Новости

13 октября, 2023 14:54

Новая деталь сделает окна ПВХ теплее и экологичнее

Источник: Naked Science
ПВХ-профили, из которых сделаны пластиковые окна, дополнительно укрепляются стальным сердечником. Если заменить металл на материал, который хуже проводит тепло, то термоизоляционные свойства окон улучшатся, и в помещении станет теплее, а расход энергии на отопление снизится. Технологию изготовления альтернативных армирующих элементов для окон ПВХ испытали и усовершенствовали в Сколтехе. Исследование поддержано грантом РНФ, его результаты опубликованы в журнале Materials & Design.
Сваренная в угол труба из укрепленного стекловолокном термопластичного полимера (слева), изготовленная в качестве замены армирующего элемента из металла внутри профилей окон ПВХ (справа) / К. Минченков и др. / Materials & Design
Исследователи из Сколтеха узнали, как нагреть ленты достаточно для того, чтобы в профиле не было дефектов, но не израсходовать лишнюю электроэнергию. Источник: К. Минченков и др. / Materials & Design
3 / 4
Сваренная в угол труба из укрепленного стекловолокном термопластичного полимера (слева), изготовленная в качестве замены армирующего элемента из металла внутри профилей окон ПВХ (справа) / К. Минченков и др. / Materials & Design
Исследователи из Сколтеха узнали, как нагреть ленты достаточно для того, чтобы в профиле не было дефектов, но не израсходовать лишнюю электроэнергию. Источник: К. Минченков и др. / Materials & Design
Авторы работы изготовили полые термопластичные полимерные композитные профили — прочные трубки из пластика, укрепленного стекловолокном, — при помощи метода пултрузии. Последний предполагает протяжку лент из насыщенного полипропиленом стекловолокна через аппарат, в котором они нагреваются и сплавляются в узком пространстве. В итоге из аппарата вытягивается длинная деталь в форме доски, стержня или трубы, которую и называют профилем.

Исследование раскрывает ранее неизвестные тонкости процесса передачи тепла при пултрузии, знание которых поможет производителям избежать дефектов в профилях и снизить энергопотребление при их изготовлении.
«Довольно хорошо известно, как ведут себя во время пултрузии так называемые термореактивные полимеры, чего нельзя сказать о термопластичных полимерах, таких как рассмотренный нами в этой работе полипропилен. Но последние тоже весьма перспективны для производства армированных композитных профилей», — прокомментировал исследование его руководитель, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Александр Сафонов.
Разница между термопластичными и термореактивными полимерами в том, что первые можно повторно расплавить и снова отвердить, а вторые при изготовлении застывают раз и навсегда. Если говорить о производстве армирующих элементов для пластиковых окон и других деталей, то укрепленные волокном термопластичные композиты имеют ряд преимуществ, рассказывает Сафонов: 
«Их можно сваривать. Их можно перерабатывать. Их производство не влечет вредных выбросов летучих органических соединений. Кроме того, сырье, то есть ленты, имеет почти неограниченный срок годности».


Поперечное сечение профиля в тот момент, когда он проходит самую горячую точку фильеры (температура нагревателя — 200 градусов Цельсия). Распределение температуры внутри профиля показано цветами для трех сценариев: в случае (a) изделие протягивается через аппарат медленнее всего (3,3 мм/с) и потому прогревается сильнее всего, если же удвоить (b) и тем более утроить (c) скорость протяжки, то удовлетворительного прогрева не достигается, и, как мы увидим ниже, это ведет к браку / Источник: Кирилл Минченков и др. / Materials & Design

Эти соображения подтолкнули материаловедов из Сколтеха экспериментировать с пултрузией композитных профилей из армированного стекловолокном полипропилена.

«В фильере ленты нагреваются снизу и сверху, но было неизвестно, как именно температура распределяется по сечению профиля, если вы его представите в разрезе. А это важно, потому что если какая-то часть профиля нагреется недостаточно, то изделие будет бракованным. В то же время интересно, как нагреть профиль достаточно, но не слишком сильно, потому что если всегда перестраховываться в плане температуры, производитель будет нести избыточные расходы на электроэнергию», — пояснил первый автор исследования, аспирант Центра технологий материалов Сколтеха Кирилл Минченков.
Ученые измерили, как температура вблизи центра поперечного сечения профиля меняется в ходе нагрева и охлаждения в пултрузионной машине. Для этого использовалось устройство под названием термопара — два провода из различных сплавов, которые соединены на одном конце. Электропроводность такого «комбинированного» проводника предсказуемым образом меняется в зависимости от температуры в точке контакта двух сплавов. Исследователи протянули термопару через фильеру вместе с лентами из стекловолокна и полипропилена и таким образом получили возможность отслеживать температуру вблизи центра профиля.


Такое измерение провели для скоростей протяжки лент от 3,3 мм/с до в четыре раза более высокой. Зная теплопроводность материала и измеренную в эксперименте динамику температуры вблизи центра профиля, ученые рассчитали распределение температуры по всему сечению (изображение выше), построив геометрическую модель фильеры.

Определив температурное распределение, коллектив провел исследование изготовленных профилей на оптическом микроскопе и испытал их механические характеристики. И микроскопия, и проверка на прочность показали, что лишь изготовленные на самой медленной из четырех скоростей изделия имеют надлежащее качество.

Интересно, что при ближайшем рассмотрении снимков профиля из сценария (b) выясняется, что дефекты либо попадают в центральную зону, которая обведена на карте температур белым контуром, либо образовались не в процессе пултрузии, а связаны с недостатком сырья — наличием не пропитанных полимером волокон в лентах. Оказывается, что «дефектная зона» в центре профиля не просто не прогрелась до температуры плавления полипропилена, а даже не достигла более низкой отметки, называемой температурой размягчения по Вика́. В тех же областях, которые перешли этот температурный порог, консолидация материала произошла даже ниже температуры плавления.

«В итоге мы делаем вывод, что при условии заведомо высокого качества сырья производитель может экономить электроэнергию, прогревая профиль до температуры Вика, а не сильнее, — отметил Минченков. — Однако если используемые для пултрузии преконсолидированные ленты содержат дефекты в виде пор, то для их устранения все же необходим прогрев до температуры плавления полимера».
Выполнив описанные эксперименты, моделирование и испытание механических свойств на плоских профилях, коллектив изготовил из того же материала квадратную трубу и продемонстрировал тем самым применимость подобных деталей для укрепления ПВХ-профилей пластиковых окон.


Плоские профили, изготовленные методом пултрузии на скоростях протяжки от 3,3 мм/с (a) до вдвое (b), втрое (c) и вчетверо (d) более высокой / © Кирилл Минченков и др. / Materials & Design

В ответ на вопрос о новых шагах в рамках проекта и планах коллектива на будущее соавтор исследования, старший инженер Центра технологий материалов Сколтеха Сергей Гусев, рассказал: 

«В этой работе мы рассматривали композиты, в которых полимерной связующей был полипропилен, а армирующим компонентом — стекловолокно, но мы расширяем круг материалов. Сейчас мы уже проводим эксперименты с базальтовым и углеволокном, а также другими термопластичными полимерами: полиамидом и полифениленсульфидом. Одно из сочетаний этих материалов может оказаться еще более подходящим для использования в строительстве — в окнах ПВХ и не только».

10 июня, 2024
Создан оптимальный метод производства наночастиц из золота и кремния
Российские физики разработали подход, позволяющий производить гибридные наночастицы на базе кремни...
4 июня, 2024
Сердца рыбок данио-рерио стали биться чаще под действием магнитных полей
Сотрудники Института биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН (Борок) и Научно...