Влияние УФ-излучения на свойства полиэтилена. Пропускает ли монолитный и сотовый поликарбонат ультрафиолетовые лучи Материал не пропускает ультрафиолетовое излучение

На страницах данного информационного ресурса уже отмечалась необходимость защиты изделий из полиэтилена, в частности полуфабрикатов (полиэтиленовых стержней, листов, плит и т.д.) из полиэтилена различных марок, а также других материалов семейства полиолефины, от вредного воздействия УФ - излучения, при эксплуатации изделий на открытом воздухе.

Вредное воздействие УФ - излучения выражается в изменении цвета материала (выцветании), а также в изменении его механических свойств - материал становится хрупким и растрескивается, даже без механической нагрузки.

Следует отметить что эти процессы (выцветание и изменение механических свойств) не связаны между собой – выцветание характеризует, прежде всего, стойкость красителей, используемых при производстве материалов, и поэтому потеря оригинального цвета изделия далеко не всегда означает изменение механических свойств материала.

Как уже отмечалось выше, для придания стойкости полиолефинов к воздействию УФ - излучения в их состав в процессе производства вводят специальные УФ - стабилизаторы (HALS – ингибиторы).

В целом можно сказать, что устойчивость материала к воздействию УФ - излучению, и, следовательно, срок службы изделий, зависит от количества и эффективности используемых УФ - стабилизаторов, а также от интенсивности УФ - излучения – в более высоких широтах интенсивность УФ - излучения ниже, чем в более низких. Дополнительно интенсивность УФ – излучения может усиливать, например, его отражение от водной поверхности.

Сочетание стабилизаторов и красителей, вводимых в состав материала, также может оказывать значительное воздействие на срок службы изделий, например вводимый в состав изделий из полиэтилена краситель на основе сажи сам по себе является хорошим УФ – стабилизатором, поэтому срок службы изделий из полиэтилена черного цвета является наибольшим.

Ведущие производители инженерных термопластов регулярно проводят тестирование производимых материалов для определения влияния УФ – излучения на их свойства. В целом можно сказать, что целевым показателем срока, в течение которого не должно происходить значительного изменения свойств материалов является 10 лет.

Однако с учетом того, что как уже отмечалось выше, интенсивность УФ – излучения для разных климатических зон различна, для мест высокой интенсивностью излучения реально достижимая величина этого показателя может быть значительно ниже.

С другой стороны, для изделий, в состав которых введен краситель на основе сажи, срок эксплуатации может быть значительно выше – в среднем до 20 лет, без значительных изменений свойств материала.

Отдельно стоит остановиться на вопросе выцветания материала. Данных эффект может наблюдаться в большей или меньшей степени, в зависимости от интенсивности УФ – излучения и стойкости применяемых красителей. При этом, стойкость применяемых в последнее время органических красителей, как правило, значительно ниже стойкости красителей на основе тяжелых металлов (например, кадмия). Поэтому далеко не всегда более современные материалы являются более устойчивыми к выцветанию.

В обыденной жизни мы часто пользуемся готовыми блоками знаний, полученными ещё в детстве, нередко в школе. Мы практически не анализируем их, априори считая их бесспорными, не требующими ни дополнительных доказательств, ни анализа. И если спросить нас, к примеру, пропускает ли стекло ультрафиолет, большинство уверенно ответит: «Нет, не пропускает, мы это ещё в школе запомнили!».

Но однажды появится наш друг и скажет: «Знаешь, я вчера весь день провёл за рулём, солнце было нещадное, всё предплечье со стороны окна загорело!» И в ответ на скептическую улыбку закатает рукав рубашки, демонстрируя покрасневшую кожу… Так разрушаются стереотипы, и человек вспоминает, что по природе своей он - исследователь.

И всё же - как быть с нашим вопросом? Ведь мы знаем, что именно ультрафиолет является причиной загара кожи у людей. Ответ не так уж однозначен, как поначалу может показаться. И он будет звучать так: «Смотря, какое стекло и какой ультрафиолет!»

Свойства ультрафиолетовых лучей

Ультрафиолетовое излучение имеет длину волн примерно от 10 до 400 нм. Это довольно большой разброс, и, соответственно, лучи в разных частях этого диапазона будут иметь различные свойства. Физики делят весь ультрафиолетовый спектр на три разных типа:

1. Тип С или жёсткое УФ излучение . Характеризуется длиной волны от 100 до 280 нм. Это излучение не зря получило своё название, оно крайне опасно для человека, приводит к раку кожи или быстрому ожогу глаз. К счастью, лучи диапазона практически полностью задерживаются атмосферой Земли. Человек может столкнуться с ними только очень высоко в горах, но и здесь они крайне ослаблены.
2. Тип В или среднее УФ излучение . Длина его волн - от 280 до 315 нм. Ласковыми к человеку эти лучи тоже не назовёшь, они похожи своими свойствами на предыдущий тип, но всё же действуют менее губительно. Как и тип С, они также теряются в атмосфере, но задерживаются ею слабее. Поэтому 20% из них всё же доходят до поверхности планеты. Именно лучи этого типа приводят к появлению на нашей коже загара. Но это излучение не способно проникнуть сквозь обычное стекло.
3. Тип А или мягкое УФ излучение . От 315 до 400 нм. Атмосфера ему нипочём, и оно беспрепятственно проходит до уровня океана, иногда проникая даже сквозь лёгкую одежду. Это излучение отлично преодолевает слой обычного оконного стекла, появляясь в наших квартирах и офисах, приводя к выгоранию обоев, ковров и поверхности мебели. Но «лучи А» никак не могут привести к загару кожи у человека!

Правда, выделяется ещё и экстремальный ультрафиолет с длиной волны ниже 100 нанометров, но он проявляет себя только в условиях, близких к вакууму, и в условиях земной поверхности им можно пренебречь.

А что же ответить своему другу-автомобилисту? Почему загорело его предплечье?

Разные типы стёкол

И здесь мы подходим ко второй части нашего ответа: «Смотря, какое стекло!» Ведь стёкла бывают разные: и по составу, и по толщине. Например, кварцевое пропускает сквозь себя все три типа УФ излучений. Такая же картина наблюдается при использовании оргстекла.
А силикатное, применяемое в оконных рамах, да и в автомобилях, пропускает только «мягкое излучение».

Впрочем, здесь имеется одно важное «НО»! Если стекло очень тонкое или очень прозрачное, качественно отшлифованное (как в случае с автомобилем), оно пропустит и малую долю «излучения В», ответственного за наш загар. Этого не хватит, чтобы загореть, постояв возле окна часик. Но если водитель провёл за рулём много часов, подставляя кожу солнцу, то она загорит даже сквозь закрытые стёкла. Особенно, если кожа нежная, а дело происходит высоко по отношению к уровню моря.

И теперь, услышав вопрос, проходит ли через стекло ультрафиолет, мы сможем ответить весьма неодносложно - проходит, но только в ограниченной части спектра, и только если говорить об обычном оконном стекле.

В стране и за рубежом создано много видов защитной пленки для парников и теплиц. Давайте попробуем разобраться в этом многообразии.

Виды полимерной пленки

Полиэтиленовая пленка. В настоящее время в овощеводстве нашей страны широко применяется обычная нестабилизированная полиэтиленовая пленка (ГОСТ 10354-82, рецептура 10803-020). Получают ее из природного газа.

Полиэтиленовая пленка чуть-чуть синевата и имеет слегка матовый оттенок, высокоэластична. Прочность ее одинакова по длине и ширине и равна более 100 кг1см2. С понижением температуры прочность пленки возрастает.

В первый период эксплуатации она сохраняет свои качества при температуре -65град. Однако установлено, что у пленки, бывшей в эксплуатации, морозостойкость понижается и при температуре минус 5-10град. она становится хрупкой. Поэтому полиэтиленовую пленку, прослужившую лето, нельзя использовать для укрытия зимой или поздней осенью.

Полиэтиленовая пленка незначительно изменяет линейные размеры в зависимости от температуры, что позволяет крепить ее жестко к элементам конструкций.

Под действием ультрафиолетовых лучей и повышенной температуры пленка «стареет», и вследствие этого ухудшается ее прочность на разрыв, светопроницаемость и морозостойкость. При использовании пленки толщиной 0,05 мм в качестве экрана в остекленных теплицах она служит от 3 до 5 лет, в то время как аналогичная пленка, находясь под прямым воздействием ультрафиолетовых лучей, изнашивается в течение 3-4 месяцев.

Долговечность полиэтиленовой пленки зависит от толщины, условий эксплуатации и применяемых конструкций.

Более тонкая пленка дешевле, но для тоннельных укрытий она должна быть толщиной не менее 0,08-0,1, мм. В то же время считают, что использовать пленку толщиной более 0,15 мм для укрытий на необогреваемом грунте невыгодно.

Полиэтиленовую пленку выпускают в рулонах с шириной полотна (рукава) 1,2-3 м.

Полиэтиленовая пленка обычно пропускает 80-90 % солнечного света. Но в специальных конструкциях с пленкой, где меньше затеняющих переплетов, освещенность бывает даже выше, чем под стеклом.

Следует отметить, что используемая в овощеводстве полиэтиленовая пленка специально для этих целей не создавалась и, естественно, обладает существенными недостатками: коротким сроком службы (4-5 месяцев); гидрофобной поверхностью, снижающей поступление света в результате загрязнения и образования светоотражающего экрана за счет мелкокапельного водяного конденсата; высокой степенью прозрачности для инфракрасного излучения, что ухудшает тепловой режим в укрытиях ночью.

Для укрытий многократного использования лучше применять светостабилизированную полиэтиленовую пленку (ГОСТ 10354-83, рецептура 108-08 или 158-08). Стабилизация пленки достигается путем введения в ее состав веществ, препятствующих разрушению полимера под воздействием атмосферных условий. Срок службы этой пленки при непрерывной эксплуатации достигает одного года, а на тоннельных укрытиях она может использоваться 2-3 сезона. Внешне она не отличается от нестабилизированной и определить ее можно по этикетке на рулоне.

Ленинградское научно-производственное объединение «Пластполимер» и Агрофизический институт разработали рецепт получения новой гидрофильной пленки (ГОСТ 10354-73, рецептура 108-82). В состав этой пленки входят свето- и термостабилизаторы, которые повышают срок ее эксплуатации в 2-3 раза по сравнению с обычной. Поверхность пленки гидрофильная, она мало загрязняется, конденсат влаги образуется в виде сплошного слоя, что повышает светопроницаемость и устраняет «капель». Способность новой пленки пропускать инфракрасное (тепловое) излучение снижена с 80 до 30-35 %. В производственных испытаниях урожайность овощей в теплицах, покрытых гидрофильной пленкой, повышалась на 10-15 %.

Теплоудерживающая полиэтиленовая пленка (ГОСТ 10354-83, рецептура 108-143Г или 158-143Г) значительно меньше пропускает инфракрасные лучи, в результате температура под ней на 1,5-2град. выше, чем под обычной полиэтиленовой пленкой. Улучшенный тепловой режим под новой пленкой позволяет увеличить ранний урожай овощей. На изготовление теплоудерживающей пленки требуется меньше полиэтилена за счет наполнителя (каолина).

В настоящее время теплоудерживающую пленку промышленность выпускает под маркой «СИК».

Особыми свойствами обладает вспененная пленка, которая состоит из двух слоев: монолитного и вспененного. Она пропускает 70 % видимого спектра солнечных лучей в рассеянном виде, в результате температура воздуха под пленкой несколько уменьшается днем и поддерживается на более высоком уровне ночью. «Вспененная» пленка рекомендуется для укрытий тоннельного типа и парников, а также для вегетативного размножения растений. При ее изготовлении достигается экономия полиэтилена до 20 % за счет его вспенивания.

Полиэтиленовая фоторазрушаемая (ГОСТ 10354-82) пленка обладает свойством разрушаться после определенного срока эксплуатации. В зависимости от рецептуры эта пленка имеет следующие средние сроки начала разрушения:

рецептура 108-70 с радиационным облучением - 20 дней;

- « - 108-70 без облучения - 45 дней;

- « - 108-71 без облучения - 60 дней.

Фоторазрушаемую пленку рекомендуют применять для мульчирования и в качестве бескаркасных укрытий. Для этих целей ее изготавливают толщиной 0,04-0,06 мм, а перед применением перфорируют круглыми или щелевидными отверстиями.

Поливинилхлоридная пленка (ГОСТ 16272-79, рецепт С). По внешнему виду она напоминает целлофан. Поливинилхлоридная пленка отличается высокой прозрачностью, она пропускает до 90 % видимого света и около 80 % ультрафиолетовой радиации. В отличие от полиэтиленовой она почти не пропускает инфракрасных (тепловых) лучей. Благодаря этому ночью под укрытием поливинилхлоридной пленкой бывает теплее, чем под полиэтиленовой. Эта пленка отличается большой долговечностью в эксплуатации, достигающей 2-3 года. В то же время она в 2-3 раза дороже, чем полиэтиленовая. При этом необходимо учесть, что Поливинилхлоридная пленка отличается относительно низкой морозостойкостью (температура хрупкости -15 град.С), поэтому ее нельзя оставлять зимой на необогреваемых сооружениях.

Пленка полиэтиленовая черная (ГОСТ 10354-82 рецептура 108-157 или 158-157) за счет стабилизации сажей практически светонепроницаема уже при толщине 0,04 мм. Она предназначена для мульчирования почвы овощных и других культур. Позволяет улучшить гидротермический режим почвы в корнеобитаемом слое и подавляет сорную растительность, в результате увеличивается урожайность и сокращаются затраты труда по уходу.

Для мульчирования в течение одного сезона рекомендуют применять черную пленку толщиной 0,04-0,05 мм, в течение двух лет - толщиной 0,06-0,08 мм, трех-четырех - 0,1 - 0,12 мм.

Многие десятки лет пленки исправно служат садоводам-огородникам и крупным тепличным хозяйствам.

Материалы покрытий и их свойства

Физико-механические показатели пленки определяются химическим составом и способом получения. Наиболее распространены:

• Полиэтиленовая
• Поливинилхлоридная
• Этиленвинилацетатная

Первая получается экструзией полиэтилена высокого (ПВД) или низкого давления (ПНД), имеет толщину от 30 до 400 мкм, поставляется в рулонах. Типичная ширина – 1500мм, намотка 50–200 м. В соответствии с требованиями ГОСТ 10354-82 прочность на разрыв сельскохозяйственных марок СТ, СИК составляет не менее 14,7 и 12,7 МПа соответственно. Изделия из ПНД превосходят аналоги из ПВД по химической стойкости и на 20–25% по прочности. На рынке представлены продукты, содержащие вторичные полимеры, уменьшающие стоимость, но снижающие механические характеристики.

Эксплуатационные показатели обуславливают специфические компоненты:

• Стабилизаторы (UF-добавки)
• Антифоговый слой
• IR-адсорбенты
• EVA-добавки

Нестабилизированная пленка на 80% прозрачна для ультрафиолетового излучения, что приводит к ожогам растений и сокращает срок ее службы до 6–12 месяцев в результате разложения. Наличие в составе 2%, 3% UF -стабилизаторов увеличивают долговечность до 18 и 24 мес соответственно (3, 4 сезона). Проницаемость для UF лучей снижается вдвое. Ингридиенты придают лимонный или голубой оттенок продукту.

Рис.1. Работа UF-добавок

Антифоговый слой обладает высокой смачиваемостью, способствует равномерному растеканию, предупреждает падение конденсата на культуры, обеспечивает его стекание с потолка по стенкам в дренажную систему. Результат – стабильная светопроницаемость и защита от гнилостных заболеваний, вызванных переувлажнением.

Рис.2. Гидрофильное действие

Малая толщина требует снижения потерь тепла от инфракрасного излучения почвы в ночное время. Задачу решают введением в состав IR-адсорбентов и EVA (этиленвинилацетатных) компонентов.

Вещества не влияют на проницаемость для солнечного света, служат отражению вторичного коротковолнового излучения грунта. В итоге удается поднять температуру в парнике на 3–5°C, по сравнению с обычным ПВД, не допустить заморозков на грунте. Кроме этого EVA повышает эластичность и морозостойкость.

Рис.3. IR-адсорбенты, EVA-добавки

Разработаны пленки марки ФЕ (светокорректирующие), преобразующие ультрафиолетовые лучи в видимый красный свет с длиной волны 615 нм, интенсифицирующий процессы фотосинтеза и развития саженцев в 2 раза.

Неприятная особенность полимеров – электростатический эффект, проявляющийся осаждением пыли на поверхности, ухудшающий прозрачность. Избежать этого явления позволяют антистатические концентраты, например серии «Atmer» от «Croda Polimer», вводимые в количестве 30–50% в композицию.

Прочность полиэтилена увеличивают армированием и многослойной конструкцией. Последней характерна лучшая теплоизоляция благодаря воздушному зазору, но прозрачность ее ниже, чем однослойной, вследствие преломления лучей на границах сред. Трехслойные продукты оптимальны для большепролетных (до 16 м) теплиц, имеют срок службы 3–5 лет.

Рис. 4. Большепролетная теплица с 3-х

Рис. 5. 3-х слойная армированная пленка от слойной пленкой

Армированные изделия состоят из двух слоев светостабилизированного полиэтилена и внутренней сетки из синтетических нитей диаметром 0,3 мм. Материал выдерживает нагрузку до 70 кг/м 2 , однако проницаемость свету падает примерно на 10%.

Поливинилхлоридные покрытия (ПВХ), изготовленные методом каландрирования, наиболее прочные, эластичные. Продукция высшего сорта марки С по ГОСТ 16272-79 выдерживает на разрыв вдоль волокон не менее 22 МПа, что служит залогом долговечности.

Коэффициент пропускания света достигает 88%, соответствует таковому для полиэтилена, но ПВХ меньше мутнеет со временем, чаще применяется однослойным (толщиной 150–200 мкм), поэтому эффективность его выше. Проницаемость для ультрафиолета составляет около 20%, снижена полезная фотосинтетическая радиация с длиной волн 380–400 нм (ультрафиолет А)

Изготовители используют стабилизирующие, антистатические, IR-добавки, определяющие оптимальный набор показателей. Модифицированный ими поливинилхлорид удерживает до 90% инфракрасного излучения внутри сооружения, обеспечивая лучшую тепловую эффективность .

Паропроницаемость (не менее 15 г/м 2 за 24 часа) благоприятно сказывается на дыхании растений в жаркие дни (у полиэтилена 0,5–30 г/м 2). Морозостойкость до -30°C позволяет переносить заморозки без охрупчивания. Ресурс доходит до 7 сезонов, но цена продукции на 50–70% выше, чем ПВД.

Этиленвинилацетатные (севиленовые) пленки представляют сополимер этилена с винилацетатом, по внешнему виду не отличимые от полиэтилена. Превосходят его по прочности на 20–25%, по прозрачности для лучей видимой части спектра – 92% против 88–90% у первого.

Покрытие гидрофильно, предотвращает капель на листья, вызывающую переохлаждение и образование водяных микролинз – причину местных ожогов. Морозостойкость достигает -80°C. Материал жестче ПВХ, меньше удлиняется и провисает под действием снега, дождя, ветра.

Период эксплуатации изделий, например «EVA-19» от «BERETRA OY», достигает 6–7 лет. Стоимость выше, чем у предыдущих.

Плюсы и минусы

Преимущества пленочных теплиц:

• Стоимость меньше в 3–5 раз, чем у стеклянных и поликарбонатных
• Не требуют фундамента
• Простота и высокая скорость монтажа
• Компактность при перевозке

К недостаткам относят:

• Меньшую в 10–30 раз прочность
• Малую жесткость – склонность к удлинению и провисанию под нагрузкой.
• Плохую теплоизоляционную способность. Теплопотери пленки толщиной 0,5 мм в 20 раз больше, чем у листа поликарбоната – 6 мм.
• Нестабильность свойств – помутнение со временем
• Меньшую долговечность – лучшие продукты уступают поликарбонату в 2 раза
• Необходимость разборки на зиму