2. 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.
Таблица 1. Основные характеристики листовых полимерных материалов
| Показатель |
Ед.изм. |
Barlo PS |
Akrylon |
Barlo PC |
Spectar |
Senosan
HIPS GPPS |
Athpol
HIPS GPPS |
Iroplast |
Metzoplast |
| Плотность |
г/см? |
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
эластичности |
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/м? |
14 |
11 |
Б/р |
Б/р |
Б/р |
11 |
Б/р |
|
> 30 |
> 30 |
Ударная вязкость
с надрезом |
кДж/м? |
|
2 |
> 40 |
10 |
8 |
|
8 |
2 |
8 |
12 |
Теплостойкость
по Вика |
С° |
98 |
90-105 |
145 |
82 |
89 |
98 |
88 |
92 |
90 |
89 |
Коэфф.линейного
расширения |
K-1
10-5; |
8 |
7 |
6.5 |
6.8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
8 |
Температура
формования |
С° |
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/м?), недостаточную устойчивость к поверхностным повреждениям (твердость 180-190 Н/мм?), 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/м?). 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/мм?), 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/м?), 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/м?. 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 ус-пешного 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/м? ) 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/см?) по сравнению с оргстеклом (1,19 г/см?3), 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 м? 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.
| |
СПС-
УФ |
ПС общего
назначения |
ПММА |
ПК |
ПЭТ-Г |
| 1. Ударопрочность |
4 |
1 |
2 |
5 |
4 |
| 2. Атмосферостойкость (УФ-излучение) |
4 |
2 |
5 |
3 |
5 |
| 3. Термоформование |
5 |
4 |
2 |
3 |
5 |
| 4. Вакуумформование |
5 |
3 |
3 |
4 |
5 |
| 5. Светорассеивание (матовые, "молочные") |
5 |
2 |
5 |
4 |
4 |
| 6. Теплостойкость |
4 |
4 |
4 |
5 |
3 |
| 7. Стоимость на рынке |
5 |
5 |
3 |
1 |
2 |
| Cуммарный 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, 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.
