Оргстекло, поликарбонат, полистирол и ПЭТФ : сравнительный анализ листовых материалов

Ударопрочный полистирол Barlo 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) характеристик. Это позволяет изготавливать светорассеиватели как простых, так и сложных форм, соответствующие необходимому сегодня дизайну и отвечающие всем требованиям, предъявляемым к современных светотехническим изделиям, используемым в различных областях хозяйства. ОргстеклоОргстекло – продукт радикальной полимеризации метилметакрилата — полиметилметакрилат (ПММА), акриловое стекло, акрил.

В Европе и Америке органическое стекло (РММА лат.) выпускается под торговыми марками Perspex (Англия), Plexiglas (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 стеклами и дальнейшей полимеризацией до получения твердого материала.
  • Экструзионное стекло — exstrusion (анг.), 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 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. Таблица 1. Основные характеристики листовых полимерных материалов
    Показатель Единица измерения Barlo PS Akrylon Barlo PC Spectar Senosan HIPS GPPS Senosan HIPS GPPS Athpol HIPS GPPS Athpol HIPS GPPS Iroplast Metzoplast
    Плотность г/см3 1,05 1,19 1,12 1,27 1,08 1,05 1,06 1,03 1,06 1,06
    Прочность при разрыве МПа 50 70 60 50 30 45 31 - 17 25
    Удлинение при разрыве % 3 4 80 54 40 2 45 50 30 50
    Модуль эластичность МПа 3100 3200 2200 2200 2100 3400 2200 3200 1850 1900
    Прочность при изгибе МПа 100 120 95 70 52 75 45 80 39 42
    Ударная вязкость (Шарпи) кДж/м2 14 11 б/р б/р б/р 11 б/р - более 30 более 30
    Ударная вязкость с надрезом кДж/м2 - 2 более 40 10 8 - 8 2 8 12
    Теплостойкость по Вика 98 90-105 145 82 89 98 88 92 90 89
    Коэффициент линейного расширения К-1 10-5 8 7 6,5 6,8 8 8 8 8 8 8
    Температура формования 130-170 140-160 180-210 120-160 120-170 120-170 120-170 120-170 130-170 120-170
    Светопропускание % 93 92 86 88 30-38 90 30-38 90 25-38 22-38

    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 0С в течение 3-5 часов, что ведет к значительному увеличению трудо- и энергозатрат. ПоликарбонатПоликарбонат (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 (анг.) — чистый). Листы из ПК получают только экструзионным способом из гранул поликарбоната специальных марок. Основные производители гранул ПК: фирма Bayer (Германия) – торговая марка Macrolon, фирма Дженерал Электрик Пластик (США, Голландское отделение) – торговая марка Lexan, фирма Dow Chemical (США) — торговая марка Calibre (Калибр). Незначительное количество ПК производят в Японии и в России на заводе «Заря» (г. Дзержинск). Листы ПК производят в Германии (Barlo PC, Macrolon), Бельгии (Axxis), Голландии (Lexan), Франции (Tuffak), Италии (Macrolux), Израиле (Palsan). 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 около 2 кДж/м2). К тому же листы из ПК имеют высокую теплостойкость (145-155 0С), 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 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 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. ПолиэтилентерефталатПолиэтилентерефталат (ПЭТФ) – продукт поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля. В Европе ПЭТФ часто называют полиэфиром (РЕТ, polyester (анг.)). В России часто используют термин Лавсан (по первым 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 около15 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. Существенным недостатком листов из ПЭТ-Г является их низкая теплостойкость (70-75 0С), 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 (фирмы Barlo Plastics), и Vivak (Axxis). ПолистиролПолистирол (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 дизайнерским 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 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) 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 (фирмы Senoplast, Австрия), Athpol P91S (Athlone Extrusions P.L.C., Ирландия), Iroplast (Iroplastic, Австрия), Metzoplast (Metzeler, Германия). Листы изготовлены из смеси ударопрочного полистирола (HIPS) и полистирола 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 светорассеивания и светопропускания (изменяя соотношение HIPS и GPPS) в зависимости от требований 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 достоинства этого материала: повышенная ударная вязкость, которая имеет высокие значения (60 кДж/м2 ) даже при низких температурах вплоть до -40 0С, высокая прочность и твердость поверхностного глянцевого слоя (150 МПа), высокая теплостойкость (90 0С), 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. Таблица 2

    СПС-УФ ПС общего назначения ПММА ПК ПЭТ-Г
    Ударопрочность 4 1 2 5 4
    Атмосферостойкость (УФ-излучение) 4 2 5 3 5
    Термоформование 5 4 2 3 5
    Вакуумформование 5 3 3 4 5
    Светорассеивание (матовые, моолочные) 5 2 5 4 4
    Теплостойкость 4 4 4 5 3
    Стоимость на рынке 5 5 3 1 2
    Суммарный балл 32 21 24 25 28

    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, приведенные данные могут 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. Таблица 3. Влияние внешних воздействий на свойства Акрилона
    Характеристика Единица измерения Исходная величина После воздействи
    Светопропускание % 90 88
    Индекс желтизны - 12,6 13,6
    Ударная вязкость по Шарпи кДж/м2 12,0 11,5
    Теплостойкость по Вика 113 108

    Из таблицы 3 видно, что после воздействия на Акрилон УФ-излучения и термовлажностного режима, соответствующих нахождению изделий из оргстекла на открытом воздухе в течение 2,5 — 3 лет, эксплуатационные характеристики материала снижаются не значительно. Можно говорить о том, что на качество изделий из Акрилона погодные условия влияют мало и в реальные сроки службы (2-3 года) такие изделия, в частности рекламоносители, не изменяют своего внешнего вида и не теряют прочностных качеств. Фирма-изготовитель гарантирует 10-летний срок использования листов Акрилон без изменения их оптических, физико-механических и эксплуатационных характеристик. В этом отношении оргстекло Акрилон существенно отличается от других прозрачных пластиков. Это объясняется тем, что по своей химической природе полиметилметакрилат (оргстекло) прозрачно для УФ — излучения и пропускает его практически полностью (95-97%). Поэтому УФ-излучение не задерживается в массе полимера и не действует разрушающе на его внутреннее строение. Сочетание высоких прочностных оптических, теплостойких и других эксплуатационных характеристик оргстекла Акрилон ставит этот материал на самое высокое место в ряду разнообразных листовых материалов, с успехом использующихся в производстве рекламной продукции, в светотехнике и в строительной индустрии. Компания «Гельветика-Краснодар»