122 дня под УФ-лучами: сравнительное тестирование 3D-печатных изделий из пластиков ABS и ASA

    Буквально на днях закончилось сравнительное тестирование пластиков на устойчивость к ультрафиолетовому излучению длительностью в 122 дня.
    В тесте принимали участие два вида схожих пластика – белый ABS и белый ASA.
    Если пластик ABS всем известен, то пластик ASA появился в продаже не так давно, и позиционируется как защищенный от ультрафиолетового излучения.
    Нам было интересно узнать, насколько более устойчив ASA к УФ чем ABS.

    Введение. Цели, задачи и средства тестирования:
    деградация полимеров ABS и ASA под воздействием УФ-излучения.


    Тестирование проводилось бактерицидной лампой T8 HNS мощностью 30 Вт фирмы OSRAM (Ledvance). Данная лампа излучает ультрафиолет самого жесткого «C» диапазона.
    В природе это излучение задерживается атмосферой.
    Данная лампа была выбрана для ускоренного проведения теста.
    Многие полимеры, используемые в товарах широкого потребления, деградируют под действием УФ-света. Проблема проявляется в исчезновении цвета, потускнении поверхности, растрескивании, а иногда и полном разрушении самого изделия. Скорость разрушения возрастает с ростом времени воздействия и интенсивности солнечного света. Описанный эффект известен как УФ-старение и является одной из разновидностей старения полимеров.
    К чувствительным полимерам относятся термопластики, такие как полипропилен, полиэтилен, полиметилметакрилат (органическое стекло), а также специальные волокна, например, арамидное волокно. Поглощение УФ приводит к разрушению полимерной цепи и потере прочности в ряде точек структуры.
    Электромагнитный спектр УФ излучения может быть по-разному поделен на подгруппы. Стандарт ISO по определению солнечного излучения (ISO-DIS-21348) даёт следующие определения:
    image
    Ближний УФ диапазон часто называют «чёрным светом», так как он не распознаётся человеческим глазом, но при отражении от некоторых материалов спектр переходит в область видимого излучения вследствие явления фотолюминесценции. Но при относительно высоких яркостях, например, от диодов, глаз замечает фиолетовый свет, если излучение захватывает границу видимого света 400 нм.
    Для дальнего и экстремального диапазона часто используется термин «вакуумный» (VUV), в виду того, что волны этого диапазона сильно поглощаются атмосферой Земли.

    Подготовка эксперимента.


    Для теста из обоих пластиков были распечатаны трубки диаметром 30 и длиной 50 мм. По 7 трубок каждого вида пластика. Использовали пластик ASA и ABS белого цвета одного производителя (BestFilament). Печатались в один заход соплом 0,5 мм с толщиной слоя 0,2 мм. Толщина стенки модели 0,5 мм. Все трубки были пронумерованы от I до VII. Первые шесть тестовых образцов были одеты на лампу, а образцы с цифрой VII мы оставили в качестве эталона для сравнительного анализа. Образцы непрерывно облучались УФ «C» диапазона различное количество времени, то есть мы примерно каждые 20 дней снимали одну пару трубок. Все снятые образцы хранились в пластиковом ZIP пакете в темном месте до окончания теста.
    image
    Фото всех образцов в пакете и на HNS лампе.

    Ход облучения полимеров.


    Итак, мы начали тестирование. На фото видно, что УФ просвечивается через ABS.
    Это значит, что деградация данного пластика должна произойти по всему объему.
    ASA, напротив, стойко сдерживал жесткое излучение.
    image
    Первую пару мы сняли через 18 дней (432 часа) воздействия УФ. Сразу стало заметно, что метка на пластике ABS выгорела, а на ASA внешне никаких изменений не было. Внутренняя поверхность трубок пожелтела и стала матовой. Визуально ABS пожелтел больше, даже снаружи. Образцы попахивают цветочной пыльцой и жженым сахаром.

    image
    Вторую пару мы сняли через 36 дней (864 часов) воздействия УФ. По сравнению с первой парой значительных изменений не замечено.

    image
    Третью пару сняли через 57 дней (1368 часов) воздействия УФ. ABS стал немного прозрачнее. ASA без изменений по сравнению с первым снятием.

    image
    Четвертую пару сняли через 75 дней (1800 часов) воздействия УФ. ABS стал еще более желтым. Такое ощущение, что он выцветает. Также, изменения стали происходить и с бумагой, которая закрывала края лампы. Бумага стала хрустеть.

    image
    Пятую пару сняли через 97 дней (2328 часов) воздействия УФ. Сильных отличий от предыдущего образца не видно.
    image
    image
    image

    Шестую пару решили подержать подольше. В итоге она провисела 122 дня (почти 3000 часов) под непрерывным жестким УФ… Для сравнения сделали несколько фото, повесив эталон с образцами VI. Свечение у эталонов более прозрачное.
    Жаль, что камера не передает эти оттенки. За это время в бумажной упаковке появились дыры от ультрафиолета.

    Тестирование подготовленных образцов.


    Пришло время проводить механические тесты.
    Да, все давили и рвали на специальном оборудовании. Для этого использовали два стенда.
    Первый стенд динамометр SHIMPO FGV-10XY определяет максимальную силу давления, действующую на предмет. Второй стенд Regmed PU-2 определял максимальное усилие на разрыв, величину деформации до разрыва.
    image

    Сначала мы давили трубки, уложив их в ложемент похожей формы. После этого из образцов делались полоски шириной 5 мм, и рвались на втором стенде. Все результаты засняты на видео и сведены в таблицу.
    image

    Видео тестов: часть 1



    По полученным данным построили диаграммы.
    image
    image
    image

    Итоги сравнительного тестирования полимеров ABS и ASA.


    Тестирование показало, что пластик ASA довольно спокойно переносит длительное воздействие жесткого УФ излучения без серьезных потерь физических свойств. За 122 дня непрерывного облучения произошло небольшое падение эластичности образца с возрастанием прочностной характеристики на разрыв.
    Что касается пластика ABS, то он резко снизил эластичность практически в начале теста. Под действием жесткого УФ излучения произошла деградация структуры материала, и пластик стал хрупким. Протестировать образец, провисевший 122 дня в УФ, не получилось. Он ломался при попытке зажать кольцо в установке.
    Итоги и выводы тестирования.
    Использование именно жесткой версии излучения С-диапазона позволило ускорить процесс и получить результаты более оперативно.
    Стоит сделать допущение, что под воздействием солнечного света процессы протекают схожим образом, только для деградации пластика требуется больше времени, поскольку УФ «C» диапазона поглощается атмосферой, а в обыденной жизни встречается только в установках обеззараживания воды или в медицинских учреждениях в приборах антибактериальной обработки воздуха.
    Очевидно, что оба эти пластика можно использовать в повседневной печати. Но если вы задумаете печать деталей для использования под воздействием солнечного света (вывески, детали машин) лучше использовать ASA.
    Тем более, если планируете запустить свой спутник, или подарить знакомому доктору плафон для лампы кварцевания кабинета.

    Тестирование провел: Силин Роман г. Смоленск
    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама
    Комментарии 28
    • +5
      У меня 3 замечания/вопроса
      1. Нагревалась ли лампа? Если да, то как удалось разграничить влияние температуры и излучения?
      2. АБС-пластик содержит 2-ую связь (из бутадиенового фрагмента). Поэтому то, что он будет менее УФ-стойким, я мог бы вам сказать заочно, без проведения тестирования.
      3. Мне понравилась статья.
      • 0
        По нагреву. Лампа нагревалась до 50 градусов. Эта температура гораздо ниже температуры размягчения ABS и ASA. Кроме воздушного зазора никакой дополнительной изоляци от нагрева не было. Модели касались лампы только в одной точке. Установка охлаждалась естественным путем. Располагалась в большом зале с потолками выше 5 метров. Так как все тестируемые обоазцы подвергались одинаковым воздействиям, то мы пренебрегли воздействием температуры.
        Правда эталон не подвергался нагреву вообше. Но 50 градусов гораздо ниже температуры размягчения.
        По диапазону излучения. С диапазон доходит до земли в малом количестве. Мы использовали лампу данного диапазона только для ускорения тестов, так как именно этот диапазон имеет наибольшее разрушающее воздействие.
        • +1
          Дело не в температуре размягчения. Дело в том, что температура сама по себе ускоряет окислительную деструкцию, что сказывается на прочностых характеристиках. Таким образом, в вашем случае строго нельзя сказать, что изменение механических свойств одного из материалов произошло сильнее ТОЛЬКО по причине УФ-облучения. А вдруг он просто окисляется быстрее кислородом воздуха? Совет на будущее: добавлять в такие исследования контроли, обёрнутые алюминиевой фольгой. Тогда можно будет разделить эффект УФ-облучения и температуры.
          Теперь по диапазону. В принципе, я согласен, для стрессовых, но не натурных испытаний более жёсткие условия возможны. Но. Это не исключает того, что в более длинноволновом диапазоне из-за специфических эффектов различие в механических свойствах облучённых материалов будут меньше.
          • 0
            Естественно, что не все факторы учтены. Согласен с Вами, что можно было бы учесть большее количество нюансов, но совершенству нет предела. Наша модель не совершенная, но наглядная.
            • 0
              >> Мы использовали лампу данного диапазона только для ускорения тестов, так как именно этот диапазон имеет наибольшее разрушающее воздействие.

              А вы уверены что производители УФ-устойчивого пластика учитывали, что их пластик будет облучаться именно этим излучением?
      • +1
        Кстати, ещё 1 вопрос: а излучение этого диапазона до Земли вообще доходит?
        • 0

          A и B от Солнца доходят, C поглощается.
          Но могут быть и другие источники ультрафиолета, типа тех же кварцевых ламп.

          • 0

            Вот я тоже хотел заметить что условия не вполне соответствуют реальной эксплуатации. Я в таких вещах не специалист, но могу предложить гипотезу что мягкий и жесткий ультрафиолет по разному поглощаются пластиком и возможно что мягкий окажется более разрушительным.

          • 0

            Спасибо. Ценное исследование для неответственных задач.
            Если вдруг удумаете добавить в исследование параметров — поставьте УФ датчик, учтите удельную мощность, накопленную дозу УФ излучения. Также можно сделать кольца, одно в другом, чтобы исследовать скорость деструкции в зависимости от глубины. Чтобы конструктор мог рассчитать ресурс толстостенной детали. Можно еще поставить лампу, имитирующую естественный УФ диапазон.

            • +1
              По нагреву. Лампа нагревалась до 50 градусов. Эта температура гораздо ниже температуры размягчения ABS и ASA. Кроме воздушного зазора никакой дополнительной изоляци от нагрева не было. Модели касались лампы только в одной точке. Установка охлаждалась естественным путем. Располагалась в большом зале с потолками выше 5 метров. Так как все тестируемые обоазцы подвергались одинаковым воздействиям, то мы пренебрегли воздействием температуры.
              Правда эталон не подвергался нагреву вообше. Но 50 градусов гораздо ниже температуры размягчения.
              По диапазону излучения. С диапазон доходит до земли в малом количестве. Мы использовали лампу данного диапазона только для ускорения тестов, так как именно этот диапазон имеет наибольшее разрушающее воздействие.
              • 0
                Рассматривался ли вариант с использованием излучателей того УФ-диапазона, что доходит до Земли, с ускорением за счёт увеличения интенсивности?
                • 0
                  Гипотетически можно, но в разных местах нашей планеты разное излучение как по спектру, так и по интенсивности, и что брать за эталон — большой вопрос. Поэтому этот эксперимент больше для наглядности и для понимания того, что для нахождения под Солнцем нужны специализированные пластики.
                  Можно провести измерение солнечного света, чтобы определить какое количество УФ по диапазонам достигает поверхности земли, но это измерение будет актуально к погодным условиям на момент измерения и для высоты 240 метров над уровнем моря. Интересно будет такое исследование?
                  • 0
                    Испытания пластиков на фотостойкость отлично разработаны американцами (http://www.intertek.com/polymers/testlopedia/accelerated-weathering-by-quv/ www.intertek.com/polymers/testlopedia/xenon-arc-accelerated-exposure). Они действительно принимают 2 стандарта в зависимости от влажности воздуха (Флорида и Аризона). Вот что ещё можно почитать (хотя я с этой книгой не знаком): Ренби Б., Рабек Я. Фотодеструкция, фотоокисление, фотостабилизация полимеров. М.: Мир, 1978. Ну а вообще надо смотреть по спецтаблицам мощность дозы на нужной широте. Если у вас эксплуатация будет идти в средней полосе, то условия Аризоны вам не нужны.
                • 0
                  Опять же. Про УФ достигающего земли. Здесь тоже много факторов ограничивающих прохождение УФ: влажность, температура воздуха, запыленность, облачность. В горах процент УФ, достигающего поверхности земли гораздо выше, чем на уровне моря. Именно поэтому альпинисты носят специальные маски, защищающие от УФ.
                  На ультрафиолет диапазона «А» можно смотреть глазами. Пример применения данного излучения — дискотеки. Не думаю, что этот диапазон как-то серьёзно может повлиять на пластик.
                  • 0
                    А смысл этого эксперимента без применения УФ-стабилизаторов?
                    • +1
                      Надо было хотя бы третий образец с уф-стабилизатором и потом сравнить цену всех трех решений.
                    • +1
                      Жаль, что только эти два пластика испытали.
                      Как минимум, я бы добавил другие сополимеры стирола — SBS и HIPS.
                      Ну, а также PLA, PETG и другие популярные пластики.
                      • 0
                        и нейлон, один из самых доступных прочных пластиков для fdm печати.правда ужасная усадка сводит на нет все бонусы, либо нужен принтер с подогреваемым корпусом и активным охлаждением конструкций, что повышает его цену в разы.
                      • +1
                        Ближний УФ диапазон часто называют «чёрным светом», так как он не распознаётся человеческим глазом, но при отражении от некоторых материалов спектр переходит в область видимого излучения вследствие явления фотолюминесценции. Но при относительно высоких яркостях, например, от диодов, глаз замечает фиолетовый свет, если излучение захватывает границу видимого света 400 нм.

                        Вовсе видимость излучения "черной" лампы или светодиода не означает, что "излучение захватывает границу видимого света 400 нм" (на самом деле официальная граница 380 нм). Чувствительность глаза не падает до нуля ни при 400 нм, ни при 380. При достаточной интенсивности видно даже 337 нм, а 350-360 нм в затемненном помещении хорошо видно и при поверхностной яркости лампы типа Blacklight, не говоря уж о светодиоде. Вот 311 нм — это уже полностью невидимое излучение.
                        И у меня сомнения в корректности использования излучения длиной волны 254 нм для ускорения эксперимента. Во-первых, чувствительность пластика к излучению этой длины волны может оказаться не больше, а даже меньше — по одной простой причине, что это излучение практически не проникает в пластик и действует только на тонкий поверхностный его слой. Причем в вашем случае у меня есть подозрение, что на пластики в основном действовало как раз не жесткое излучение, а линии ртути 311 и 365 нм. Только оно могло пройти вглубь пластика, а сквозь него, пожалуй, прошло только излучение 365 нм.


                        На фото видно, что УФ просвечивается через ABS.
                        Это значит, что деградация данного пластика должна произойти по всему объему.
                        ASA, напротив, стойко сдерживал жесткое излучение.

                        На фото видно только видимое излучение — кремниевые фотоприемники практически слепы к УФ.

                        • 0
                          Тестирование понравилось, а другие пластики планируете тестировать?
                          • 0
                            К каким пластикам наибольший интерес?
                            • +1
                              нейлон
                              пэт
                              • 0
                                Могли бы вы в следующий раз (если вы будете проводить испытания) держать тестовые образцы в термокамере с той температурой, до которой нагреваются испытываемые образцы?
                                • 0
                                  Может кто-нибудь в курсе какие пластики используются в качестве декоративных в квадроциклах и прочей около-экстремальной технике?
                                  Суть в том, что они достаточно эластичны, даже в мороз и при нескольких сгибаниях-разгибаниях сохраняют свою первоначальную форму.
                                  • 0
                                    Nylon и PLA
                                • 0
                                  Жаль, что только эти два пластика испытали.
                                  Как минимум, я бы добавил другие сополимеры стирола — SBS и HIPS.
                                  Ну, а также PLA, PETG и другие популярные пластики.
                                  • 0
                                    Но если вы задумаете печать деталей для использования под воздействием солнечного цвета
                                    • 0
                                      плафон для лампы кварцевания
                                      :)

                                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.