Il PMMA si distingue dagli altri polimeri per la sua elevata trasparenza, combinata con leggerezza, resistenza ai raggi UV e agli agenti atmosferici, rendendolo ideale per molteplici applicazioni dove sono cruciali le proprietà ottiche a basso costo e la durabilità
di Giovanni Lucchetta, Università di Padova
Il polimetilmetacrilato (PMMA) è stato sviluppato per la prima volta negli Anni Trenta dagli scienziati britannici Rowland Hill e John Crawford, presso la Imperial Chemical Industries (ICI) nel Regno Unito, e successivamente commercializzato con il nome Perspex. Contemporaneamente, in Germania, Otto Röhm (società Röhm) cercava di produrre vetro di sicurezza polimerizzando il metilmetacrilato tra due strati di vetro. Questo processo ha portato alla separazione del polimero dal vetro sotto forma di fogli trasparenti, a cui Röhm diede il nome commerciale Plexiglas nel 1933.
Durante la Seconda Guerra Mondiale, sia le forze alleate che quelle dell’asse utilizzarono il PMMA per periscopi di sottomarini, cupole di aerei e torrette di mitragliatrici, grazie alla sua resistenza agli urti e alla sua trasparenza. Dopo la guerra, il PMMA trovò applicazione in ambito civile, dalla costruzione di acquari e finestre resistenti agli urti fino alle lenti per occhiali e ai dispositivi medici. Queste prime applicazioni hanno stabilito il PMMA come un materiale versatile e resistente, capace di sostituire il vetro in molteplici usi, gettando le basi per il suo impiego diffuso nei decenni successivi.
La caratteristica peculiare del PMMA è la sua elevata trasparenza, che raggiunge il 92% di trasmissione della luce, paragonabile a quella del vetro. Questo lo rende ideale per applicazioni in cui la chiarezza visiva è fondamentale, come nei vetri di sicurezza, nelle lenti ottiche e nei dispositivi medici.
Processo di polimerizzazione
La produzione del PMMA avviene attraverso la polimerizzazione del monomero metilmetacrilato (MMA). Esistono diverse tecniche di polimerizzazione che possono essere utilizzate, ciascuna con impatti specifici sulle proprietà del PMMA risultante. Una delle tecniche più comuni è la polimerizzazione in massa, dove il metilmetacrilato viene polimerizzato in presenza di iniziatori radicalici e in assenza di solventi. Questo processo produce PMMA con elevata purezza e trasparenza, ma richiede un controllo preciso delle condizioni di reazione per evitare la formazione di bolle o difetti.
Un’altra tecnica è la polimerizzazione in sospensione, dove il metilmetacrilato viene disperso in acqua con l’ausilio di agenti sospendenti. In questa tecnica, la polimerizzazione avviene all’interno di goccioline di monomero sospese, producendo perline di PMMA che possono essere successivamente fuse per formare prodotti finiti. Questa tecnica è particolarmente utile per produrre grandi volumi di PMMA a costi relativamente bassi.
Esiste anche la polimerizzazione in emulsione, che utilizza acqua e tensioattivi per creare un’emulsione stabile di monomero. La polimerizzazione avviene nelle micelle formate dai tensioattivi, risultando in particelle di PMMA di dimensioni molto piccole. Questa tecnica è vantaggiosa per la produzione di dispersioni di PMMA utilizzate in rivestimenti e vernici.
Infine, la polimerizzazione a blocchi è una tecnica che consente di creare strutture con composizioni variabili, combinando segmenti di PMMA con altri polimeri per ottenere materiali con proprietà specifiche, come una maggiore resistenza agli urti o una maggiore flessibilità.
Questi processi di produzione influenzano non solo la purezza e la trasparenza del PMMA, ma anche le sue proprietà meccaniche e chimiche. La scelta del metodo di polimerizzazione dipende dalle specifiche esigenze applicative e dalle proprietà desiderate del prodotto finale. Ad esempio, il PMMA prodotto per applicazioni ottiche deve essere estremamente puro e privo di difetti, mentre per applicazioni meno critiche, come i componenti automobilistici, può essere accettabile un PMMA con caratteristiche meno rigorose.
Proprietà fisiche e meccaniche
Il polimetilmetacrilato atattico ha una temperatura di transizione vetrosa di circa 120°C e un assorbimento d’umidità dello 0,3%. La marcata igroscopicità è dovuta alla presenza di gruppi esteri, che possono formare legami idrogeno con le molecole d’acqua. Questo facilita l’assorbimento dell’umidità dall’ambiente. La natura amorfa del PMMA permette anche una maggiore mobilità delle molecole d’acqua all’interno della matrice polimerica, contribuendo ulteriormente alla sua capacità di assorbire e trattenere l’umidità. Grazie alla sua elevata resistenza ai raggi UV, il PMMA è uno dei polimeri più resistenti all’esposizione alla luce solare.
Il PMMA possiede un modulo di elasticità di circa 2400-3300 MPa e una resistenza a trazione che varia tra 50 e 80 MPa. Queste proprietà meccaniche lo classificano come un polimero termoplastico rigido e resistente, sebbene non raggiunga la resistenza agli impatti del policarbonato (PC). Rispetto ad altri polimeri termoplastici, il PMMA offre un buon equilibrio tra rigidezza e trasparenza. Ciò lo rende ideale per applicazioni dove è richiesta una buona stabilità dimensionale e resistenza all’usura, come le lenti ottiche e i dispositivi medici.
È un sostituto eccellente del vetro in molte applicazioni. Essendo molto più leggero (con una densità di 1,19 g/cm3, circa metà di quella del vetro) e resistente agli urti, il PMMA è preferito in settori come l’architettura e l’automotive. Per esempio, nelle applicazioni automobilistiche, è utilizzato per le lenti dei fari posteriori (vedi figura 2) e altre parti non strutturali, offrendo una combinazione di leggerezza e resistenza
Rispetto ad altre materie plastiche, come il PC, il PMMA presenta un vantaggio significativo in termini di resistenza ai raggi UV e stabilità chimica. Mentre il PC è noto per la sua resistenza agli impatti estremi, il PMMA eccelle nella sua durabilità all’esposizione prolungata alla luce solare, senza ingiallire o degradarsi. È interessante notare come le lenti dei fari anteriori delle automobili, realizzate in PC per la sua maggiore resistenza all’impatto, tendano a ingiallire nel corso degli anni a causa dell’esposizione ai raggi UV e agli agenti atmosferici. Il PMMA, invece, mantiene la sua trasparenza molto più a lungo senza ingiallire, rendendolo ideale per applicazioni dove la durata estetica è cruciale, come le vetrine espositive e alcune coperture in edilizia.
Inoltre, il polimetilmetacrilato non contiene bisfenolo-A (BPA), un composto potenzialmente nocivo presente in molte plastiche, rendendolo una scelta più sicura per applicazioni nel campo medico e alimentare. La sua compatibilità con i tessuti umani lo rende poi un materiale prezioso per la produzione di lenti intraoculari e protesi dentali, migliorando la qualità della vita di molti pazienti.
Proprietà e applicazioni ottiche
Poiché alcuni polimeri hanno eccellenti proprietà ottiche e sono facili da produrre in qualsiasi forma, sono spesso utilizzati per sostituire materiali trasparenti come il vetro. I polimeri trasparenti sono stati introdotti in un’ampia varietà di applicazioni, come i fari delle automobili, le coperture delle luci di segnalazione, le fibre ottiche, i gioielli di moda, i distributori, i giocattoli e gli elettrodomestici.
I materiali organici, come i polimeri, sono anche una scelta eccellente per le applicazioni a elevato impatto, dove i materiali inorganici, come il vetro, si frantumerebbero facilmente. Tuttavia, a causa delle difficoltà incontrate nel mantenere la stabilità dimensionale, non sono adatti per applicazioni ottiche di precisione. Altri svantaggi sono la minore resistenza ai graffi rispetto ai vetri, che li rende ancora poco pratici per applicazioni come i parabrezza delle automobili.
Ma perché alcune plastiche sono trasparenti e altre opache? La trasparenza o l’opacità delle plastiche dipende da come la luce interagisce con il materiale, influenzata da fenomeni di rifrazione, riflessione, trasmissione e assorbimento. Quando la luce passa da un materiale a un altro con un diverso indice di rifrazione, il suo percorso viene deviato. L’indice di rifrazione, che è legato alla densità del materiale, misura quanto la luce viene rallentata all’interno di esso. Una parte della luce è riflessa, rimbalzando indietro, mentre un’altra parte continua a passare attraverso il materiale. Inoltre, una frazione della luce può essere assorbita dal materiale, trasformandosi in energia termica (vedi figura 3).
Nei polimeri amorfi, come il PMMA, le catene molecolari sono disposte in modo casuale e disordinato. Questo disordine evita la presenza di discontinuità significative che possano diffondere la luce, permettendole di passare attraverso il materiale con minima dispersione. Di conseguenza, questi polimeri risultano trasparenti.
Al contrario, nei polimeri semicristallini, esistono sia regioni cristalline ordinate che regioni amorfe disordinate. Le regioni cristalline, avendo una densità e un indice di rifrazione più elevati, causano la rifrazione e la riflessione della luce quando questa attraversa le discontinuità tra le regioni cristalline e amorfe (figura 4). Questa diffusione della luce rende i polimeri semicristallini opachi o traslucidi.
La dimensione delle regioni cristalline è cruciale per la trasparenza del materiale. Se le regioni cristalline sono più grandi della lunghezza d’onda della luce visibile (circa 400-700 nm), causano una significativa diffusione della luce, rendendo il materiale opaco. Tuttavia, se le regioni cristalline sono più piccole della lunghezza d’onda della luce visibile, non interferiscono significativamente con la luce, mantenendo il materiale trasparente.
Alcune plastiche semicristalline possono mantenere un’elevata trasparenza se vengono solidificate rapidamente, impedendo la formazione di grandi cristalli. L’uso di agenti nucleanti può promuovere la formazione di numerosi piccoli cristalli, come nel caso del polietilentereftalato (PET), che può essere reso trasparente attraverso il controllo della velocità di raffreddamento delle preforme stampate a iniezione.
Anche lo spessore della parete del materiale influisce sulla trasparenza. Pareti più sottili permettono alla luce di attraversare il materiale con meno assorbimento, risultando più trasparenti. Invece, aumentando lo spessore, cresce la probabilità che la luce sia diffusa o assorbita, riducendo la trasparenza del materiale. La luce deve attraversare una maggiore quantità di materiale, aumentando la possibilità di interazioni che diminuiscono la trasparenza.
L’indice di rifrazione del PMMA è di circa 1,49, che è relativamente alto per un polimero. Questo elevato indice di rifrazione è particolarmente utile nella realizzazione di prismi e guideluce, sfruttando il fenomeno della riflessione totale interna (figura 5). Quando la luce passa da un materiale con un indice di rifrazione elevato a uno con un indice di rifrazione inferiore, come l’aria, ad un certo angolo critico, tutta la luce viene riflessa all’interno del materiale piuttosto che trasmessa attraverso l’interfaccia (figura 6). Questo fenomeno, noto come riflessione totale interna, è fondamentale per il funzionamento delle guide di luce e dei prismi.
Le guideluce in PMMA sfruttano la riflessione totale interna per trasportare la luce lungo il materiale con perdite minime. Questo è particolarmente utile in applicazioni dove la luce deve essere trasportata a distanze elevate senza dispersione significativa. Inoltre, i prismi in PMMA sono utilizzati in diverse applicazioni, come: riflettori per biciclette, segnaletica stradale e dispositivi di sicurezza, dove è essenziale che la luce sia riflessa efficacemente verso la sorgente.
Applicazioni biomedicali
Il PMMA ha trovato numerose applicazioni nel settore biomedicale grazie alle sue proprietà uniche. In particolare, è ampiamente utilizzato nella chirurgia ortopedica come “cemento” per fissare le protesi alle ossa, offrendo un supporto stabile e duraturo. Il PMMA viene fornito come una polvere che, miscelata con metilmetacrilato liquido, forma un cemento che può essere modellato e indurito per adattarsi alle esigenze specifiche del paziente. Questa proprietà è fondamentale per interventi come la sostituzione dell’anca e del ginocchio, dove è necessario un ancoraggio solido per le protesi.
Inoltre, il PMMA è utilizzato nella produzione di lenti intraoculari per il trattamento della cataratta (vedi figura 7). Queste lenti sostituiscono il cristallino naturale opacizzato, e la trasparenza e la stabilità del PMMA garantiscono una visione chiara e duratura. L’elevata compatibilità del PMMA con i tessuti umani riduce al minimo le reazioni avverse e migliora l’accettazione del materiale da parte del corpo.
Il polimetilmetacrilato è anche utilizzato per la realizzazione di protesi dentali, incluse le dentiere e le corone artificiali. Grazie alla sua capacità di essere colorato per abbinarsi ai denti naturali del paziente, offre soluzioni estetiche e funzionali in campo odontoiatrico. È interessante notare che gran parte dei materiali per otturazioni dentali bianche contiene PMMA come componente principale, garantendo resistenza e durabilità nel tempo.
Un’altra applicazione innovativa del PMMA è nei dispositivi per il rilascio controllato di farmaci. Grazie alla sua capacità di essere modificato chimicamente, può essere utilizzato per creare matrici che rilasciano farmaci in modo controllato e prolungato. Questo è particolarmente utile nel trattamento delle infezioni ossee, dove il rilascio costante di antibiotici può prevenire ricorrenze infettive.
In chirurgia estetica, microsfere di PMMA sospese in fluidi biologici vengono iniettate sotto la pelle per ridurre permanentemente rughe e cicatrici. Questo utilizzo sfrutta la biocompatibilità e la stabilità del PMMA per migliorare l’aspetto estetico in modo sicuro ed efficace.
Infine, il PMMA è utilizzato anche nella fabbricazione di colonne per la cromatografia bioprocessuale, dove la sua trasparenza e biocompatibilità sono essenziali per monitorare e controllare i processi biochimici.
In conclusione, il polimetilmetacrilato è un materiale estremamente versatile che trova applicazioni fondamentali nel settore biomedicale. La sua biocompatibilità, trasparenza, stabilità e facilità di lavorazione lo rendono una scelta eccellente per migliorare la qualità della vita dei pazienti attraverso soluzioni innovative e affidabili.
(Articolo tratto dalla rivista Plastix n. 6, settembre 2024)
