Влияние внешних воздействий на эксплуатационные характеристики светотехнических полимерных материалов

В настоящее время очень важным вопросом для достижения высокого качества и коммерческого успеха светотехнических изделий, таких как световые короба, лайт-боксы и других изделий рекуламной и светотехнической индустрии, стал выбор полимерного материала для светорассеивателей этих изделий.

Для изготовления рассеивателей, используемых в производстве светотехнических изделий различного назначения, применяются традиционные методы - термоформование (вакуумформование, пневмоформование, гнутие и др.), литье под давлением с помощью термопластавтоматов, экструдирование непрерывного профиля на экструзионных линиях. Так как при использовании этих методов применяются различные полимерные материалы, в статье сделан сравнительный анализ наиболее важных эксплуатационных технических характеристик этих материалов и приведены результаты экспериментов по влиянию различных внешних воздействий, которым подвергаются светотехнические изделия в процессе их эксплуатации как в помещении, так и на открытом воздухе. К таким воздействиям относятся температурный режим эксплуатации, влажность окружающей среды и воздействие ультрафиолетового излучения. Приведены данные сравнительных испытаний 17-ти различных отечественных и импортных листовых полимерных материалов до и после воздействия указанных факторов, что позволяет оценить изменения эксплуатационных характеристик светотехнических изделий до и после использования их в рабочих условиях в течение определенного времени.

Изучение старения листовых материалов в процессе воздействия влажности, температуры и УФ-облучения

Цель работы:

Оценить изменение оптических свойств (светопропускание и степень желтизны) и теплостойкости листовых материалов, изготовленных из полимеров различного типа.

Характеристика образцов

1. Полипропилен 01030, лист 3*1050*1290 (рифленый) ТУ 2246-029-0576623-95
2. Полистирол ПСМ-151С, Лист СППр 2.8*1390*1310 (рифлёный) ТУ 6-00-0020203387-033-92
3. Листовое светотехническое органическое стекло (блочное, матовое) СБ, III, 3*1400*1730 ГОСТ 9784-75
4. Листовое стекло органическое экструзионное СЭ, III, 3*1140*1400 ГОСТ 9784-75
5. Лист экструзионный рифлёный из полиметилметакрилата "Дакрил-8" (гранулированный материал бесцветный) ТУ 6-02-217-93
6. Листы прозрачные сплошные из поликарбоната "Makrolon" ("BAYER" Германия) производства ф."PALTOUGH" ("POLYGAL" Израиль) "Paltuf PC Clear"
7. Листы матовые сплошные УФ-стабилизированные из поликарбоната "Makrolon" ("BAYER" Германия) производства ф."PALTOUGH" ("POLYGAL" Израиль) "Palsun PC Clear Matte"
8. Листы прозрачные сплошные из поликарбоната "Makrolon" ("BAYER" Германия) производства ф."PALTOUGH" ("POLYGAL" Израиль) "Palgard Clear"
9. Сотовые панели из поликарбоната "Makrolon" ("BAYER" Германия) ф."POLYGAL" Израиль, "Polygal"
10. Листы прозрачные сплошные из поливинилхлорида ("POLYGAL", Израиль) Palram "Palclear +К"
11. Листы прозрачные сплошные из полистиролакрилонитрила УФ-стабилизированные, Plasit "SAN-UV Clear"
12. Полистирол ударопрочный матовый светорассеивающий с УФ-защитным слоем (" SENOPLAST", Австрия) "Senosan HP-15U"
13. Листы прозрачные сплошные из поликарбоната "LEXAN" ("General Electric Plastics" США) "Lexan"
14. Листы прозрачные сплошные из поликарбоната "ПК-ЛЭТ-7" (НПФ "КАРБОХИМ" г. Дзержинск, Россия)
15. Листы прозрачные сплошные из полиэтилентерефталат-гликоля (ф."AXXIS", Бельгия) "VIVAK"
16. Листы прозрачные сплошные из полиэтилентерефталат-гликоля УФ-стабилизированные (ф."AXXIS" Бельгия) "VIVAK-UV"
17. Листы прозрачные сплошные из полиэтилентерефталата УФ-стабилизированные (ф."AXXIS", Бельгия) "AXPET"

Аппаратура и условия проведения испытаний:

УФ-облучение образцов проводили в камере Suntest CPS, оснащённой ксеноновой лампой, обеспечивающей плотность потока энергии УФ излучения (в области длин волн короче 400 нм) 83 Вт/м².

Испытание на воздействие температуры и влажности проводили в камере температура - влажность "Hotpack", США, при температуре 70°С и влажности 96%.

Проведено испытание восьми серий образцов до и после воздействия УФ-излучения и камеры "температура - влажность" (ТВ):

Воздействия по сериям 2, 3 и 4 соответствуют времени эксплуатации светотехнических изделий в течение 1 года. Воздействия по сериям 5, 6, 7 и 8 соответствуют времени эксплуатации 2,5-3 года.

Оценку воздействия проводили по следующим показателям:

• Коэффициент светопропускания - определение проводили по ГОСТ 3520-92 на спектрофотометре Specord M40 при длине волны 575 нм.
• Коэффициент желтизны - испытание проводили на шаровом фотометре с источником света А на образцах исходной толщины по ГОСТ 9242
• Теплостойкость материала - оценивали по температуре размягчения по Вика при нагрузке 5 кг, определение которой проводили по ГОСТ 15088-83.

Приведенные данные по коэффициенту светопропускания, индексу желтизны и теплостойкости изученных материалов не обязательно могут соответствовать стандартным характеристическим показателям, полученных в разных странах по различными между собой стандартам и методикам. Целью данной работы было выявление относительных изменений эксплуатационных характеристик различных полимерных материалов разных зарубежных и отечественных производителей после одинаковых для всех материалов внешних воздействий, осуществленных в одинаковых условиях, и испытанных по одинаковым методикам. Испытания проводились в Испытательной лаборатории ОАО Научно-исследовательского института полимерных материалов им.Г.С.Петрова, аккредитованной ГосСтандартом России в качестве независимой и технически компетентной испытательной лаборатории (Аттестат аккредитации N РОСС RU.0001.21 XII-67).

Для более точного выявления внешних воздействий были выбраны методики испытаний, позволяющие с высокой точностью зарегистрировать малейшие изменения эксплуатационных характеристик полимерных материалов. Особенно это касается рифленых листов, для которых оптические характеристики измерить достаточно сложно из-за многократного отражения светового потока от рифленой поверхности. Сравнить оптические показатели для листов с различным рисунком поверхности и гладких листов не представляется возможным, и поэтому при анализе результатов испытаний основное внимание уделялось сравнению оптических и теплостойких характеристик внутри каждой партии образцов полимерных материалов до и после различных внешних воздействий.

Результаты по оценке теплостойкости материала:

Изучение изменения оптических свойств листовых материалов в процессе воздействия влажности, температуры и УФ-облучения:

Анализ экспериментальных данных, приведенных в таблицах по изменению оптических и теплостойких характеристик различных полимерных материалов после воздействия на них различных параметров, имитирующих эксплуатацию светотехнических приборов в течение разного времени при различных внешних условий окружающей среды, позволяет сделать следующие выводы

Листы и профильные светорассеиватели, изготовленные из полипропилена (1), при воздействии на них даже относительно низкой температуры и влажности быстро теряют свою форму, то есть происходит необратимое коробление материала светорассеивателя, что сказывается на его внешнем виде и, таким образом, на коммерческом успехе производителя. К тому же, неэстетический внешний вид еще до воздействия УФ-Тепло-Влажностного режимов (УФ, ТВ, УФ-ТВ), мутность и неоднородность поверхности сильно ухудшается визуально после этих воздействий. К сожалению, эксперимент показывает незначительное увеличение степени желтизны (это вызвано трудностями при измерениях из-за сильной рифлености и коробления материала), но при визуальном осмотре образцов наблюдается их значительное пожелтение и изменение первоначальной формы.

При исследовании прозрачных рифленых листов и профильных изделий из "полистирола общего назначения" (2) наблюдается увеличение желтизны в 1,5 раза после УФ и почти в 2 раза после УФ-ТВ. В то же время эксперименты показывают, что использование для изготовления светорассеивателей специальной марки ударопрочного светотехнического матового полистирола "Senosan HP-15U" приводит к тому, что увеличение значения индекса желтизны (ИЖ) происходит только после воздействия ТВ и УФ-ТВ в течение более 2,5 лет. К тому же , экспериментальные данные указывают на то, что это происходит только при наличии высокой влажности, а так как полистирол используется в основном при изготовлении светотехнических изделий для внутренних помещений, где влажность не является критическим фактором, то можно говорить о высокой эффективности использования этого материала для изготовления рассеивателей методом термоформования из листовых заготовок.

Удовлетворительно выдерживают все режимы воздействий внешних факторов окружающей среды такие материалы как полиметилметакрилат (оргстекло) и поликарбонаты различных марок. Однако, длительное воздействие ТВ и УФ-ТВ незначительно (на 5%) снижает у оргстекла теплостойкость, а у всех материалов на основе поликарбонатов различных марок увеличивает ИЖ. Как известно, поликарбонат является достаточно гигроскопичным материалом, который быстро набирает влагу даже при комнатной температуре, из-за чего при переработке методами литья под давлением и экструзией его необходимо тщательно высушить.

В последнее время вместо прозрачного поликарбоната, особенно, вместо оргстекла и полистирола, пытаются использовать стиролакрилонитрил (САН), который по ударопрочным показателям прочнее полистирола и несколько слабее оргстекла, а по стоимости стоит между ними. Однако, обычный САН на свету очень быстро желтеет и его эксплуатационные характеристики значительно ухудшаются. Нами был исследован САН УФ-стабилизированный в виде листов, выпускаемых на фирме "PLASIT" (Израиль). Результаты экспериментов показали, что после воздействия всех внешних воздействий светопропускание материала не изменяется, но степень желтизны резко возрастает после мощного воздействия ТВ и незначительно - при мягком воздействии УФ-ТВ.

В последнее время проявляется интерес к изготовлению рассеивателей из такого нестандартного для светотехники материала, как полиэтилентерефталат. Исследования эксплуатационных характеристик этого материала показали, что различные воздействия окружающей среды практически не оказывают влияние на коэффициент светопропускания и степень желтизны изделий из него, особенно, если материал содержит УФ-стабилизирующие добавки. К сожалению, полиэтилентерефталат обладает невысокой теплостойкостью, что может ограничивать области его применения в светотехнических изделиях только для маломощных объектов.

Из результатов проведенных в данной работе исследований можно сделать следующие выводы. Использование различных методов изготовления рассеивателей для светотехнических изделий предполагает применение разных полимерных материалов. Методом термоформования можно с высокой экономической эффективностью изготавливать рассеиватели простой формы из достаточно дешевых и обладающих хорошими эксплуатационными характеристиками листовых материалов, таких как оргстекло, ударопрочный УФ-стабилизированный полистирол, УФ-стабилизированный стиролакрилонитрил, полиэтилентерефталат. Более сложные по форме и дизайну светорассеиватели требуют применения высокоударопрочных и достаточно дорогих материалов - УФ-стабилизированный поликарбонат и ударопрочное оргстекло специальных марок. Наиболее универсальным методом изготовления светорассеивателей для светотехнических изделий в настоящее время является непрерывная экструзия профильных изделий. В этом случае с высокой степенью экономической эффективности (исключая промежуточную стадию получения листового материала) можно использовать широкую гамму полимерных гранулированных материалов - полиметилметакрилат (оргстекло), поликарбонат, полистирол,стиролакрилонитрил, полиэтилентерефталат и их различные модификации по цветовой гамме, горючести, термо- и светостабильности и другим необходимым для светотехничеких изделий эксплуатационным характеристикам.