aus PMMA gehörten die Deckel der Radio-Plattenspieler-Kombinationen Braun SK 4 von 1956. Heute wird PMMA in großen Mengen für zahlreiche Anwendungen eingesetzt.

Verwendung

PMMA wird zu transparenten und nichttransparenten Gegenständen, Bauteilen, Waren und Halbzeugen verarbeitet. Ein besonders wichtiges Gebiet ist die Zahnmedizin. Für Total- und Teilprothesen, Provisorien, Aufbissschienen, Zahnspangen, Kronen, Brücken und künstliche Zähne wird der Kunststoff mit Pigmenten wie Titandioxid, Eisenoxiden oder Azo-Pigmenten eingefärbt. Dadurch entsteht die typische rosa Farbe. Für Verbandsschienen wird durchsichtiges PMMA verwendet. Die Mischung härtet unter Hitze und Druck aus; durch Aktivatoren ist auch eine Polymerisation ohne externe Druck- und Temperaturerhöhung möglich.

Wichtige technische Einsatzgebiete sind unter anderem:

• In der Automobilindustrie: Blinker- und Rückleuchtengläser, Reflektoren, Lichtleiter und Verkleidungen.
• Im Bauwesen: Polymerbeton, Industriefußböden, Verglasungen wie Doppelstegplatten, Abdichtungen und Beschichtungen, Badewannen, Möbel, Raumteiler, Türfüllungen und Lampenschirme.
• In der Halbleiterindustrie: Resist beziehungsweise Fotolack in der Foto- und Elektronenstrahllithographie zur Herstellung von Schaltkreisen und Leiterplatten.
• In Lichttechnik und Optik: Leuchtenabdeckungen, Leuchtwerbung, Schaugläser, Linsen, Fresnel-Linsen und Lichtwellenleiter.
• Im Luftfahrzeugbau: Scheiben, Hauben und Scheinwerferabdeckungen; außerdem für Maschinenschutzhauben und Schutztüren.
• Im Modell- und Prototypenbau als Mineralglas-Ersatz für Einzelstücke und Kleinstserien sowie als Material für Lasercutter. Extrudierte Acrylplatten eignen sich besser zum Schneiden, gegossene Platten besser zum Gravieren.
• Im Schiffbau für U-Boot-Druckkörper und im Textilbereich als Bestandteil von Copolymerfasern (Polyacryl).

In der Medizin wird PMMA außerdem für harte Intraokularlinsen und Brillengläser, Ohrpassstücke, Knochenzement zur Verankerung von Hüftendoprothesen, zur Augmentation von Kyphoplastien sowie für mit Gentamicin angereicherte PMMA-Kugeln zur kontinuierlichen Antibiotikabehandlung eingesetzt.

Weitere Anwendungen sind Kunst und Fotografie, Bedachungen und Seitenteile von Treibhäusern, Schüsseln, Gehäuse, Behälter, Salatlöffel, Salz- und Pfeffermühlen, Methylmethacrylatklebstoffe, Schlagzeuge, Tastenbeläge von Klavieren, verschiedene Holzblasinstrumente, Wasserpfeifen, Schmuck und Verzögerungssätze in der Pyrotechnik.

Handelsnamen und Recycling

Bekannt wurde PMMA unter dem Handelsnamen Plexiglas, der 1933 von Otto Röhm angemeldet wurde. In Europa und Asien ist Plexiglas eine eingetragene Marke der Röhm GmbH, in den USA von Altuglas International (Arkema Gruppe). Röhm vertreibt Acrylglas in den USA auch unter dem Namen Acrylite. Altuglas International vermarktet PMMA in Europa unter Altuglas, die Arkema Gruppe unter Oroglas.

Umgangssprachlich wird PMMA auch Acrylglas oder O-Glas genannt. O-Glas war in der DDR der Markenname für „organisches Glas“; einziger Hersteller waren die Stickstoffwerke Piesteritz. Daraus leitete sich der Handelsname Piacryl ab. Weitere herstellerspezifische Handelsnamen sind Biacryl, Conacryl, Deglas, Diakon, Friacryl, Hesaglas, Hesalit, Hesalitglas, Limacryl, PerClax, Resartglas und Vitroflex.

Der Recycling-Code für Polymethylmethacrylat und andere Kunststoffe lautet 07.