Листовые светотехнические полимерные материалы

В статье проведен сравнительный анализ листовых полимерных материалов, используемых для изготовления светорассеивателей для светотехнических приборов, световых коробов, "лайт-боксов", уличных указателей и подобных изделий с учетом их светопропускания, прочностных характеристик, атмосферостойкости, технологических и экономических параметров процесса изготовления изделий, а также стоимости этих материалов на Российском рынке.

Для изготовления рассеивателей светотехнических изделий используют в основном листовое оргстекло, полистирол и поликарбонат. Все эти материалы являются термопластами, то есть они размягчаются при нагревании, принимают необходимую заданную форму и сохраняют эту форму после остывания без изменения основных эксплуатационных (прочностных, теплостойких, светотехнических и др.) характеристик.

Это позволяет изготавливать светорассеиватели как простых, так и сложных форм, соответствующие необходимому сегодняшнему дизайну и отвечаю-щие всем требованиям, предъявляемым к современных светотехническим изделиям, используемым в различных областях хозяйства.

Оргстекло - продукт радикальной полимеризации метилметакрилата - полиметилметакрилат (ПММА), акриловое стекло, акрил. В Европе и Америке органическое стекло (РММА лат.) выпускается под торговыми марками Perspex (Англия), Plexyglas (Германия), Deglas (Германия), Altuglas (Франция-Голландия), Akrylon (Словакия).

В России листы из оргстекла выпускаются на заводе "Оргстекло" (г. Дзержинск) под марками СЭП (экструзионное стекло ТУ 2216-213-05757593-94) и ТОСП (блочное, “литьевое” стекло ГОСТ 17622-72).

Листовое оргстекло по способу изготовления бывает 2-х видов:

• Блочное (в России утвердился термин "литьевое", так как его получают методом заливки мономера (метилметакрилата) между двумя плоскими стекла-ми и дальнейшей полимеризацией до получения твердого материала;
• Экструзионное стекло - exstrusion (англ.),extrudiert (нем.) - получают непрерывным методом экструдирования расплавленной массы из гранул ПММА через щелевую головку с последующей резкой по заданным размерам.

Литьевое оргстекло имеет более высокую молекулярную массу (более длинные полимерные цепочки по сравнению с экструзионным) и поэтому обладает чуть большей ударопрочностью и теплостойкостью, а также имеет меньшую и бо-лее равномерную усадку при нагревании. Литьевое и экструзионное оргстекло по физико-механическим характеристикам мало отличаются друг от друга, но при изготовлении изделий методом термоформования предпочтительно использование литьевого оргстекла.

К недостаткам оргстекла можно отнести низкую ударопрочность (10-12 кДж/м²), недостаточную устойчивость к поверхностным повреждениям (твердость 180-190 Н/мм²), технологические трудности при термо- и вакуум формовании изделий - появление внутренних напряжений в местах сгиба при формовке, что ведет к появлению микротрещин. Для частичного снятия напряжений необходимо проводить "отпуск" изделий в термосушильной камере при 70-80 С° в течение 3-5 часов, что ведет к значительному увеличению трудо- и энергозатрат.

Среднерыночная оптовая цена экструзионного оргстекла стандартных марок в России составляет 2.5-3 $/кг, блочное (литьевое) оргстекло стоит дороже на 20-25 %.

Поликарбонат (ПК) - продукт поликонденсации дифенилолпропана и фосгена (хлорангидрида угольной кислоты), а так как все производные угольной кислоты называются "карбонатами" - продукт поликонденсации называется "поликарбонат". В Европе также применяют термин "термоклир" - thermoclear, что указывает на высокую термостабильность этого полимера, его чистоту и прозрачность (clear (англ) - чистый). Листы из ПК получают только экструзионным способом из гранул поликарбоната специальных марок.

Основные производители гранул ПК: фирма "Байер" (Германия) - торговая марка "Макролон" ("Macrolon"), фирма Дженерал Электрик Пластик (США, Голландское отделение) - торговая марка "Лексан" ("Lexan"), фирма "ДАУ КЕМИКАЛ" (США) - торговая марка "КАЛИБР" ("CALIBRE"). Незна-чительное количество ПК производят в Японии и в России на заводе "Заря" (г.Дзержинск). Листы ПК производят в Германии (Barlo PC, Macrolon), Бель-гии (Axxis), Голландии (Lexan), Франции (Tuffak), Италии (Macrolux), Израиле (Палсан).

Основное достоинство листов из ПК заключается в высокой ударопрочности материала и изделий из него. Лабораторными методами измерить удар-ную вязкость ПК (по Шарпи, без надреза) невозможно. Поэтому в каталогах указывают "без разрушения". Метод испытаний образцов из ПК с надрезом дает приблизительную величину ударной вязкости "более 35" (для сравнения у ПММА это значение ~2 кДж/м²). К тому же листы из ПК имеют высокую теплостойкость (145-155°), что позволяет использовать этот материал для изготовления светорассеивателей для фонарей уличного освещения и в других светотехнических приборах, где необходимо сочетание высокой прочности и устойчивости к большому тепловому потоку от высоковольтных ламп накали-вания. С другой стороны при термо- и вакуумформовании листов из ПК необходимо применять мощные источники нагрева, что приводит к увеличению энергозатрат. Стандартный ПК обладает более высокой огнестойкостью по сравнению с оргстеклом и полистиролом, а специальные марки ПК, содержащие антипирены (огнестойкие добавки), имеют очень высокую огнестойкость и относятся к трудновоспламеняемым материалам.

Недостатками ПК являются очень низкая устойчивость к УФ излучению и вообще погодоустойчивость. Поэтому светорассеиватели из ПК быстро жел-теют и теряют свои прочностные характеристики. Для уменьшения действия УФ излучения в ПК вводят специальные добавки (УФ стабилизаторы). Это несколько снижает ударопрочность и светопропускание. К тому же листы из ПК обладают низкой твердостью (80-100 Н/мм²), что также снижает область использования их в светотехнических изделиях из-за низкой устойчивости к поверхностным повреждениям.

К сожалению, листы из ПК имеют высокую стоимость (5-6 $/кг), особенно листы, содержащие УФ стабилизаторы (6-7 $/кг), что определяет очень узкий и специфический сектор использования этих листов в светотехнических изделиях и низкую конкурентоспособность этих изделий на Российском рынке.

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) - продукт поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля. В Европе ПЭТФ часто называют полиэфиром (РЕТ, polyester (англ.)). В России часто используют термин "Лавсан" (по пер-ым буквам: Лаборатория Высокомолекулярных Соединений АН СССР).

В последние годы во многих странах Запада наблюдается резкое увеличение потребления ПЭТФ. Кроме традиционного использования для изготовления посуды разового использования (бутылки для напитков, стаканы и т. п.), этот материал начал выпускаться в виде листов, полученных экструзионным способом из специальных марок полиэтилентерефталат-гликоля (ПЭТ-Г). Эти листы используют в рекламной индустрии при изготовлении световых коробов, в изготовлении торгового оборудования и для специфических светотехнических изделий, которые должны быть биологически инертными, в частности, на предприятиях пищевой промышленности.

ПЭТ-Г по своим прочностным и теплостойким характеристикам находится как бы между ПММА и ПК: ударная вязкость этого материала выше, чем у ПММА, но меньше, чем у ПК (без надреза - "без разрушения"; с надрезом ~15 кДж/м²), что позволяет использовать листы из ПЭТФ для изготовления ударопрочных светотехнических изделий. К тому же и стоимость листов из ПЭТФ гораздо ниже, чем из ПК (4-5 $/кг).

Существенным недостатком листов из ПЭТ-Г является их низкая теплостойкость (70-75°С), что сдвигает сектор их использования в светотехнике в сторону маломощных изделий.

Однако, высокая эластичность листов из ПЭТ-Г, технологичность при термо- и вакуум формовании и биологическая инертность изделий из них постепенно выдвигают этот материал на видное место при использовании его в различных областях светотехники.

В России наиболее известными марками листовых материалов из полиэтилентерефталата являются "SPECTAR" (ф. "Barlo Plastics"), и "VIVAK" (ф. Axxis).

Полистирол (ПС) - продукт полимеризации стирола. Наиболее известный и традиционный материал, используемый в светотехнических изделиях. Высокая технологичность процессов термо- и вакуум формования при изготовлении светорассеивателей, отсутствие внутренних напряжений после формования, что исключает стадию отжига из процесса производства изделий, достаточная "жесткость" материала - все это в недавнем прошлом делала ПС наиболее "ходовым" материалом в светотехнике. Однако прозрачный ПС (GPPS - General Purpose PolyStyrene) является хрупким, ломким, неударопрочным, поэтому возникают проблемы с хранением и транспортировкой изделий из него. Кроме того, для придания изделиям эффекта светорассеивания приходится изготовлять листы с "рифленой" поверхностью, что в настоящее время не соответствует многим дизайновым решениям мирового стандарта. Существенным недостатком ПС является его низкая устойчивость к воздействию УФ излучения.

Существующие марки ударопрочного полистирола - УПС, HIPS (High Impact PolyStyrene) представляют собой сополимеры полистирола и бутадие-нового или других специальных каучуков, которые имеют значение ударной вязкости до 60-70 кДж/м². Однако присутствие каучука делает материал слишком пластичным и “текучим” при нагреве, и в процессе формования лист из УПС не “держит” форму. К тому же в массу листов из УПС нежелательно вводить УФ стабилизаторы из-за того, что они отрицательно действуют на характеристики каучуковой составляющей, что в конечном итоге приводит к снижению ударопрочности изделия.

В последнее время наблюдалась тенденция вытеснения рифленого прозрачного ПС светорассеивающим матовым (“молочным”) оргстеклом. Однако, технологические трудности при термо- и вакуумформировании, растрескивание изделий из ПММА, необходимость трудо- и энергозатрат на стадии отжига изделий, высокая цена - все эти “минусы” листов из ПММА приводили Российских производителей к увеличению себестоимости изделий, что существенно снижало конкурентоспособность светотехнических изделий на Российском рынке.

В настоящее время появились специальные марки импортных ударопрочных полистиролов, успешно используемые для изготовления светорассеивателей для светотехнических изделий несколькими Российскими производителями. В частности, на Ивановском производстве светильников бытового и технического назначения “Электро” произведена замена листового матового оргстекла на листы из высокоударопрочного светорассеивающего светотехнического полистирола, устойчивого к УФ излучению (СПС-УФ).

Этот материал представлен на российском рынке различными марками нескольких европейских фирм-производителей: "SENOSAN HP15U" (ф. Senoplast, Австрия), "ATHPOL P91S" (ф. Athlone Extrusions P.L.C., Ирландия), "IROPLAST" (ф. Iroplastic, Австрия), "METZOPLAST" (ф. Metzeler, Германия). Листы изготовлены из смеси ударопрочного полистирола (HIPS) и по-листирола общего назначения (GPPS). С одной стороны методом соэкструзии нанесен тонкий слой GPPS, содержащий большое количество УФ стабилизатора. Этот слой придает поверхности глянцевый характер, повышает устойчивость к УФ-излучению и общую атмосферостойкость. В таблице 1 для таких листов указаны значения физико-механических показателей , характеризующих свойства основного ударопрочного материала (HIPS) и отдельно поверхностного слоя (GPPS). Видно, что основные эксплуатационные показатели характеризуют повышенные прочностные, ударопрочные и эластические свойства листа. Характеристики поверхностного УФ-защитного слоя толщиной 50-80 микрон не вносят существенных изменений в эти показатели и, в то же время, указывают на повышенную твердость и прозрачность "лицевой" поверхности листа, что определяет эстетический внешний вид изделия и его стойкость к механическим повреждениям. Возможность варьировать степень светорассеи-вания и светопропускания (измененяя соотношение HIPS и GPPS) в зависимо-сти от требованиий потребителей такого листового материала выделяет СПС-УФ из других листовых материалов, используемых в светотехнике. После успешного испытания и практического использования СПС-УФ ("SENOSAN HP15U") на Ивановском объединении "Электро" выявились следующие досто-инства этого материала: повышенная ударная вязкость, которая имеет высокие значения (60 кДж/м²) даже при низких температурах вплоть до -40°С, высокая прочность и твердость поверхностного глянцевого слоя (150 МПа), высокая теплостойкость (90°С), эстетичный внешний вид глянцевой поверхности, высокая технологичность процесса термоформования (время прогрева заготовки уменьшается в 1,5 раза), отсутствие стадии отжига изделий после термоформования (снижение трудо- и энергозатрат в 2 раза).

Немаловажным является то обстоятельство, что стоимость этих специальных марок листового полистирола в Европе и в России не отличается от стоимости стандартных листовых ПС (2.7-3,0 $/кг). При расчете экономического эффекта при замене оргстекла на СПС-УФ необходимо учесть низкую плотность ПС (1,08 г/см³) по сравнению с оргстеклом (1.19 г/см³), что дает выигрыш на 10 %, а также возможность использования более тонких (2,5 мм) листов СПС-УФ из-за повышенной ударопрочности по сравнению с оргстеклом (3,0-4,0 мм), что дает экономию еще на 20-30 %.

В итоге замена оргстекла на СПС-УФ позволяет снизить реальные затраты в 2-2,5 раза в расчете на 1 м² светорассеивателя.

В качестве обобщения анализа всех листовых полимерных материалов приведена таблица оценки наиболее существенных показателей при использовании этих материалов в производстве светотехнических изделий (плафонов, светорассеивателей, световых коробов и т.п.). Оценка сделана по 5-ти бальной системе.

В Европе существует методика рассчета экономичности листовых материалов по соотношению цены листового материала и технологичности процесса термо- и вакуумформования изделий из этих листов - чем меньше это отношение, тем более экономичен материал. Видно, что эти соотношения для листовых материалов светотехнического назначения следующие: СПС-УФ - 0,2; ПС общего назначения - 0,33; ПММА - 1,0; ПК - 1,25; ПЭТФ - 0,8.

Таким образом, данная статья может послужить отправной точкой выбора одного из типов листовых полимерных материалов для изготовления различных видов светорассеивателей осветительных приборов и световых коробов в светотехническом производстве, а также в строительстве, производстве рекламной продукции и других областях.