СВЕТОТЕХНИКА

СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Все применяемые при изготовлении осветительных приборов (ОП) материалы можно разбить на три группы: светопропускающие, светоотражающие и конструкционные.

5.1. Светопропускающие материалы

Светопропускающие материалы используются для изготовления линз, рассеивателей, защитных стекол, колпаков и т. п.

По типу исходного сырья светопропускающие материалы делятся на силикатные и органические. Силикатные материалы — это обыч­ное стекло всех сортов, хрусталь, кварц, основной составляющей ко­торых служит двуокись кремния SiO2, то есть обычный чистый песок. К органическим светопропускающим материалам относятся свето­технические бумаги и ткани, а также полиметилметакрилат, полисти­рол, полиэтилен, поликарбонат, поливинилхлорид, полиэтилентере - фталат и другие, получаемые, как правило, синтетическим путем.

Основным параметром светопропускающих материалов является коэффициент пропускания т — отношение светового потока, прошед­шего сквозь материал, к световому потоку, упавшему на него. Коэф­фициент пропускания для бесцветных материалов указывается обыч­но в виде интегральной величины (соотношения световых потоков во всем видимом участке спектра 400 - 700 нм). Для цветных материа­лов приводятся спектральные коэффициенты пропускания в виде кри­вых зависимости т от длины волны.

Важным параметром светопропускающих материалов является коэффициент преломления, показывающий, как изменяется направ­ление луча света на границе воздуха и материала. Чем больше коэф­фициент преломления, тем более блестящим кажется материал и тем больше возможностей он предоставляет для управления распреде­лением света.

Как было сказано в разделе 2, пропускание может быть направ­ленным, рассеянным, направленно-рассеянным или смешанным. Рас­пределение коэффициента пропускания в пространстве характери­зуется специальными кривыми — индикатрисами.

К другим параметрам светопропускающих материалов относят­ся их плотность (удельный вес), пожароопасность, технологичность (температура и способ переработки и др.), твердость, устойчивость к воздействию химически активных веществ и растворителей.

Силикатные материалы характеризуются, прежде всего, аб­солютной негорючестью, поэтому они могут применяться в ОП с любыми источниками света. Их коэффициент преломления мо­жет изменяться в достаточно широких пределах за счет введения в состав стекла солей различных металлов, прежде всего свинца. Стекло с высоким содержанием свинца и большим коэффициен­том преломления получило название хрусталя или хрустального стекла и широко используется в производстве дорогих декоратив­ных ОП для представительских помещений и быта (хрустальные люстры и т. п.).

Силикатные материалы очень тверды (не уступают большинству сортов стали и значительно превосходят алюминий и его сплавы). Стекла достаточно легко окрашиваются в самые различные цвета, и окраска их очень устойчива к воздействию света, тепла и времени. По химической стойкости силикатные материалы превосходят боль­шинство известных веществ и поэтому ОП с ними могут применяться в производственных помещениях с самой агрессивной средой. Так­же устойчивы эти материалы и ко всем растворителям. По теплоус­тойчивости силикатные материалы значительно превосходят все орга­нические.

К недостаткам силикатных светопропускающих материалов от­носятся, прежде всего, их неустойчивость к ударным нагрузкам (хруп­кость). Для повышения удароустойчивости применяют специальный метод обработки — закаливание стекла. Как правило, в ОП с галоген­ными линейными лампами накаливания и мощными разрядными лам­пами применяются только закаленные стекла. Другие недостатки — довольно большая плотность (не менее 2,5 г/см3), делающая изде­лия из этих материалов тяжелыми; сложность механической обра­ботки; очень высокая стоимость многих цветных и хрустальных сте­кол и чистого кварца.

Силикатные светопропускающие материалы достаточно техно­логичны. Температура размягчения большинства стекол не превыша­ет 1000 оС, кварца — 1500 оС. В размягченном или расплавленном виде силикатные материалы поддаются штамповке, прокатке, выду­ванию, литью, прессованию.

Стекла в исходном виде прозрачны и бесцветны и поэтому мо­гут использоваться в ОП в качестве линз, призматических рассеива­телей или просто для защиты источников света и элементов конст­рукции от воздействия воды, агрессивных паров ит. п.

Однако часто бывает нужно не просто перераспределить свето­вой поток, но и понизить яркость видимых частей источников света, а

это возможно только за счет применения ма­териалов с ненаправленным характером про­пускания.

Для получения таких стекол в них при варке вводят соли различных металлов. Стек­ло, оставаясь бесцветным, становится не про­зрачным, а светорассеивающим материалом. Светорассеивающие стекла получили назва­ние «глушеных». В зависимости от степени рассеяния света глушеные стекла делятся на опалиновые (слабое рассеяние, заметная доля направленного пропускания), опаловые (средняя степень рассеяния; при наблюдении через такое стекло лампы накаливания слабо видна только нить накала) и молочные — пол­ное рассеяние света (рис. 40).

Достоинства и недостатки силикатных материалов определяют области их примене­ния. Плоские закаленные прозрачные стекла используются в качестве защитных элемен­тов во всех ОП прожекторного типа с линей­ными галогенными лампами накаливания и мощными разрядными лампами. Призмати­ческие рассеиватели широко применяются в уличных светильниках как функционального, так и декоративного назначения. Стеклянные линзы (сплошные или наборные, так называ­емые линзы Френеля) — неотъемлемая часть всех проекторов, световых маяков, некоторых переносных светильников. Элементы из хру­сталя, как уже было сказано, — основа мно­гих декоративных ОП для бытовых, предста­вительских, зрелищных и других помещений. Цветные стекла широко используются в ОП проекторного типа для создания декоратив­ных эффектов в шоу-программах и т. п. Глу - шеное (чаще всего молочное) стекло — осно­ва большинства бытовых светильников. Чис­тый кварц благодаря его высокой прозрач­ности в ультрафиолетовой области спектра используется при создании облучательных установок для обеззараживания воды и воз­духа.

Во многих случаях силикатные материалы являются безальтер­нативными в создании ОП. Однако в ряде ОП, в частности, в светиль­никах с люминесцентными лампами, в последние десятилетия широ­ко применяются и органические светопропускающие материалы.

К достоинствам органических светопропускающих материалов необходимо отнести их большую устойчивость к ударным нагрузкам, меньшую плотность, возможность механической обработки, часто — меньшую стоимость. К органическим относятся полимерные (синте­тические) светопропускающие материалы, а также светотехнические бумаги и ткани. Так как бумаги и ткани используются в производстве только бытовых светильников, далее о них говорить не будем.

Все полимерные материалы делятся на термореактивные и тер­мопластичные. Термореактивные материалы — это такие, которые при нагревании переходят в неплавкое и нерастворимое состояние и не подлежат повторной переработке. К таким материалам относятся, например, карболит, эпоксидные смолы, стеклопласты, используе­мые в светотехнической промышленности как конструкционные. Тер­мопластичные материалы не теряют способности плавиться или ра­створяться после их нагревания и поэтому допускают вторичную пе­реработку. К этому классу относятся практически все светопропуска­ющие материалы.

В таблице 22 приведены физические параметры наиболее рас­пространенных светопропускающих полимерных материалов и стек­ла (данные взяты из книг В. И. Долгополова «Светотехнические мате­риалы», Энергия, 1972; Ю. Ф. Мельникова «Светотехнические мате­риалы», Высшая школа, 1976 и А. Г. Гальченко «Современные поли­мерные светотехнические материалы», Дом Света, Москва, 2000).

СПС-УФ — светостабилизированный полистирол;

ПК — поликарбонат;

ПЭ — полиэтилен;

ПП — полипропилен;

ПЭТФ — полиэтилентерефталат.

Все полимерные материалы значительно легче стекла — плот­ность большинства из них близка к 1 г/см3. Ряд материалов (поли­карбонат, полипропилен) значительно превосходят стекло по устой­чивости кударным нагрузкам.

Общим недостатком всех полимерных материалов является их низкая устойчивость к свету и, особенно, к ультрафиолетовому излу­чению. Под действием света большинство материалов желтеет и ста­новится более хрупкими. Для повышения устойчивости к свету в по­лимеры вводят различные светостабилизирующие добавки, которые повышают стоимость материалов, а иногда снижают коэффициент пропускания. В настоящее время при изготовлении светильников при­меняются почти исключительно светостабилизированные полимер­ные материалы.

Другим общим свойством для всех синтетических материалов служит их старение, то есть постепенное ухудшение светотехничес­ких и механических параметров. Если стекло может сохранять свои параметры в течение столетий, то срок службы полимерных матери­алов редко превышает 10 лет. Еще одним неприятным свойством полимеров является их горючесть. Кроме поликарбоната, все про­зрачные полимеры являются горючими материалами. Поликарбонат относится ктрудновоспламеняемым и самозатухающим материалам; он горит до тех пор, пока находится в пламени других веществ, а при выносе из пламени — гаснет.

Достоинством полимерных материалов является их более вы­сокая технологичность по сравнению со стеклом. Все эти материалы перерабатываются при значительно меньших температурах, чем стекло и особенно кварц.

Наиболее распространенным способом переработки полимеров является экструзия — продавливание расплавленных материалов сквозь щели различной формы. Таким методом изготавливаются рас­сеиватели для светильников с люминесцентными лампами самого разного профиля и любой длины. Широко распространены также ме­тоды вакуумного формования и штамповки из листов. Изделия слож­ной формы и толстостенные изделия делаются литьем под давлени­ем или выдувом.

Все полимерные материалы хорошо свариваются или склеива­ются, поддаются различным видам механической обработки.

Низкая теплоустойчивость полимерных материалов делает не­возможным использование их в ОП с галогенными лампами накали­вания и мощными разрядными лампами. Основная область примене­ния таких материалов — светильники с люминесцентными лампами и некоторые бытовые светильники с лампами накаливания. В произ­водстве светильников с люминесцентными лампами полимерные све­топропускающие материалы в настоящее время являются практичес­ки единственным типом материалов для изготовления рассеивате­лей. Наиболее распространен здесь полиметилметакрилат, извес­тный также под названиями «органическое стекло», «плексиглас», «ак­рил». Кроме этого, для изготовления рассеивателей используется по­листирол (стабилизированный), реже — полипропилен. Поливи­нилхлорид используется для изготовления штампованных рассеи­вателей, экранирующих решеток.

Особое место среди полимерных светопропускающих материа­лов занимает поликарбонат (иностранные названия макролон, лек - сан). Он имеет большую теплоустойчивость, чем другие прозрачные полимеры (до 150 оС), менее пожароопасен (самозатухает), а глав­ное — значительно превосходит все другие материалы по устойчиво­сти к ударным нагрузкам. Поэтому поликарбонат применяют при из­готовлении так называемых «антивандальных» светильников, которые используются для освещения подъездов, лестничных клеток и лиф­тов в жилых домах, в подземных пешеходных переходах, для садово­паркового освещения — то есть в местах, где светильники могут под­вергаться нарочитому разрушению. Кроме этого, поликарбонат ис­пользуется для изготовления рассеивателей и защитных колпаков в ОП с высокой степенью защиты (IP54, IP65), применяемых для освеще­ния производственных помещений. Широкому внедрению этого ма­териала мешает его высокая стоимость (в 3 - 4 раза дороже полисти­рола), а также большая трудоемкость изготовления изделий из него.

Полимерные светопропускающие материалы, как и стекло, мо­гут иметь различный характер светопропускания. Из материалов с направленным пропусканием делают призматические рассеивате­ли; с диффузным и направленно-диффузным пропусканием — опа­ловые или молочные рассеиватели.

При оценке применимости типов рассеивателей необходимо иметь в виду, что призматические рассеиватели обеспечивают боль­шие КПД светильников, но практически не уменьшают яркость источ­ников света.