CC BY
42
УДК 655.027
ДИАПАЗОН ВАРЬИРОВАНИЯ ЦВЕТА МНОГОСЛОЙНЫХ ЗАЩИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УПАКОВКИ ИЗ ПОЛИМЕРОВ, ИДЕНТИФИЦИРУЕМОЙ В ПОЛЯРИЗОВАННОМ СВЕТЕ
А. А. Николаев, И.Н. Ермакова, А.П. Кондратов
Применены графический и цифровой методы анализа эффекта плеохроизма многослойных полимерных пленок в поляризованном свете. Введено новое понятие условный цветовой охват для количественной характеристики диапазона изменения окраски многослойных полимерных пленок в зависимости от числа слоев. Установлено определяющее влияние природы пленкообразующего полимера и типа поляризатора на условный цветовой охват полимерных светофильтров. Предложен алгоритм разработки и изготовления многоцветных арт-объектов и световых панелей из полимерных пленок, обеспечивающий воспроизведения цвета оригинал-макета в проходящем поляризованном свете.
Ключевые слова: плеохроизм, полимерные пленки, цвет, светлота, световая панель, поляризованный свет.
Яркие цветные эффекты, создаваемые с помощью новых материалов и технических средств, всесторонне исследуются и применяются в различных областях деятельности современного человека. Цветовые эффекты используются для привлечения внимания к предметам и явлениям для предупреждения об опасности [1], создания произведения искусства, светящихся арт-объектов [2], передачи и/или кодирования информации [3]. Характеристики цвета тонких полимерных пленок используются для высокоточного определения их габаритов [4] и разнотолщинности защитных прозрачных полимерных оболочек различных коммуникаций [5]. Перспективным и актуальным представляется техническая возможность изменения окраски и управления цветом излучения энергосберегающих искусственных источников излучения, к которым относятся светодиоды и полупроводниковые лазеры [2]. Изменение окраски потока света, проходящего сквозь полимерные пленки (светофильтры) может осуществляться путем его поляризации вследствие отражения от поверхности диэлектрика или прохождения сквозь поляризатор.
Целями работы являются определение возможностей и количественная оценка диапазона варьирования окраски светового излучения, проходящего сквозь многослойные полимерные пленки, и разработка алгоритма получения многоцветных изображений на прозрачных световых панелях декоративного и информационного назначения.
Объекты и методы исследования. Исследовали термоусадочные пленки из нескольких различающихся химическим составом и структурой полимерных материалов: пленки из полиэтилена высокого давления (ПЭВД) толщиной 100±5 мкм, полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной
78
60±5, полистирола (ПС) толщиной 60±5 и поливинилхлорида (ПВХ) толщиной 60±5 производства ведущих российских, зарубежных и совместных международных фирм производителей упаковки и этикетки: АО «Дон-Полимер», ООО «Томскнефтехим», MICROTHENE CR 89002 NEAT U.S.INDUSTRIAL CHEMICAL COMPANY.
Дополнительно исследовали листы поликарбоната толщиной 2930 ± 70 мкм с абразивостойким покрытием из смеси сополимеров алкил-силанов: у-глицидоксипропилтриэтоксисилана, b-винилтриэтоксисилан и метилтриэтоксисилан [6] и без покрытия
Толщину пленок, листов и пакетов измеряли механическим толщиномером. Разнотолщинность тонких пленок контролировали и измеряли электромагнитным многофункциональным толщиномером марки «Константа К6Ц» с точностью ± 0,001 мм.
Колориметрические измерения проводили на спектрофотометре X-Rite SpectroEye с программным обеспечением GretagMacbeth KeyWizard V2.5.
В качестве поляризаторов использовали полимерные поляроиды Загорского оптико-механического завода категории «Г» ОСТ 3.4-414-42 с эффективностью поляризации 93.25% и интегральным коэффициентом пропускания света двух параллельных пленок 0.85 [13], а также «линзы» 3D очков, фирмы LG.
Методика исследования цвета и измерения оптических параметров многослойных пленок в поляризованном свете включает операции вырубки образцов полимерных материалов, сборки пакетов с различным количеством слоев и их размещения между поляризатором и анализатором света под разными углами.
Исследуемые пленки разрезают на ленты шириной 30 мм вдоль направления экструзии и делят на образцы различной длины. Образцы пленки выравнивают по одной из меньших сторон и укладывают в пакет, так чтобы с другой стороны образовалась «лесенка» с шагом в 5 - 7 мм [5].
Для защиты от механических повреждений пакеты тонких и эластичных пленок, создающих цветовые эффекты, дополнительно накрывают листом прозрачного стеклообразного поликарбоната с абразивостойкой поверхностью [6].
В качестве источника поляризованного света использовали ЖК-монитор ноутбука Lenovo B50-70. Для получения белого света (фона) в программе Word 2013 открывали новый документ и увеличивали чистый лист до максимального размера, при этом яркость монитора выставляли на максимальный уровень. На полученный, таким образом, световой стол укладывали пакеты из полимерных пленок. Цвет пакетов пленок фиксировали фотографированием камерой смартфона iPhone 4S с фокусировкой на белом участке просмотрового стола для получения одинаковых условий съемки.
В качестве анализаторов поляризованного света использовали 2 разных материала: пленку поляроида и «линзы» ЭБ-очков. Дистанция фотосъемки составляла 30 см, что является стандартным расстоянием, с которого обычно человек смотрит на предметы. Снимки фотоаппарата обрабатывали в программе Adobe Photoshop 2015 CC.
Программа Adobe Photoshop предлагает заменить цветовой профиль, заложенный в изображении на соответствующий программе, по умолчанию. Для обработки изображения оставляем неизменным цветовой профиль камеры - sRGBIEC61966-2.1.
Для определения равноконтрастных цветовых координат Lab используем инструмент «Цветовой эталон», позволяющий фиксировать до 10 точек в каждом поле. Полученный значения координат цвета использовали для вычисления средних значений величин. По средним значениям строили многоугольники цветовых охватов и графики цветового различия пакетов от фона.
По полученным значениям строили график зависимости цветового различия от количества слоев.
Результаты и их обсуждение. Как известно [7] и было показано нами ранее [8] на примере пленок полиэтилена низкой плотности интенсивный эффект плеохроизма наблюдается при прохождении поляризованного света сквозь прозрачные полимерные тела с упорядоченной и ориентированной надмолекулярной структурой, проявляющейся, в частности, в анизотропии физико-механических свойств [9]. К анизотропным прозрачным и бесцветным материалам относятся термоусадочные пленки полистирола (ПС), полиэтилентерефталата (ПЭТФ), поливинилхлорида (ПВХ) и полиэтилена высокого давления (ПЭВД) исследованные в настоящей работе.
Влияние многослойности на окраску термоусадочных пленок в проходящем поляризованном свете демонстрирует многоцветный вид пакета со ступенчатой укладкой пленок, полученный его фотографированием на экране ЖК монитора через поляризатор (рис. 1).
Яркие цвета слоистого материала не переходят плавно друг в друга по мере увеличения его толщины как это имеет место при дисперсии света. Изменения цвета и характерной длины волны на смежных участках происходят скачкообразно и периодически повторяются. При этом частично нарушается известный порядок расположения цветов в спектре [10] красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
На представленных вариантах пакетов пленок поливинилхлорида (ПВХ) из 10 слоев желтые, зеленые и синие оттенки повторяются дважды. При этом за желтым цветом следует зеленый, а за зеленым синий.
80
11
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Рис. 1. Пакеты пленок поливинилхлорида в поляризованном свете (на просвет). Схема укладки пакета вид сверху (а); вид сбоку (б); 1 -10 слои пленки поливинилхлорида; 11 - лист поликарбоната с абразивостойким покрытием (в) и без покрытия (г)
При сборке пакетов из 20 пленок - после 10-го слоя разнообразие цветов сокращается и имеет место чередование оттенков зеленого и пурпурного с закономерным уменьшением яркости проходящего света. При последующем увеличении числа слоев наблюдается ахроматичность в проходящем световом потоке.
Видно, что цвета пакета тонких пленок ПВХ защищенного от механических повреждений покровным стеклом поликарбоната, существенно отличаются от цветов пакета без защиты. Невооруженным глазом наблюдателя видно, что пакет пленок под листом поликарбоната с абразивостой-ким покрытием окрашен иначе, чем такой же пакет, накрытый листом чистого поликарбоната.
Для отображения многообразия цвета слоистых материалов и возможностей варьирования их окраски путем выбора пленкообразующего полимера и определения оптимального числа слоев количественные параметры цвета нанесены на плоские «радужные» диаграммы в виде точек с координатами а*Ь* соответствующими фиксированной светлоте пакетов [11] (Рис. 2).
«•* 1
Рис. 2. Диаграмма Ь*а*Ь*50 (условный цветовой охват) поляризованного света, проходящего сквозь многослойные (1-10) пакеты полимерных пленок, линзу 3Б очков (1,2) и/или пленочный поляризатор (3-5). 1 - ПЭВД; 2 - ПВХ; 3 - ПЭВД; 4 - ПВХ; 5 - ПЭТФ
Точки, соответствующие координатам цвета пакета пленок из каждого исследованного полимера, соединены отрезками прямой линии и образуют описывающий многоугольник. Целесообразно ввести дополнительную характеристику прозрачных полимерных пленок - долю условного цветового охвата. Доля условного цветового охвата - величина равная отношению площади занимаемой описывающим многоугольником к площади круга цветового охвата при заданном масштабе. Охват, назван ус-
ловным, так как в отличие от цветового охвата отпечатков, получаемых растрированием цветных изображений или смешением печатных красок, а также отпечатков формируемых триадными красками на жесткоэлластич-ном полипропилене (ППЖЭ) [12] не гарантирует получение окраски, соответствующей координатам точек внутри многоугольника и на отрезках прямых линий, соединяющих его вершины.
Многоугольники, соответствующие разным полимерам и разным поляризаторам (рис.2) отличаются по площади на порядок, и охватывают разные зоны цветового поля. Для полиэтилена низкой плотности (ПЭВД) характеры желто-зеленые, красные и синие области спектра, для поливи-нилхлорида - это синие, голубые, желтые и пурпурные области спектра. Влияние вида поляризатора на цвет и светлоту пакетов (рис.3) пленок весьма значительно. При использовании поляризационных пленок из «линз» 3Б очков многоугольники условного цветового охвата больше и имеют иную форму. В случае наблюдения сквозь 3Б очки пакетов пленок из ПЭВД в большей мере проявляются пурпурные оттенки с координатами точек в правой части диаграммы. Эффект смещения в область зеленых оттенков наблюдается в пакетах пленок из ПВХ (рис.2).
Неожиданные результаты получены на многослойных термоусадочных пленках из полиэтилентерефталата (ПЭТФ). В пакетах пленок ПЭТФ - изменений цветов практически не наблюдается во всем диапазоне числа слоев от 1 до 20. Термоусадочные пленки ПЭТФ, обладающие анизотропией механических и термоусадочных свойств идентичной анизотропии и способности к усадке пленок ПВХ и ПС [9] не проявляют плеохроизм. Пленки ПЭТФ имеют ничтожный цветовой охват, который в масштабе диаграммы Ь*а*Ь (рис.2) представляет собой совокупность точек в области центра.
По площади многоугольников, иллюстрирующих условный цветовой охват, вычислена их относительная величина, нормированная по площади круговой диаграммы а*Ь*, построенная в едином масштабе (табл. 1).
Видно, что доли условного цветового охвата, наблюдаемого сквозь поляризатор 3Б очков, для многослойных пакетов пленок из поливинил-хлорида и полиэтилена достаточно велики и составляют 25-40%.
Доли условного цветового охвата таких же пакетов пленок ПВХ и ПЭВД полученные с использованием пленочных поляризаторов в несколько раз меньше. По полученным результатам можно прогнозировать цвет и декоративный эффект многослойных пленок каждого из исследуемых полимеров.
Дополнительные и практические важные сведения можно получить путем построения графиков зависимости светлоты и/или цветового различия многослойных пленок от числа слоев. По этим графикам светлоты и
цветового различия (рис. 3) видно, что цветовые колебания неравномерны по амплитуде и имеют различные частотные характеристики в зависимости от числа слоев пленок поливинилхлорида.
Характеристики цвета десятислойных пакетов полимерных пленок
Полимер Светофильтры Доля условного цветового охвата, %
ПВХ Пленочный поляризатор 7,69
ПЭВД 13,48
ПЭТФ Поляризационная «линза» 3D очков 0,14
ПВХ 24,53
ПЭВД 30,64
ПС 39,89
01234 5 6789 10
Число слоев
Рис. 3. Цветовое различие (1) и светлота (2) многослойного пакета
пленок поливинилхлорида, покрытого листом поликарбоната в поляризованном свете (линза ЗБ-очков) в зависимости от числа слоев
Максимальная светлота и амплитуда цветовых колебаний в случае использовании пленок ПВХ соответствует четырем и восьми слоям пленки и достигает 87 единиц, что вдвое больше, чем цветовой охват одной пленки. Это несоответствие закону Бугера-Ламберта-Бера зависимостей светлоты от толщины пленки было установлено в [13] и имеет важное практическое значение.
Рис. 5. Алгоритм использования эффекта плеохроизма в поляризованном свете при изготовлении многоцветного арт-объекта
В отличие от известных данных полученных в аналогичных условиях на пленках ПЭВД светлота пакетов не убывает монотонно по мере увеличения числа слоев и толщины пакета за счет рассеяния света на межфазных границах. Рассеяние света пакетами пленок ПВХ данной толщины заметно снижает светлоту и интенсивность их окраски лишь при числе слоев превышающем 12. Светлота пакета из 6 слоев максимальна и сопоставима с со светлотой монопленки и светлотой поляризаторов без пленки (точка 0). Максимальные значения цветовых различий в случае использования таких же пленок ПВХ соответствует четырем и восьми слоям в пакете и достигает 87 единиц, что вдвое превышает цветовое различие монопленки.
Полученные новые данные о диапазоне варьирования цвета пакетов пленок из разных полимеров могут быть использованы дизайнерами, светотехниками и производителями упаковки различных изделий, цвет которой привлекает покупателя [14] и/или защищает от подделки [15]. Предлагается следующий алгоритм использования плеохроизма в создании многоцветных арт-объектов и цветных панелей.
Заключение
Введено понятие условный цветовой охват для количественной характеристики диапазона изменения окраски пакетов тонких полимерных пленок в зависимости от числа слоев.
Установлено существенное влияние химической природы и структуры пленкообразующего полимера на размер условного цветового охвата изображения в проходящем сквозь поляризатор определенного типа.
Предложен алгоритм изготовления многоцветных арт-объектов и световых панелей из полимерных пленок, обеспечивающий точное воспроизведения цвета оригинал-макета.
Список литературы
1. Назаров Ю.В. Свет в городе проблемы и перспективы. Светотехника, 2013. № 2. С. 57-58.
2. Абрамов В.И., Боос Г.В., Пятигорский В.М. Некоторые аспекты наружного архитектурно-декоративного освещения. Москвы // Светотехника, 1995. № 2. С. 20-21.
3. Некрасов А. Д., Кондратов А.П. Способ представления и хранения цифровых данных в виде отпечатков многоцветных двумерных кодов // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2014. №1. С. 37-43.
4. United States Patent № US 9739597, date of patent Aug.22,2017. Method of authenticating a polymer film by thickness measurement with a white light interferometer. Inventor: Robert Laird Stewart.
5. Ермакова И.Н., Кондратов А.П., Нагорнова И.В. Прозрачные слоистые материалы на основе полиолефинов с варьируемой окраской. International Conference on Oil and Gas Engineering, OGE 2015. P. 101 -103.
6. Радзинский С.А., Золкина И.Ю., Андреева Т.И., Симонов-Емельянов И.Д., Кравчук К.С., Усеинов А.С. Термоотверждаемые силок-сановые покрытия на поликарбонатной подложке // Пластические массы. 2015. №1-2. С. 55-59.
7. Ермакова И.Н., Нагорнова И.В., Кондратов А.П. Методики приготовления образцов и оценки оптических свойств многослойных полимерных пленок с эффектом плеохроизма // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2015. № 2. С. 31-39.
8. Кондратов А.П., Ермакова И.Н. Управление цветом прозрачных полимерных запечатываемых материалов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 3. С. 58- 67.
9. Ерофеева А.В., Кондратов А.П. Оценка релаксации локальных напряжений усадки в интервальных полимерных плёнках // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. Вып. 11. Ч. 2. С. 360-368.
10. Физическая энциклопедия: [в 5 т.] / Гл. ред. Прохоров А.М., ред.: Алексеев Д.М. [и др.]. М., 1988 — 1998. Т. 1: Ааронова-Бома эффект. Длинные линии. Сов. энцикл., 1988. 650 с.
11. Справочная книга по светотехнике / под. ред. Айзенберг Ю.Б. 3-е издание перераб. и доп. М.: Знак. 2008. 925 с.
12. Кондратов А.П., Ермакова И.Н. Печать на прозрачных объем-номодифицированных полимерных пленках с управляемым многоцветным фоном // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2013. № 4. С. 24-33.
13. Kondratov A.P., Volinsky Alex A., Chen Jia. Scaling Effects on Color and Transparency of Multilayer Polyethylene Films in Polarized Light, Advances in Polymer Technology, 2016. No. 17. Vol. 734. P. 3741-3751.
14. Кондратов А.П., Ермакова И.Н. Оценка возможности варьирования цвета прозрачных многослойных полимерных материалов с эффектом плеохроизма // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2013. 4. С. 3-11.
15. Савенкова И. А., Кондратов А.П. Технико-экономическая оценка перспективы применения в упаковке товаров массового спроса защитных ярлыков и этикеток, Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела, 2012. № 6. С. 57 - 65.
Кондратов Александр Петрович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, apkrezerv@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Ермакова Ирина Николаевна, канд. техн. наук, младший научный сотрудник, i. n. ermakova@gmail. com, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Николаев Александр Африканович, магистрант, nikolaevaleksandr1992@, gmail.com, Россия, Москва, Московский политехнический университет.
VARIA TIONRANGE OF COLOR MULTILAYER PROTECTIVE PACKAGING ELEMENTS MADE OF POLYMERS IDENTIFIED IN POLARIZED LIGHT
A.P. Kondratov, I.N. Ermakova, A.A. Nikolaev
87
Graphic and digital methods for analyzing the pleochroism effect of multilayer polymer films in polarized light are applied. The concept of conditional color coverage for the quantitative characterization of the range of color changes ofpolymer film packets depending on the number of layers is introduced. The determining influence of the kind of the film-forming polymer and the type of polarizer on the conventional color coverage is established. The algorithm of development and manufacturing of multi-color art objects and light panels from polymer films, which ensures the reproduction of the color of the original layout, is provided.
Key words: pleochroism, polymer films, color, lightness, light panel, polarized light.
Kondratov Alexandr Petrovich, doctor of technical sciences, professor, head of department, apkrezervamail. ru, Russia, Mocsow, Moscow Polytechnic University,
Ermakova Irina Nikolaevna, candidate of technical science, junior scientific officer, i. n. ermakova@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Nikolaev Alexandr Afrikanovich, postgraduate, nikolaevaleksandrl992agmail.com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 656
ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ТРАНСПОРТНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ В ПОЛЯРНЫХ РЕГИОНАХ
Н.А. Махутов, М.Ю. Куприков, В. Л. Балановский, Н.М. Куприков
В данной статье рассмотрен процесс обеспечения надлежащего уровня безопасности объектов в полярных регионах на основе мониторинга рисков, управления рисками, управления стойкостью, мониторинга обстановки и построения карт рисков инцидентов, аварий и катастроф, оценки уязвимости.
Ключевые слова:арктическая транспортная система, мониторинг и управление рисками, управление стойкостью, объекты транспортной инфраструктуры, морские объекты, критически важные объекты, сжиженные газы, акт незаконного вмешательства, оценка уязвимости, план обеспечения безопасности.
В Российской Федерации в настоящее время все большее внимание уделяется развитию полярных регионов, а такжеАрктической транспортной системы. Эта транспортная система, включая Северный морской путь (СМП), играет определяющую роль в экономическом и социальном развитии региона, в обеспечении национальной безопасности страны. Перспективы развития Арктической транспортной системы связаны с освоением углеводородных ресурсов арктического шельфа и прибрежных районовв полярных регионах, а также с развитием экспортно-импортных связей России. Процессы глобализации и торгово-экономической интеграции раскрывают перспективы формирования евроазиатского транспортного коридора «Северный морской путь».
