Полиуретаны устойчивые к уф излучению. Влияние ультрафиолетового излучения и других факторов на полимерные изделия. Пару слов о рынке

Устойчивость эмалей к выцветанию

Условную светостойкость определяли на образцах эмали темно-серого цвета RAL 7016 на ПВХ–профиле REHAU BLITZ.

Условную светостойкость лакокрасочного покрытия определяли в испытаниях в соответствии со стандартами:

ГОСТ 30973-2002 "Профили поливинилхлоридные для оконных и дверных блоков. Метод определения сопротивления климатическим воздействиям и оценки долговечности" . п. 7.2, таб.1, прим. 3.

Определение условной светостойкости при интенсивности излучения 80±5 Вт/м 2 контролировали по изменению блеска покрытий и цветовых характеристик. Цветовые характеристики покрытий определяли на приборе «Спектротон» после протирки образцов сухой ветошью для удаления образовавшегося налета.

Об изменении цвета образцов в процессе испытания судили по изменению цветовых координат в системе CIE Lab, рассчитывая ΔE. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Изменение блеска и цветовых характеристик покрытий

Считаются прошедшими испытания образцы с 1 по 4.

Данные приводятся для образца №4 - 144 часа УФ облучения, что соответствует по ГОСТ 30973-2002 (40 условных лет):

L = 4,25 норма 5,5; a = 0,48 норма 0,80; b = 1,54 норма 3,5.

Заключение:

Мощность светового потока до 80±5 Вт/м 2 приводит к резкому падению блеска покрытий на 98 % через 36 ч испытаний в результате образования налета. При продолжении испытаний дальнейшая потеря блеска не происходит. Светостойкость можно охарактеризовать в соответствии с ГОСТ 30973-2002 - 40 условных лет.

Цветовые характеристики покрытия лежат в допустимых пределах и соответствуют ГОСТ 30973-2002 на образцах №1, №2, №3, №4.

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.

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.

В последнее время в обществе (в том числе, в научном сообществе) стала доминировать мысль об универсальности пластиков и композитов, от которых ожидают решения большинства проблем традиционных материалов. Считается, что новые виды пластиков и композитов вскоре заменят не только металлы, но и стекло, термостойкие неорганические вяжущие, стройматериалы. Довольно распространенным является взгляд, что путем химического или физико-химического модифицирования пластмасс (например, их наполнения) можно добиться впечатляющих результатов.

Во многом это верно. Однако у полимеров есть несколько «ахиллесовых пят», исправить которые не позволяют химия и физика углерода и его соединений. Одна из таких проблем – термостойкость и химстойкость под воздействием солнца и других излучений. Решают данную проблему УФ-стабилизаторы (УФС).

В присутствии вездесущего кислорода лучи солнца обладают мощным разлагающим полимеры действием. Оно хорошо видно по лежащим на открытом воздухе под солнцем пластиковым изделиям – сперва тускнеющим и белеющим, затем трескающимся и рассыпающимся. Не лучше они ведут себя и в море: по данным экологов, морская вода и солнце превращают пластиковые изделия в пыль, которую затем рыбы путают с планктоном и едят (а мы потом едим такую рыбу). В общем, без УФС и антирадиационных добавок (АРД) полимер не годится для многих нам привычных сфер применения.

Полимеры чувствительны к воздействию УФ-излучения, поэтому срок службы изделий сокращается под воздействием атмосферных факторов вследствие светодеструкции полимера. Применение концентрата светостабилизатора позволяет получить изделия с высокой стойкостью к УФ-излучению и значительно увеличить срок их эксплуатации. Кроме того, применение УФС предотвращает потерю цвета, помутнение, потерю механических свойств и образование трещин в готовой продукции.

Светостабилизаторы особенно важны в изделиях большой площади, подвергаемых солнечному или другому облучению, – пленок, листов. Понятие «УФ-стабилизация» означает, что пленка на протяжении определенного срока теряет под действием солнечных лучей не больше половины своей изначальной механической прочности. УФС, как правило, содержит 20% «пространственно затрудненных» аминов НАLS (т.е. аминов с пространственным строением, затрудняющим конформационные движения молекул – это позволяет стабилизировать радикалы и др.) и антиокислитель.

Характеристики УФ-стабилизаторов

Механизм действия светостабилизаторов (кроме УФС есть ИК-стабилизаторы и др.) сложен. Они могут просто вбирать в себя (абсорбировать) свет, выделяя поглощенную энергию затем в виде тепла; могут вступать в химреакции с продуктами первичного разложения; могут замедлять (ингибировать) нежелательные процессы. Различают два способа введения УФС: поверхностное покрытие и введение в блок полимера. Считается, что в блок вводить дороже, зато действие УФС долговечнее и надежнее. Правда, основная масса изделий (например, все китайские) стабилизируется нанесением полимерного поверхностного слоя – как правило, 40-50 мкм. Кстати, для долгого срока службы (3–5 лет или до 6–10 сезонов) недостаточно добавить много УФС, нужны еще достаточная толщина и запас прочности. Так, для срока службы 3 года пленка должна быть толщиной не менее 120 мк, для 6–10 сезонов необходим трехслойный материал толщиной до 150 мк, с упрочненным средним слоем.

УФС можно подразделить на абсорберы и стабилизаторы. Абсорберы вбирают излучение и преобразуют его в тепло (и их эффективность зависит от толщины слоя полимера, они малоэффективны в очень тонких пленках). Стабилизаторы стабилизируют уже появившиеся радикалы.

В СНГ продаются формы полимеров как стабилизированные (дороже) так и нестабилизированные (дешевле). Во многом это объясняет более низкое качество дешевых изделий-аналогов из Китая или других стран. Понятно, что полимеры (пленки) с удешевленной стабилизацией будут служить меньше установленного срока. Например, часто декларируется стабильность в течение 10 сезонов, но не указывается степень снижения стабильности при усиленных нагрузках. В итоге срок службы нередко составляет половину заявленного (т.е. 1–2 года).

Хорошим примером эффекта стабилизации полимера можно считать поликарбонат, полиэтилен и пленки. Срок действия поликарбоната в виде сотового листа колеблется от 2 до 20 лет, в зависимости от степени стабилизации. Из-за экономии на стабилизаторах, 90% производителей не могут подтвердить заявленный срок действия ПК-листов (обычно – 10 лет). То же с пленками. Например, агропленки вместо 5–10 сезонов выдерживают лишь 2–3, что приводит к существенным потерям в агросекторе. Полиэтилен без УФС не работает долго, поскольку быстро разлагается УФ-излучением (обратите внимание на вид и состояние ПЭ-изделий 10–15-летней давности). Из-за этого, например, полиэтиленовые газовые или водные трубы запрещают прокладывать по поверхности земли и даже внутри помещения. Без УФС и АРД не рекомендуется перерабатывать такие крупнотоннажные полимеры, как полипропилен, полиформальдегид, каучуки.

Качественные УФС, к сожалению, стоят дорого (большинство из них продуцируется брендовыми западными фирмами), и из-за этого многие местные производители на них экономят (их надо добавлять в количестве 0,1–2, а то и 5%). Вместо новых ГОСТов в производстве используются ТУ, и ГОСТы 20-летней давности. Для сравнения, в ЕС обновление стандартов по стабилизаторам проходит раз в 10 лет. Каждый из видов УФС имеет особенности, которые следует учитывать при использовании. К примеру, аминные УФС приводят к потемнению материала, и для светлых изделий их использовать не рекомендуется. Для них используются фенольные УФС.

Заметим, что присутствие УФС в полимерах, особенно пленках, пока не является само собой разумеющимся, о чем надо помнить потребителям. Солидные производители акцентируют внимание на присутствии УФС в какой-либо продукции. Так, Mitsubishi-Engineering Plastics заявляют о том, что гранулы их поликарбоната NOVAREX содержат УФ-стабилизирующую добавку, «чтобы сотовый поликарбонат мог использоваться в течение 10 лет под усиленным воздействием солнечных лучей». Пример «поближе» – последний апрельский релиз белорусского предприятия «Светлогорск-Химволокно» относительно внедрения новой продукции – ПЭ-пленки с УФС. Помимо объяснений, зачем нужны УФС, пресс-служба предприятия отмечает: пленка с УФС «может иметь срок службы до трех сезонов». Информация от одного из старейших и уважаемых в отрасли предприятий (основано в 1964 году, выпускает химволокна, полиэфирные текстильных нитей, быттовары) показывает: за наличием УФС в полимере потребитель должен следить сам.

Пару слов о рынке

Глобальный рынок свето- и термостабилизаторов приближается к отметке в 5 миллиардов долларов – точнее, к 2018 году ожидается достижение планки в 4,8 миллиардов. Крупнейшим потребителем стабилизаторов является строительная отрасль (в 2010 году 85% стабилизаторов использовалось для производства профилей, труб и кабельной изоляции). С учетом растущей моды на сайдинг (устойчивость которого к светооблучению является важнейшим условием), доля УФС в строительстве может лишь возрастать. Неудивительно, что на рынке светостабилизаторов и сейчас отмечается высокий спрос – крупнейшим потребителем стабилизаторов оказался Азиатско-Тихоокеанский регион, на который приходится до половины глобального спроса. Далее следуют Западная Европа и США. Затем идут рынки в Южной Америке, СНГ и Восточной Европе, на Среднем Востоке – там рост спроса на УФС опережает средние значения, достигая 3,5–4,7% в год.

Мировой рынок еще с 70-х годов стал пополняться предложениями от ведущих еврокомпаний. Так, почти полвека успешно используется УФС марки Tinuvin, для расширения производства которых в 2001 году компанией Ciba был построен новый завод (в 2009 году Ciba вошла в состав BASF). Компания IPG (International Plastic Guide) испытала и вывела на рынок концентрат УФС марки LightformPP для пленок и спанбондов (это нетканый полипропиленовый микропористый паропроницаемый изоляционный материал). Новые УФС, помимо светозащиты, уберегают от разрушающего действия пестицидов (в том числе, сернистых), что особенно важно в агропроме. Новые УФС уже начали поставляться в СНГ (как правило, поставки идут из Западной Европы, США и Южной Кореи). Разработки УФС проводят японская Novarex, западные Clariant, Ampacet, Chemtura, BASF. В последнее время все большее влияние приобретают азиатские продуценты – не только южнокорейские, но и китайские.

Дмитрий Северин

Кабельные нейлоновые стяжки - это универсальное средство фиксации. Они нашли применение во многих областях, в том числе при работах вне помещений. На открытом воздухе кабельные хомуты подвергаются множественным воздействиям природного характера: осадкам, ветрам, летнему зною, зимней стуже, а главное - солнечному свету.

Солнечные лучи губительны для стяжек, они разрушают нейлон, делают его хрупким и снижают эластичность, приводя к потере основных потребительских свойств изделия. В условиях средней полосы России стяжка, установленная на улице, уже за первые 2 недели может потерять 10% от заявленной прочности. Виной тому - ультрафиолет, невидимые глазу электромагнитные волны, присутствующие в дневном свете. Именно длинноволновые UVA и в меньшей степени среднедлинновые UVB (из-за атмосферы только 10% достигают поверхности Земли) УФ-диапазоны ответственны за преждевременное старение нейлоновых стяжек.

Негативное воздействие УФ повсеместно, даже в регионах, где солнечных дней совсем мало, т.к. 80% лучей проникают сквозь облака. Ситуация усугубляется в северных областях с их продолжительными зимами, поскольку проницаемость атмосферы для солнечных лучей увеличивается, а снег отражает лучи, тем самым удваивая УФ воздействие.

Большинство поставщиков предлагают использовать черную стяжку, как вариант решения проблемы старения нейлонового хомута под воздействием солнечных лучей. Стоят эти стяжки столько же, сколько и их аналоги нейтрально белого цвета, а отличие состоит лишь в том, что для получения черного цвета у готового изделия в качестве красящего пигмента в сырье добавлено незначительное количество угольного порошка или сажи. Эта добавка настолько незначительна, что не способна защитить изделие от УФ-деструкции. Такие стяжки повсеместно называются «атмосферостойкими». Надеяться, что такая стяжка будет добросовестно работать на открытом воздухе, всё равно, что в мороз пытаться согреться, одев только нижнее бельё.

При установке на улице, надежно выдерживать нагрузки в течение продолжительного периода времени способны только стяжки, изготовленные из УФ-стабилизированного полиамида 66. Их срок службы, по сравнению со стандартными стяжками под воздействием ультрафиолета, различается в разы. Положительный эффект достигается за счет добавления в сырье специальных УФ-стабилизаторов. Сценарий действия светостабилизаторов может быть различен: они могут просто вбирать в себя (абсорбировать) свет, выделяя поглощенную энергию затем в виде тепла; могут вступать в химреакции с продуктами первичного разложения; могут замедлять (ингибировать) нежелательные процессы.