Methyl methacrylate là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa và đặc điểm chung của methyl methacrylate

Methyl methacrylate (MMA) là một hợp chất hữu cơ thuộc nhóm este không bão hòa, có công thức phân tử $C_5H_8O_2$. Ở điều kiện thường, MMA là chất lỏng không màu, mùi hắc đặc trưng, dễ bay hơi và dễ cháy. Nó là monome quan trọng để tổng hợp poly(methyl methacrylate) (PMMA), một polymer trong suốt được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và y tế.

MMA có khối lượng phân tử 100.12 g/mol, điểm sôi khoảng 100.3 °C, tỉ trọng khoảng 0.94 g/cm³ ở 20 °C, và áp suất hơi cao khiến nó dễ bay hơi vào môi trường không khí. Nó tan ít trong nước nhưng tan tốt trong ethanol, ether và các dung môi hữu cơ khác.

Tính chất vật lý nổi bật của MMA bao gồm độ nhớt thấp, độ khúc xạ cao khi được polymer hóa và khả năng tạo polymer trong suốt có độ bền cơ học và kháng tia cực tím cao. Chính những đặc điểm này khiến nó trở thành nguyên liệu lý tưởng trong sản xuất kính hữu cơ, vật liệu nha khoa, vật liệu quang học và nhiều ứng dụng khác.

Cấu trúc phân tử và tính chất hóa học

MMA có cấu trúc hóa học đặc trưng gồm một nhóm vinyl (CH₂=C–) liên kết với nhóm metyl và nhóm este metacrylate (–COOCH₃), tạo nên cấu trúc: CH₂=C(CH₃)COOCH₃. Liên kết đôi C=C ở đầu mạch chính là vị trí hoạt động phản ứng, đặc biệt trong các phản ứng trùng hợp.

Do có liên kết π trong nhóm vinyl, MMA dễ tham gia phản ứng trùng hợp gốc tự do. Đây là cơ sở để sản xuất polymer PMMA theo cơ chế khơi mào–truyền–kết thúc. Ngoài ra, MMA còn có thể phản ứng este hóa ngược hoặc phản ứng với amin để tạo amid. Trong điều kiện axit hoặc bazơ mạnh, nhóm este có thể bị thủy phân thành axit methacrylic và methanol.

Bảng tính chất cơ bản của MMA:

Thuộc tính	Giá trị
Công thức phân tử	$C_5H_8O_2$
Khối lượng phân tử	100.12 g/mol
Điểm sôi	100.3 °C
Điểm chớp cháy	10 °C (tự bắt cháy ở 421 °C)
Áp suất hơi	38 mmHg (20 °C)
Khả năng tan trong nước	15.9 g/L (20 °C)

Quy trình sản xuất công nghiệp

MMA được sản xuất trên quy mô công nghiệp chủ yếu qua hai quy trình chính: quy trình axeton xyanohydrin (ACH) truyền thống và quy trình không sử dụng HCN thân thiện môi trường hơn.

Quy trình ACH bao gồm các bước sau:

1. Phản ứng giữa axeton và hydro xyanua tạo ra axeton xyanohydrin (ACH).
2. ACH phản ứng với axit sulfuric tạo methacrylamide sulfate.
3. Phản ứng thủy phân tạo ra MMA và tách H₂SO₄.

Quy trình này yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt do sử dụng HCN – một hóa chất độc và dễ bay hơi. Do đó, nhiều công ty đã chuyển sang công nghệ xanh hơn. Ví dụ:

• Lucite International phát triển quy trình Alpha sử dụng ethylene, methanol và carbon monoxide mà không dùng HCN.
• Evonik áp dụng quy trình C2 – dựa trên phản ứng từ propylene thông qua methyl propionate.

Việc lựa chọn quy trình phụ thuộc vào yếu tố kinh tế, yêu cầu kỹ thuật, khả năng thu hồi hóa chất phụ trợ và yếu tố môi trường.

Ứng dụng của methyl methacrylate

MMA là nguyên liệu đầu vào chủ yếu để sản xuất PMMA – một loại nhựa nhiệt dẻo trong suốt, nhẹ và có khả năng chống tia UV tốt. PMMA thường được sử dụng thay thế thủy tinh trong các ứng dụng cần độ bền cơ học và độ truyền sáng cao.

Ứng dụng chính của MMA và PMMA:

• Sản xuất tấm kính acrylic cho kiến trúc, cửa sổ máy bay, đèn chiếu ô tô
• Chế tạo thiết bị y tế và nha khoa như máng chỉnh nha, xi măng gắn răng giả
• Vật liệu quang học như thấu kính, ống dẫn sáng, màn hình hiển thị
• Chất phủ trong sơn ô tô, sơn sàn công nghiệp, lớp phủ bảo vệ gỗ và kim loại
• Chất kết dính công nghiệp và phụ gia trong bê tông cải tiến

Do có tính bền với thời tiết và khả năng quang học cao, MMA còn được sử dụng trong sản phẩm ngoài trời như biển hiệu, hộp đèn LED, và các tấm tản sáng trong hệ thống năng lượng mặt trời.

An toàn hóa chất và độc tính

Methyl methacrylate (MMA) là chất dễ cháy và bay hơi cao, có khả năng hình thành hỗn hợp dễ nổ với không khí khi nồng độ hơi MMA trong không khí nằm trong khoảng 2,1% đến 12,5%. Trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc gần nguồn phát tia lửa, MMA có thể gây cháy hoặc nổ nếu không được bảo quản đúng cách. Ngoài rủi ro cháy nổ, tiếp xúc với MMA còn gây kích ứng cho mắt, đường hô hấp và da.

Tiếp xúc qua đường hô hấp có thể gây ra các triệu chứng như ho, khó thở, đau đầu, chóng mặt và mất phối hợp vận động. Với tiếp xúc qua da, MMA có thể gây viêm da tiếp xúc, dị ứng hoặc thậm chí là phản ứng quá mẫn nếu tiếp xúc lâu dài. Một số trường hợp hít phải MMA ở nồng độ cao trong thời gian ngắn ghi nhận rối loạn hệ thần kinh trung ương.

Biện pháp an toàn lao động trong xử lý MMA bao gồm:

• Sử dụng đầy đủ thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE) gồm găng tay chống hóa chất, kính bảo vệ, mặt nạ phòng hơi hữu cơ
• Lắp đặt hệ thống thông gió cơ học tại nơi sản xuất, đặc biệt là các khu vực pha chế hoặc phản ứng
• Bảo quản trong các bình chứa chuyên dụng có nắp kín, đặt nơi thoáng mát, tránh xa nguồn nhiệt và tia lửa

Xem thêm hướng dẫn chi tiết tại: NIOSH - Methyl Methacrylate Safety

Môi trường và sinh khả dụng

MMA có khả năng bay hơi nhanh khi bị phát tán ra môi trường không khí từ bề mặt dung dịch hoặc các vật liệu vừa được sản xuất. Trong môi trường khí quyển, MMA bị phân hủy thông qua phản ứng với các gốc hydroxyl (OH•), với thời gian bán hủy khoảng 12–24 giờ tùy điều kiện môi trường.

Trong đất và nước, MMA có khả năng phân hủy sinh học nhờ sự hoạt động của vi sinh vật, nhưng tốc độ phân hủy phụ thuộc vào độ thông khí, pH và nhiệt độ. MMA ít hấp phụ vào đất sét và trầm tích nên có thể di chuyển theo dòng nước ngầm nếu không được kiểm soát tốt.

Các chỉ số đánh giá tác động môi trường:

• Hệ số phân bố octanol-nước (log P_ow): 1.38 → cho thấy MMA có xu hướng tích lũy sinh học thấp
• LC₅₀ (96h, cá nước ngọt): ~79 mg/L → mức độ độc trung bình với sinh vật thủy sinh
• Biodegradability: Có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí

Tuy không được xếp vào nhóm chất nguy hại cao với môi trường, MMA cần được kiểm soát phát thải chặt chẽ trong các hoạt động công nghiệp lớn nhằm giảm thiểu rủi ro tích lũy trong sinh quyển.

Tác động đến sức khỏe nghề nghiệp

Các đối tượng có nguy cơ tiếp xúc với MMA cao nhất bao gồm công nhân ngành sản xuất nhựa, nha sĩ, kỹ thuật viên phòng thí nghiệm, và nhân viên in 3D polymer. Trong môi trường lao động không đạt chuẩn thông gió, MMA có thể tích tụ ở nồng độ vượt ngưỡng cho phép gây ảnh hưởng sức khỏe mãn tính.

Thông số tiếp xúc nghề nghiệp được khuyến nghị bởi OSHA (Hoa Kỳ):

• TWA (Time Weighted Average – trung bình theo thời gian): 100 ppm (410 mg/m³) trong 8 giờ
• STEL (Short Term Exposure Limit – giới hạn ngắn hạn): 125 ppm (không vượt quá trong 15 phút)

Các biện pháp quản lý rủi ro tại nơi làm việc:

• Giám sát không khí định kỳ tại nơi làm việc sử dụng MMA
• Cung cấp đào tạo an toàn hóa chất cho người lao động
• Có sẵn bộ sơ cứu trong trường hợp hít phải hoặc tiếp xúc với MMA

Tiềm năng nghiên cứu và phát triển

Nhu cầu tìm kiếm các dẫn xuất MMA thân thiện với môi trường đang thúc đẩy phát triển các monomer cải tiến có khả năng phân hủy sinh học hoặc phát thải carbon thấp. Một số công trình tập trung vào việc biến đổi chuỗi bên của MMA để tạo polymer có tính tự hủy hoặc phản ứng sinh học cao hơn.

Một xu hướng quan trọng là sử dụng MMA trong công nghệ vật liệu nano – đặc biệt là tạo vi cầu (microspheres) hoặc hệ nano mang thuốc (nanocarriers) cho y học chính xác. Các kỹ thuật trùng hợp như RAFT, ATRP, và trùng hợp sống cho phép kiểm soát cấu trúc polymer từ MMA ở cấp độ phân tử.

Các lĩnh vực nghiên cứu liên quan:

• Polymer thông minh từ MMA cho ứng dụng y sinh
• Hệ vật liệu PMMA có khả năng dẫn truyền ánh sáng và chịu áp lực cao
• Tái chế MMA từ PMMA cũ theo phương pháp cracking nhiệt hoặc xúc tác

Xem thêm nghiên cứu: PMMA Biomedical Applications - ScienceDirect

Tài liệu tham khảo

1. Goglio, G., et al. (2020). Methyl methacrylate: production, uses and health effects. Environmental Science and Pollution Research.
2. PubChem - Methyl Methacrylate
3. CDC/NIOSH - MMA Safety Guidelines
4. ScienceDirect - PMMA Biomedical Applications
5. OSHA - Methyl Methacrylate Regulatory Information