XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

По типу исходного сырья светопропускающие материалы делятся на силикатные и органические. Силикатные материалы — это обычное стекло всех сортов, хрусталь, кварц, основной составляющей которых служит двуокись кремния SiO₂, то есть обычный чистый песок. К органическим светопропускающим материалам относятся светотехнические бумаги и ткани, а также полиметилметакрилат, полистирол, полиэтилен, поликарбонат, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и другие, получаемые, как правило, синтетическим путем.

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 отвечающие всем требованиям, предъявляемым к современных светотехническим изделиям, используемым в различных областях хозяйства.

Оргстекло – продукт радикальной полимеризации метилметакрилата – полиметилметакрилат (ПММА), акриловое стекло, акрил.

Листовое оргстекло по способу изготовления бывает 2-х видов:

блочное (в России утвердился термин «литьевое») получают методом заливки мономера (метилметакрилата) между двумя плоскими стеклами и дальнейшей полимеризацией до получения твердого материала;

экструзионное – 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 более 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.

Поликарбонат (ПК) – продукт поликонденсации дифенилолпропана и фосгена (хлорангидрида угольной кислоты), а так как все производные угольной кислоты называются «карбонатами» - продукт поликонденсации называется «поликарбонат».

Листы из ПК получают только экструзионным способом из гранул поликарбоната специальных марок.

Основное достоинство листов из ПК заключается в высокой ударопрочности материала и изделий из него. Лабораторными методами измерить ударную 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°С), 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 накаливания. С другой стороны при термо- и вакуум-формовании 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 желтеют 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, особенно листы, содержащие УФ стабилизаторы, 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.

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 ПЭТ-Г для изготовления ударопрочных светотехнических изделий.

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.

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 свое время сделало ПС наиболее «ходовым» материалом в светотехнике. Однако прозрачный ПС является хрупким, ломким, 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 – представляют собой сополимеры полистирола и бутадиенового 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”).

Таким образом, существует много различных материалов для производства светотехники. В зависимости от требуемых физических свойств и характеристик мы осуществляем выбор 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.