СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТООТРАЖАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК G02B1/04 G02B5/02 F21V7/22 

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в фотометрии, экспериментальной ядерной физике, в фильтрах очистки воздуха от биоаэрозолей и проч.

Известен способ изготовления эталонного отражателя для фотометрии на основе серы с шероховатой поверхностью, обеспечивающей диффузный характер отражения (SU 802056, МПК G01J 1/00, опубл. 07.02.1981).

Недостатками известного способа изготовления диффузного отражателя являются недостаточно высокий коэффициент диффузного отражения в ультрафиолетовой и видимой области спектра и низкая химическая стойкость отражателя.

Известен способ изготовления диффузного отражателя (SU 1776573, B29D 11/00, В29С 43/00, опубл. 23.11.1992), включающий следующие технологические операции: а) смешение в течение промежутка времени продолжительностью более 3 минут 80-90% (масс.) алюминиевой и/или платиновой пудры с 10-20% (масс.) порошка фторопласта Ф-4; б) прессование при давлении от 1 до 5 МПа смеси в заготовки толщиной не менее 5 мм. Способ позволяет увеличить диффузное отражение в области спектра от 300 до 2700 нм и обеспечить химическую стойкость отражателя.

Недостатками известного способа являются многостадийность технологического процесса изготовления диффузного отражателя, отсутствие эффекта усиления диффузного отражения в области длин волн менее 300 нм.

Известен способ изготовления диффузно-рассеивающего отражателя, заключающийся в прессовании порошка фторопласта с размерами частиц 0,25-1 мкм под давлением 10-50 кг/см² до толщины не менее 7 мм (SU 1670653, МПК G02B 5/20, G02B 5/02, опубл. 15.08.1991).

Недостатками известного способа являются отсутствие эффекта усиления диффузного отражения в области длин волн менее 400 нм.

Известен способ изготовления диффузного отражателя (SU 1670654, МПК G02B 5/20, G02B 5/02, опубл. 15.08.1991), включающий следующие технологические операции: а) составление смеси, содержащей не менее 10% (масс.) порошкообразного фторопласта и порошка неорганического материала, имеющего коэффициент отражения не менее 0,9 в области спектра от 300 до 1200 нм; б) прессование смеси при давлении от 10 до 50 МПа до толщины не менее 5 мм.

Недостатками известного способа являются многостадийность технологического процесса изготовления диффузного отражателя, отсутствие эффекта усиления диффузного отражения в области длин волн менее 400 нм.

Известен способ изготовления диффузного отражателя (RU 2494423, МПК G02B 1/04, G02B 5/02, опубл. 27.09.2013), включающий формирование отражателя на основе органического пластического материала и неорганического вещества с коэффициентом отражения не менее 0,9 формованием смеси исходных компонентов под давлением. В качестве органического пластического материала применяют смесь фторопласта и поликарбоната, в качестве неорганического вещества - диоксид титана, при следующем соотношении компонентов (масс, ч.): поликарбонат - 100; фторопласт - от 3,5 до 5,0; диоксид титана - от 0,5 до 1,0. Формование может осуществляться прессованием при давлении от 800 до 1500 атм при температуре от 240 до 270°С до толщины не менее 2 мм или литьем под давлением от 750 до 1500 атм при температуре 280-290°С до толщины не менее 2 мм.

Недостатками известного способа являются его многостадийность, сложность аппаратурного оформления технологического процесса изготовления диффузного отражателя, отсутствие эффекта увеличения отражения в области длин волн менее 400 нм.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу изготовления светоотражателя является способ изготовления светоотражателя на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) для фотоиндукционной камеры, описанный в патенте США: US 5689364, МПК G02B 1/04; G02B 1/10; G02B 5/02; G02B 5/08, опубл. 18.11.1997. Данный известный способ (прототип) является многостадийным. Способ включает формирование заготовки из порошкообразного ПТФЭ путем перемешивания порошка с уайт-спиритом, прессование и экструзию. Далее экструдат сушат для удаления уайт-спирита. С целью изменения структуры и получения терморасширенного ПТФЭ экструдат подвергают модифицирующей обработке, которая состоит в одноосном расширении в продольном направлении в 4,0 раза от его первоначальной длины (или по ширине в 3,5 раза) путем пропускания сухого экструдата через ряд вращающихся нагретых валков при температуре от 150 до 325°С. Для стабилизации структурных изменений полученный образец терморасширенного ПТФЭ в течение 12 секунд пропускают через ряд вращающихся валков, нагретых до температуры 385°С. После такой обработки ПТФЭ приобретает высокую пористость - в надмолекулярной структуре ПТФЭ образуются полимерные узлы, соединенные между собой фибриллами, образующими микропористые пустоты. Получают светоотражатель с высокой светоотражающей способностью в области ультрафиолетового и видимого света при толщине в диапазоне от 0,01 мм до 12 мм. (Технология получения терморасширенного ПТФЭ была разработана ранее: например, в патентах США №№3953566, 3962153, 4096227, 4187390, 4902423, 5321109. В способе-прототипе использован патент US 3953566).

Недостатками способа-прототипа являются многостадийность и сложность процесса изготовления светоотражателя, а также сложность необходимого технологического оборудования.

Задачей изобретения является разработка такого способа изготовления светоотражателя на основе политетрафторэтилена, который обеспечит получаемому светоотражателю высокую светоотражающую способность в области длин волн от 250 нм до 850 нм благодаря использованию принципиально иной, по сравнению с прототипом, и более простой технологии.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в получении светоотражателя на основе политетрафторэтилена с высокой светоотражающей способностью в области длин волн от 250 до 850 нм.

Решение поставленной задачи и указанный технический результат достигаются предлагаемым способом изготовления светоотражателя, включающим формирование заготовки из политетрафторэтилена и ее модифицирующую обработку, в котором заготовку формируют из пластины блочного политетрафторэтилена методом микрофрезерования и затем подвергают радиационной обработке воздействием гамма-излучения изотопа ⁶⁰Со на воздухе при температуре 55-65°С до поглощенной дозы в интервале от 0,1 до 15 кГр при мощности дозы 3±0,5 Гр/с.

Для формирования заготовки можно использовать пластину блочного политетрафторэтилена марки Ф-4 размером 100×100×10 мм.

ПТФЭ является одним из наиболее широко применяемых полимерных материалов, так как обладает уникальным комплексом свойств - химической и биологической инертностью, термостойкостью, теплофизическими, диэлектрическими и антифрикционными свойствами, но при этом характеризуется низкой износостойкостью и высокой хладотекучестью. Для устранения этих недостатков используются различные методы, в том числе радиационная обработка ПТФЭ воздействием гамма-излучения при различной температуре и различных поглощенных дозах (Истомин И.П. и др. ДАН СССР, 1979, т. 244, 2, с. 345-347; SU 1642730, МПК C08J 3/28, заявлено 17.01.1989, опубл. 20.06.1999; US 5444103, МПК C08F 2/46, C08J 3/28, опубл. 22.08.1995; RU 2207351, МПК С 08J 5/16, C08J 7/18, C08L 27/18, опубл. 27.06.2003; RU 2304592, МПК C08J 7/18, C08J 5/16, опубл. 20.08.2007; С.А. Хатипов, Е.М. Конова, Н.А. Артамонов. Рос. хим. ж. (Ж. Рос.хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008, т. LII, №5, с. 64-72; RU 2734608, МПК C08J 7/18, C08J 3/28, C08L 27/18. опубл. 21.10.2020). При воздействии гамма-излучения в ПТФЭ происходят изменения его физико-химической структуры, зависящие от условий обработки.

Радиационная обработка ПТФЭ для изготовления светоотражателей до настоящего времени не применялась.

Проведенные при разработке заявляемого способа исследования влияния параметров радиационной обработки заготовок из ПТФЭ на светоотражающую способность изготавливаемого светоотражателя позволили определить оптимальные условия радиационной обработки.

Влияние величины поглощенной дозы было изучено в диапазоне от 0,1 до 20 кГр (технические характеристики установки, использованной для радиационной обработки, не позволяют измерять дозы менее 0,1 кГр). Проведенные исследования показали, что воздействие ионизирующего излучения в заявленном интервале поглощенных доз 0,1-15 кГр улучшает оптические характеристики получаемого светоотражателя из ПТФЭ во всем исследованном спектральном диапазоне. Природа эффекта состоит в том, что при гамма-облучении на поверхности полимера развиваются процессы радиационно-индуцированной кристаллизации; в результате взаимодействия света с гранями новых сферолитов усиливается отражение света (А.С. Топорец, Оптика шероховатой поверхности. Л.: «Машиностроение», 1988, 191 с.). Увеличение поглощенной дозы до 16 кГр и выше приводит к ухудшению оптических свойств светоотражателя вследствие накопления продуктов радиолиза и деструкции ПТФЭ.

Выбор диапазона температуры гамма-облучения от 55 до 65°С связан с необходимостью проведения радиационной обработки ПТФЭ в области температур, превышающих температуры фазовых переходов второго порядка в кристаллической фазе полимера, которые наблюдаются при 19°С (переход кристаллов ПТФЭ из триклинной в гексагональную сингонию) и 30-35°С (переход кристаллов ПТФЭ из совершенной плотноупакованной в дефектную гексагональную решетку), что снижает вероятность протекания побочных топохимических реакций в кристаллической фазе ПТФЭ в ходе гамма-облучения. Верхняя граница температурного интервала обусловлена особенностями теплового режима, возникающего в процессе эксплуатации радиоизотопной исследовательской установки.

Радиационное окисление ПТФЭ, происходящее при гамма-облучении полимера на воздухе, способствует росту микрошероховатости поверхности полимера, что положительно сказывается на светоотражающей способности изготавливаемого светоотражателя и приводит к увеличению коэффициентов диффузного и зеркального отражения (А.С. Топорец, Оптика шероховатой поверхности. Л.: «Машиностроение», 1988, 191 с.).

Мощность дозы 3±0,5 Гр/с достаточна для обеспечения высокой производительности процесса радиационной обработки заготовок из ПТФЭ.

Приводим примеры конкретного выполнения предлагаемого способа.

Пример 1.

Для изготовления образца светоотражателя использовали заготовку из ПТФЭ в виде диска диаметром 25 мм и толщиной 2 мм, вырезанную методом фрезерования из пластины ПТФЭ марки Ф-4 (ГОСТ 10007-80) размером 100×100×10 мм. Одновременно с экспериментальным образцом изготавливали контрольный образец. Поверхность обоих дисков шлифовали. Экспериментальный образец помещали в рабочую камеру уникальной научной установки (УНУ) «Гамматок» Института проблем химической физики РАН и подвергали радиационной обработке воздействием гамма-излучения изотопа ⁶⁰Со на воздухе при температуре 65°С до дозы 0,1 кГр при мощности дозы 3±0,5 Гр/с. Измерение мощности дозы осуществляли методом Фрикке [ГОСТ 34155-2017] с учетом поправки на электронное равновесие и разную электронную плотность дозиметра Фрикке и гамма-облучаемой заготовки из ПТФЭ [ГОСТ 27602-88]. Измерение спектров диффузного отражения полученного образца светоотражателя и необлученного диска проводили в спектральном диапазоне от 220 нм до 850 нм при комнатной температуре с помощью спектрофотометра, оборудованного интегрирующей сферой. Полученные результаты приведены в таблице 1.

Как следует из таблицы 1, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента диффузного отражения полученного светоотражателя составляет 16-21%.

Пример 2.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку до дозы 0,1 кГр проводили аналогично тому, как это указано в примере 1. Измерение спектров зеркального отражения полученного образца светоотражателя и исходного (необлученного) ПТФЭ проводили в спектральном диапазоне от 220 нм до 850 нм при комнатной температуре с помощью спектрофотометра, оборудованного интегрирующей сферой. Спектры зеркального отражения измеряли под углом падения зондирующего пучка света 8°. Полученные результаты приведены в таблице 2.

Как следует из таблицы 2, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента зеркального отражения полученного светоотражателя составляет 16-25%.

Пример 3.

Изготовление образца светоотражателя осуществляли аналогично примеру 1. Радиационную обработку проводили как в примере 1, но при температуре 60°С до дозы 0,5 кГр при мощности дозы 3±0,5 Гр/с. Измерение спектров диффузного отражения проводили аналогично примеру 1. Полученные результаты приведены в таблице 3.

Как следует из таблицы 3, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента диффузного отражения полученного светоотражателя составляет 12-18%.

Пример 4.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку проводили аналогично примеру 3 до дозы 0,5 кГр. Измерение спектров зеркального отражения полученного образца светоотражателя и исходного (необлученного) ПТФЭ проводили аналогично примеру 2. Полученные результаты приведены в таблице 4.

Как следует из таблицы 4, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента зеркального отражения полученного светоотражателя составляет 15-21%.

Пример 5.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку проводили аналогично примеру 3 до дозы 1,0 кГр. Измерение спектров диффузного отражения проводили аналогично примеру 1. Полученные результаты приведены в таблице 5.

Как следует из таблицы 5, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента диффузного отражения полученного светоотражателя составляет 4-18%.

Пример 6.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку проводили аналогично примеру 5 до дозы 1,0 кГр. Измерение спектров зеркального отражения полученного образца светоотражателя и исходного (необлученного) ПТФЭ проводили аналогично примеру 2. Полученные результаты приведены в таблице 6.

Как следует из таблицы 6, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента зеркального отражения полученного светоотражателя составляет 15-21%.

Пример 7.

Изготовление образца светоотражателя осуществляли аналогично примеру 1. Радиационную обработку проводили как в примере 1, но при температуре 55°С до дозы 10,0 кГр при мощности дозы 3±0,5 Гр/с.Измерение спектров диффузного отражения проводили аналогично примеру 1. Полученные результаты приведены в таблице 7.

Как следует из таблицы 7, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента диффузного отражения полученного светоотражателя составляет 5-17%.

Пример 8.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку проводили аналогично примеру 7 до дозы 10,0 кГр. Измерение спектров зеркального отражения полученного образца светоотражателя и исходного (необлученного) ПТФЭ проводили аналогично примеру 2. Полученные результаты приведены в таблице 8.

Как следует из таблицы 8, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента зеркального отражения полученного светоотражателя составляет 10-19%.

Пример 9.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку проводили аналогично примеру 7 до дозы 15,0 кГр. Измерение спектров диффузного отражения проводили аналогично примеру 1. Полученные результаты приведены в таблице 9.

Как следует из таблицы 9, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента диффузного отражения полученного светоотражателя составляет 3-17%.

Пример 10.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку проводили аналогично примеру 9 до дозы 15,0 кГр. Измерение спектров зеркального отражения полученного образца светоотражателя и исходного (необлученного) ПТФЭ проводили аналогично примеру 2. Полученные результаты приведены в таблице 10.

Как следует из таблицы 10, в спектральном диапазоне 250-850 нм радиационный эффект увеличения коэффициента зеркального отражения полученного светоотражателя составляет 8-19%.

Пример 11.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку проводили аналогично примеру 7 до дозы 16,0 кГр. Измерение спектров диффузного отражения проводили аналогично примеру 1. Полученные результаты приведены в таблице 11.

Как следует из таблицы 11, в спектральном диапазоне 300-850 нм величина достигаемого увеличения коэффициента диффузного отражения светоотражателя составляет 12-17%. В то же время в области длин волн 250-300 нм происходит уменьшение коэффициента диффузного отражения ПТФЭ вследствие образования и накопления продуктов радиационной деструкции.

Пример 12.

Изготовление образца светоотражателя и радиационную обработку проводили аналогично примеру 11 до дозы 16,0 кГр. Измерение спектров зеркального отражения полученного образца светоотражателя и исходного (необлученного) ПТФЭ проводили аналогично примеру 2. Полученные результаты приведены в таблице 12.

Как следует из таблицы 12, в спектральном диапазоне 300-850 нм величина достигаемого увеличения коэффициента зеркального отражения предлагаемого светоотражателя составляет 15-21%. Низкий радиационный эффект (+1%) в области длин волн от 250 до 300 нм может быть связан с радиационной деструкцией и накоплением продуктов радиолиза полимера.

Таким образом, предлагаемый способ изготовления светоотражателя благодаря использованию радиационной обработки - принципиально иной и более простой технологии по сравнению с прототипом, обеспечивает получаемому светоотражателю высокую светоотражающую способность в области длин волн от 250 до 850 нм.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в фотометрии, экспериментальной ядерной физике, в фильтрах очистки воздуха от биоаэрозолей и др. Заявленный способ изготовления светоотражателя включает формирование заготовки из политетрафторэтилена и ее модифицирующую обработку. Заготовку формируют из пластины блочного политетрафторэтилена марки Ф-4 размером 100×100×10 мм методом микрофрезерования и затем подвергают радиационной обработке воздействием гамма-излучения изотопа ⁶⁰Со на воздухе при температуре 55-65°С до поглощенной дозы в интервале от 0,1 до 15 кГр при мощности дозы 3±0,5 Гр/с. Технический результат - получение светоотражателя на основе политетрафторэтилена с высокой светоотражающей способностью в области длин волн от 250 до 850 нм. 1 з.п. ф-лы, 12 табл.

1. Способ изготовления светоотражателя, включающий формирование заготовки из политетрафторэтилена и ее модифицирующую обработку, отличающийся тем, что заготовку формируют из пластины блочного политетрафторэтилена методом микрофрезерования и затем подвергают радиационной обработке воздействием гамма-излучения изотопа ⁶⁰Со на воздухе при температуре 55-65°С до поглощенной дозы в интервале от 0,1 до 15 кГр при мощности дозы 3±0,5 Гр/с.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования заготовки используют пластины блочного политетрафторэтилена марки Ф-4 размером 100×100×10 мм.