Светофильтры

 Исследования по получению оптически прозрачных эпоксидных полимеров (ЭП) с заданными спектральными свойствами проводились  в содружестве с   кафедрой химической технологии органических красителей и фототропных соединений СПбГТИ(ТУ), руководитель группы - доцент, к.х.н. Соколова Н.Б.  Для эпоксиполимеров  не удалось воспользоваться всеми имеющимися  данными по фильтровым органическим красителям , так как компоненты эпоксидных композиций являются реакционноспособными, взаимодействуют с красителями, изменяя свои первоначальные спектральные свойства. Поэтому для создания базы специальных фильтровых красителей для ЭП потребовалось  проведение  исследований поведения всех классов  красителей в компонентах эпоксидных композиций: олигомерах, отвердителях, катализаторах, модифицирующих добавках. 

В качестве органических красителей были исследованы отечественные жирорастворимые, дисперсные, спирторастворимые, ацетонорастворимые , кислотные, основные, катионные красители, а также их импортные аналоги: суданы, целитоны, цапоны и др. Процесс приготовления окрашенного ЭП включал три стадии: приготовление концентрата органического красителя в одном из компонентов, введение концентрата красителя в эпоксидную композицию, отверждение композиции. После каждой стадии обязательно измерялся удельный коэффициент поглощения.  Затем выбирались пары краситель-ЭП, имеющие максимальные значение удельного коэффициента поглощения. В таблице 1 (для примера) представлены значения удельного коэффициента поглощения красителя Основной синий К в различных ЭП и растворителе - дихлорэтане на длине волны 620 нм.

Таблица 1

Удельный коэффициент поглощения красителя Основной синий К в ЭП на основе
 смол ЭД-22(д), ДЭD,LКК и различных отвердителей, г/г*см

В результате проведенных исследований установлено, что основные и катионные красители, как правило, неустойчивые в эпоксидных композициях - они либо полностью, либо частично обесцвечиваются. То же можно отметить  для  кислотных, спирто- и ацетонорастворимых красителей - их совместимость с компонентами эпоксидных композиций весьма ограничена. Для дисперсных красителей требуется специальная очистка от неорганических наполнителей. Наиболее перспективным классом для ЭП являются жирорастворимые красители и суданы. Однако, спектральные возможности этого класса невелики и для решения сложных задач приходится использовать все вышеперечисленные классы красителей в каждом конкретном случае подбирая индивидуально условия их введения и безусловно делая поправку на изменение спектра удельного коэффициента поглощения красителя в  ЭП.

Расчет необходимого количества красителя для создания заданной спектральной характеристики проводится в соответствии с расчетно-экспериментальным методом, основанном на следующих положениях: 1) Все используемые красители в растворах  как жидких, так и твердых (полимерах) подчиняются закону разбавления Ламберта-Бера в применяемых концентрациях. Из этого следует, что оптическая плотность окрашенного слоя пропорциональна толщине этого слоя и концентрации красителя;  2) Отсутствие химического взаимодействия как между красителями, так и между красителями и полимером. В рамках этих допущений для определения требуемой концентрации красителей  в композиции, содержащей, например, три красителя, необходимо решить систему уравнений:

 где  D(λ_i) - оптическая плотность смеси красителей на разных длинах волн; D'(λ_i), D''(λ_i), D'''(λ_i) - оптическая плотность каждого из красителей при соответствующих концентрациях C', C'', C''' на длине волны  λ_i ; x, y, z - искомые концентрации красителей. Примером такого фильтра (на основе трех красителей, с учетом поправки на изменение спектра каждого красителя в ЭП)  может служить известная эпоксидная композиция "черного" цвета ОПТОКОМ-900.

 Вариантность выбора оптимальной смеси красителей для создания светофильтра голубого цвета на основе ЭП (ОПТОКОМ-480) иллюстрируется на рис. 1. Спектры пропускания ряда других светофильтров для оптоэлектроники представлены на рис. 2: 1- синий (ОПТОКОМ-430), 2 - зеленый (ОПТОКОМ-525), 3- оранжевый (ОПТОКОМ-610) и  4 - темно красный (ОПТОКОМ-700). 

На рис. 3 представлены спектральные кривые специальных светофильтров на основе ЭП: 1 - зеленый, контур которого повторяет кривую относительной видности человеческого глаза, 2 - отрезающий длинноволновый  с граничной длиной волны 740 нм и 3 - нейтральный  с коэффициентом  светопропускания около 40% в диапазоне длин волн 400-700 нм. Создан комплект нейтральных светофильтров, позволяющий перекрыть видимую область спектра с коэффициентом пропускания  от 15 до 85% и  средним отклонением от нейтральности (5-10)%. Светофильтры на основе ЭП  помимо абсорбционных свойств могут обладать светорассеивающими свойствами. Такие фильтры внешним видом напоминают "молочные" стекла, коэффициент рассеяния света их может варьироваться в пределах 20-80%.

ЭП светофильтры, как правило, применяются в виде корпуса оптоэлектронного прибора для индикации цвета либо для корректировки спектральной чувствительности фотоприемников, либо спектра излучения источников света . Реже (по индивидуальному заказу) изготавливаются в виде плоскопараллельных пластин толщиной 1-5 мм круглой ( диаметром от 30 до 70 мм) или прямоугольной (от 20*30 до 80*100 мм) формы. 

Широкое распространение получили светофильтры, отрезающие видимую часть спектра ("черные"), предназначенные для установки перед ИК прожекторами, специализированными устройствами подсветки и регистрации ИК излучения, например, в видеодомофонах, видеоглазках, приборах дистанционного управления и тому подобных устройствах. К ним относятся ИК светофильтры на основе компаундов ОПТОКОМ-900 и ОПТОКОМ-900МЭ. Они имеют границу пропускания на длине волны 700 нм и более, непрозрачны в видимой области спектра, но пропускают излучение в ближней ИК области. Первый изготавливается на базе эпоксидного компаунда для оптоэлектроники марки ПЭО-28М, второй - на базе пластифицированного компаунда ПЭО-90МЭ добавлением концентрата красителей ЭПОКСИКОН-900 от 5 до 20%. Помимо вышеуказанных геометрий  такие светофильтры могут отливаться  в виде декоративных панелей, номерных табличек, болтов, шпилек. Для изготовления эпоксиполимерных светофильтров поставляются компаунды в жидком виде, они содержат 4 компонента: компонент А (эпоксидная основа), компонент В ( отвердитель), компонент С (катализатор) и концентрат ЭПОКСИКОН-900.

 В качестве листовых материалов (пластин) большее распространение получили  светофильтры на основе полиметилметакрилата (ПММА).  Отличительной характеристикой ПММА является его исключительная прозрачность и атмосферостойкость.  Этот материал хорошо формуется, имеет достаточную механическую прочность: относительное удлинение при разрыве не менее 2,5 %,  ударная вязкость (на образцах без надреза) для толщин 2-4 мм не менее 9000 Дж/м².   Теплостойкость ПММА невысокая: температура размягчения для толщин  1-4 мм составляет порядка  (105-110) С,  интенсивная деструкция происходит при 250 С;  кроме того,  он имеет небольшую абразивостойкость, а также подверженность к воздействию  этанола.  Легко режется  (скрайбируется)  при раскройке.

ПММА получают блочной полимеризацией метакриловых и других мономеров под действием инициаторов радикальной полимеризации. Красители чаще жирорастворимые, в меньшей степени - дисперсные и спирторастворимые растворяют в метиловом эфире метакриловой кислоты в течение 1,5-2 часов при постоянном перемешивании, затем добавляют инициаторы полимеризации.  Полученную смесь отфильтровывают, при необходимости загущают,  затем заливают в формы из полированного силикатного стекла и полимеризуют. Характеристики некоторых светофильтров на основе ПММА представлены на рис.4 и в таблице 2

 Таблица 2

Композиции красителей для полимерных светофильтров

 Еще один способ получения светофильтров на основе ПММА -  на литьевой машине, он используется, в основном,  при массовом производстве и когда изделие имеет сложную форму (колпаки, линзы Френеля и т.п.).  Расчетное количество красителей смешивается с гранулированным материалом, например, марки Дакрил-6 или его импортными аналогами, смесь пропускается через экструдер, затем помещается в литьевую машину.  Для изготовления полиметилметакрилатных светофильтров поставляются  3 марки композиций красителей: красного, черного №690 и черного №720 цветов.

Области применения таких светофильтров разнообразны: системы  видеонаблюдения, контроля,  разграничения доступа и охраны периметра объектов,  охранной и пожарной сигнализации, подсчета посетителей, считывания автомобильных номеров и т.п.  Основные функции отрезающих ИК фильтров: 1. Обеспечение скрытности освещения охраняемых объектов, устранение светящихся “точек” от ИК излучающих диодов, нити ламп накаливания; 2. Выполнение функций защитных панелей, окон и экранов, маскировка (камуфлирование) объективов ТВ-камер, “начинки” других фотоприемных устройств; 3. Устранение паразитных помех, засветки от излучения видимого диапазона без ослабления и искажения полезного сигнала.

По вопросам использования и приобретения полимерных светофильтров 
обращаться по телефонам: (812) 494 93 92; (812) 317 89 62
E-Mail: lfpti@ya.ru