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PVC窗框依靠金属支架来保持稳定性。但是，如果用另一种导热性较低的强材料代替金属呢?这将提高窗户的整体隔热性能和能源效率，使房屋更温暖，对环境更友好。Skoltech的研究人员在《材料与设计》杂志上发表的一项研究中，对一种可以生产这种替代支架元件的常见制造技术进行了测试和改进。
在论文中，该团队报告了使用一种称为拉挤的技术制造热塑性复合材料型材——用玻璃纤维增强塑料制成的矩形管。它包括将市售的由注入聚丙烯的玻璃纤维制成的胶带，通过一台机器加热并在一个狭窄的空间中将它们融合在一起。最终形成的长形部分，如板、板或梁，称为型材。
这项研究揭示了以前不为人知的生产过程细节，这将有助于制造商避免过度的电力消耗和最终产品的缺陷。“你看，虽然我们很了解所谓的热固性聚合物在拉挤过程中的行为，但对于热塑性聚合物，如本研究中的聚丙烯，情况并非如此。但拉挤对这些聚合物也很有意义，”该项目的首席研究员、斯科尔特材料公司的亚历山大·萨福诺夫副教授说。
与热固性聚合物不同，热塑性聚合物可以反复熔化和固化。对于PVC窗f框架支架由纤维增强聚合物部件制成，这具有许多优点，Safonov解释说:“它们可以焊接。它们是可回收的。它们的制造不会向环境中释放有害的挥发性有机化合物。而且，原始材料——也就是磁带——也是有限的方便是因为它们的保质期很长。”
考虑到这些因素，Skoltech的研究人员对玻璃纤维增强聚丙烯制成的复合型材进行了拉挤试验。
“在模具中，胶带从下面和上面加热，如果你想象一下用这种工艺制造的矩形型材的横截面，我们不知道温度是如何分布在整个模具中的。这一点很重要，因为如果型材的某些部分没有得到足够的热量，产品就会有缺陷。此外，我们想知道到底需要多少热量来巩固型材，因为如果你每次都提高热量只是为了确保，你将面临不必要的公用事业成本，“该研究的主要作者基里尔·明琴科夫说，他是斯科尔特材料公司的博士生。
该团队依靠一种称为热电偶的温度传感器来测量截面上某一点的温度在拉挤过程中随着型材的加热和随后的冷却而变化的情况。
热电偶本质上是由不同合金制成的两根耦合导线。在这样的安排下，它们的电导率根据环境温度以一种高度可预测的方式变化。因此，通过将热电偶与胶带一起拉过模具，研究人员可以在任何给定时间监测材料的局部温度。
这些测量数据是在磁带通过机器的不同速度下获得的，从3.3毫米每秒到4倍每秒。知道热系数在实验中观察到材料的导电性和靠近型材中心的温度演变，研究人员创建了加热和冷却模具的几何模型，并计算了整个截面的温度分布。
在获得这些温度分布之后，研究小组还用光学显微镜研究了以不同拉拔速度制造的型材，并对其进行了机械强度测试。在这些测试中，只有最慢的拉拔速度被证明适合制造高质量的型材，这一点得到了显微镜和机械测试的证明。
有趣的是，在仔细检查场景(b)的轮廓显微照片后，研究人员发现，缺陷要么落在温度图中白色轮廓包围的中心区域内，要么它们具有不同的性质，源于原材料的缺陷(即，未在胶带中浸没聚合物的纤维)，而不是来自拉挤过程。
事实证明，含有缺陷的冷中心区域不仅没有达到聚丙烯的熔点，实际上甚至没有达到稍低的维卡软化温度。在确实超过这一临界温度的区域，即使在熔点以下，材料也会根据需要凝固。
“因此，我们得出结论，除非制造商有理由怀疑原料的质量，否则通过将胶带加热到维卡温度，可以节省电力和公用事业成本。”然而，如果预固结带含有孔隙形式的缺陷，将其加热到维卡温度以上并达到熔点是消除这些缺陷的更好选择，”Minchenkov说。
在对平面型材进行实验、建模和力学测试后，该团队用相同的材料制造了一个方形空心管来演示说明在PVC门窗中的适用性拉美西斯。
当被问及该项目的最新进展和团队的未来计划时，研究报告的合著者、负责样品制造的Skoltech材料公司高级工程师Sergey Gusev评论说:“在这项研究中，我们只研究了以聚丙烯为聚合物基体的玻璃纤维增强复合材料。但我们也在探索其他材料。目前，我们正在试验碳和玄武岩纤维，以及聚酰胺和聚苯硫醚基质。”
“这可能会给拉挤型材在建筑领域的应用带来额外的优势——在PVC窗户和其他领域。”
更多信息:Kirill Minchenkov等人，大型结构型材热塑性拉挤的实验和数值分析，材料与设计(2023)。DOI: 10.1016/j.m addes .2023.112149由Skolkovo科学技术研究所提供引文:研究探索了使PVC窗户更温暖并添加可回收成分的方法(2023,10月12日)检索自https://techxplore.com/news/2023-10-explores-ways-pvc-windows-warmer.html。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
