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 опубликовано в журнале Materials & Design.

Авторы работы изготовили полые термопластичные полимерные композитные профили — прочные трубки из пластика, укреплённого 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.

Изображение. При использовании метода пултрузии стекловолоконный материал в форме лент, пропитанных полимерной связующей, протягивается через нагретую формообразующую фильеру. Под действием температуры и давления происходит так называемая консолидация материала, и из машины выходит готовый профиль в форме доски, стержня, трубы и т. д. — зависит от используемой фильеры. Исследователи из Сколтеха узнали, как нагреть ленты достаточно для того, чтобы в профиле не было дефектов, но не израсходовать лишнюю электроэнергию. Источник: Кирилл Минченков и др./Materials & Design

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 укреплённые волокном термопластичные композиты имеют ряд преимуществ, рассказывает Сафонов: «Их можно сваривать. Их можно перерабатывать. Их производство не влечёт вредных выбросов летучих органических соединений. Кроме того, сырьё, то есть ленты, имеет почти неограниченный срок годности».

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.

Изображение. 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 трёх 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 ведёт к браку. Источник: Кирилл Минченков и др./Materials & Design

Учёные 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, учёные рассчитали распределение температуры по всему сечению (изображение выше), построив геометрическую модель фильеры.

Определив температурное распределение, коллектив провёл 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 четырёх скоростей изделия имеют надлежащее качество.

Изображение. Оптическая микроскопия среднего из трёх профилей с предыдущей иллюстрации. В соответствии с рассчитанным распределением температуры по сечению (повторено в цвете внизу) профиль содержит структурные дефекты, которые значительно менее выражены (дополнительные снимки — в научной статье) при более низкой скорости протяжки и, наоборот, усугубляются на более высоких скоростях. Источник: Кирилл Минченков и др./Materials & Design

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 всё 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.

Изображение. Сваренная в угол труба из укреплённого стекловолокном термопластичного полимера (слева), изготовленная исследователями для демонстрации возможности применения такого рода деталей в качестве замены армирующего элемента из металла внутри профилей окон ПВХ (справа). Источник: 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 ещё более подходящим для использования в строительстве — в окнах ПВХ и не только».

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

Освещённое в пресс-релизе исследование поддержано Российским научным фондом в рамках проекта № 21-19-00563.

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81