Воздействие ультрафиолета на металлы

Обновлено: 04.07.2024

Ультрафиоле́товое излуче́ние (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучением (380 — 10 нм, 7,9×10 14 — 3×10 16 Гц). Диапазон условно делят на ближний (380—200 нм) и дальний, или вакуумный (200—10 нм) ультрафиолет, последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.

Содержание

История открытия

Понятие об ультрафиолетовых лучах впервые встречается у индийского философа 13-го века Shri Madhvacharya в его труде Anuvyakhyana. Атмосфера описанной им местности Bhootakasha содержала фиолетовые лучи, которые невозможно увидеть обычным глазом.

Вскоре после того, как было обнаружено инфракрасное излучение, немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер начал поиски излучения и в противоположном конце спектра, с длиной волны короче, чем у фиолетового цвета. В 1801 году он обнаружил, что хлорид серебра, разлагающийся под действием света, быстрее разлагается под действием невидимого излучения за пределами фиолетовой области спектра. Тогда, многие ученые, включая Риттера, пришли к соглашению, что свет состоит из трех отдельных компонентов: окислительного или теплового (инфракрасного) компонента, осветительного компонента (видимого света), и восстановительного (ультрафиолетового) компонента. В то время ультрафиолетовое излучение называли также «актиническим излучением».

Идеи о единстве трёх различных частей спектра были впервые озвучены лишь в 1842 году в трудах Александра Беккереля, Македонио Меллони и др.

Виды ультрафиолетового излучения

Наименование	Аббревиатура	Длина волны в нанометрах	Количество энергии на фотон
Ближний	NUV	400 нм — 300 нм	3.10 — 4.13 эВ
Средний	MUV	300 нм — 200 нм	4.13 — 6.20 эВ
Дальний	FUV	200 нм — 122 нм	6.20 — 10.2 эВ
Экстремальный	EUV, XUV	121 нм — 10 нм	10.2 — 124 эВ
Вакуумный	VUV	200 нм — 10 нм	6.20 — 124 эВ
Ультрафиолет А, длинноволновой диапазон, Чёрный свет	UVA	400 нм — 315 нм	3.10 — 3.94 эВ
Ультрафиолет B (средний диапазон)	UVB	315 нм — 280 нм	3.94 — 4.43 эВ
Ультрафиолет С, коротковолновой, гермицидный диапазон	UVC	280 нм — 100 нм	4.43 — 12.4 эВ

Чёрный свет

Ближний ультрафиолетовый диапазон часто называют «чёрным светом», так как он не распознаётся человеческим глазом.

Воздействие на здоровье человека

Биологические эффекты ультрафиолетового излучения в трёх спектральных участках существенно различны, поэтому биологи иногда выделяют, как наиболее важные в их работе, следующие диапазоны:

Ближний ультрафиолет, УФ-A лучи (UVA, 315—400 нм)
УФ-B лучи (UVB, 280—315 нм)
Дальний ультрафиолет, УФ-C лучи (UVC, 100—280 нм)

Практически весь UVC и приблизительно 90 % UVB поглощаются озоном, а также водным паром, кислородом и углекислым газом при прохождении солнечного света через земную атмосферу. Излучение из диапазона UVA достаточно слабо поглощается атмосферой. Поэтому радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет UVA, и, в небольшой доле — UVB.

Положительные эффекты

В ХХ веке было впервые показано, почему УФ — излучение оказывает благотворное воздействие на человека. Физиологическое действие Уф-лучей было исследовано отечественными и зарубежными исследователями в середине прошлого столетия (Г. Варшавер. Г. Франк. Н. Данциг, Н. Галанин. Н. Каплун, А. Парфенов, Е. Беликова. В. Dugger. J. Hassesser. Н. Ronge, Е. Biekford и др.) |1-3|. Было убедительно доказано в сотнях экспериментов, что излучение в УФ области спектра (290—400 нм) повышает тонус симпатико-адреналиновой системы, активирует защитные механизмы, повышает уровень неспецифического иммунитета, а также увеличивает секрецию ряда гормонов. Под воздействием УФ излучения (УФИ) образуются гистамин и подобные ему вещества, которые обладают сосудорасширяющим действием, повышают проницаемость кожных сосудов. Изменяется углеводный и белковый обмен веществ в организме. Действие оптического излучения изменяет легочную вентиляцию — частоту и ритм дыхания; повышается газообмен, потребление кислорода, активизируется деятельность эндокринной системы. Особенно значительна роль УФ излучения в образовании в организме витамина Д, укрепляющего костно-мышечную систему и обладающего антирахитным действием. Особо следует отметить, что длительная недостаточность УФИ может иметь неблагоприятные последствия для человеческого организма, называемые «световым голоданием». Наиболее частым проявлением этого заболевания является нарушение минерального обмена веществ, снижение иммунитета, быстрая утомляемость и т. п.

Несколько позже в работах (О. Г. Газенко, Ю. Е. Нефедов, Е. А. Шепелев, С. Н. Залогуев, Н. Е. Панферова, И. В. Анисимова) указанное специфическое действие излучения было подтверждено в космической медицине [4, 5]. Профилактическое УФ облучение было введено в практику космических полетов наряду с Методическими указаниями (МУ) 1989 г. «Профилактическое ультрафиолетовое облучение людей (с применением искусственных источников УФ излучения)» [6]. Оба документа являются надежной базой дальнейшего совершенствования УФ профилактики.

Отрицательное действие на кожу

Действие ультрафиолетового облучения на кожу, превышающее естественную защитную способность кожи (загар) приводит к ожогам.

Длительное действие ультрафиолета способствует развитию меланомы, различных видов рака кожи.

Действие на сетчатку глаза

Ультрафиолетовое излучение неощутимо для глаз человека, но при воздействии вызывает типично радиационное поражение (ожог сетчатки).Так, например, 1 августа 2008 года десятки россиян повредили сетчатку глаза во время солнечного затмения. Они жаловались на резкое снижение зрения и пятно перед глазами.

Источники ультрафиолета

Природные источники

Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле — Солнце. Соотношение интенсивности излучения УФ-А и УФ-Б, общее количество ультрафиолетовых лучей, достигающих поверхности Земли, зависит от следующих факторов:

от концентрации атмосферного озона над земной поверхностью (см. озоновые дыры)
от возвышения Солнца
от высоты над уровнем моря
от атмосферного рассеивания
от состояния облачного покрова
от степени отражения УФ-лучей от поверхности (воды, почвы)

Искусственные источники

Эритемные лампы (ЛЭЗО, ЛЭР40) были разработаны в 60-х годах прошлого века для компенсации «УФ недостаточности» естественного излучения и, в частности, интенсификации процесса фотохимического синтеза витамина D3 в коже человека («антирахитное действие»).

В 70-80 годах эритемные ЛЛ, кроме медицинских учреждений, использовались в специальных «фотариях» (например, для шахтеров и горных рабочих), в отдельных ОУ общественных и производственных зданий северных регионов, а также для облучения молодняка сельскохозяйственных животных.

В странах Центральной и Северной Европы, а также в России достаточно широкое распространение получили УФ ОУ типа «Искусственный солярий», в которых используются УФ ЛЛ, вызывающие достаточно быстрое образование загара. В спектре «загарных» УФ ЛЛ преобладает «мягкое» излучение в зоне УФА Доля УФВ строго регламентируется, зависит от вида установок и типа кожи (в Европе различают 4 типа человеческой кожи от «кельтского» до «средиземноморского») и составляет 1-5 % от общего УФ излучения. ЛЛ для загара выпускаются в стандартном и компактном исполнении мощностью от 15 до 160 Вт и длиной от 30 до 180 см.
В 1980 г. американский психиатр Альфред Леви описал эффект «зимней депрессии», которую сейчас квалифицируют как заболевание и называют сокращенно SAD (Seasonal Affective Disorders). Заболевание связано с недостаточной инсоляцией, то есть естественным освещением. По оценкам специалистов, синдрому SAD подтверждено ~ 10-12 % населения земли и прежде всего жители стран Северного полушария. Известны данные по США: в Нью-Йорке — 17 %, на Аляске — 28 %, даже во Флориде — 4 %. По странам Северной Европы данные колеблются от 10 до 40 %.

В связи с тем, что SAD является, бесспорно, одним из проявлений «солнечном недостаточности», неизбежен возврат интереса к так называемым лампам «полного спектра», достаточно точно воспроизводящим спектр естественного света не только в видимой, но и в УФ области. Ряд зарубежных фирм включило ЛЛ полного спектра в свою номенклатуру, например, фирмы Osram и Radium выпускают подобные УФ ИИ мощностью 18, 36 и 58 Вт под названиями, соответственно, «Biolux» и «Biosun», спектральные характеристик которых практически совпадают. Эти лампы, естественно, не обладают «антирахитным эффектом», но помогают устранять у людей ряд неблагоприятных синдромов, связанных с ухудшением здоровья в осенне-зимний период и могут также использоваться в профилактических целях в ОУ школ, детских садов, предприятий и учреждений для компенсации «светового голодания». При этом необходимо напомнить, что ЛЛ «полного спектра» по сравнению c ЛЛ цветности ЛБ имеют световую отдачу примерно на 30 % меньше, что неизбежно приведет к увеличению энергетических и капитальных затрат в осветительно-облучательной установке. Проектирование и эксплуатация подобных установок должны осуществляться с учетом требований стандарта CTES 009/E:2002 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем».

Весьма рациональное применение найдено УФЛЛ, спектр излучения которых совпадает со спектром действия фототаксиса некоторых видов летающих насекомых-вредителей (мух, комаров, моли и т. д.), которые могут являться переносчиками заболеваний и инфекций, приводить к порче продуктов и изделий.

Эти УФ ЛЛ используются в качестве ламп-аттрактантов в специальных устройствах-светоловушках, устанавливаемых в кафе, ресторанах, на предприятиях пищевой промышленности, в животноводческих и птицеводческих хозяйствах, складах одежды и пр.

Ртутно-кварцевая лампа «дневного света» (имеют небольшую УФ-составляющую из ртутного спектра)

Сфера применения

Лампа чёрного света — лампа, которая излучает преимущественно в длинноволновой ультрафиолетовой области спектра (диапазон UVA) и даёт очень немного видимого света.

Для защиты документов от подделки их часто снабжают ультрафиолетовыми метками, которые видны только в условиях ультрафиолетового освещения. Большинство паспортов, а также банкноты различных стран содержат защитные элементы в виде краски или нитей, светящихся в ультрафиолете.

Ультрафиолетовое излучение, даваемое лампами чёрного света, является достаточно мягким и оказывает наименее серьёзное негативное влияние на здоровье человека.

Стерилизация

Стерилизация воздуха и твёрдых поверхностей

Ультрафиолетовые лампы используются для стерилизации (обеззараживания) воды, воздуха и различных поверхностей во всех сферах жизнедеятельности человека. В наиболее распространённых лампах низкого давления 86 % излучения приходится на длину волны 254 нм, что хорошо согласуется с пиком кривой бактерицидной эффективности (то есть эффективности поглощения ультрафиолета молекулами ДНК). Этот пик находится в районе длины волны излучения равной 254 нм, которое оказывает наибольшее влияние на ДНК, однако кварцевое стекло, ранее используемое для изготовления колбы лампы, также как и другие природные вещества (например, вода) задерживают проникновение УФ. Степень дезинфекции зависит от дозы, которая равна произведению интенсивности на время. Излучение «ненужных» для дезинфекции длин волн приводит к тому, что для облучения объекта необходимой дозой УФ лампе требуется большее количество времени, а следовательно снижается КПД устройства. Вот почему в настоящее время на замену морально устаревших кварцевых бактерицидных ламп, которые имели сравнительно низкий КПД по причине низкой пропускной способности, а также из-за того, что излучали весь спектр УФ при необходимой длине волны равной исключительно 254 нм, приходят УФ лампы нового поколения, в которых с внутренней стороны стекла нанесено покрытие, разработанное с применением нано-технологий, позволяющее увеличить пропускную способность стекла только для УФ волн с длиной равной 254 нм. Это позволяет в разы уменьшить энергопотребление УФ лампами и увеличить их эффективность.

Бактерицидное УФ излучение на этих длинах волн вызывает димеризацию тимина в молекулах ДНК. Накопление таких изменений в ДНК микроорганизмов приводит к замедлению темпов их размножения и вымиранию.

Ультрафиолетовая обработка воды, воздуха и поверхности не обладает пролонгированным эффектом. Достоинство данной особенности заключается в том, что исключается вредное воздействие на человека и животных. В случае обработки сточных вод УФ флора водоемов не страдает от сбросов, как, например, при сбросе вод, обработанных хлором, продолжающим уничтожать жизнь ещё долго после использования на очистных сооружениях.

Дезинфекция питьевой воды

Метод дезинфекции с использованием УФ-излучения [1] доказал свою эффективность при дезактивации переносимых водой болезнетворных микроорганизмов и вирусов без ухудшения вкуса и запаха воды и без внесения в воду нежелательных побочных продуктов. Такой метод дезинфекции завоёвывает популярность в качестве альтернативы или дополнения к традиционным средствам дезинфекции, таким как хлор, из-за своей безопасности, экономичности и эффективности.

Принцип действия УФ-излучения. УФ-дезинфекция выполняется при облучении находящихся в воде микроорганизмов УФ-излучением определённой интенсивности (достаточная длина волны для полного уничтожения микроорганизмов равна 260,5 нм) в течение определённого периода времени. В результате такого облучения микроорганизмы «микробиологически» погибают, так как они теряют способность воспроизводства. УФ-излучение в диапазоне длин волн около 254 нм хорошо проникает сквозь воду и стенку клетки переносимого водой микроорганизма и поглощается ДНК микроорганизмов, вызывая нарушение её структуры. В результате прекращается процесс воспроизводства микроорганизмов.

Хотя по эффективности обеззараживаня воды УФ обработка в десятки раз уступает озонированию, на сегодняшний день использование УФ-излучения — один из самых эффективных и безопасных способов обеззараживания воды в случаях, когда объем обрабатываемой воды не велик.

Химический анализ

УФ — спектрометрия

УФ-спектрофотометрия основана на облучении вещества монохроматическим УФ-излучением, длина волны которого изменяется со временем. Вещество в разной степени поглощает УФ-излучение с разными длинами волн. График, по оси ординат которого отложено количество пропущенного или отраженного излучения, а по оси абсцисс- длина волны, образует спектр. Спектры уникальны для каждого вещества, на этом основывается идентификация отдельных веществ в смеси, а также их количественное измерение.

Анализ минералов

Многие минералы содержат вещества, которые при освещении ультрафиолетовым излучением начинают испускать видимый свет. Каждая примесь светится по-своему, что позволяет по характеру свечения определять состав данного минерала. А. А. Малахов в своей книге «Занимательно о геологии» (М., «Молодая гвардия», 1969. 240 с) рассказывает об этом так: «Необычное свечение минералов вызывают и катодный, и ультрафиолетовый, и рентгеновский лучи. В мире мёртвого камня загораются и светят наиболее ярко те минералы, которые, попав в зону ультрафиолетового света, рассказывают о мельчайших примесях урана или марганца, включённых в состав породы. Странным „неземным“ цветом вспыхивают и многие другие минералы, не содержащие никаких примесей. Целый день я провёл в лаборатории, где наблюдал люминесцентное свечение минералов. Обычный бесцветный кальцит расцвечивался чудесным образом под влиянием различных источников света. Катодные лучи делали кристалл рубиново-красным, в ультрафиолете он загорался малиново-красными тонами. Два минерала — флюорит и циркон — не различались в рентгеновских лучах. Оба были зелёными. Но стоило подключить катодный свет, как флюорит становился фиолетовым, а циркон — лимонно-жёлтым.» (с. 11).

Качественный хроматографический анализ

Хроматограммы, полученные методом ТСХ, нередко просматривают в ультрафиолетовом свете, что позволяет идентифицировать ряд органических веществ по цвету свечения и индексу удерживания.

Ловля насекомых

Ультрафиолетовое излучение нередко применяются при ловле насекомых на свет (нередко в сочетании с лампами, излучающими в видимой части спектра). Это связано с тем, что у большинства насекомых видимый диапазон смещён, по сравнению с человеческим зрением, в коротковолновую часть спектра: насекомые не видят того, что человек воспринимает как красный, но видят мягкий ультрафиолетовый свет.

Искусственный загар и «Горное солнце»

При определённых дозировках искусственный загар позволяет улучшить состояние и внешний вид кожи человека, способствует образованию витамина D. В настоящее время популярны солярии.

УФ в реставрации

Один из главных инструментов экспертов – ультрафиолетовое, рентгеновское и инфракрасное излучение. Ультрафиолетовые лучи позволяют определить старение лаковой пленки – более свежий лак в ультрафиолете выглядит темнее. В свете большой лабораторной ультрафиолетовой лампы более темными пятнами проступают отреставрированные участки и кустарно переписанные подписи. Рентгеновские лучи задерживаются наиболее тяжелыми элементами. В человеческом теле это костная ткань, а на картине – белила. Основой белил в большинстве случаев является свинец, в XIX веке стали применять цинк, а в XX-м – титан. Все это тяжелые металлы. В конечном счете, на пленке мы получаем изображение белильного подмалевка. Подмалевок – это индивидуальный «почерк» художника, элемент его собственной уникальной техники. Для анализа подмалевка используются базы рентгенограмм картин великих мастеров. Также эти снимки применяются для распознания подлинности картины.

Воздействие ультрафиолета на металлы

В статье рассматривается воздействие ультрафиолетового облучения на внешний вид окрашенных поверхностей. Проводится анализ проведенных лабораторных испытаний окрашенных образцов из металла, древесины и бетона. Ультрафиолетовое излучение (УФ) - электромагнитное излучение, спектр длин волн которого лежит в диапазоне между фиолетовой областью видимого спектра и рентгеновского излучения 400-100 нм.УФ-лучи воздействуют на поверхность и разрушают молекулярные связи, из которых состоит лакокрасочное покрытие. Есть множество факторов, которые влияют на скорость разрушения ЛКП, но основными являются интенсивность солнечного света и время воздействия солнечного излучения на объект. С солнечной энергией, попадающей на ЛКП, может происходить три вещи — она может отражаться, поглощаться и пропускаться. В совокупности все эти три параметра составляют 100%. В случае с лакокрасочным покрытием необходимо максимизировать отражение, т.е. чем больше будет солнечной энергии отражаться, тем лучше для состояния и внешнего вида.Определение эффекта защиты какого-либо покрытия приводит в конце концов к определённому числу, которое, исходя из многолетнего опыта составляет 2,4% пропускания УФ- лучей. Это число представляет собой отношение «поглощённых» к пропущенным УФ-лучам, через определённую часть УФ-спектра (440-280 нм).

1. Антонова, М. В., Божевалов Д.Г., Котелевец Н. А., Обухов П. В., Соколов Ю. С. Научный вестник МГТУ ГА // Анализ влияния экстремальных климатических условий на лакокрасочное покрытие и коррозионное поведение металлов.— 2009.— № 141. - С. 105–111.

2. Белов В. В., Петропавловская В. Б., Храмцов Н. В. Строительные материалы: Учебник для бакалавров. – М.: Издательство ABC, 2014. – 272 с.

Ультрафиолетовое излучение (УФ) - электромагнитное излучение, спектр длин волн которого лежит в диапазоне между фиолетовой областью видимого спектра и рентгеновского излучения 400-100 нм. Открытие УФ-излучения состоялось в 1801 году физиком из Германии - Иоганном Риттером. Он заметил, что за ультрафиолетовой областью спектра фотопластинка чернеет быстрее, чем в видимом диапазоне, из чего был сделан вывод, что эти лучи весьма активны.

Основным источником УФ-излучения в природе является солнце, однако ультрафиолетовое излучение составляет всего около 3% от солнечного света. Оно невидимо человеческому глазу, зато любому лакокрасочному покрытию может нанести непоправимый вред.

УФ-лучи воздействуют на поверхность и разрушают молекулярные связи, из которых состоит лакокрасочное покрытие. Есть множество факторов, которые влияют на скорость разрушения ЛКП, но основными являются интенсивность солнечного света и время воздействия солнечного излучения на объект. Фасады зданий, как впрочем и любое строительные конструкции практически постоянно находится под прямыми солнечными лучами, поэтому степень негативного влияния УФ-лучей очень высока.
Разрушение начинается с верхнего слоя лака, покрытие становится шероховатым, появляются неровности. Солнечный свет по поверхности не отражается, а рассеивается, следовательно, покрытие теряет блеск и глянец. На следующем этапе происходит изменение цвета в результате разрушения пигментов в краске (выцветание). Все это в результате приводит к потере эластичности, появлению трещин и полному разрушению ЛКП. [1,3]

С солнечной энергией, попадающей на ЛКП, может происходить три вещи — она может отражаться, поглощаться и пропускаться. В совокупности все эти три параметра составляют 100%. В случае с лакокрасочным покрытием необходимо максимизировать отражение, т.е. чем больше будет солнечной энергии отражаться, тем лучше для состояния и внешнего вида.
у стандартного ЛКП коэффициент отражения невелик и составляет не более 20% (причем если ЛКП идеально ровное, т.е. покраска была произведена недавно, и на покрытии нет никаких загрязнений). Со временем этот показатель только уменьшается — ведь чем больше повреждается лакокрасочное покрытие, тем хуже оно отражает солнечный свет, а из этого следует, тем больше УФ-излучения поглощается и оказывает свое губительное влияние. [2]

Воздействию УФ-облучения образцы подвергались в фотарии, изменения внешнего вида фиксировались через каждые 10 часов.

После 10 часов наждения в экспериментальной установке на образцах наблюдалось увеличение числа вкраплений на лакокрасочном покрытии образца из бетона, на образцах из металла и древесины явных изменений не наблюдалось. (Рис. 1)

Рис. 1 Образцы окрашенных материалов после 10 часов нахождения в фотарии. (слева: бетон, металл, древесина)

После нахождения 20 часов под действием УФ-облучения, невооруженным глазом можно заметить уменьшение блеска окрашенной поверхности, у всех образцов, а на образце из металла появление легкой желтизны. (Рис. 2)

Рис. 2 Образцы окрашенных материалов после 20 часов нахождения в фотарии. (слева: бетон, металл, древесина)

После 30 часов непрерывного воздействия УФ- облучения на образцы наблюдается явное потускнение окрашенной поверхности образцов, появление шероховатости, на образцах из бетона и металла заметное увеличение желтизны, числа вкраплений, на образце из древесины помимо краплений наблюдается появление трещин на ЛКП. (Рис.3)

Рис. 3 Образцы окрашенных материалов после 30 часов нахождения в фотарии. (слева: бетон, металл, древесина)

После 40 часов непрерывного нахождения в экспериментальной установке, внешний вид образцов имеет заметное ухудшение, помимо увеличения желтизны, потускнения и увеличения вкраплений на образцах, наблюдается и начальный этап разрушения ЛКП. На образце из бетона явное увеличение размера диаметра вкраплений, на образце из металла наблюдается резкое увеличение объема вкраплений на поверхности всего образца , на образце из древесины, заметное увеличение шероховатости поверхности, ЛКП становится хрупким, и происходит частичное отслоение покрытия в местах где до этого наблюдалось появление микротрещин.(Рис. 4)

Рис. 4 Образцы окрашенных материалов после 40 часов нахождения в фотарии. (слева: бетон, металл, древесина)

Прогнозирование долговечности (условного срока службы в годах) объекта исследования на основе потери эстетических качеств.

Формула для расчета долговечности (условного срока службы в годах) отделочных материалов «Д» после появления признаков потери внешнего вида:

Где М – среднее количество месяцев, соответствующее одному циклу испытаний; П – количество циклов при испытании в лабораторных установках; К – коэффициент стабильности и надежности работы лабораторных установок; 12 – количество месяцев в году.

Усредненное количество месяцев, соответствующее одному циклу испытания различных видов отделки зданий в лабораторных условиях, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Усредненное количество месяцев, соответствующее одному циклу испытания различных видов отделки зданий в лабораторных условиях

Ультрафиолетовое отверждение

Лакокрасочная промышленность выпускает широкий ассортимент материалов: лаки, краски, эмали, грунтовки, растворители.

УФ отверждаемые краски

Если проанализировать рынок лаков и красок по всему миру, то можно убедиться, что из-за ужесточения экологических законов в большом количестве государств, снижается изготовление и использование лаков и красок, которые разбавляют органическими растворителями и которые производят с применением токсичных веществ.

Снизить неблагоприятное воздействие от изготовления и потребления материалов лакокрасочной промышленности возможно, если применять новые инженерные технологии (совершенствование процедуры окрашивания поверхностей, автоматизация производства, применение новых методов очищения производственных отходов) либо производить экологичные виды лаков и красок, применяя современные технологии их изготовления.

К таким лакокрасочным материалам относятся порошковые лаки и краски. Окрашивание материалом в виде порошка является безотходным и экологичным методом окрашивания. Его разработали в середине 20 века. А сейчас порошковым материалом покрывают 15% поверхностей, требующих окрашивания, во всем мире.

Главной отличительной чертой нанесения обычных жидких материалов и порошковых материалов является то, что порошковый материал имеет твердое агрегатное состояние, а среди его компонентов нет растворителей органического происхождения и жидкого образователя пленки.

Красящие материалы в виде порошка являются смесями пигментов, наполнителей и образователей пленки, которые при расплаве образуют сплошное покрытие на окрашиваемой поверхности.

В таких материалах дисперсной средой выступает воздух (нет растворителя либо воды), из-за чего этот вид лакокрасочных материалов является более выгодным с экологической, технической и экономической точек зрения, чего нельзя сказать об обычных материалах промышленности, выпускающей лаки и краски.

Однако такие материалы еще относительно новые на рынке лаков и красок, поэтому их выпуск представлен небольшим ассортиментом. Есть материалы на базе термореактивных полимеров (по-другому олигомеров) и на базе термопластичных полимеров.

Способы отверждения

Процесс отверждения (сушка) – это последний этап в получении покрытия из лакокрасочного материала. В порошковых лаках и красках пленку образуют твердые полимерные частицы, поэтому здесь не будет физического высыхания.

Порошковые материалы по способу отверждения бывают:

отверждаемые нагреванием;
отверждаемые ультрафиолетовым излучением (порошок оплавляется нагреванием до 90 – 110 градусов Цельсия и полимеризуется за считанные секунды мощным ультрафиолетовым излучением.

УФ-отверждаемые лакокрасочные материалы являются экономически выгодными и экологичными.

Ультрафиолетовое излучение является электромагнитным излучением с волновым спектром от фиолетовой области до излучение рентгеновских лучей. Ультрафиолетовые лучи в основном применяют для получения покрытий из материалов, которые могут отверждаться из-за реакции полимеризации (ее инициируют УФ-лучи).

Источники ультрафиолетового излучения

Источником ультрафиолетового излучения являются:

микроволны безэлектродных излучателей ультрафиолета;
лампы со ртутью – баллоны из кварца с металлической ртутью низкого, среднего и высокого давления);
люминесцентные лампы;
ксеноновые лампы;
кварцевые излучатели ультрафиолета;
светодиодные излучатели ультрафиолета.

Однако, каким бы не был УФ-излучатель, он должен излучать с частотой излучения, которая соответствует частоте поглощения фотоинициатора (он отвечает за реакционную способность лаков и красок, а также за требуемую дозировку ультрафиолетового излучения). Можно применять лампу с широким спектром, но нельзя забывать про ее недостатки (потребляет много энергии, образует вредный для человека озон при работе). При правильном подборе УФ-излучателя будет оптимизирован процесс отвердения покрытия из лака либо краски.

Преимущества красок ультрафиолетового отверждения

Ультрафиолетовый метод отверждения лакокрасочных материалов начал развиваться в шестидесятых годах 20 века.

Сейчас его считают самым передовым по нескольким причинам:

материалы отверждаются довольно быстро;
уменьшаются затраты энергии на высушивание лаков и красок;
экологически чистый метод (нет отходов, растворители не выделяют токсичных веществ);
процесс отверждения осуществляется при комнатной температуре, из-за чего лак либо краску возможно отвердить на чувствительной к высокому уровню температуры подложке (деревянной либо пластмассовой);
готовое покрытие получается качественным, прочным и устойчивым к износу, даже если лак или краска нанесены тоненьким слоем;
экономическая выгода (нужна небольшая площадь для работы (установка для сушки очень компактна) и небольшое количество рабочих).

Но подвергаться отверждению при помощи излучения ультрафиолетовых лучей могут только некоторые материалы, выпускаемые лакокрасочной промышленностью (на основе акрила, полиэфиров, воды).

Качество покрытия, которое отверждается ультрафиолетом

На качество отверждаемого ультрафиолетовыми лучами покрытия влияют:

рецепт, по которому изготавливают лаки и краски с УФ-отверждением (в составе есть смола, фотоинициатор, добавки (для лучшего смачивания подложки, растекаемости, погашения пенообразования, блеска полученного покрытия), активный разбавитель (участвует в появлении полимерной пленочки, обеспечивает нужный уровень вязкости лака либо краски), наполнители, пигментные вещества, синергетик);
толщина полученной пленочки (пленкообразователями могут быть полиэфиры, уретанакрилаты, эпоксиакрилаты);
поверхность, которую нужно окрашивать (если она термочувствительная, то красящее вещество с УФ отверждением станет лучшим вариантом, чтобы не повредить поверхность воздействием высокой температуры во время высушивания краски);
дозировка излучения;
атмосферные условия;
вид лампы с ультрафиолетовым излучением;
расстояние между УФ-лампами;
расстояние от УФ-лампы до подложки.

Краски чувствительные к температуре

В настоящее время в лакокрасочной отрасли выпускаются термочувствительные материалы, покрытия из которых обладают способностью менять свой цвет, если произошел их нагрев до определенной температуры.

Данная особенность стала возможной благодаря тому, что в этих лаках и красках есть термочувствительный элемент (пигмент). Таким веществом являются химические соединения (могут относиться к органике либо быть неорганического происхождения) и соединения с радикалами, происхождение которых и органическое, и неорганическое.

Пигменты, чувствительные к изменению температуры бывают двух видов:

Обратимые пигменты, изменяющие цвет во время нагревания, а после охлаждения опять возвращающий прежний цвет (соли иодистоволородной кислоты). Они выступают показателем для температур до 100 градусов.
Необратимые пигменты, изменяющие цвет во время нагрева, но после охладжения не восстанавливающие свой цвет (смесь сернистого свинца с перекисью бария).

Лакокрасочные материалы, чувствительные к температуре, применяют на производстве (наносят сигнальную накраску на машинную деталь, которая подвергается трению, когда температуре этой детали нельзя превысить заданного значения, к примеру, чтобы контролировать температуру холодильника либо мотора) и исследованиях (исследование тепловых процессов в двигателе внутреннего сгорания).

Краски, которые чувствительны к температурам, продаются как карандаши для заданных температур и как порошок, в нем содержится смола, растворимая в спирте. Однако они не прочные при большой температуре (смола выгорет, а пигмент станет мелить или осыпется).

Материалы, чувствительные к температуре, также отверждают ультрафиалетовым излучением.

Сегодня лак с отвердением лучами ультрафиолета используют в основном, чтобы окрашивать плоские поверхности, так как на объемных поверхностях есть теневые участки, которые недоступны лучам ультрафиолетовой лампы.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод: сейчас ультрафиолетовое отверждение порошковых материалов является быстро развивающимся направлением промышленности, выпускающей лаки и краски. Продукция получается экологичной и качественной, она подходит для окрашивания деревянных и пластиковых поверхностей (чувствительны к влиянию высокой температуры). А также стали выпускаться термочувствительные лаки и краски, однако они образуют не очень прочные покрытия, поэтому недостаточно широко распространены.

Таблица 1. Преимущества и недостатки технологии УФ отверждения.

Достоинства	Недостатки
Длительность отверждения от нескольких секунд до нескольких минут.	Рентабельность полных автоматических линий достигается при высоких объёмах производства.
Производительность автоматических линий может быть очень высока, десятки тысяч м. кв. в смену.	Стоимость ЛКМ значительно выше, чем аналогичных обычной сушки.
Многократно меньше места требуется для сушки изделий, меньшая энергоёмкость по сравнению с тепловой сушкой.	Отделка неплоских поверхностей обычно приводит к дополнительным этапам сушки.
Гибкость техники отверждения позволяет применять её по частям, экономически обоснованными участками.	Максимальное качество отделки требует замедления процесса отверждения.
Собранный стёкший ЛКМ в случае 1-компонентных материалов может использоваться вторично.	Укрывистая цветная отделка осложнена
Могут быть гораздо меньше толщины слоев наносимых ЛКМ.
Повышенная физическая и химическая стойкость покрытий.
Относительная безвредность материалов на производстве, меньше выбросы вредных веществ в атмосферу, меньшая взрывоопасность.

Таблица 2. Акриловые, полиэфирные, водоразбавимые лакокрасочные материалы УФ отверждения - достоинства и недостатки.

Разновидность ЛКМ УФ отверждения	Достоинства	Недостатки
Акриловые со 100 % сухим остатком	Сухой остаток 100 %	Высокая цена
	Отверждение за несколько секунд, высокая реактивность (более 10 м/мин)	Высокая вязкость, непригодность для распыления и лаконалива
	Высокая стабильность, твердость достаточная для паркетных покрытий	Сложность реализации укрывистых пигментных слоёв
	Минимум испарений и их относительная безвредность	Вредность при контакте с кожей
Полиэфирные двойного отверждения	Невысокая цена	Необходимы стадии обдува и туннеля
	Пригодность для распыления, лаконалива	Большее количество УФ ламп
	Отверждение на участках с недостаточной экспозицией УФ	Невысокая реактивность (6 м/мин.)
	Достаточная укрывистость пигментных слоев	Нестабильность, желтеют при УФ отверждении
Водоразбавимые ЛКМ УФ отверждения	Экологичность	Высокая цена
	Стабильность	Необходимость этапа конвективной сушки
	Пригодность для распыления, лаконалива
	Высоко качественные пигментные слои
	Высокая реактивность,
	Безвредность при контакте с кожей

материалы по теме

Буффало ужесточает нормы свинцовой краски для арендуемой собственности

Буффало активно действует против недобросовестных арендодателей и плохих управляющих недвижимостью в борьбе с отравлением свинцом, особенно у детей.

Буффало является старинным городом с преимущественно старой застройкой. Большинство этих ветхих зданий имеет свинцовую краску.

Порошковая технология

Изделия из металла требуют мер, по защите поверхности, от воздействия внешней среды. Даже обычная вода, может самым серьезным образом, нанести вред дорогому изделию. Воздействие агрессивной среды оказывается еще более разрушительным. Коррозия наносит непоправимый вред. Защитить металл могут лаки и краски. Негативным моментом их применения является наличие опасных, и просто неприятных летучих соединений. Работать с лаками и красками вредно для здоровья.

Производителю УФ - отверждаемого лака выделят 50 млн рублей

На базе собственной рецептуры предприятие «ТампоМеханика-Москва» собирается заняться производством лака ультрафиолетового отвердевания. Объем кредита, который будет привлечен из Фонда развития промышленности (ФРП) при Минпромторге, достигает 50 млн рублей.

научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СИСТЕМУ МЕТАЛЛ/ПОЛИАМИДИН Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СИСТЕМУ МЕТАЛЛ/ПОЛИАМИДИН»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2013, том 87, № 7, с. 1255-1257

ФОТОХИМИЯ ^^^^^^^^^^^^ И МАГНЕТОХИМИЯ

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СИСТЕМУ МЕТАЛЛ/ПОЛИАМИДИН

Обнаружено увеличение оптического пропускания в электронных спектрах для систем металл/по-ли(1,10-декаметиленацетамидин) после воздействия УФ-излучения по сравнению с исследованными отдельно друг от друга полимерными и металлическими пленками, где нет этого эффекта. Наблюдаемое явление объясняется изменениями в распределении электрического заряда на границе раздела металл/полимер и в полимерной пленке под воздействием УФ-излучения.

Ключевые слова: электризация, проводимость, структуры металл/полимер, тонкие полимерные пленки, УФ-излучение.

Причиной возникновения высокопроводящих каналов в тонких диэлектрических полимерных пленках является их электризация металлом подложки (зарядовый обмен с контактирующим металлом) [1—4]. Как показали эксперименты, для некоторых полимеров глубина электризации может достигать нескольких микрон [5, 6]. В работе [6] это явление объясняется возникновением локализованных состояний в глубине полимера. Согласно этим представлениям, избыточный заряд, появляющийся на полимерной пленке в результате инжекции из металлического электрода, вызывает изменение энергии электронных орби-талей макромолекул. В результате переход электронов может осуществляться на низкоэнергетическую разрыхляющую я*-орбиталь [6].

В настоящее время не существует общепринятой модели проводимости в пленках полимеров-диэлектриков. Оптическое обнаружение проводящих каналов в полимерных пленках могло бы помочь в понимании механизма переноса заряда через пленки полимеров-диэлектриков. Но поскольку площадь проводящих участков диэлектрических пленок невелика (например, при напряженности поля ~104 В/м она составляет 1—2% от общей площади пленки полиамидина [3]), обнаружить проводящие каналы в полимерной пленке обычными оптическими методами не удается. В то же время при достаточно длительном воздействии УФ-излучения изменяется электронное строение полимеров, и было предположено, что на границу металл/полимер излучение также должно оказывать воздействие.

Цель настоящей работы состояла в определении энергии молекулярных уровней, по которым происходит зарядовый обмен между полимером и металлом, приводящий к эффекту высокой проводимости металлического типа в пленках полимеров-диэлектриков.

В качестве полимера-диэлектрика для изготовления тонкослойного покрытия на металлических электродах использовали полиамидин (по-ли(1,10-декаметиленацетамидин)) с удельным сопротивлением 1015 Ом м. Полиамидин синтезировали по методу, описанному в [7]. Пленки толщиной 1—2 мкм наносили на кварцевые подложки с полупрозрачным металлическим покрытием, напыленным вакуумным методом. При сэндви-чевой архитектуре образца металл/полимер выбранная толщина пленки полиамидина обеспечивает полимерному покрытию металлическую проводимость [8, 9]. Было исследовано оптическое пропускание систем полиамидина на напыленных пленках золота и олова. У золота и олова значения работы выхода электрона из металла близки друг другу и составляют 4.3—4.4 эВ [10], следовательно, их зарядовое взаимодействие с полимером должно быть практически аналогичным. Пленки металлов обладают сильным поглощением в УФ- и видимой области [11]. Поэтому для того, чтобы в электронных спектрах была возможность наблюдения большего различия между облученными и необлученными образцами в широком диапазоне длин волн, в случае золотого по-

Рис. 1. Спектры пропускания для пленок олова (1), полиамидина (2), полиамидина после УФ-облучения линией ртутной лампы 365 нм в течение 1 ч (3), системы олово/полиамидин (4), системы олово/полиами-дин после УФ-облучения линией ртутной лампы 365 нм в течение 1 ч (3).

Рис. 2. Спектры пропускания для пленок золота (1), системы золото/полиамидин до (2), и после УФ-об-лучения в течение 1 ч линиями ртутной лампы 365 нм (3) и 436 нм (4).

крытия нанесение было выполнено методом мультислойного напыления в вакууме.

Для предварительного облучения образцов использовали ртутную лампу высокого давления ДРШ 250-3 (мощность 250 Вт) и стандартные фильтры для выделения линий ртутной лампы с максимумами пропускания при 365 и 436 нм. Расстояние между источником излучения и образцами составляло 10 см. Электронные спектры снимали на спектрофотометре 8ресогё М40.

Параллельно для системы золото/полиамидин с помощью четырехзондового метода получены вольтамперные характеристики в допробивном поле до и после выдержки образцов в УФ-излуче-нии (линия ртути 365 нм). В качестве верхних электродов на поверхности пленки полиамидина в этом случае использовали золотую фольгу площадью 0.25 см2, расстояние между верхними электродами на поверхности полимерной пленки было 2 см. Из полученных вольтамперных характеристик было рассчитано сопротивление структур золото/полиамидин/золото.

Для системы полиамидина на напыленных металлических пленках обнаружено изменение спектров пропускания под воздействием предварительного УФ-облучения линией ртутной лампы 365 нм (рис. 1, 2). Эффект заметен как в случае системы олово/полиамидин, когда в области запрещенной зоны пропускание увеличивается (рис. 1), так и в системе пленка золота/полиами-дин, когда пропускание заметно увеличивается в

области длин волн видимого света (с максимумом ~650 нм). Важно отметить, что при облучении полиамидина линией ртутной лампы 365 нм в течение 1—2 ч изменений в УФ-пропускании не наблюдалось (рис. 1, 2). Также и экспозиция пленок олова без полимерного покрытия под УФ-облуче-нием ртутной лампой не приводила к изменению пропускания, а в случае пленок золота, даже наоборот, наблюдалось некоторое уменьшение пропускания. Поскольку УФ-облучение не оказывает влияния на пленки индивидуального полимера, очевидно, что именно контакт полимер/металл служит причиной изменений в электронных спектрах после облучения образцов. Можно предположить, что изменения в величинах пропускания (несколько процентов) связаны с поверхностными явлениями на границах раздела фаз металл/полимер. Также следует отметить, что увеличение времени экспозиции более 1 ч (до 2 ч) не вызывает дальнейших изменений в спектрах пропускания систем металл/полиамидин. Кроме этого, облучение всех исследованных образцов полным спектром ртутной лампы вызывало такие же изменения УФ-пропускания.

При облучении системы золото/полиамидин линией ртути 436 нм (видимый диапазон — синий цвет) практически не наблюдалось никаких изменений в спектрах пропускания по сравнению с пленками полиамидина и золота, облученными отдельно друг от друга (рис. 2). Следовательно, можно предположить, что заметное оптическим методом зарядовое взаимодействие металла с по-

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

лимером происходит на определенных энергетических уровнях, соответствующих энергии выше ~3 эВ. Более низкоэнергетические электронные уровни, по всей видимости, практически не связаны с переносом электронов через полимерную пленку.

При сопоставлении проведенных оптических экспериментов с проводимостью систем ме-талл/полиамидин/металл выяснилось, что изменения в оптических спектрах коррелируют с изменениями сопротивления полимерных пленок в зависимости от УФ-облучения. Так, для системы золото/полиамидин/золото (рис. 3) после облучения линией ртутной лампы 365 нм в течение 1 ч сопротивление уменьшалось на 3 порядка. Этот результат соответствует изменениям величин сопротивления после УФ-облучения различных полимеров [12]. Вероятно, увеличение проводимости полимерных пленок после облучения может быть связано с увеличением количества "горячих" электронов, переходящих из металла в полимерную пленку. В свою очередь, при использовании линии ртути 436 нм (видимый диапазон — синий цвет) изменения сопротивления пленки не наблюдалось. Таким образом, можно заключить, что УФ-облучение системы металл/полимер оказывает влияние не только на количество инжектированного заряда на электроноакцепторные уровни макромолекул, находящиеся в контакте с металлом, но и на проводящие каналы через полимерную пленку.

Следовательно, энергетические состояния в исследованном полимере, ответственные за перенос инжектированного заряда, возникают только при контакте металла с полимером, и находятся в энергетическом диапазоне выше 3 эВ.

Таким образом, в системе металл/полиамидин происходит изменение оптического пропускания, связанное с воздействием УФ-излучения на границу контакта металл/полимер и, следовательно, с изменением электронного строения в области контакта полимера-диэлектрика с металлом. Полученные результаты позволяют предположить, что как электризация, приводящая к возникновению локализованных состояний в полимерной пленке, так и появление высокопроводящих каналов в полимерных диэлектрических пленках осуществляется по энергетическим уровням в макромолекулах, лежащих вблизи уровня Ферми металлов.

Рис. 3. Значения оптического пропускания (1) и электрического сопротивления (2) структур золото—по-лиамидин в зависимости от времени экспозиции в УФ-излучении линией ртутной лампы 365 нм.

Авторы благодарят В.К. Рябчука (Санкт-Петербургский университет) за проведение оптических измерений и помощь в обсуждении полученных результатов.

1. Архангородский В.М., Ионов А.Н., Тучкевич В.М. и др. // Письма в ЖЭТФ. 1990. Т. 51. № 1. С. 56.

2. Закревский В.А., Ионов А.Н., Лачинов А.Н. // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24. №. 13. С. 89.

3. Ионов А.Н., Николаева М.Н., Ренч Р. // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 85. № 12. С. 771.

4. lonov A.N., Nikolaeva M.N., Rentzsch R. // Physica C. 2007. V. 460-462. Part 1. P.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Читайте также: