В статье проведен сравнительный анализ листовых полимерных материалов, используемых для изготовления светорассеивателей для свeтотехнических приборов, световых коробов, «лайт-боксов», уличных указателей и подобных изделий с учетом их светопропускания, прочностных характеристик, атмосферостойкости, технологических и экономических параметров процесса изготовления изделий, а также стоимости этих материалов на Российском рынке.
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 отвечаю-щие всем требованиям, предъявляемым к современных светотехническим изделиям, используемым в различных областях хозяйства.
Оргстекло – продукт радикальной полимеризации метилметакрилата — полиметилметакрилат (ПММА), акриловое стекло, акрил. В Европе и Америке органическое стекло (РММА лат.) выпускается под торговыми марками Perspex (Англия), Plexyglas (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 стекла-ми и дальнейшей полимеризацией до получения твердого материала;
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.
К недостаткам оргстекла можно отнести низкую ударопрочность (10-12 кДж/м^(2)), недостаточную устойчивость к поверхностным повреждениям (твердость 180-190 Н/мм^(2)), 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^(2)). 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^(2)), 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^(2)), 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^(2). 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^(2) ) 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^(3)) по сравнению с оргстеклом (1,19 г/см^(3)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 кв.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.
Таблица 2.
Оценка существенных
показателей материалов для производства
светотехнических изделий
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, «молочные») 5 2 5 4 4
теплостойкость 4 4 4 5 3
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.
Автор: Александр Гальченко