Отчего желтеют ПВХ-окна

Покупателю окна или двери из ПВХ профилей, или сайдинг-панелей интересно знать, сколько простоит на открытом воздухе, под действием солнечного излучения его пластиковое окно или фасад, обшитый ПВХ-сайдингом, купленные за немалые деньги.

Одна из важнейших потребительских характеристик экструдированных строительных ПВХ профилей -светостойкость. К сожалению, не все производители профильных систем уделяют должное внимание данному вопросу и их продукция после 2-3 лет эксплуатации на открытом воздухе начинает выцветать, желтеть, теряет привлекательность, снижаются прочностные и механические свойства и т.п. В результате потребители, малознакомые со свойствами экструзионных ПВХ-профилей, порой разочаровываются в полимерных материалах. И совершенно напрасно:

В Нью Йорке, на козырьке входного портала здания правления "Chrysler" облицовочные ПВХ-листы были смонтированы в 1927 году и до сих пор находятся в удовлетворительном состоянии!

Такая долговечность вызвана тем, что в состав экструзионного ПВХ-компаунда были введены специальные светостабилизаторы - антиоксиданты, препятствующие фотоокислительной деструкции полимера и увеличивающие его светостойкость.

В процессе фотодеструкции макромолекулы ПВХ разрушаются под действием ультрафиолета. Этот процесс ускоряется в присутствии атмосферного кислорода. В результате происходит старение полимера: изменяются его механические, электрические свойства, окраска, материал растрескивается, исчезает блеск и пр.

Светостойкостью полимерных материалов называют их способность выдерживать действие света, сохраняя неизменными внешний вид, физико-механические, диэлектрические и другие свойства. Для её повышения в полимерные материалы вводят специальные добавки: светостабилизаторы-антиоксиданты. Светостойкость зависит:

- от состава и структуры полимера, определяющих его способность поглощать свет и вероятность протекания при этом химических реакций;
- толщины облучаемого образца;
- количества и природы ингредиентов (например, пластификатора, наполнителя, красителя);
- примесей и растворителя;
- а также от условий облучения (спектральное распределение действующего излучения, интенсивность света, температура, влажность и состав атмосферы).

Для определения светостойкости применяют те же методы, что и для характеристики светового старения при оценке атмосферостойкости.

На практике за меру светостойкости, как правило, принимают время облучения (или дозу облучения), за которое происходят определенные изменения свойств материала или его внешнего вида, а также время до поглощения заданного количества кислорода или накопление определённых количеств продуктов превращения полимера под действием света

Для увеличения светостойкости строительных экструдированных профилей в ПВХ-компаунд вводят специальные дорогостоящие аддитивы - светостабилизаторы (обычно производные бензофенона, бензотриазола и др.). В основном их действие сводится к поглощению активной части излучения и экранированию полимера.

Благодаря использованию светостабилизаторов скорость светового старения полимеров снижается в несколько раз (в некоторых системах - на порядок и более).

В качестве светостабилизаторов используют неорганические пигменты, органические соединения различной структуры, содержащие хромофорные группы, металлоорганические соединения, стабильные радикалы и др. Механизм действия светостабилизаторов может быть физическим или химическим (при действии некоторых светостабилизаторов могут одновременно протекать процессы обоих типов).

Физический механизм связан со способностью светостабилизаторов поглощать ультрафиолет (так называемое экранирование) и тушить возбужденные состояния ПВХ, фотосенсибилизаторов, которые могут содержаться в ПВХ, и других ингредиентов Максимальной эффективностью характеризуются светостабилизаторы, которые поглощают свет в той же области, что и полимер, и всю поглощенную энергию преобразуют в тепловую

Светостабилизаторы, действующие по химическому механизму, могут замедлять вторичные (темновые) реакции, в которых участвуют, например, свободные радикалы, образующиеся в результате действия света, реагировать с некоторыми продуктами превращения полимеров, например - гидроперекисями и фотосенсибилизаторами с образованием более светостойких соединений, взаимодействовать с макромолекулами по их реакционноспособным связям и концевым группам Возможность практического использования эффективных светостабилизаторов определяется их совместимостью с ПВХ, летучестью, склонностью к миграции и экстракции из полимера, стабильностью в условиях переработки и эксплуатации экструзионного ПВХ компаунда, влиянием на окраску последнего, а также токсичностью и, наконец, стоимостью

Эффективный светостабилизатор для большинства полимеров - газовая канальная сажа, применяемая в количестве 2-5% (в расчете на массу полимера) Действуя одновременно по физическому и химическому механизмам, сажа не пропускает свет в глубину слоя полимера и защищает его поверхность Наибольший стабилизирующий эффект дает совместное применение сажи и антиоксидантов, особенно таких, при взаимодействии которых в темновой реакции с гидроперекисями не образуются свободные радикалы Применение сажи ограничивается тем, что она придает полимерам темную окраску (часто нежелательную) Белые пигменты, например ТiO2 , ZnS, которые, как и сажа, не пропускают свет в глубину слоя полимера, не всегда предотвращают растрескивание и пожелтение его поверхности (что для ПВХ-окон и сайдинга неприемлемо)

Помимо стабилизаторов, применяемых для защиты полимера, в ПВХ вводят антиоксиданты, основная роль которых - защита пластификаторов и модификаторов от окисления при высоких температурах

Количество стабилизатора зависит от его эффективности и от его побочных воздействий на свойства ПВХ Основные стабилизаторы вводят в количестве 1-3 % (реже 5%) Иногда вводят большие количества стабилизаторов, в этих случаях они выполняют и роль наполнителей. Для придания ПВХ-профилям определенного комплекса свойств используют смеси стабилизаторов. Вторичные стабилизаторы, светостабилизаторы и антиоксиданты добавляют в значительно меньших количествах, чем основные стабилизаторы

Введение наполнителей в ПВХ позволяет придать полимеру различные свойства: непрозрачность, светостойкость, увеличить электросопротивление, повысить твердость и др.

Выбор наполнителя зависит от требований, предъявляемых к свойствам материала, и от его стоимости. При этом необходимо учитывать, что зависимость некоторых свойств ПВХ (например, прочности, электропроводимости) от содержания наполнителя проходит через максимум (т. е. достигает максимального значения при определенной концентрации, а затем не меняется с добавлением наполнителя), а изменение других происходит равномерно.

В качестве наполнителей применяют каолин, тальк, асбест, слюду, мел, диатомовую землю, сульфат бария и др. В ряде случаев поверхность наполнителей предварительно обрабатывают веществами, улучшающими их взаимодействие с полимером. Количество наполнителя может колебаться от 2-3 до 100% и более (от массы ПВХ) в зависимости от природы наполнителя и назначения ПВХ-профиля.

Часто ухудшение внешнего вида фасадной облицовки из ПВХ или ПВХ-окон (дисколорация, пожелтение и т.п.) связано с применением некоторыми недобросовестными производителями некачественных пигментов. Особенно это важно для строительных ПВХ-профилей белого цвета - наиболее распространённого для этого вида стройматериалов.

Белые пигменты применяют при экструзии ПВХ-профилей белого цвета или светлых (пастельных) тонов. Наиболее распространенные белые пигменты - двуокись титана, литопон и окись цинка.

Двуокись титана (ТiOsize=1>2) - важнейший белый пигмент, обладающий исключительной термостойкостью. Пигмент существует в двух структурных модификациях - анатаз и рутил. Эти две формы отличаются плотностью кристаллической структуры и взаимным расположением атомов. При этом расстояние между атомами титана и кислорода в рутильной форме гораздо меньше, чем в анатазной. Рутильный диоксид титана обладает более высокой укрывистостью по сравнению с анатазным, вследствие чего используется гораздо чаще.

Напомним, что укрывистостью называют способность пигмента при равномерном распределении в объеме пластмассы делать невидимым цвет последней.

Укрывистость выражается в граммах пигмента, необходимого для того, чтобы сделать невидимым цвет поверхности площадью 1 м2. Белые пигменты обеспечивают укрывистость вследствие рассеивания световой волны любой длины видимой части спектра. Чем меньше этот показатель, тем ниже расходная норма диоксида титана в композиции.

Для полимеров рекомендуется применять преимущественно рутильную форму ТiO2 (полная укрывистость может быть достигнута при введении в полимер 0,5-1,0% ТiO2 ) Рутильную форму ТiO2 можно смешивать с более дешевыми белыми пигментами. Анатаз может ускорять фотохимическое разрушение полимеров. В его присутствии ухудшается светостойкость введенных в полимер цветных пигментов.

Литопон-смесь ZnS (30%) и ВаSО4 (70%). Этот пигмент обладает меньшей укрывающей способностью, чем TiO2, устойчив к щелочам, но недостаточно светостоек

Окись цинка ( ZnO ) - очень яркий белый пигмент, обладающий хорошей кроющей способностью, термо- и светостойкостью.

Таким образом, очевидно, что в ухудшении внешнего вида некоторых экструдированных строительных изделий из ПВХ для строительства виноват не сам полимер как таковой, а некоторые импортёры, стремящиеся к снижению себестоимости своей продукции и экономящие на необходимых качественных и дорогостоящих добавках - светостабилизаторах при экструдировании ПВХ профилей.