Прозрачность материала PS: свойства, сорта и почему она такая прозрачная

Физика светопропускания в аморфных полимерах

Прозрачность любого материала в основном связана с отсутствием внутренних структур, достаточно больших, чтобы мешать электромагнитным волнам видимого света. Критический размер центров рассеяния составляет примерно одна десятая длины волны света или примерно от 40 до 80 нанометров. В полукристаллических пластиках, таких как полиэтилен или полипропилен, сферолиты — сферические кристаллические агрегаты — обычно вырастают до размеров от 1 до 100 микрон, что намного превышает этот порог и заставляет полимер казаться молочным или непрозрачным.

GPPS полностью позволяет избежать этого. Объемные фенильные боковые группы, свисающие с основной цепи полистирола, не позволяют полимерным цепям сворачиваться в упорядоченные ламели во время охлаждения из расплава. Цепи застыли в случайном, стекловидном состоянии. Показатель преломления этой однородной фазы одинаков по всему материалу, поэтому свет проходит через него по прямой, неизменной траектории. Это тот же физический принцип, который делает неорганическое силикатное стекло прозрачным применительно к органической полимерной системе.

GPPS против других прозрачных пластиков: количественное сравнение

Не все прозрачные пластики одинаковы. Свойством, которое выделяет GPPS, является его высокий показатель преломления в сочетании с отчетливой хрупкой жесткостью, с которой не могут сравниться такие конкуренты, как ПЭТ и акрил, в определенных ценовых категориях. В таблице ниже представлены количественные характеристики этих различий с упором на оптические и физические свойства, определяющие выбор материалов для прозрачных применений.

Структурная причина ясности GPPS: фенильная боковая группа

Прозрачность полистирола не является результатом обработки; это прямое следствие химической структуры мономера. Мономер стирола несет массивное жесткое бензольное кольцо в качестве боковой группы, прикрепленной к основной цепи полиэтилена. Во время радикальной полимеризации эти фенильные группы располагаются в пространстве хаотично, образуя атактическую конфигурацию. Отсутствие стереорегулярности не позволяет сегментам цепи плотно упаковываться в кристаллические решетки. Объемная фенильная группа действует как спейсер, удерживая соседние цепи друг от друга ровно настолько, чтобы предотвратить зародышеобразование, но недостаточно для рассеяния света.

Компромисс – хрупкость. Та же молекулярная жесткость, которая предотвращает кристаллизацию, также ограничивает подвижность цепей, а это означает, что полистирол не может пластически деформироваться под напряжением, как поликарбонат. Оно ломается. Вот почему компоненты GPPS, к которым предъявляются высокие требования к прозрачности, такие как прозрачные одноразовые столовые приборы, футляры для компакт-дисков и лабораторные чашки Петри, имеют толстые и жесткие поперечные сечения, которые не нужно изгибать. Для применений, требующих прозрачности и ударопрочности, промышленность переходит на HIPS (ударопрочный полистирол), который жертвует частью идеальной прозрачности ради прочности за счет включения дисперсной резиновой фазы, которая рассеивает некоторое количество света.

Сохранение прозрачности во время термической обработки

Достижение идеальной прозрачности в финальной части во многом зависит от термической истории. GPPS должен обрабатываться в строгом диапазоне температур плавления, обычно между 200°С и 250°С . Превышение этого диапазона приводит к термическому разложению полимера. Механизм деградации включает разрыв цепи и высвобождение мономера стирола, который окисляется с образованием хромофоров желтого цвета. Даже небольшая концентрация этих побочных продуктов разложения поглощает свет в синей части видимого спектра, придавая отлитой детали заметный желтый оттенок, который ухудшает оптическое качество.

Температура пресс-формы не менее важна. Впрыск расплавленного GPPS в холодную форму, температура стеклования которой ниже примерно 100°С — слишком быстро закаливает поверхностный слой. Это создает внутренние напряжения, вызванные потоком, и создает микроскопическую рябь на поверхности, которая проявляется в виде дымки. Чтобы максимизировать прозрачность полистирола, полученного литьем под давлением, температуру формы следует поддерживать в пределах от 40°C до 70°C, а поверхность формы иметь полированную поверхность качества SPI A-1 или A-2 с алмазной полировкой. Любая отметка инструмента или микроцарапина на стали точно воспроизводятся на пластиковой детали.

УФ-деградация и проблема пожелтения

У GPPS есть один хорошо задокументированный оптический недостаток: он со временем желтеет и мутнеет под воздействием ультрафиолетового излучения в диапазоне от 290 до 350 нанометров. Фенильные кольца полистирола сами являются хромофорами. Под длительным УФ-облучением они подвергаются фотоокислению, образуя карбонильные и гидропероксидные функциональные группы, которые поглощают синий свет и излучают желто-коричневый цвет. Это постоянное химическое изменение; его нельзя изменить путем чистки или полировки.

При использовании внутри помещений с фильтрацией солнечного света это ухудшение происходит достаточно медленно, чтобы его можно было пренебречь в течение предполагаемого срока службы продукта, составляющего несколько лет. Однако для любого прозрачного PS-компонента, предназначенного для воздействия на открытом воздухе, в смолу должны быть добавлены пакеты добавок УФ-стабилизатора на основе светостабилизаторов на основе затрудненных аминов (HALS) или бензотриазольных УФ-поглотителей в смоле на уровне между 0,1% и 0,5% по массе . Эти добавки жертвенно поглощают УФ-фотоны и рассеивают энергию в виде безвредного тепла, прежде чем они смогут атаковать основную цепь полимера, сохраняя первоначальную прозрачность материала значительно дольше.

Практические приложения, использующие прозрачность PS

Уникальное сочетание прозрачности, высокого блеска поверхности и низкой стоимости материала делает GPPS выбором по умолчанию для тех случаев, когда потребителю необходимо четко видеть продукт, но требования к конструкции умеренные. Представленные ниже сегменты рынка зависят от оптической прозрачности полистирола как основного функционального требования, а не просто эстетического предпочтения.

• Раскладушки для упаковки пищевых продуктов: Прозрачные навесные контейнеры для хлебобулочных изделий и свежих продуктов основаны на прозрачности полистирола, что позволяет отображать продукт, не требуя от покупателя открывать упаковку, что снижает риск загрязнения.
• Лабораторная посуда: Чашки Петри, серологические пипетки и кюветы изготовлены из кристаллического полистирола, поскольку он пропускает УФ-свет адекватно для спектрофотометрии при длине волны 340 нм и выше, что является критической длиной волны для анализа ДНК и белков.
• Дисплеи в точках продаж: В упаковке косметики и парфюмерии используется литой GPPS со стенками, достаточно толстыми, чтобы имитировать вес и прозрачность граненого стекла, что позволяет добиться превосходного вида за небольшую часть стоимости.
• Рассеиватели освещения: В то время как крышки светодиодов переходят на поликарбонат, в диффузорах люминесцентных трубок исторически использовался GPPS с призматической текстурой поверхности, чтобы разделить источник света, сохраняя при этом общую эффективность передачи света.
• Оптические модели и прототипы: Легкость механической обработки и полировки литого листа GPPS делает его предпочтительным материалом для создания прозрачных масштабных моделей архитектурных атриумов и установок для визуализации потоков жидкости в инженерных лабораториях.

Отличие GPPS от конкурирующих прозрачных материалов в полевых условиях

Без лабораторного оборудования идентификация прозрачного пластика может оказаться затруднительной. Однако простой тест на плотность отличает полистирол от его основных конкурентов. GPPS имеет плотность примерно 1,05 г/см³ , который находится очень близко к воде. Отрежьте небольшой не всплывший образец, свободный от пузырьков воздуха, и поместите его в стакан с водой. Поликарбонат (1,20 г/см³) и ПЭТ (1,38 г/см³) будут тонуть заметно быстрее и решительнее. Полиметилпентен (TPX), еще один оптически прозрачный пластик, будет плавать, поскольку его плотность составляет всего 0,83 г/см³.

Испытание на пламя дает дополнительное подтверждение, хотя его следует проводить безопасно. Полистирол горит очень коптящим желто-оранжевым пламенем и испускает отчетливый сладкий запах стирола, напоминающий бархатцы. Тяжелый черный дым характерен для высокого содержания углерода в ароматическом кольце. Поликарбонат самозатухает при прекращении огня, а акрил сгорает с резким фруктовым запахом, что упрощает идентификацию опытному специалисту по работе с материалами.