Способы получения слоистого композиционного материала для нейтральных светофильтров

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ НЕЙТРАЛЬНЫХ СВЕТОФИЛЬТРОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Кравцевич Алексей Владимирович Ковалевская Тамара Ивановна Игнатовский Михаил Иванович Свириднок Анатолий Иванович Крауклис Андрей Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ получения слоистого композиционного материала для нейтральных светофильтров, отличающийся тем, что вводят светопоглощающую добавку - углеродный наноматериал - в количестве 0,1-1,5 мас.в 8 -ный раствор поливинилового спирта,полученную суспензию подвергают ультразвуковой обработке при частоте 22 кГц в течение 30 мин, отстаивают в течение 12 часов и формируют из нее на поверхности листового органического стекла пленочное покрытие толщиной 50-140 мкм. 2. Способ получения слоистого композиционного материала для нейтральных светофильтров, отличающийся тем, что вводят светопоглощающую добавку - углеродный наноматериал - в количестве 0,1-1,5 мас.в 8-ный раствор поливинилового спирта, полученную суспензию подвергают ультразвуковой обработке при частоте 22 кГц в течение 30 мин, отстаивают в течение 12 часов, формируют из нее на поверхности силикатного стекла пленку толщиной 55-90 мкм, отделяют ее от стекла и размещают между двумя пластинами листового органического стекла. Предложенные способы относятся к области получения слоистого композиционного материала на основе листового органического стекла и поливинилового спирта (ПВС) со светопоглощающей добавкой - углеродный наноматериал (УНМ), который может быть применен в приборостроении (изготовлении мониторов), средствах индивидуальной защиты (светозащитные козырьки, защитные щитки шлемов, остекление спортивных самолетов), а также в оптической промышленности и научных исследованиях. 14217 1 2011.04.30 Материалы для нейтральных светофильтров на основе органических стекол должны поглощать ультрафиолетовое излучение в области длин волн 220-340 нм (пропускание 0 ) и в видимой области спектра (400-750 нм) иметь светопропускание от 10 до 80 в зависимости от его назначений. Идеальные нейтральные светофильтры должны также иметь по возможности одинаковый коэффициент пропускания во всем диапазоне видимой части спектра, так как наличие зависимости коэффициента пропускания от длины волны в видимой части спектра приводит к снижению видимости в условиях слабого освещения и ухудшает дальность распознавания объектов. Известен способ получения композиционного материала на основе органического стекла, применяемого для изготовления светофильтров для защиты зрения путем предварительного растворения пасты суховальцованной на основе хлорированного поливинилхлорида и технического углерода в метилметакрилате с последующим смешиванием полученного раствора с антрахиноновым красителем, фенилсалицилатом и азодинитрилом изомасляной кислоты. Получают оргстекло размером 500500 мм и толщиной 2,5-3,5 мм 1. Коэффициент пропускания такого стекла изменяется от 48-68 при длине волны 400 нм до 64-72 при 700 нм, т.е. К равно 14-16 . Недостатком данного материала является неравномерное светопропускание в видимой части спектра, что ограничивает возможность его применения для изготовления нейтральных светофильтров. Наиболее близким к предлагаемому является способ получения композиционного материала на основе листового органического стекла для нейтральных светофильтров (прототип) путем (со)полимеризации в массе эфиров метакриловой кислоты в присутствии УФ-абсорбера, инициатора радикальной полимеризации и светопоглощающей добавки УНМ, представляющий продукт разложения метана в плазме высоковольтного разряда атмосферного давления, который смешивают с предварительно полученным форполимером, воздействуют на полученную смесь ультразвуком и затем полимеризуют ее в плоскопараллельной форме до полной конверсии. Получают оргстекло толщиной 3 мм 2. Указанная светопоглощающая добавка УНМ состоит из аморфного углерода (не менее 50 ), углеродных нановолокон диаметром 100-200 нм, длиной 1-1,5 мкм и многостенных углеродных нанотрубок диаметром 20-40 нм, длиной 1-10 мкм. Данный материал в видимой области 400-750 нм обеспечивает равномерное по спектру пропускание светового излучения (К 27 ). Недостатками этого способа являются ухудшение механических свойств полученного стекла (уменьшение модуля упругости и прочности), трудоемкость и большие энергетические затраты на проведение ультразвуковой обработки полимеризуемой смеси, из которой получают листовое органическое стекло. Известен также способ получения композиционного материала на основе листового органического стекла, применяемого для изготовления нейтральных светофильтров на основе листового органического стекла с повышенными механическими свойствами при сохранении его спектральных характеристик. Композитное органическое стекло получали путем (со)полимеризации в массе метилметакрилата или его смесей с (мет)акриловой кислотой или ее эфирами в присутствии УФ-адсорбера, инициатора радикальной полимеризации и светопоглощающей добавки, которая представляет собой функционализированные углеродные нанотрубки с привитыми группами 3. Функционализацию углеродных нанотрубок проводили путем обработки их смесью 3 и 24. Ковалентная (химическая) функционализация углеродных нанотрубок позволила не только улучшить их взаимодействие с мономером, но и химически встроить нанотрубки в структуру полимера, что привело к более плотной упаковке макромолекул в полимерной матрице и,как следствие, к повышению механических свойств стекла при сохранении уровня спектральных характеристик. Недостатками данного способа являются дополнительные затраты на функционализацию углеродных нанотрубок под действием кислот, а также трудоемкость и большие 14217 1 2011.04.30 энергетические затраты на проведение ультразвуковой обработки полимеризуемой смеси,из которой получают композитное листовое органическое стекло. Техническими задачами предлагаемого изобретения являются стабилизация значений коэффициента пропускания в пределах допустимого диапазона неравномерности 2-7 , а также упрощение и, как следствие, удешевление технологии получения композиционных материалов на основе листового органического стекла, применяемых для изготовления нейтральных светофильтров, с сохранением их спектральных характеристик. Для решения поставленной технической задачи предложены способы введения светопоглощающей добавки УНМ в 8 водный раствор ПВС марки 16/1 с последующим получением из него пленочного покрытия, которое применяют в различных сочетаниях с пластинами листового органического стекла. Водный раствор ПВС приготавливают путем растворения порошка ПВС в дистиллированной воде при температуре 80 С в течение 2 ч. В данный раствор ПВС вводят порошок УНМ. Полученную суспензию подвергают ультразвуковой обработке на частоте 22 кГц в течение 30 мин с целью достижения тонкодисперсного состояния УНМ. Для устранения крупных частиц УНМ, которые в композитной пленке могут служить причиной увеличения коэффициента неравномерности светопропускания в видимой области и причиной рассеяния света, проводят отстаивание водного раствора ПВС с суспендированным в нем УНМ в течение 12 ч. Далее раствор ПВС наносят тонким слоем на поверхность листового органического стекла. Высушивание нанесенной суспензии производят в строго горизонтальном положении в течение суток при температуре 20 С до образования пленки. Светопоглощающая добавка УНМ представляет продукт разложения метана в плазме высоковольтного разряда, состоит из аморфного углерода (не менее 50 ), углеродных нановолокон диаметром 100-200 нм, длиной 1-1,5 мкм и многостенных углеродных нанотрубок диаметром 20-40 нм, длиной 1-10 мкм. Указанный УНМ получают в ГНУ ИТМО им. А. В. Лыкова НАН Беларуси. Для получения слоистого композита применяют органическое стекло марки СТ-1 толщиной 3 мм, содержащее УФ-адсорбер. Ниже приведены конкретные примеры реализации заявленных способов получения слоистого композиционного материала на основе листового органического стекла. Пример 1. Приготовляли 8 раствор ПВС путем растворения порошка ПВС в дистиллированной воде при температуре 80 С в течение 2 ч. В полученный раствор ПВС вводили 0,1 мас.УНМ. Затем данную суспензию подвергали ультразвуковой обработке на частоте 22 кГц в течение 30 мин с целью достижения тонкодисперсного состояния УНМ. Проводили отстаивание водного раствора ПВС с суспендированным в нем УНМ в течение 12 ч. Полученный раствор ПВС наносили тонким слоем (1,11,2 мм) на поверхность органического стекла марки СТ-1 толщиной 3 мм и высушивали в строго горизонтальном положении в течение суток при температуре 20 С до образования пленки. Полученный слоистый композиционный материал, состоящий из пластины органического стекла и пленки ПВС толщиной 90 мкм, обладает равномерной серой окраской. Коэффициенты пропускания света измеряли на спектрофотометрах -М 40 и 500. Полученные данные оптических свойств приведены в таблице. Примеры 2-6. Способ получения слоистого композиционного материала на основе листового органического стекла и пленки ПВС, а также методы его испытания - по примеру 1. Количество светопоглощающей добавки УНМ, толщины получаемых пленок ПВС, оптические свойства слоистых композитов на основе листового органического стекла приведены в таблице. 14217 1 2011.04.30 Примеры 7-10. Приготовляли 8 -ный раствор ПВС, содержащий светопоглощающую добавку УНМ,с применением ультразвуковой обработки и последующего отстаивания по примерам 1-6. Полученную суспензию УНМ в растворе ПВС наносили тонким слоем на поверхность силикатного стекла и высушивали в строго горизонтальном положении в течение суток при температуре 20 С до образования пленки. Пленку отделяли от силикатного стекла и размещали между двумя пластинами органического стекла толщиной 3 мм каждая. Метод испытания слоистого композиционного материала, по примеру 1. Количество светопоглощающей добавки УНМ, толщины получаемых пленок ПВС, оптические свойства слоистых композитов на основе листового органического стекла приведены в таблице. Примеры реализации заявленных способов получения слоистого композиционного материала на основе листового органического стекла для нейтральных светофильтров Оптические свойства Содержа- Толщина Компоненты Коэффициент пропускаПропуска ние УНМ в нанесенслоистого ния, ,, ние при п/п композите, ной пленки композита при 400 при 750 средний 220-340 мас.ПВС, мкм нм,нм нм 1 пластина оргстек 1 0,1 90 75,5 80,8 78,2 5,3 0 лапленка ПВС 1 пластина оргстек 2 0,1 140 58,6 64,6 61,6 6,0 0 лапленка ПВС 1 пластина оргстек 3 0,3 140 17 22,8 19,9 5,8 0 лапленка ПВС 1 пластина оргстек 4 0,5 60 34,8 41,1 38,0 6,3 0 лапленка ПВС 1 пластина оргстек 5 1 60 22,1 27,7 24,9 5,6 0 лапленка ПВС 1 пластина оргстек 6 1,5 50 17,4 21,9 19,7 4,5 0 лапленка ПВС 2 пластины оргстек 7 0,1 90 67,4 72,7 70,1 5,3 0 лапленка ПВС 2 пластины оргстек 8 0,3 75 42,3 48,7 45,5 6,4 0 лапленка ПВС 4 14217 1 2011.04.30 Продолжение таблицы Оптические свойства Содержа- Толщина Компоненты Коэффициент пропускаПропуска ние УНМ в нанесенслоистого ния, ,, ние при п/п композите, ной пленки композита при 400 при 750 средний 220-340 мас.ПВС, мкм нм,нм нм 2 пластины оргстек 9 1 80 15,2 19,5 17,4 4,3 0 лапленка ПВС 2 пластины оргстек 10 1,5 55 11,5 15,4 13,5 3,9 0 лапленка ПВС 0,9 Стандартное отклонение 11 по прототипу (патент РФ 2250236) 14 16 15 2 0 12 63 69 67 6 0 13 59 66 63 7 0 2,1 Стандартное отклонениеПредлагаемые авторами способы получения слоистого композиционного материала на основе листового органического стекла для изготовления нейтральных светофильтров, в которых светопоглощающая добавка УНМ вводится в количестве 0,11,5 мас.в пленку ПВС толщиной 50140 мкм, позволяет получить более стабильные значения коэффициента пропускания в видимой области (стандартное отклонение - 0,9, по прототипу - 2,1) в пределах допустимого диапазона неравномерности 2 - 7 и полное поглощение ультрафиолетового излучения (0 -пропускания при 220340 нм). В отличие от прототипа светопоглощающую добавку УНМ вводят не в оргстекло, а в водный раствор ПВС, из которого получают пленку на поверхности листового органического стекла либо полученную отдельно пленку ПВС размещают между двумя пластинами листового органического стекла. Это позволяет сохранить механические свойства органического стекла неизменными и значительно снизить энергетические затраты на проведение ультразвуковой обработки, т.к. в предложенных способах ультразвуковой обработке подвергается меньшее количество полимерной смеси, чем в случае непосредственного введения светопоглощающей добавки УНМ в органическое стекло. Предлагаемые способы получения слоистого композиционного материала на основе листового органического стекла для нейтрального светофильтра имеют отличительные от прототипа признаки, приведенные выше. Это позволяет сделать вывод о соответствии такому условию патентоспособности, как новизна. Источники информации 1. Патент на изобретение 2015140, МПК 08 120/14, 1994. 2. Патент на изобретение 2250236, МПК 08 2/44, 2005. 3. Патент на изобретение 2330213, МПК 21 9/00, 08 2/44, В 82 В 1/00, 2008. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5