Антивандальный материал — монолитный листовой поликарбонат

Александр Гальченко, к.х.н., главный специалист по полимерным материалам
ЗАО "Гельветика-Т"


 

Листовой монолитный (сплошной) поликарбонат (ПК) является самым прочным из всех прозрачных материалов, существующих на мировом рынке и производящихся в промышленных масштабах. Уникальность эксплуатационных характеристик обеспечивает востребованность листового ПК в таких областях как автомобилестроение, строительство, военная техника, производство спортивного снаряжения, средств безопасности и антивандальных конструкций и, несомненно, рекламная индустрия. В чем же особенность этого материала и что представляет собой листовой поликарбонат? Эти вопросы и освещены в данной статье.

Сырьевой поликарбонат (в виде гранул) представляет собой продукт поликонденсации дифенилолпропана и хлорангидрида угольной кислоты (фосгена) или диметилового эфира угольной кислоты (ДМУК). Использование ДМУК дает возможность перевести технологический процесс получения ПК из жидкой фазы в расплав, избавиться от экологически опасного фосгена и значительно увеличить объемы производства. Этот передовой метод уже используется на одном из заводов компании «General Electric Plastics» в Испании. Увеличение объема производства гранулированного ПК влечет за собой увеличение объема производства листового материала, что благотворно влияет на конъюнктуру мирового рынка и позволяет удовлетворить все повышающийся спрос (в том числе и в России) на прозрачные, полупрозрачные и цветные пластики.

Основными производителями многочисленных марок ПК являются компании: General Electric Plastics (США, торговая марка LEXAN), Dow Plastics (США, CALIBRE), Bayer (Германия, MAKROLON), Teijin Chemical (Япония, PANLITE), Sam Yang (Южная Корея, TRIREX). Из этих исходных материалов методами экструзии и соэкструзии (нанесение УФ-защитного слоя) изготавливаются все листовые ПК в странах Америки и Европы, а также в России.

В нашей стране листовой ПК представлен следующими популярными марками: Barlo PC, Barlo PC UVP с УФ-защитой (Бельгия), Makrolon (Германия), Lexan (Голландия, Австрия), Politec (Италия), Paltuf и Palsan (Израиль), Axxis-PC и Axxis-Sunlife с УФ-защитой (Бельгия), поликарбонат монолитный (Россия, г.Дзержинск) и другими.

Так как все листовые ПК изготавливаются практически из одинаковых по характеристикам марок сырьевого гранулята (у всех компаний-производителей ПК существует специальные экструзионные марки для производства монолитных и сотовых листов), основные свойства материалов разных производителей мало, чем отличаются друг от друга. В таблице 1 приведены физико-механические и эксплуатационные характеристики некоторых из них.

Таблица 1. Технические характеристики листового монолитного поликарбоната
ХарактеристикаМетодЕд.изм.Значения
Barlo PC, PC UVPPaltuf, PalsanAxxis Sunlife
ПлотностьISO 1183г/см³1.21.181.2
СветопропусканиеТЗ%868986
Коэффициент преломленияDIN 5036ND201.585н/д1.585
Модуль упругости при изгибеISO 178МПан/д2600н/д
Предел прочности при изгибеISO 178МПа> 95> 90> 95
Модуль упругости при разрывеISO 527МПа220020002200
Предел прочности при разрывеISO 527МПа606560
Удлинение при разрывеISO 527%8090100
Ударная вязкость по Шарпи образца с надрезомISO 179кДж/м²> 40н/д> 30
Ударная вязкость по Шарпи образца без надрезаISO 179кДж/м²без разр.без разр.без разр.
Ударная вязкость по Изоду образца с надрезом ASTM D 256Дж/мн/д800600-800
Теплостойкость по методу Vicat ISO 306°С145150145
Температура прогиба (А) ISO R 75°С135130135-140
Коэфф. линейного термического расширенияDIN 53328K-1
10-5
6.56.56.5
ТеплопроводностьDIN 52612Вт/м.К0.2н/д0.21
Удельная теплоемкостьD-2766Дж/г.К1.171.261.17
Температура разложения °С> 280н/д> 280
Мин.температура использования °С-60-75-100
Макс.температура использования °С+130+120+130
Макс.температура длительной тепловой нагрузки °С+115+100+115
Температура термоформования °С180-210н/д180-200
Температура формы °С55-90н/д55-90
Диэлектрич. постоянная, 50 ГцDIN 53483 3.0н/д3.0
Электрическая прочностьDIN 53481кВ/мм> 30н/д> 30
Объемное сопротивлениеDIN 53482Ом.см1015н/д1015
Поверхностное сопротивлениеDIN 53482Ом1015н/д1015
Тангенс угла диэлектрич.потерьDIN 53483Гц8×10-4н/д9.2х10-4
ОгнестойкостьUL-94
DIN 4102
Класс
Класс
н/дн/дV-1
B1

Анализ данных таблицы 1 позволяет сделать вывод, что листовой ПК обладает уникально высокой ударопрочностью. В графе значенийударной вязкости образца без надреза указано: «без разрушений» — это означает, что образец листового ПК невозможно разрушить лабораторными методами. Если соотнести данные показателя ударной вязкости образца ПК с соответствующими показателями для других листовых материалов, например, для оргстекла 14-17 (без надреза) и 4-5 (с надрезом), для полисторола 5-6 (без надреза) и 1-2 (с надрезом), то можно приблизительно оценить величину этой физической характеристики в 900-1100 кДж/м² (без надреза). Эта величина иллюстрирует экстремальную ударопрочность материала. И действительно, листовой ПК невозможно разбить ни молотом, ни двухпудовой гирей.Даже, если в силу каких-либо внешних обстоятельств ударопрочность уменьшитсяв 3-5 раз, указанная физическая величина будет иметь настолько большое значение (200-300), что не возникнет ощутимого снижения прочности конструкционного элемента. Поэтому этот материал для использования в антивандальных строительных и рекламных конструкциях, несомненно, предпочтителен.

Еще одна особенность листового ПК — высокая устойчивость к низким и высоким температурам. Диапазон температур уверенного использования очень широк — от -50°С до +150°С. Поэтому поликарбонат безоговорочно может применяться в любых самых сложных климатических условиях. В интерьереэтот полимер также находит применение в случае эксплуатации изделий в режиме повышенных температур (например, в световых коробах с установленными в качестве световых источников лампами накаливания с избыточной теплоотдачей).

Для ПК характерны также высокая огнестойкость, чрезвычайно низкий уровень дымообразования при горении в условиях даже развитого пожара и низкая токсичность продуктов разложения, что является очень важными факторами эксплуатационной безопасности строительного объекта. Значение Кислородного индекса (процентное содержание кислорода в окружающей атмосфере, при которой материал начинает поддерживать устойчивое горение) составляет 28-30%. Это значит, что в воздушной среде (21% кислорода) поликарбонат не поддерживает горение и в соответствии с классификацией относится к группе самозатухающих полимеров. Совокупность всех этих качеств ставит листовой ПК в ряд материалов с наилучшими показателями противопожарной безопасности, причем стоит заметить, что эти свойства характерны для ПК без каких бы то ни было специальных антипирирующих добавок.

Поликарбонат обладает высокой стойкостью в отношении многих химически активных сред. Он не подвержен воздействию большинства неорганических и органических кислот, окислительных и восстановительных агентов, кислотных и основных солей, алифатических углеводородов, спиртов, моющих средств, жиров и смазочных масел. Химическая стойкость поликарбоната зависит от концентрации химикатов и от температуры окружающей среды при воздействии. После длительного нахождения в воде при температуре выше 60°С, например, ПК реагирует на контакт с некоторыми растворителями, водными и спиртовыми растворами щелочей, газообразным аммиаком и аминами.

Ниже представлены данные химической устойчивости ПК к некоторым веществам (" + " — стойкий, " — " — не стойкий):

CтойкостьСтойкостьСтойкость
Уксусная кислота+Ацетон-Щелочные растворы-
Аммиак-Бензол-Борная кислота+
Бутилацетат-Бутиловый спирт+Перманганат калия, 10%+
Диэтиловый спирт-Этиловый спирт+Гексан+
Соляная к-та концентр.-Соляная к-та, 20%+Перекис водорода, 30%+
Метиловый спирт-Метиловый спирт-Метиленхлорид-
Поваренная соль+Пропан+Бензин+

Как и большинство других прозрачных полимерных материалов, листовой ПК служит прекрасным заменителем силикатного стекла и может использоваться при остеклении, особенно защитном. При этом основные эксплуатационные показатели у листового ПК (вес, тепло- и звукоизоляция) значительно лучше, чем у стекла. В таблице 2 приведены сравнительные данные из расчета 1 м² для разных толщин листового ПК и стекла. Иллюстрируются такие необходимые качества как теплоизоляция, характеризующаяся коэффициентом теплопередачи (К), и звукоизоляция, выраженная значением падения силы звука (в децибелах) при прохождении через остекление.

Таблица 2. Сравнительные характеристики листового ПК и стекла
Толщина
листа, мм
Вес, кг/м²К, Вт/м²КЗвукоизоляция, Дб
ПКСтеклоПКСтеклоПКСтекло
33.67.345.495.872628
44.89.45.355.842729
56.012.245.215.802830
67.214.685.095.772931
89.619.604.895.723132
1012.024.484.685.673233
1214.429.384.355.583434

Из таблицы видно, что для всех толщин коэффициент теплопередачи К в случае ПК ниже, чем у стекла. Таким образом, потери тепла в помещении и проникновение тепла или холода извне через ограждающие конструкции в зданиях с поликарбонатным остеклением будут меньше, чем при использовании обычного стекла. Применение полимера вместо традиционного прозрачного материала позволяет в значительной степени снизить энергозатраты на отопление зимой и кондиционирование летом. В то же время звукозащитные свойства листового ПК и стекла практически одинаковы.

Существенным фактом, определяющим место размещения листов ПК (в помещении или на открытом воздухе) является защищенность листов от воздействия ультрафиолетового излучения. По своей природе ПК подвержен действию УФ-излучения. С течениемвремени это проявляется в виде желтизны и мутности, что, соответственно, ухудшает светопропускание, и в некоторой степени потерей прочностных качеств (но как отмечалось выше неощутимых с точки зрения эксплуатационных возможностей материала). Для того чтобы защитить листы ПК от воздействия солнечной радиации существует два принципиально разных технологических метода. Первый — введение уф-стабилизаторов в массу полимера, что позволяет достигать защитного эффекта по всей толщине листа. Второй способ — нанесение методом соэкструзии или лакированием специального защищающего слоя на одну или обе поверхности листа. Во втором случае при монтаже конструкции из листов ПК очень важно обращать к солнечной стороне именно УФ-защищенную поверхность.Производители листового поликарбоната (например, Barlo Plastics) при соблюдении технологических правил гарантируют уменьшение коэффициента светопропускания не более чем на 6% за 10 лет (DIN 5036).

Сравнительные данные по изменению коэффициента светопропускания и индекса желтизны для обычных и УФ-защищенных листов ПК были получены в результате экспериментов, в ходе которых материал облучался в течение ста часов светом ксеноновой лампы с интенсивностью аналогичной годовому солнечному воздействию в таких климатических зонах как Израиль или штат Аризона (США). Снижение значения коэффициента светопропускания при длительности облучения 2000 часов составляет для обычного ПК — до 91% — 87,7% и УФ-защищенного — до 89,5%. Увеличение индекса желтизны при тех же условиях составляет 0 — 9 для обычного ПК и 2,5 для листов с УФ-защитой. Эти данные подтверждают, что листовойПК с УФ-защитой может длительное времяиспользоваться вне помещений без видимых изменений.