Выше уже отмечалось (см. предыдущую статью) что лучи УФ - диапазона принято делить на три группы в зависимости от длины волны:
[*]Длинноволновое излучение (UVA) – 320-400 нм.
[*]Среднее (UVB) – 280-320 нм.
[*]Коротковолновое излучение (UVC) – 100-280 нм.
Одна из основных трудностей при учете воздействия УФ – излучения на термопласты состоит в том, что его интенсивность зависит от множества факторов: содержания озона в стратосфере, облаков, высоты местоположения, высоты стояния солнца над горизонтом (как в течение суток, так и в течение года) и отражения. Сочетание всех этих факторов и определяет уровень интенсивности УФ-излучения, что отражено на данной карте Земли:В зонах, окрашенных в темно-зеленый цвет интенсивность УФ-излучения наивысшая. Кроме того, необходимо учитывать что повышенная температура и влажность дополнительно усиливают эффект воздействия УФ – излучения на термопласты (см. предыдущую статью).
[B]Основной эффект от воздействия УФ – излучения на термопласты
Все виды УФ – излучения могут вызывать фотохимический эффект в структуре полимерных материалов, который может как приносить пользу, так и приводить к деградации материала. Тем не менее, по аналогии с человеческой кожей, чем вышек интенсивность излучения и чем меньше длина волны, тем больше риск деградации материала.
[U]Деградация
Основной видимый эффект от воздействия УФ–излучения на полимерные материалы – появление т.н. «меловых пятен», изменение цвета на поверхности материала и повышение хрупкости участков поверхности. Данный эффект можно часто наблюдать на пластиковых изделиях, постоянно эксплуатируемых вне помещений: сиденьях на стадионах, садовой мебели, тепличной пленке, оконных рамах и т.д.В то же время, нередко изделия из термопластов должны выдерживать воздействие УФ-излучения таких видов и интенсивности, которые не встречаются на Земле. Речь идет, например, об элементах космических аппаратов, что требует применения таких материалов как FEP.
Отмеченные выше эффекты от воздействия УФ-излучения на термопласты отмечаются, как правило, на поверхности материала и редко проникают в структуру глубже 0.5 мм. Тем не менее, деградация материала на поверхности при наличии нагрузки может приводить к разрушению изделия в целом.
[U]Положительные эффекты
В последнее время широкое применение нашли специальные полимерные покрытия, в частности на основе полиуретан-акрилата, «самозалечивающиеся» под воздействием УФ-излучения. Обеззараживающие свойства УФ-излучения широко используются, к примеру, в кулерах для питьевой воды и могут быть дополнительно усилены хорошими пропускающими свойствами PET. Данный материал используется также в качестве защитного покрытия на УФ инсектицидных лампах, обеспечивая пропускание до 96% светового потока при толщине 0.25 мм. УФ-излучение применяется, также, для восстановления чернил нанесенных на пластиковую основу.Положительный эффект от воздействия УФ-излучения дает применение флуоресцентных отбеливающих реагентов (FWA). Многие полимеры при естественном освещении имеют желтоватый оттенок. Однако введение в состав материала FWA УФ-лучи поглощаются материалом и излучают обратно лучи видимого диапазона голубого спектра с длиной волны 400-500 нм.
[B]Воздействие УФ-излучения на термопласты
Энергия УФ-излучения, поглощенная термопластами, возбуждает фотоны, которые, в свою очередь, формируют свободные радикалы. В то время как многие термопласты в натуральном, чистом виде, не поглощают УФ-излучение, наличие в их составе остатков катализаторов и пр. загрязнений, служащих рецепторами, может приводить к деградации материала. Причем для начала процесса деградации требуются ничтожные доли загрязнителей, например миллиардной доли натрия в составе поликарбоната ведет к нестабильности цвета. В присутствии кислорода свободные радикалы формируют гидроперекись кислорода, которая ломает двойные связи в молекулярной цепочке, что делает материал хрупким. Данный процесс часто называют фотоокислением. Однако даже при отсутствии водорода все равно происходит деградация материала вследствие связанных процессов, что особенно характерно для элементов космических аппаратов.
Среди термопластов, обладающих в немодифицированном виде неудовлетворительной стойкостью к УФ-излучению можно отметить POM, PC, ABS и PA6/6.
PET, PP, HDPE, PA12, PA11, PA6, PES, PPO, PBT считаются достаточно стойкими к УФ-излучению, как и комбинация PC/ABS.
Хорошей стойкостью к УФ-излучению обладают PTFE, PVDF, FEP и PEEK.
Великолепной стойкостью к УФ-излучению обладают PI и PEI.
Акрил в архитектуре
Из акрилового стекла создаются красивейшие архитектурные сооружения - прозрачная кровля, фасады, дорожные ограждения , навесы, козырьки, беседки. Все эти конструкции эксплуатируются на открытом воздухе под постоянным воздействием солнечного излучения. Возникает резонный вопрос: смогут ли акриловые сооружения выдержать «натиск» лучей палящего солнца, сохранив при этом отличные эксплуатационные характеристики, блеск, прозрачность? Спешим вас порадовать: поводов для беспокойства нет. Акриловые конструкции могут безопасно эксплуатироваться на улице под постоянным воздействием ультрафиолетового излучения даже в жарких странах.
Сравнение акрила с другими пластиками по устойчивости к УФ-излучению
Попробуем сравнить акрил с другими пластиками. Сегодня для изготовления фасадного, кровельного остекления и оградительных конструкций используется большое количество различных прозрачных пластиков. На первый взгляд, они ничем не отличаются от акрила. Но синтетические материалы, похожие на акрил по своим визуальным характеристикам, теряют свою внешнюю привлекательность уже через несколько лет эксплуатации под прямыми солнечными лучами. Никакие дополнительные покрытия и пленки не способны защитить некачественный пластик от ультрафиолета на долгий срок. Материал остается чувствительным к УФ-лучам, а о надежности всевозможных поверхностных покрытий говорить, увы, не приходится. Защита в виде пленок и лаков со временем трескается, отслаивается. Не удивительно, что гарантия от пожелтения таких материалов не превышает нескольких лет. Акриловое стекло марки Plexiglas проявляет себя совершенно иначе. Материал обладает естественными защитными свойствами, поэтому не теряет своих отличных характеристик на протяжении, как минимум, трех десятков лет.
Как работает технология защиты акрила от солнечных лучей?
Устойчивость Plexiglas к УФ-излучению обеспечивается уникальной технологией комплексной защиты Naturally UV Stable. Защита формируется не только на поверхности, но и по всей структуре материала на молекулярном уровне. Производитель оргстекла Plexiglas предоставляет 30-летнюю гарантию на отсутствие пожелтения и помутнения поверхности при постоянной эксплуатации на улице. Такая гарантия распространяется на прозрачные бесцветные листы, трубы, блоки, стержни, гофрированные и ребристые плиты из акрилового стекла марки Plexiglas. Навесы, кровельные покрытия, прозрачные акриловые фасады, беседки, ограждения и другие изделия из оргстекла не приобретают неприятного желтого оттенка.
На схеме показаны изменения индекса светопропускания акрила в течение гарантийного срока эксплуатации в различных климатических зонах. Мы видим, что светопропускание материала незначительно снижается, но это минимальные, незаметные невооруженным глазом изменения. Снижение индекса светопропускания на несколько процентов можно определить лишь с помощью специального оборудования. Визуально акрил остается первозданно прозрачным и блестящим.
На графике можно проследить динамику изменения светопроницаемости акрила в сравнении с обычным стеклом и другими пластиками. Во-первых, светопроницаемость акрила в исходном состоянии выше. Это самый прозрачный материал из известных на сегодняшний день пластиков. Со временем разница становится более заметной: некачественные материалы начинают темнеть, тускнеть, а светопроницаемость акрила остается на прежнем уровне. Ни один из известных пластиков, кроме акрила, не может пропускать 90% света через тридцать лет эксплуатации под солнцем. Именно поэтому акрилу отдают предпочтение современные дизайнеры и архитекторы при создании своих лучших проектов.
Упоминая о светопропускании, мы говорим о безопасном спектре ультрафиолетовых лучей. Опасную часть спектра солнечного излучения акриловое стекло задерживает. Например, в доме под акриловой крышей или в самолете с акриловыми иллюминаторами люди находятся под надежной зашитой остекления. Для пояснения разберемся в природе ультрафиолетового излучения. Спектр делится на коротковолновое, средневолновое и длинноволновое излучение. Каждый тип излучения оказывает различное воздействие на окружающий мир. Наиболее высокоэнергетическое излучение с короткой длиной волны, поглощаемое озоновым слоем планеты, способно повредить молекулы ДНК. Средневолновое - при длительном воздействии вызывает ожоги кожи и угнетает основные функции организма. Самое безопасное и даже полезное - длинноволновое излучение. До нашей планеты добирается лишь часть опасного средневолнового излучения и весь длинноволновой спектр. Акрил пропускает полезный спектр УФ-излучения, задерживая опасные лучи. В этом заключается очень важное преимущество материала. Остекление дома позволяет сохранить максимум света в помещении, оберегая людей от негативного воздействия ультрафиолета.
В.И. Третьяков, Л.К. Богомолова, O.A. Крупинина
Одним из наиболее агрессивных видов эксплуатационных воздействий на полимерные строительные материалы является УФ-облучение.
Для оценки стойкости полимерных строительных материалов используют как натурные, так и ускоренные лабораторные испытания.
Недостатком первых является большая продолжительность испытания, невозможность выделения влияния отдельного фактора, а также сложность учета годичных колебаний атмосферных воздействий.
Достоинством ускоренных лабораторных испытаний является проведение их в сжатые сроки. При этом в отдельных случаях удается описать полученные зависимости изменения свойств во времени известными математическими моделями и прогнозировать их стойкость на более длительные сроки эксплуатации.
Целью данной работы являлась оценка стойкости к УФ-облучению в условиях Краснодарского края образцов белого цвета ламинированной полипропиленовой ткани со спецдобавками в наиболее сжатые сроки.
Ламинированная полипропиленовая ткань применяется для временной защиты возводимых и реконструируемых строительных конструкций, а также отдельных элементов от атмосферных воздействий.
Стойкость материала к воздействию УФ-облучения оценивали по изменению прочности при растяжении по ГОСТ 26782002 на образцах - полосках, размерами (50х200)±2 мм и изменению внешнего вида (визуально).
За предельное значение старения материала принято снижение его прочности до 40% от исходной величины.
Испытания на прочность при растяжении проводили на универсальной испытательной машине «ZWICK Z005» (Германия). Исходная прочность при растяжении испытанных образцов составила
115 Н/см. „ "
" Рисунок 1.
Ультрафиолетовое облучение образ- исХОдНОг0
цов материала проводили в аппарате ис- облучения
кусственной погоды (АИП) типа «Ксенотест» с ксеноновым излучателем ДКСТВ-6000 по ГОСТ 23750-79 с водяной системой охлаждения и рубашкой из кварцевого стекла. Интенсивность излучения в диапазоне длин волн 280-400 нм составила 100 Вт/м2. Часовая доза УФ-облучения (О) равна 360 кДж/м2 при данном спектральном режиме.
В процессе экспозиции в АИП интенсивность облучения ткани контролировали интенсимет-ром - дозиметром фирмы «ОБкДМ» (Германия).
Облучение образцов проводили в непрерывном режиме в течение 144 ч (6 суток). Съемы образцов для оценки изменения прочности при растяжении проводили через определенные промежутки времени. Зависимость остаточной прочности при растяжении (в %) от исходного значения ламинированной полипропиленовой ткани от времени облучения в АИП представлена на рисунке 1.
После математической обработки полученных данных по методу наименьших квадратов полученные экспериментальные результаты обобщены линейной зависимостью, представленной на рисунке 2.
20 40 60 80 100 120 140 160 Зависимость остаточной прочности при растяжении (в %) от значения ламинированной полипропиленовой ткани от времени в АИП
строительные материалы и конструкции
теорологической обсерватории МГУ составляет 120000 кДж/м2 год (О ф М)
Вместе с тем, данные по годовой дозе УФ-части солнечной радиации по Краснодарскому краю (Оуф к к) в литературе отсутствуют. Приведенные выше значения Осум для Москвы и краснодарского края позволяют приближенно рассчитать суммарную годовую дозу УФ-облучения для краснодарского края по следующей формуле:
О ф -О к /О
уф М сумм К.к"
Рисунок 2. Линейная зависимость остаточной прочности при растяжении ламинированной полипропиленовой ткани от логарифма времени облучения в АИП
1 - экспериментальные значения; 2 - значения, рассчитанные с помощью уравнения (1)
следовательно,
Оф к = 1200001,33 =
160320 кДж/м2год
П% = П0 - 22,64-1дт,
где П% ост - остаточная величина прочности при растяжении (в %) после УФ-облучения; П0 - исходная величина прочности при растяжении (в %), равная 100; 22,64 - величина, численно равная тангенсу угла наклона прямой в координатах: остаточная прочность при растяжении (в %) - логарифм времени облучения в АИП; Т - время облучения в АИП, в ч.
Результаты математической обработки (см. уравнение (1) и рисунок 2) позволяют экстраполировать полученные данные на более длительный период испытания.
Анализ полученных результатов показывает, что снижение остаточной прочности ламинированной полипропиленовой ткани до 40% произойдет через 437 ч облучения. При этом, суммарная доза УФ-излучения составит 157320 кДж/м2.
Визуальная оценка внешнего вида облучаемого материала показывает, что уже через 36 ч облучения ткань имеет более плотную структуру, становится менее рыхлой и менее блестящей. При дальнейшем облучении жесткость и плотность ткани возрастают.
Согласно ГОСТ 16350-80 суммарная доза солнечного излучения (Осумм) для умеренного теплого с мягкой зимой климата краснодарского края (ГОСТ, таблица 17) составляет 4910 МДж/м2 (Осум Кк), а для умеренного климата Москвы - 3674 МДж/м2 (Осум М). Годовая доза УФ-части солнечной радиации по данным Московской ме-
Сопоставление годовой дозы УФ-облучения для краснодарского края (160320 кДж/м2) с дозой УФ-облучения в лабораторных условиях (157320 кДж/м2) позволяет сделать вывод, что в натурных условиях прочность материала снизится до 40% от исходной величины под действием УФ-облучения приблизительно за один год.
Выводы. По представленному материалу можно сделать следующие выводы.
1. Изучена стойкость образцов ламинированной полипропиленовой ткани строительного назначения к действию УФ-облучения в лабораторных условиях.
2. Расчетным путем определена годовая доза УФ-облучения для краснодарского края, составляющая 160320 кДж/м2.
3. По результатам лабораторных испытаний в течение 144 ч (6 суток) было установлено, что изменение прочности при растяжении под воздействием УФ-облучения описывается логарифмической зависимостью, носящей линейный характер, что позволило использовать ее для прогнозирования светостойкости полимерной ткани.
4. На основании полученной зависимости было определено, что снижение прочности ламинированной полипропиленовой ткани строительного назначения до критического уровня под воздействием УФ-облучения в натурных условиях краснодарского края произойдет приблизительно через один год.
Литература
1. ГОСТ 2678-94. Материалы рулонные кровельные и гидроизоляционные. Методы испытаний.
строительные материалы и конструкции
2. ГОСТ 23750-79. Аппараты искусственной погоды на ксеноновых излучателях. Общие технические требования.
3. ГОСТ 16350-80. Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей.
4. Сборник наблюдений метеорологической обсерватории МГУ. М.: Изд-во МГУ, 1986.
Ускоренный метод оценки стойкости к УФ-облучению ламинированной полипропиленовой ткани строительного назначения
Для оценки светостойкости образцов ламинированной полипропиленовой ткани строительного назначения к воздействию УФ-облучения в лабораторных условиях по снижению прочности при растяжении испытуемого материала до предельного значения 40% получена линейная зависимость остаточной прочности от времени облучения в аппарате искусственной погоды в логарифмических координатах.
На основании полученной зависимости было определено, что снижение прочности ламинированной полипропиленовой ткани строительного назначения до критического уровня под воздействием УФ-облучения в натурных условиях Краснодарского края произойдет приблизительно через один год.
The accelerated method of an estimation of resistance of the laminated polypropylene fabrics for building appointment to the ultraviolet-irradiation
by V.G. Tretyakov, L.K. Bogomolova, O.A. Krupinina
For an estimation of light resistance of laminated polypropylene fabric samples for building appointment to ultraviolet-irradiation influence in vitro on durability decrease at a stretching of a tested material to limiting value of 40% the linear dependence of residual durability on irradiation time in the device of artificial weather in logarithmic co-ordinates is received.
On the basis of the received dependence it has been defined that decrease in durability laminated polypropylene fabrics for building to critical level under the influence of the ultraviolet-irradiation in natural conditions of Krasnodar territory would be occur approximately in one year.
Ключевые слова: светостойкость, ультрафиолетовое облучение, прогнозирование, критический уровень прочности, климат, ламинированная полипропиленовая ткань.
Key words: light resistance, ultraviolet-irradiation, prognostication, critical level of durability, climate, laminated polypropylene fabric.
Большинство масел и герметиков используется с одинаковым успехом как для внутренней отделки, так и для внешней. Правда, для этого они должны обладать определенным набором свойств, например, таких, как влагонепроницаемость, теплоизоляция и устойчивость к ультрафиолетовым излучениям.
Все эти критерии должны быть соблюдены в обязательном порядке, ведь климатические условия у нас непредсказуемы и постоянно меняются. Утром может быть солнечно, а к обеду уже появятся тучи и начнется проливной дождь.
Имея все вышесказанное в виду, специалисты советуют выбирать устойчивые к УФ-лучам масла и герметики.
Зачем необходим фильтр
Казалось бы, зачем добавлять УФ-фильтр, когда можно применить силиконовый или полиуретановый герметик для наружных работ? Но все эти средства имеют определенные различия, что не позволяет их использовать абсолютно во всех случаях. Например, можно с легкостью провести реставрацию шва, если использовался акриловый герметик, чего не скажешь о силиконовом.
К тому же силиконовое герметизирующее средство обладает высокой агрессивностью к металлическим поверхностям, чего не скажешь об акриловых. Еще одной отличительной чертой со знаком минус у силиконовых герметиков выступает их неэкологичность. В них содержатся растворители, опасные для здоровья. Именно поэтому в некоторых акриловых герметиках начали использовать УФ-фильтр, чтобы расширить диапазон их применения.
Ультрафиолетовое излучение является основной причиной разрушения большинства полимерных материалов. Учитывая тот факт, что не все герметики устойчивы к ультрафиолету, нужно предельно внимательно подходить к выбору герметизирующего средства или масла.
Вещества, устойчивые к ультрафиолетовому излучению
На рынке герметизирующих средств и покрытий уже существует некоторое количество герметиков, устойчивых к ультрафиолетовому излучению. К ним можно отнести силиконовые и полиуретановые.
Силиконовые герметики
К преимуществам силиконовых герметиков можно отнести высокую адгезию, эластичность (до 400 %), возможность окрашивания поверхности после затвердевания и устойчивость к ультрафиолету. Однако у них хватает и недостатков: неэкологичность, агрессивность к металлическим конструкциям и невозможность реставрации шва.
Полиуретановые
Обладают еще большей эластичностью, чем силиконовые (до 1000 %). Морозостойки: их можно наносить на поверхность при температуре воздуха до −10 C°. Полиуретановые герметики долговечны и, конечно же, устойчивы к ультрафиолетовым излучениям.
К недостаткам можно отнести высокую адгезию не ко всем материалам (плохо взаимодействует с пластиком). Использованный материал очень сложно и дорого утилизировать. Полиуретановый герметик плохо взаимодействует с влажной средой.
Акриловые герметики с УФ-фильтром
Акриловые герметики имеют много преимуществ, среди которых высокая адгезия ко всем материалам, возможность реставрации шва и эластичность (до 200 %). Но среди всех этих преимуществ не хватает одного пункта: устойчивости к ультрафиолетовым лучам.
Благодаря этому УФ-фильтру теперь акриловые герметики могут составить достойную конкуренцию другим видам герметизирующих средств и облегчить выбор потребителя в определенных случаях.
Масла с УФ-фильтром
Бесцветное средство для покрытия деревянных поверхностей обладает высокой и надежной защитой от ультрафиолетового излучения. Масла с УФ-фильтром с успехом применяются для наружных работ, позволяя материалу сохранять все свои основные положительные свойства, несмотря на внешние воздействия.
Данный вид масел позволяет немного отсрочить очередное плановое покрытие поверхности маслом. Интервал между реставрациями уменьшается в 1,5–2 раза.
Жесткий (непластифицированный) поливинилхлорид появился на российском рекламном рынке первым, и, несмотря на увеличивающийся с каждым годом ассортимент предлагаемых полимерных материалов, в некоторых областях рекламного производства продолжает устойчиво сохранять лидирующие позиции. Это объясняется наличием у ПВХ комплекса свойств, необходимых для решения разнообразных задач и удовлетворяющих самые строгие требования, предъявляемые к конструкционным материалам этого типа.
ПВХ характеризуется природной устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, химическому воздействию, механической коррозии и контактным повреждениям. На протяжении длительного времени эксплуатации на улице не теряет первоначальных свойств. Не впитывает атмосферной влаги и, соответственно, не склонен к образованию конденсата на поверхности. Среди всех прочих пластиков обладает уникальной огнестойкостью. В нормальных эксплуатационных условиях не представляет опасности ни для человека, ни для окружающей среды. Легко обрабатывается механически, формуется (компактный материал), сваривается и склеивается. При пленочной аппликации нет необходимости задумываться о «подводных камнях» - ПВХ без участия человека не преподнесет «сюрпризов».
К условным недостаткам поливинилхлорида можно отнести:
- непродолжительную устойчивость цветных модификаций к солнечным лучам (это не касается материалов с дополнительной УФ-стабилизацией);
- возможное наличие у материалов неизвестного происхождения поверхностных разделительных смазок, требующих удаления;
- ограниченная морозостойкость (до -20 °С), далеко не всегда подтверждаемая на практике (при соблюдении всех технологических правил изготовления конструкций и их монтажа, при отсутствии значительных механических нагрузок ПВХ стабильно ведет себя и при более низких температурах);
- более высокий по сравнению со многими другими полимерными материалами коэффициент линейного теплового расширения, т. е. более широкий диапазон размерных искажений;
- недостаточно высокая степень светопропускания прозрачного материала (ок. 88 %);
- повышенные требования к утилизации: продукты дымления и горения опасны для человека и окружающей среды.
Жесткий поливинилхлорид производится в различных модификациях только методом экструзии. Широкий ассортимент ПВХ, включающий листы:
- компактные и вспененные;
- с глянцевой и матовой поверхностью;
- белые, цветные, прозрачные и транслюцентные;
- плоские и рельефные;
- стандартного исполнения и повышенной прочности на изгиб,
позволяет использовать этот материал практически в любых областях рекламного производства.
Татьяна Дементьева
инженер-технолог