CC BY
44
Корягина Е.Л.
ПОЛИМЕРНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СОЛНЕЧНЫХ КОНЦЕНТРАТОРОВ
Проведены испытания оптических характеристик и фотостойкости ряда бесцветных и окрашенных люминесцирующими органическими красителями полифторакрилатов. Показана возможность использования окрашенных полимеров в качестве люминесцентных солнечных концентраторов.
Ключевые слова: полимерные оптические материалы, люминисцентный солнечный концентратор, альтернативные источники энергии.
Проблема поиска альтернативных источников энергии весьма актуальна в настоящее время, предпринимаются попытки более широкого использования солнечной и других видов энергии. Однако высокая стоимость преобразования солнечного излучения в другие виды сдерживает развитие гелиоэнергетики. Возможным способом ее удешевления является привлечение новых недорогостоящих материалов и технических устройств на их основе, повышающих эффективность преобразования солнечного света. Одним из таких устройств является люминесцентный солнечный концентратор (ЛСК), важное преимущество которого заключается в возможности использовать как прямой, так и диффузный солнечный свет. В частности, было показано, что в качестве ЛСК могут использоваться оптически прозрачные полимеры, содержащие люминесцирующие красители [1].
Возможность использования в данной области полимеров обусловлена их малым удельным весом, большей ударной вязкостью, а также в 5 раз меньшей по сравнению с неорганическими матрицами теплопроводностью [2]. При этом к материалу матрицы и к люминофору предъявляется ряд требований. Так, матрица должна быть высоко прозрачной, в том числе в УФ-части спектра, обладать механической и химической стойкостью, а также устойчивостью к УФ-излучению, иметь продолжительный срок службы. Ряд требований предъявляется и к люминофорам: наличие широкой полосы поглощения, минимальное перекрывание кривых поглощения и испускания, устойчивость к воздействию УФ-излучения, малое концентрационное и температурное тушение, хорошая растворимость в полимере. Как правило, в качестве матриц для ЛСК используется широ-
ко известный полиметилметакрилат (ПММА), в качестве люминофоров -органические красители родамин 6Ж, родамин В, родамин 640, кумарин 7, кумарин 307, нильский синий и другие. Однако используемые материалы не всегда удовлетворяют требованию высокой фотостойкости красителя и матрицы.
В последние годы в оптике и в технике наряду с полимерилметари-латом и сополимерами метилметакилата (ММА) нашли применение и фторированные производные полиакрилатов благодаря их высокой прозрачности, низкому показателю преломления, высокой термо- и химической стойкости [3]. В настоящей работе показана возможность использования ряда сополимеров 1,1,3-тригидроперфторпропилметакрилата (ФА) с красителями родамином С (РС), родамином 4С (Р4С) и родамином 6Ж (Р6Ж) в качестве ЛСК. Были исследованы характеристики неокрашенных сополимеров ФА, а также сополимеров с красителями. В качестве сомо-номеров использовали метакриловую кислоту (МАК), бутилакрилат (БА) и триаллилизоцианурат (ТАИЦ).
Образцы получены методом блочной радикальной сополимеризации с использованием в качестве инициатора динитрила азоизомасляной кислоты. Соотношение исходных сомономеров составляло: ФА - МАК и ФА-БА - 95:5; ФА-ТАИЦ - 98:2. Красители вводились в процессе синтеза сополимеров путем растворения в исходной мономерной смеси в концентрации 1,5 -10-4 моль/л. Красители хорошо растворяются в исходных мономерных смесях и практически не разрушаются в процессе полимеризации, что показал анализ значений молярного коэффициента экстинкции красителей. Спектральные характеристики бесцветных и окрашенных сополимеров были сняты на спектрофотометре СФ-46 в диапазоне длин волн 180-700 нм. Для изучения фотостойкости сополимеров их подвергали облучению полным нефильтрованным светом лампы ДРШ-1000 в течение 50 часов. Спектры люминесценции измерялись на установке, в которой возбуждение осуществлялось излучением аргонового лазера ЛГН-503 с длиной волны 514,5 нм, а регистрация производилась с помощью фотоумножителя и цифрового вольтметра. Все исследования проводились в сравнении с наиболее близким нефторированным аналогом - бесцветным и окрашенным родаминами сополимером ММА с МАК (90:10).
На рис.1 приведены спектральные характеристики бесцветных сополимеров на основе ФА и ММА. Как видно из рисунка , все фторсодержащие сополимеры более прозрачны в УФ-области спектра по сравнению
с сополимером ММА-МАК, что является в данном случае их преимуществом и предпосылкой для возможного использования в качестве матриц для ЛСК.
1.0 Б,ОТН. ед. 1 2 1.0 I ФЛ,ОТН.ед.
Рис.1. Спектральный коэффициент светопропускания сополимеров: 1 - ФА-БА; 2 - ФА-МАК; 3 -
ФА-ТАИЦ; 4 - ММА-МАК
Длительная эксплуатация в условиях воздействия солнечного излучения приводит к фотодеструкции материала и к ухудшению его работоспособности, в связи с чем были проведены ускоренные испытания фотостойкости бесцветных и окрашенных сополимеров ФА. Спектры сополимера ФА-БА, снятые до и после УФ-облучения, приведены на рис. 2.
Воздействие облучения вследствие фотоокислительной деструкции приводит к снижению светопропускания во всем диапазоне длин волн. Критерием светостойкости сополимеров служило относительное снижение светопропускания - К/Ко на определенной длине волны, где Ко и К -светопропускание сополимера соответственно до и после облучения в течение определенного времени. Значения К/Ко сополимеров приведены в таблице!.
D/Dq
400 500 600 700 800
Рис.2. Спектральный коэффициент светопропускания сополимера ФА-БА: 1 - до облучения; 2 -после УФ-облучения
Таблица 1. Относительное изменение светопропускания сополимеров в процессе УФ-облучения
Сополимер КЖ^, на X, нм
320 400 500
ФА-МАК 0,78 0,87 0,85
ФА-ТАИЦ 0,71 0,83 0,99
ФА-БА 0,75 0,97 0,96
ММА-МАК 0,49 0,78 0,84
Как видно из данных таблицы, фторсодержащие сополимеры обладают более светоустойчивыми оптическими характеристиками во всем диапазоне УФ- и видимого спектра. Наиболее устойчивые спектральные характеристики отмечены у сополимера ФА-ТАИЦ.
На рис. 3 приведены спектры поглощения и люминесценции красителя родамина 6Ж в сополимере ФА-БА. Как видно, данные спектры
К, %
имеют весьма малое перекрывание.
Рис. 3. Спектры поглощения (1) и люминесценции (2) красителя РС в сополимере ФА-БА
Были проведены исследования фотохимической стойкости красителей во фторсодержащих сополимерах, поскольку именно эта характеристика является определяющей для возможного использования окрашенных сополимеров в качестве ЛСК. Показано, что в процессе УФ-облучения вследствие фотодеструкции красителя снижается оптическая плотность красителя в максимуме полосы поглощения. Критерием фотостойкости служило относительное изменение оптической плотности в максимуме полосы поглощения - D/ Do , где Do и D - оптическая плотность красителя соответственно до и после определенного времени УФ-облучения. На рис.4 приведены кинетические кривые фотообесцвечивания красителей Р6Ж (а) и РС (б) в полимерных матрицах разного состава.
60
80
20
40
0
X, НМ
250 300 350 400 450 500 550 600
Рис. 4. Кинетика фотообесцвечивания красителя Р6Ж в сополимерах: 1 - ФА-ТАИЦ; 2 - ФА-БА; 3
- ФА-МАК; 4 - ММА-МАК
Как видно из рисунка, в большинстве случаев красители более фотостойки во фторсодержащих сополимерах, чем в сополимере ММА-МАК. Наибольшей фотостойкостью красители характеризуются в сополимере ФА-ТАИЦ, что коррелирует с повышенной фотостойкостью бесцветного сополимера ФА-ТАИЦ.
Таким образом, проведенные исследования показали, что окрашенные родаминами полифторакрилаты удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ЛСК: высокопрозрачная, в том числе и в УФ-части спектра матрица, устойчивая к УФ-облучению, малое перекрывание спектров поглощения и люминесценции красителей, а также высокая фотостойкость красителей в этих матрицах. Все это является предпосылкой для возможного использования данных окрашенных сополимеров в качестве материалов для люминесцентных солнечных концентраторов.
1. Барашков Н.Н., Сахно ТВ. Оптически прозрачные полимеры и материалы на их основе. М.: »Химия», 1992. 132 c.
2. Гудимов М.М., Перов Б.В. Органическое стекло. М.: «Химия», 1981. 214 c.
3. Горелов В.И. Свойства и применение полифторалкилметакрилатов / Физико-химические основы синтеза и переработки полимеров. Горький. 1984. С. 16-19.
Источники
Зарегистрирована 20.02.2012.
