CC BY
27
УДК 678.5
Цыриторов Ц.Б., Андреева Т.И., Вахтинская Т.Н., Кравченко Т.П., Лукашов Н.И.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИКАРБОНАТА ДЛЯ СВЕТОДИОДНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
Цыриторов Цырен Батомункуевич, магистрант 2 года обучения кафедры технологии переработки пластмасс; Андреева Татьяна Ивановна, д.т.н., первый заместитель генерального директора АО «Институт Пластмасс им. Г.С. Петрова», e-mail: andreeva@instplast.ru;
Вахтинская Татьяна Николаевна, старший научный сотрудник лаборатории композиционных материалов АО «Институт Пластмасс им. Г.С. Петрова»; 111024, Москва, Перовский проезд, д.35.
Кравченко Татьяна Петровна, к.т.н., старший научный сотрудник, главный специалист кафедры технологии переработки пластмасс;
Лукашов Николай Игоревич, студент 3 курса бакалавриата кафедры технологии переработки пластмасс; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9.
Используемое в последнее время светодиодное освещение является эффективным, долговечным и экологически безопасным. В статье исследованы композиционные материалы на основе поликарбоната в качестве светорассеивателей для светодиодных ламп. В качестве светорассеивающих добавок были использованы органические добавки.
Ключевые слова: поликарбонат, светорассеиватель, светодиодное освещение.
COMPOSITE MATERIAL FUNCTIONAL PURPOSE ON THE BASIS OF POLYCARBONATE FOR LED LIGHTING
Tsyritorov Ts.B., Andreeva T.I., Vakhtinskaya T.N., Kravchenko T.P., Lukashov N.I. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Joint-stock company «Institute of plastics named after Petrov», Moscow, Russia
Recently, LED lighting has been increasingly used since it is efficient, durable and ecologic. The article studies composite materials based on polycarbonate as light-diffusing agents for led lamps. As the light diffusing additives were used, organic additive.
Key words: polycarbonate, light-scattering, LED lighting.
Введение
Использование в качестве источников света синих диодов является одним из приоритетных направлений развития экономной светотехники. Светодиодное освещение энергоэффективно и экологически безопасно в сравнении с люминесцентными лампами и не требует специальной утилизации. Светодиод или светоизлучающий диод (сокращенно СИД, или англ. Light-emitting diode) - это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического тока в световую. Для светодиодных ламп необходимо использовать светорассеиватели, чтобы исключить попадание прямого излучения светодиода в сетчатку глаза [1].
Прозрачные полимеры (поликарбонат, полиметилметакрилат, полистирол и др.) имеют высокий показатель светопропускания и невысокую светорассеивающую способность. В связи с этим для изменения структуры и получения материала со светорассеивающими свойствами в прозрачный полимер необходимо вводить модификаторы, которые создают оптически неоднородную среду и имеют размер частиц (гетерогенности), соизмеримый с длиной волны падающего света, что позволяет им рассеивать свет. Такими добавками -модификаторами могут быть термодинамически несовместимые или ограничено совместимые с
полимерной матрицей, например, органические полимеры и воска различной природы, неорганические наполнители: оксид алюминия, диоксид кремния, кварц, бентониты, сульфат бария и др. [2].
Таким образом, направленная модификация материала, создание гетерогенной гетерофазной структуры композиции на основе поликарбоната позволяет регулировать как оптические характеристики, так и комплекс его технологических и эксплуатационных свойств.
Рассеяние света в оптически прозрачных полимерах можно достичь разными путями[3]:
- созданием герерогенной, гетерофазной структуры в оптически прозрачной полимерной среде;
- введением дисперсных наполнителей заданных размеров и содержания, отличающихся показателем преломления от полимера;
- оформлением заданного микрорельефа структуры поверхности изделия в процессе переработки.
Поликарбонат является аморфным полимером и имеет высокие и стабильные показатели оптических, физико-механических, электрофизических, теплофизических свойств и горючести. При введении светорассеивающих добавок в поликарбонат композиция может
применяться в качестве рассеивателя для светодиодных ламп.
Светорассеяние - результат взаимодействия между светом и частичками наполнителя в полимере. Проходящий через абсолютно чистый полимер луч света остается практически неизменным, хотя, даже в абсолютно чистом полимере, молекулы вызывают рассеяние света на некоторый, хоть и очень малый, угол. В результате ни один чистый материал не обладает нулевым светорассеянием. Если в образце присутствуют частицы наполнителя или добавки, то результат взаимодействия образца с проходящим светом зависит от размера, формы и состава частиц, а также от длины волны (цвета) падающего света [4].
В качестве рассеивающих добавок широко используются минеральные наполнители (диоксид титана, сульфат бария, диоксид кремния, оксид алюминия) и органические наполнители. В процессе рассеяния минеральные частицы поглощают значительное количество света, в результате чего коэффициент светопропускания ниже 80 %. Изменение показателей светопропускания и светорассеивания полимерных композиционных материалов зависит от содержания
светорассеивающей добавки и толщины изделия. Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования использовали:
Поликарбонат с показателями текучести расплава 10 и 20 г/мин (Т=280С и Р=2,16кгс) и с показателем преломления 1,58; полиэтиленовый воск А-С-617А - неокисленный гомополимерный воск низкой плотности, который не содержит функциональных групп. Показатель преломления 1,51; полиметабутилакрилат (ПМБА), структурная формула которого приведена на рисунке 1.
Рис.1. Структурная формула ПМБА
Для определения характеристики светопропускающей способности поликарбонатной композиции использовали колориметр
«Спектротрон» 5П1.500.001 ПСМ. На рисунке 2 изображена схема установки.
система; 2 - лампа; 3 - держатель пробы; 4 - сфера Ульбрихта; 5 - колпачок; 6 - индикаторный инструмент;
7 - фотоэлемент Для нахождения светорассеивающей способности необходимо определить коэффициенты светопропускания и светорассеяния. При определении светопропускания прямолинейно проходящий свет падает на колпачок с белой прокладкой. Если подложку заменить на черную, будет захватываться только свет, рассеянный под большими углами, в силу того, что рассеянное излучение распространяется в различных направлениях.
Коэффициент светорассеяния (мутность) -это отношение коэффициента рассеянного пропускания (при черной прокладке) к коэффициенту пропускания (при белой прокладке), вычисляется по формуле 1 [5]:
H = Т-100 , (1) т
где: Т — коэффициент светопропускания, Ts —
коэффициент рассеянного светопропускания
Для определения коэффициента
светорассеяния и светопропускания были изготовлены методом литья под давлением на термопластавтомате ARBURG 320 K700-250 при температуре цилиндра 260-280С и температуре формы 100С образцы — диски диаметром 50 мм и толщиной 2 мм. Перед изготовлением образцов на термопластавтомате гранулы поликарбоната опудривали светорассеивающей добавкой. Смешение компонентов осуществляли в смесителе Turbula System Shatz(WAB) в течение 10±5 минут.
Состав исследуемых композиций приведен в таблице 1. Сравнительный анализ эффективности влияния органических добавок на коэффициент светорассеяния показан на рисунке 3.
Таблица 1. Светотехнические характеристики композиции на основе поликарбоната,
ПЭ воска А-С617А и ПМБА в зависимости от состава
Массовое содержание добавки в поликарбонате Коэффициент рассеяния, % Коэффициент пропускания, %
ПК исходный 24,4 89,7
ПК + 0,2% ПМБА 80,8 47,3
ПК + 0,3% ПМБА 85,3 47,4
ПК + 0,5% ПМБА 94,4 19,2
ПК + 0,2% ПЭ воск А-С617А 44,9 32,9
ПК + 0,3% ПЭ воск А-С617А 63,5 14,6
Рис.3. Зависимость коэффициента светопропускания и светорассеяния композиций на основе поликарбоната от содержания светорассеивающей добавки: 1 - ПМБА, 2 - ПЭ воск А-С617А
Из рисунка 2 видно, что композиции на основе ПМБА обладают более высокими характеристиками коэффициента светопропускания и коэффициента светорассеяния при одной и той же концентрации светорассеивающей добавки. Анализ полученных результатов показал, что оптимальное сочетание коэффициента светорассеяния (83,0%) и светопропускания(47,3%) имеет композиционный материал на основе поликарбоната с содержанием ПМБА 0,25 % масс. При оптимальном содержании полиэтиленового воска в качестве
светорассеивающей добавки в композиции показатели коэффициента светорассеяния и светопропускания имеют значения 55,0 % и 23,0 % соответственно.
Результаты проведенных исследований показали, что композиции на основе поликарбоната, содержащие 0,25 % масс. органического рассеивателя ПМБА, имеют лучшие показатели и в дальнейшем могут быть использованы для изготовления «рассеивателей» для светотехнических изделий.
Список литературы
1.СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10 "Изменения и дополнения № 1 к санитарным правилам и нормам СанПиН 2.2.1/2.1.1.1.278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» . 2010.
2.Мюллер А. Окрашивание полимерных материалов / А. Мюллер; пер. С.В. Бронникова. - Санкт-Петербург: Профессия, 2006. - 280 с.
3.Крашение пластмасс / ред. Т.В. Парамонкова; пер. В.Н. Шнуров. - Ленинград, 1980. - 320 с.
4.Лазарева Т.К. Композиционные люминесцентные материалы с улучшенными светотехническими характеристиками на основе поликарбоната : дисс. ...канд. техн. наук. - Москва, 2011. - 131 с.
5.ГОСТ Р 8.829-2013. ГСИ. Методика измерений оптической плотности (коэффициента пропускания) и мутности пластин и пленок из полимерных материалов. - Введ. 2015-01-01. - М.: Стандартинформ, 2014.-8 с.
