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
Полипропилен 01030, лист 3*1050*1290 (рифленый) ТУ 2246-029-0576623-95
Полистирол ПСМ-151С, Лист СППр 2.8*1390*1310 (рифлёный) ТУ 6-00-0020203387-033-92
Листы прозрачные сплошные из поликарбоната "LEXAN" ("General Electric Plastics" США) "Lexan"
Листы прозрачные сплошные из поликарбоната "ПК-ЛЭТ-7" (НПФ "КАРБОХИМ" г. Дзержинск, Россия)
Листы прозрачные сплошные из полиэтилентерефталат-гликоля (ф."AXXIS", Бельгия) "VIVAK"
Листы прозрачные сплошные из полиэтилентерефталат-гликоля УФ-стабилизированные (ф."AXXIS" Бельгия) "VIVAK-UV"
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):
№№
серий
Условия
1
Исходные образцы
2
УФ-облучение в течение 3 часов
3
Камера ТВ в течение 11 часов
4
Уф-облучение в течение 3 часов, затем камера ТВ в течение 15 часов
5
Камера ТВ в течение 21 часа
6
УФ-облучение в течение 12 часов
7
Камера температура - влажность в течение 63 часов
8
УФ-облучение в течение 12 часов, затем камера ТВ в течение 30 часов
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:
Наименование материала
Теплостойкость
по Вика, °С
3. Органическое стекло матовое, СБ, III, ГОСТ 9784-75.Толщина - 3 мм
Исходный
Серия 8
103
98
7. Поликарбонат "Palsun PC Clear Matte". Толщина - 4 мм
Исходный
Серия 7, 8
150
150
11. Стиролакрилонитрил "Plasit SAN-UV Clear".Толщина - 2
Исходный
Серия 7
108
108
12.Полистирол светотехнический "SENOSAN HP-15U". Толщина - 3 мм
Исходный
Серия 7
93
93
13.Поликарбонат "Lexan". Толщина - 4 мм
Исходный
Серия 7
150
150
Изучение изменения оптических свойств листовых материалов в процессе воздействия влажности, температуры и УФ-облучения
№
Наименование материала
Показатель
Результаты испытаний
Исход
ный
После воздействия
УФ
облучение
Камера ТВ
влажность 96%,
температура 70°С
УФ-камера
ТВ
3 час.
12 час
11 час
21 час
63 час
3-15 час
12-30 час
Серия
1
Серия
2
Серия
6
Серия
3
Серия
5
Серия
7
Серия
4
Серия
8
1
Полипропилен 01030, (рифлёный лист)
ТУ2246-029-05766623-95 Толщина - 2 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
88
93
Индекс желтизны
20.4
19.8
20.6
21.5
22.1
Изменение формы
Коробление
2
Полистирол ПСМ-151С, (рифлёный лист)
ТУ6-00-0020203387-033-92
Толщина - 2 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
Индекс желтизны
8.0
12-10
11.5
14
13
3
Светотехническое блочное матовое органическое стекло,
СБ, III, ГОСТ 9784-75
Толщина - 3 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
96
100
96
Индекс желтизны
33
31.8
30.9
32.6
27.8
30.7
4
Стекло органическое экструзионное
СЭ, III ГОСТ 9784-75
Толщина - 2.5 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
64
94
Индекс желтизны
12.6
10.2
5.2
2.6
13.9
5
Поликарбонат Paltough "Paltuf PC Clear"
Толщина - 4 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
95
98
99
99
100
Индекс желтизны
1.5
2.8
1.6
1.1
6
Поликарбонат Paltough "Palsun PC Clear Matte"
Толщина - 4 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
97
100
100
100
98
Индекс желтизны
1.3
0.5
1.2
2.5
1.8
2.3
7
Поликарбонат "Palgard Clear"
Толщина - 4 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
97
96
100
95
97
97
Индекс желтизны
0.3
1.9
1.6
8
Поликарбонат Poligal
Профиль
Светопропускание,
% от исходного
100
100
Индекс желтизны
0.5
1
1
3.5
9
Поливинилхлорид Palram "Palclear+К"
Толщина - 3 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
94
91
83
92
86
Индекс желтизны
4.3
2.6
24.1
22.3
24.6
18.8
Изменение формы
Сильное
Сильное
10
Полистирлакрилонитрил Plasit "SAN-UV Clear"
Толщина - 2 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
94
98
97
100
99
Индекс желтизны
0.1
1.2
0.3
11
Полистирол светотехнич. ПС-УФ Senosan "HP-15U"
Толщина - 3 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
100
Индекс желтизны
10.7
11
18.2
19.5
11.1
19.5
12
Поликарбонат "Lexan"
Толщина - 4 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
98
98
99
98
100
97
Индекс желтизны
5.84
3.8
4.7
6.7
6.1
6.0
13
Поликарбонат "Карбохим"
Толщина - 2 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
97
98
100
98
96
Индекс желтизны
8.2
9.1
8.3
6.7
10.2
12.7
14
Полиэтилентерефталат-гликоль "VIVAK"
Толщина - 3 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
100
100
100
100
Индекс желтизны
1.59
1.0
1.2
3.0
4.1
Изменение формы
Сильное
Сильное
15
Полиэтилентерефталат-гликоль "VIVAK-UV"
Толщина - 3 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
100
100
100
100
Индекс желтизны
2.43
1.5
4.9
5.0
4.4
Изменение формы
Сильное
16
Полиэтилентерефталат "AXPET"
Толщина - 2 мм
Светопропускание,
% от исходного
100
100
100
100
100
100
100
Индекс желтизны
4.7
3.8
4.9
Изменение формы
Сильное
Сильное
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.
320-820-770
