Что такое поликарбонат – химическое вещество?
Поликарбонат (ПК) относится к классу синтетических полимеров и является сложным линейным полиэфиром угольной кислоты и фенолов. По внешнему виду напоминающий акриловое стекло, поликарбонат по механическим свойствам не имеет аналогов среди применяемых полимерных материалов и занимает нишу в некоторых областях применения в гордом одиночестве.
В чем же принципиальное отличие ПК от других аморфных и частично кристаллизованных полимеров? Поликарбонат необычен сочетанием высокой термостойкости, уникальной ударопрочности и, одновременно с этим, высокой прозрачности. Его свойства мало изменяются с ростом температуры, а критически низкие температуры, ведущие к охрупчиванию, находятся за пределами возможных отрицательных температур эксплуатации. Для иллюстрации высокотемпературной устойчивости можно привести следующее сравнение: при 125 °С предел текучести поликарбоната близок по значению к полиэтилену высокого давления при комнатной температуре. Стойкость к возникновению раздира и его распространению настолько высока, что приложенные к образцу с надрезом высокие механические нагрузки не вызывают его дальнейшего распространения.
Поликарбонат обладает высокой химической устойчивостью к большинству неинертных веществ, что дает возможность применять его в агрессивных средах без изменения его химического состава и свойств. К таким веществам относятся минеральные кислоты даже высоких концентраций, соли, насыщенные углеводороды и спирты, включая метанол. Но следует также учитывать, что ряд химических соединений оказывают на ПК разрушающее действие (среди полимеров немного таких, которые стойко выдерживают контакт с ними). Этими веществами являются щелочи, амины, альдегиды, кетоны и хлорированные углеводороды (метиленхлорид используют для склеивания поликарбоната). Материал частично растворим в ароматических углеводородах и сложных эфирах. Эта казалось бы скучная информация может оказать вам существенную помощь при подборе очищающих веществ, красок, лаков и герметиков. Особое внимание химической совместимости необходимо уделять в том случае, когда не рекомендованное к использованию вещество не нанесло видимого ущерба поверхности. Несмотря на кажущуюся устойчивость поликарбоната к таким химическим соединениям, при повышенных температурах и в напряженном состоянии листового материала, например при изгибе, они будут действовать как трещинообразователи. Это явление, несомненно, повлечет за собой нарушение оптических свойств ПК. Причем максимальное трещинообразование будет наблюдаться в местах наибольших нагрузок на изгиб. Не следует в связи с этим сомневаться в том – справитесь ли вы с этим материалом или нет, работа с любым листовым полимером требует грамотного подхода.
Еще одной отличительной чертой поликарбоната является его высокая проницаемость для газов и паров. Когда требуются барьерные свойства, например, при ламинировании и аппликации пленками средней и большой толщины (более 200 мкм), необходимо на поверхность поликарбоната предварительно нанести специальное покрытие.
Применение сотового поликарбоната
За последние годы сотовый поликарбонат получил широкое распространение. Изначально листовой материал многперегородчатого сечения был разработан для устойчивых к градобитию и снеговым нагрузкам кровель – прочных, прозрачных и, одновременно с этим, легких. Благодаря высокой вязкости ПК легко изгибается в холодном состоянии (необходимо только учитывать минимально возможный радиус сгибания и требуемую для необходимого изгиба толщину сотового материала).
Уникальные свойства поликарбоната дали возможность выйти далеко за рамки общепринятой области применения. На сегодняшний день материал служит не только для кровельного и вертикального остекления зданий, зимних садов, теплиц, но и для изготовления различного рода плоских и профильных перегородок, декоративных элементов с внутренней подсветкой. Любой вид освещения (люминесцентные лампы, лампы накаливания, светодиоды, световые шнуры и пр.) при удачном расположении источника света дает возможность получить нестандартные световые эффекты за счет многократного преломления света во внутренних секциях сотового листа.
В случае использования в световой рекламе молочно-белого ПК несмотря на неоднородность материала при некотором навыке и опыте можно добиться достаточно равномерной освещенности. При изготовлении световых коробов больших форматов достоинства поликарбоната также окажутся налицо. Во-первых, лицевую сторону такого короба можно сделать из одного куска, не прибегая к склеиванию или дополнительному профильному креплению освещаемой поверхности. Во-вторых, конструкция надежно сохраниться даже в результате нанесения ей преднамеренного или случайного ущерба.
Некоторые характерные особенности, требующие внимания
• Поликарбонат по своей природе неустойчив к УФ-излучению. Материал, не имеющий специальной защиты (УФ-стабилизаторов в массе или защитного слоя на поверхности) в течение нескольких лет станет непригодным для дальнейшей эксплуатации. Разрушительное действие солнечных лучей особенно будет заметно на прозрачном и молочно-белом материале. Желтение и мутность приведут к значительному снижению светопроницаемости и потере внешней привлекательности. Такие, не имеющие защиты листы подходят только для интерьерного использования.
Чаще всего сотовый поликарбонат защищают по поверхности методом одностороннего нанесения соэкструзионного лакового покрытия, которое обеспечивает пригодность материала к использованию на открытом воздухе в течение 10 лет без изменений первоначальных свойств и необходимых качеств. При установке этих листов необходимо следовать правилу: под воздействие солнечных лучей листы должны устанавливаться только той стороной, на которую нанесена защита. Следует учесть, что покрытие абсолютно бесцветно и прозрачно и определить визуально его наличие на той или иной стороне не представляется возможным. Поэтому до окончания монтажных работ не рекомендуется снимать транспортную полиэтиленовую пленку, имеющую маркировку на стороне с УФ-покрытием.
• Поверхность поликарбоната очень чувствительна к механическим воздействиям. При контакте с абразивными веществами или при трении о шероховатые поверхности образуются царапины. Старайтесь не подвергать материал подобным испытаниям, и если есть возможность - сохраняйте до завершения работ транспортную защитную пленку. Именно по указанной выше причине, несмотря на высокую прочность, поликарбонат без специального покрытия высокой твердости не может применяться в напольных конструкциях (подиумы, лестницы, сцены с нижней подсветкой и т. п.).
• Высокая газо- и паропроницаемость проявляются следующим образом: материал способен впитывать влагу из атмосферы, в которой он находится, а при снижении относительной влажности воздуха – выпаривать эту влагу на поверхность. Если не предпринять защитных мер, этот эффект может привести к образованию конденсата внутри секционных пространств, удалить который в уже собранной конструкции будет невозможно.
Невнимательное отношение к этому свойству может повлечь за собой не только локальное мутнение материала, но и с течением времени вызвать образование плесени и необратимое повреждение листа. Избежать подобных проблем нетрудно. Необходимо только лишь перед монтажом выдержать листы несколько суток в сухом помещении (Rh = 30 %) и закрыть торцы (открытые секционные пустоты) самоклеящейся алюминиевой лентой. Это обеспечит технически надежное использование сотового ПК и убережет листы от попадания внутрь пыли, сохранив их высокую прозрачность. Операция по закрыванию торцов займет у вас считанные минуты, а качество материала сохранится неизменным долгие годы. В случае, если конденсат уже образовался, его можно удалить, продувая пустоты сжатым холодным воздухом.
И еще одно замечание, связанное со свойством поглощать влагу. Не следует применять на поверхности поликарбоната газо- и паронепроницаемые материалы, например, полиэфирные и металлизированные пленки. Выпарившаяся на поверхность ПК влага образует тонкий слой воды между листом и пленкой, вследствие чего под пленкой возникают пузыри – в лучшем случае, или пленка полностью отклеивается и неравномерно темнеет – в худшем.
Физические свойства на практике
• Одним из основных свойств поликарбоната, к которому проявляют интерес пользователи этого материала, является его теплопроводность. Этот интерес обусловлен применением ПК по его прямому назначению – остекление зданий/помещений. Коэффициент теплопередачи в зависимости от толщины листа имеет в среднем значения от 3,9 Вт/м²К (4,5 мм) до 1,9 Вт/м²К (16 мм). Чтобы проиллюстрировать эти показатели, сравним их со стеклопакетом «кварцевое стекло 6 мм/воздух 8 мм/кварцевое стекло 6 мм» общей толщины - 20 мм. Сравнение не даст абсолютных соответствий, т. к. качество кварцевого стекла может быть разным, и показатели для поликарбоната могут в некоторой степени варьироваться в зависимости от производителя. Дадим сравнительные характеристики стеклопакетов с низким и высоким качеством стекол.
k низкокач. стекла = ≥ 3,4 Вт/м²К
k ПК 16 мм ≈ 2,5 Вт/м²К (при меньшей толщине)
k высококач. стекла = 1,4 Вт/м²К
Для любого проектировщика зданий и сооружений эти данные дадут представление о теплоизолирующих возможностях сотового поликарбоната.
• Светопропускание также важная характеристика материала. Для сотового поликарбоната этот показатель в зависимости от толщины листа колеблется в пределах от 70 до 90 %, что зачастую превышает светопропускание стандартных силикатных стекол.
• Ударопрочность ПК проявляется не только в отсутствии осколков при разрывной деформации, но и отсутствием такой деформации вообще. Человеку не под силу самостоятельно, без применения механизмов, разрушить этот материал.
Испытания, проведенные Швейцарским институтом испытаний и исследований, показали, что только при скорости мин. 69 м/сек. были отмечены повреждения поверхности. Исследование проводилось с помощью запуска полиамидного шарика диаметром 4 см под углом 90° к поверхности ПК. Вышеуказанная скорость летящего объекта вызывает частичное нарушение целостности поверхности в самом «слабом» месте сотового листа – узле перегородок. Поэтому с уверенностью можно сказать о существовании некоторого скоростного запаса в случае попадания постороннего предмета на другие участки листа.
• Огнестойкость – та самая характеристика, которая интересует всех участников строительства сооружения – заказчика, архитектора, проектировщика и строителя. Материал имеет широкое применение как в складских помещениях (с риском повреждения огнем имущества и складируемых материалов), так и в остеклении производственных цехов, гостиниц, уличных галерей, наземных переходов, крытых автопарковок, где в случае воспламенения опасность грозит непосредственно жизни людей. Никакие архитектурные красоты, эксплуатационные удобства и легкость при сборке не оправдывают возможную опасность, которая может возникнуть при неграмотном применении строительных материалов.
Поликарбонат по европейской классификации относится к классам В2 (4 – 8 мм) – В1 (> 10 мм) – умеренно и трудногорючих материалов. При использовании в строительных конструкциях необходимо соблюдать те строительные нормы и правила, которые касаются применения материалов вышеуказанных степеней возгораемости.
Поликарбонат толщиной более 10 мм не только не воспламеняется в открытом огне, а следовательно не способствует его распространению, но и при температурном разрушении не представляет опасности для жизни. С чем же это связано? Как показали испытания в моделированном пожаре, поликарбонат при воздействии пламени плавится с образованием не горящих, паутинообразных волокон, которые не падают из-за малого веса, а свисают с краев образующегося при плавлении отверстия. Эти нити-волокна не представляют угрозы, т. к. успевают остыть и, не воспламеняясь даже при непосредственном контакте с пламенем, исключают горизонтальное распространение огня. Вследствие образования отверстия, являющегося результатом плавления ПК, также снижается риск удушения и отравления продуктами горения, т. к. дым отводится, а не накапливается.
Механическая обработка и склеивание
Листы сотового поликарбоната могут подвергаться сверлению и пилению. Чтобы получить качественный результат при этих операциях следует учитывать ряд незначительных особенностей.
1. Для сверления используются стандартные острые сверла. В случае применения поликарбоната на улице диаметр отверстий сверления должен обеспечивать достаточное пространство для естественного расширения/сжатия материала. Во избежание оплавления краев из-за чрезмерного перегрева ПК в результате трения в процессе обработки рекомендуется производить охлаждение сжатым воздухом или водой. Сверление осуществляется без риска образования трещин и сколов. Желательно только избегать просверливания в местах торцевого примыкания внутренних перегородок и осуществлять сверление между ними. Эта рекомендация обусловлена малой толщиной перегородок и возможностью получения неровного отверстия в случае смещения сверла.
2. Аккуратный разрез при пилении достигается с помощью высокоскоростных циркулярных и ленточных пил (скорость резания – 1500-3000 об./мин.). Листы при такой обработке следует фиксировать для предотвращения нежелательных вибраций.
3. Для органических (акриловых, ПММА) стекол существуют полимеризационные клеи на основе метилметакрилата. В отличие от этих материалов для поликарбоната не существует клеев на основе поликарбоната. При склеивании ПК в основном применяется клей на основе растворителей или склеивающий лак. Так как для поликарбоната важны его оптический свойства, применяемые клеи не должны их искажать или нарушение должно быть минимально. При использовании клеев на основе чистых растворителей следует считаться с легким нарушением прозрачности и снижением прочности клеевого соединения. Чтобы этого избежать рекомендуется применять свободные от растворителей клеи ступенчатой полимеризации. Их вязко-эластичные свойства соответствуют свойствам ПК и позволяют предотвратить охрупчивание. В качестве дополнительной информации отметим, что основу клеев ступенчатой полимеризации составляет мономер уретана. Эти клеи отличаются высокой прозрачностью и экологической чистотой. Клеевые швы отличаются прочностью и высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям.
Склеивающие лаки применяются только в тех случаях, когда не требуется высокая устойчивость к действию химических реагентов и атмосферных факторов.
Способы крепления
Наверное это один из самых важных вопросов. Можно оценить по достоинству свойства материала и объекты, в которых он применяется - остекленные здания, крытые галереи, фонари и пр., но отсутствие информации о способах крепления сотового поликарбоната иногда может остановить даже тех, кто технически готов к его использованию. Конечно же, при изготовлении сооружений малых форм можно прибегнуть к кустарному методу крепления или использовать подходящие на первый взгляд профили, но в этих случаях отсутствует гарантия, что вы учтете все нюансы поведения сотового материала в условиях реальной эксплуатации.
За последние годы было разработано немало специализированных профильных систем для обеспечения легкой сборки, удобства крепления и надежности эксплуатации с учетом свойств применяемого материала. Такие профильные системы состоят из нескольких основных и дополнительных элементов, которые можно использовать в различных комбинациях, обеспечивая тем самым оптимальную адаптацию устанавливаемой системы к специфическим особенностям конструкции. Все профили могут изгибаться с минимальными радиусами, соответствующими радиусам сгибания листового материала без применения специального оборудования. С помощью элементов систем можно создавать как легко разборные конструкции (с сохранением их высоких прочностных качеств), так и более основательные. Простой расчет осевого расстояния (расстояния между продольными силовыми опорами, на которых будет размещена профильная система) даст возможность обеспечить необходимое расстояние для возможных естественных движений листов под действием перепадов температур. Во избежание поверхностных повреждений и нежелательного попадания влаги в профили системы все основные элементы снабжаются резиновыми прокладками. Дополнительные элементы позволяют с легкостью завершить работу, придав конструкции законченный вид. К таким элементам могут относиться: боковые и торцевые профили, коньки, водоотводы и водостоки.
Если вы уже работаете с сотовым поликарбонатом, надеемся, что приведенные нами сведения все-таки не будут лишними и помогут вам избежать ошибок в проектировании и при монтаже. А тех, кто только думает о том, как воплотить свой замысел в реальность, можем заверить, что сотовый ПК в сочетании с высококачественными профилями обеспечит решение любых строительно-конструкторских задач в короткие сроки и на высоком уровне.
Татьяна Дементьева
инженер-технолог
