亚克力，也就是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是一种用途广泛的热塑性聚合物，因高光学透明度、表面硬度以及优异的耐候性，在工业制造中得到广泛应用。它常被用作玻璃的替代材料，因此也被称为有机玻璃。要实现丙烯酸零部件的高精度加工，需要深入了解其材料特性以及这些特性与不同加工和成型工艺之间的相互作用。本文概述了亚克力及其在生产中常用的加工方法。
什么是亚克力？
亚克力，全称为聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate），是通过甲基丙烯酸甲酯单体打开C=C双键进行加聚反应形成的。其分子式为(C₅H₈O₂)ₙ，其中n代表聚合度，通常分子量在10,000至12,000之间。它具有1.18–1.19 g/cm³的密度，折射率约为1.49，光透过率达92%，雾度不超过2%，是一种有机透明材料。
亚克力的类型
根据生产工艺的不同，亚克力板材可分为浇铸板和挤出板两大类。
浇铸亚克力板
浇铸板分子量较高，具有优异的刚性、强度和更强的耐化学性。因此更适合加工大型标识牌和匾牌，但在软化过程中需要稍长的时间。其特点是适合小批量加工，颜色体系和表面纹理具有极高的灵活性，产品规格齐全，可满足各种特殊用途。
挤出亚克力板
与浇铸板相比，挤出板的分子量较低，机械性能稍弱，但柔韧性更高。这一特性使其在弯曲和热成型工艺中更具优势，软化时间较短。在处理大尺寸板材时，便于进行各种快速真空吸塑成型。同时，挤出板的厚度公差比浇铸板更小。由于挤出板采用大规模自动化生产，颜色和规格的调整较为不便，因此产品品种存在一定限制。
亚克力的性能特点
- 物理性能：PMMA具有优异的光学性能，光透过率高达92%，比无机玻璃高10%。它无色，几乎不吸收可见光，能透过270 nm的紫外光，且着色性良好。在受热时几乎不发生变色或褪色。折射率为1.49，表面反射率不超过4%，表面光泽度高。PMMA的相对密度较小（1.17–1.20），仅为无机玻璃的一半左右。
- 机械性能：PMMA在室温下具有较高的机械强度，受温度影响较小。但当接近软化点和玻璃化转变温度时，强度会急剧下降。PMMA表面硬度较低，耐刮擦性差，冲击韧性也较低，通常需要通过橡胶改性来改善。其吸水率较高，且尺寸收缩明显。
- 热性能：PMMA的热膨胀系数较大，温度变化会导致明显的尺寸变化。
- 电性能：在较宽的频率范围内，PMMA的功率因数随频率升高而降低，适合长期户外使用的电气设备。它具有良好的耐电弧性和耐漏电痕迹性，表面电阻高，电绝缘性能优良。
- 耐化学性：PMMA能耐强酸、强碱、无机盐、油类和脂肪烃。
- 耐老化性：PMMA具有优异的耐候性。即使长期户外暴露，其透明度和光泽度变化也非常小。
材料性能参数表：
| 类别 | 属性 | 测试条件 | 数值 | 单位 |
|---|---|---|---|---|
| 物理 | 吸水率 | 24hr | 0.3 | % |
| 物理 | 熔体流动速率 (MFR) | 230°C / 3.8kg | 15 | g/10 min |
| 物理 | 密度 | – | 1.19 | g/cm³ |
| 物理 | 模具收缩率 | – | 0.2~0.6 | % |
| 机械 | 拉伸模量 | 1mm/min | 3300 | MPa |
| 机械 | 弯曲模量 | 2mm/min | 3300 | MPa |
| 机械 | 拉伸强度 | 5mm/min | 67 | MPa |
| 机械 | 断裂伸长率 | 5mm/min | 4 | % |
| 机械 | 弯曲强度 | 2mm/min | 120 | MPa |
| 热 | 热变形温度 (HDT) | 1.8MPa | 84 | °C |
| 热 | 维卡软化点 | B50 | 89 | °C |
| 电 | 介电强度 | 4kV/sec | 20 | kV/mm |
| 电 | 表面电阻率 | – | >10¹⁶ | ohms |
| 电 | 介电常数 | 60Hz | 3.7 | — |
| 电 | 体积电阻率 | – | >10¹³ | ohms·m |
| 光学 | 折射率 | nd | 1.49 | — |
| 光学 | 光透过率 | 3mm | 92 | % |
| 光学 | 雾度 | 3mm | <0.5 | % |
亚克力机加工（CNC加工）
PMMA塑料可进行机械加工，包括锯切、铣削、钻孔和铰孔等。
CNC加工丙烯酸实例
下图所示为一个具有中空薄壁结构的丙烯酸零件。该零件对尺寸精度要求较高，且加工后必须保持材料原有的光透过率，以满足测量范围的要求。
该零件可采用CNC车床加工，但若工艺参数和加工顺序选择不当，极易出现裂纹导致报废。若表面处理方式选择错误，表面会出现撕裂现象，失去PMMA原有的透明度，无法满足使用要求。
切削热对亚克力加工的影响
PMMA的导热性极差，仅为普通金属材料的1/450至1/175。切削过程中产生的热量无法快速扩散，会积聚在刀具与工件接触处，导致刀具磨损加剧。同时，PMMA的热膨胀系数比一般金属大1.5~2倍，玻璃化转变温度约为100°C。过高的切削热会导致体积变化和玻璃化，降低加工精度。体积膨胀还会加剧刀具与工件之间的摩擦，形成热量不断上升的恶性循环。
由于PMMA熔点较低（仅160–200°C），属于热塑性材料。高切削热容易导致已加工表面熔化。特别是在加工内孔时，散热不良会导致表面出现“拉毛”现象，产生细微的撕裂状裂纹。这常被误认为是材料脆性或内部缺陷。但通过透明度或水密性检查却无渗漏，只是零件无法满足透明度技术要求，表面发雾，失去材料原有的自然质感。
加工参数的影响
在室温下，PMMA属于硬脆材料。对于薄壁结构，若切削参数选择不当，切削力不稳定，容易导致零件开裂甚至碎裂。
表面粗糙度
由于硬度较低，PMMA切削后的表面粗糙度往往较差。为满足技术要求，加工后必须采用特殊的抛光材料和工艺进行处理。
亚克力CNC加工解决方案
为确保尺寸精度、表面粗糙度和技术要求，同时提高成品率，内孔应在加工端面及端面止口槽之后进行。为避免材料回弹，钻孔进给量控制在0.05–0.08 mm。同时严格控制切削液的流量和供给，确保钻孔过程中温度稳定。内孔加工完成后，使用止口定位辅助夹具，以尾座顶尖抵住夹具的辅助中心孔，确保外径加工时的轴向限位。先加工50mm外径，利用偏刀间隙，再一次走刀成型20mm外径，完成切削加工。
其他亚克力成型工艺
丙烯酸的其他成型工艺包括浇铸、注塑、挤出和热成型等。
浇铸成型
采用本体聚合方法浇铸成PMMA板材、棒材及其他型材。浇铸后的产品需进行后处理，典型条件为60°C保温2小时，再120°C保温2小时。
注塑成型
采用悬浮聚合制得的粒料，在标准柱塞式或螺杆式注塑机上进行加工。
挤出成型
聚甲基丙烯酸甲酯也可进行挤出成型。使用悬浮聚合的粒料制备板材、棒材、管材和条材。但由此制得的型材（尤其是板材），由于聚合物分子量较低，其机械性能、耐热性和耐溶剂性均不如浇铸型材。优点是生产效率高，尤其适合浇铸模具难以生产的管材等型材。挤出成型可采用单阶或双阶排气挤出机，螺杆长径比一般为20~25。
热成型
热成型是将PMMA板材或条材制成各种尺寸和形状制品的工艺。将坯料按要求尺寸裁切，夹持在模具框架上，加热软化后施加压力使其贴合模具表面，冷却定型后修边即得成品。压力可通过真空吸塑或阳模直接加压实现。快速真空浅拉伸成型时宜采用较低温度上限，复杂深拉伸制品则采用较高温度。一般采用常规温度范围。
热处理与表面处理
丙烯酸制品在机械加工或热成型等二次加工过程中容易产生内应力。若不进行处理，在受热、溶剂或环境应力作用下易出现微裂纹甚至结构破坏。因此，丙烯酸制品加工后通常需要进行退火处理以消除内应力。
CNC加工件的退火处理
对于CNC加工的丙烯酸零件，将其置于室温烘箱中，以约15°C/小时的速度升温。达到目标温度90°C后，保温时间根据材料厚度按以下比例确定：
- 3 mm板材：保温1小时
- 6 mm板材：保温2小时
- 12 mm板材：保温4小时
- 20 mm板材：保温6小时
保温结束后，按约10°C/小时的速度缓慢冷却至室温，防止因快速热收缩产生新的应力。
热成型件的退火处理
对于热弯或真空成型的丙烯酸制品，退火温度略低于CNC加工件，一般在70°C~85°C之间，保温时间与上述加工板材要求相同。
注塑件的退火处理
注塑件的退火参数主要取决于具体零件设计和壁厚。保温温度一般在60°C~80°C之间，保温时间控制在2~4小时。
表面处理
为提升特定性能（如提高耐磨性或增加表面光泽度），PMMA制品可进行多种二次加工，包括抛光、喷涂、激光雕刻等，以满足不同工作环境的需求。
保护涂层可通过喷涂（适用于复杂或异形件）或浸涂（适用于小零件）等方式施加于丙烯酸部件表面。这些化学处理能在丙烯酸表面形成致密的保护膜，满足高硬度和耐磨要求。
物理气相沉积（PVD）可在表面沉积超硬薄膜。该工艺可最大限度减少生产过程中的杂质干扰，涂层致密性和均匀性极佳。虽然PVD能显著提高表面硬度和耐磨性，但成本较高，对材料厚度也有特定要求，一般更适合薄板材。
亚克力的应用
得益于优异的光学性能，PMMA被广泛应用于多个行业。普通级PMMA主要用于广告灯箱、标识牌、灯具、浴缸、仪器仪表、日用品和家具等。高性能PMMA则在LCD屏幕、防辐射板、光纤、太阳能光伏电池、汽车透镜罩、防弹玻璃、飞机驾驶舱盖以及生物医用高分子材料等领域发挥关键作用。
生物医学领域
PMMA微球因其良好的生物相容性和低毒性，被广泛用作药物载体、组织工程支架和细胞标记材料。通过表面改性，微球可负载药物分子实现靶向释放，延长药物半衰期。作为骨修复材料，其机械强度和可塑性有助于骨折愈合。在细胞培养中，微球可提供三维支撑结构，促进细胞增殖。粒径100nm的微球易被细胞吞噬，适用于肿瘤治疗和疫苗递送。
显示器导光板
LCD导光板的背光模组主要由光源、导光板和光学膜组成。导光板用于将光源发出的光均匀引导至显示面，主要材料为PMMA。
LED照明
在照明领域，LED是一种新型绿色光源。与传统光源相比，它节能环保、寿命长、体积小，广泛应用于指示、显示、装饰、背光、普通照明及城市夜景等领域。
LED面板灯利用导光板将LED点光源或线光源转化为面光源，使光线从正面均匀射出。因PMMA具有更高的光透过率，LED面板灯主要采用PMMA导光板作为原料。
PMMA光纤材料
以PMMA为原料的塑料光纤是短距离数据传输的优良介质，被认为是光纤到户（FTTH）“最后一公里”的最佳解决方案。除通信领域外，PMMA光纤还用于景观照明，如2012年伦敦奥运会开幕式和闭幕式的景观工程。
汽车轻量化材料
随着新能源汽车补贴政策的实施，提升续航里程是一大挑战。轻量化技术是提高续航的有效途径，汽车重量每降低10%，能耗可减少6%–8%。
PMMA因其优异的光学性能、轻质和耐候性，被广泛应用于汽车各部位：
- 车灯：需要良好的透光性、抗冲击性和耐老化性。PMMA广泛用于新能源汽车尾灯罩。
- 车窗玻璃：采用低密度轻质材料是车窗减重的重要策略。PMMA在满足透光、抗冲击、低碎裂的同时还能阻挡紫外线。欧洲多家车企已将其用于侧窗和后窗，与传统玻璃相比可减重40%–50%。
- 仪表板：PMMA韧性好、冲击强度高，在振动和压力测试中不开裂，且具有高光学清晰度。
- 保险杠：PMMA与ABS的复合材料可用于保险杠，兼具PMMA的耐刮擦性和环保性，以及ABS的抗冲击性和耐热性，成本低于镁铝合金。