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直面挑战:一步挤出含PS泡沫芯的PVC窗户型材

来源:国际塑料商情     发布时间:2021-01-20
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德国2014年的节能法规(EnEV)特别强调了将建筑行业的热损失和CO2排放量降至最低。由于建筑物具有良好的隔热性能,因此可以大量节省能源。这一点对窗户而言尤为重要。传统房屋能量损失最大的地方就是窗户,占比达47%。


空腔设计的聚氯乙烯(PVC)立面元件和窗户型材与固态型材相比具有更好的隔热性能。但是,空腔内仍然会有热流动。这种热交换基于空腔内的空气循环,而空气循环则因温度的不同而引起,如建筑物内外的温差。降低窗框导热性的方法之一是发泡,例如用聚氨酯(PU)发泡。但是,型材制造和发泡一般通过两道单独的工序进行,因此需要大量的人工、额外的组装工作和空间要求。或者也可以努力将泡沫芯(例如:聚苯乙烯(PS)泡沫芯)插入PVC型材的空腔中。较为理想的方案是一步法工艺——型材在挤出过程中直接填充泡沫。


泡沫填充型材的一步法工艺


因此,德国塑料中心SKZ在一个研究项目中对含PS物理发泡芯的PVC塑料型材的制造工艺进行了研究。该项目对合适的PS发泡配方进行了研发,同时还建立了用于泡沫填充型材工艺开发的试验系统并进行了中试测试。此外,该项目还对连接技术进行了研究并在应用的基础上开展了可持续性分析。


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图1 通过专门开发的测试系统对PS发泡进行研究 ©SKZ


为了实现将PS泡沫用作PVC窗户型材隔热材料的这一目标应用,本项目首先建立了用于PS发泡的实验室系统(图1)。该系统包含一个德国LeistritzExtrusionstechnikGmbH公司生产的ZSE18HPe同向双螺杆挤出机、一个德国NordsonPPSGmbH公司生产的BKGBlueFlowTMGP22/22–01齿轮泵和两个P1冷却混合器,以及一个德国PromixSolutionsGmbH公司生产的Z400气体计量系统。通过该系统可以对不同模具的发泡情况进行研究,例如:直径可变的圆孔模具以及薄膜模具。此外,管路中的压力水平可通过装在模具前面的节流阀进行调节。这一点在启动期间尤为有用。


在这个系统中,研究人员根据不同的材料配方和模具直径进行了发泡测试。材料包括德国IneosStyrolution公司生产的PS153F(200°C和5kg时的熔体体积流动速率(MVR)为7.5cm³/10min)和PS158N(200°C和5kg时的MVR为3.3cm³/10min)以及两者的组合材料。成核剂使用的是法国Luzenac集团的Jetfine3CA滑石粉,添加比例分别为1%和10%。为了改善热性能,还研究使用了比例为1%和10%的UF198C石墨(由德国GraphitKropfmühlGmbH公司生产)。化合物在上述工序中由各个组分生产而成。


用这些化合物进行发泡试验的结果表明,浓度最高为6%的CO2已足以形成良好的泡沫结构和低泡沫密度。注入CO2之后,压力水平必须保持在80bar以上才能使CO2在熔体中安全溶解。齿轮泵的温度设为195°C,第一冷却混料器的温度设为130°C,第二冷却混料器的温度设为120°C。喷嘴温度必须调节到140°C至160°C之间才能帮助获得良好的泡沫质量。


均匀的细孔泡沫结构


挤出的样品经过光学系统和扫描电子显微镜进行表征。结果表明,泡沫为闭孔泡沫,具有非常均匀的细孔结构(图2)。此外,泡沫密度根据ENISO1183-1标准第1部分:浸入法确定。研究表明,所有材料组合都可以稳定挤出密度为0.06g/cm3且泡孔形态良好的泡沫。


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图2 以石墨为成核剂的泡沫样品的SEM显微图,放大倍数为150倍:闭孔泡沫,具有非常均匀的细孔结构 ©SKZ


为了确定泡沫的绝热性能,研究人员还确定了其导热率。该性能可通过导热率、比热容量和泡沫密度计算得出。为了确定导热率,研究人员使用了德国NetzschGerätebauGmbH公司的LFA447NanoFlash闪光导热仪。比导热率用同样来自NetzschGerätebauGmbH公司的DSC204F1Phoenix测试装置通过动态差示量热法(DSC)确定。所有研究的样品均表现出非常低的导热率,范围在0.0175和0.0255W/mK之间,其中粘度较高的PS158N的配方的导热率略高。使用的成核剂和石墨仅对导热率产生了轻微影响。


串联挤出生产线上的加工


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图3 串联挤出系统可用于挤出含PS发泡芯的PVC型材 ©SKZ


为了研究含PS发泡芯的PVC型材的挤出,下一道工序是设计、设置并测试串联挤出系统(图3)。PVC加工在德国克劳斯玛菲公司(KraussMaffeiBerstorffGmbH)生产的KMKK40锥形反向双螺杆挤出机上进行。PS在图1的实验室生产线中加工。一种特殊的挤出模具专为该测试系统设计并制造,它能够将PVC型材挤出与PS泡沫挤出结合起来(图4)。该设计基于德国IanusSimulationGmbH公司的大量流动模拟,并且在实际挤出机上的首次测试也得到了证实(图5)。选用的传统窗户型材配方包含PVC粉末和不同的助剂(例如:热稳定剂和光稳定剂,润滑剂、丙烯酸酯抗冲改性剂和填料)。



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图4 含壳式散热器的挤压模具的前视图:该模具能够将PVC型材挤出与PS泡沫挤出结合起来 ©SKZ



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图5 模具的PVC流道(左)和PS流道(右)的模拟压力和粘度曲线 ©Ianus


模具的问题


在第一次测试的过程中,PVC外层和PS泡沫都可以通过独立的操作轻松地挤出。但是,当模具在共挤出过程中被加热至约190°C时,型材中稳定泡沫的形成受到了阻碍。制成的型材仅部分填充泡沫。



尽管如此,这些测试仍为最终工艺设计带来了重要的发现。在下一道工序中,PS和PVC物料流之间的热分离经过了优化,并且物料系统也经过了更好的调整来适应温度要求。另外,制成的泡沫还可用于可焊性的后续研究和可持续性评估。


泡沫填充型材的焊接


泡沫填充型材的焊接是将新的共挤出工艺搬到工业实践中的重要工序之一。为了尽早得到结果,将异型泡沫复合材料与箱型材和泡沫挤出物一起手动使用,随后用于焊接测试。焊接使用的是德国WilhelmDommerSöhneGmbH公司生产的Wodos2500SCNC伺服电焊机。焊接参数基于EPPA(欧洲PVC窗系统供应商贸易协会)焊接指南中的标准参数。


结果表明,型材的PS泡沫芯因为加热元件的热作用而局部塌陷并且在加热期间从直接接合区域缩回。但是,这对后续应用是有利的,因为它意味着PS不会渗透到传递载荷的PVC结构中。而且,对于持久耐用的建筑产品(例如:塑料窗户)而言,对机械长期性能的可能影响是不可接受的。此外,PS泡沫可从涂有聚四氟乙烯(PTFE)的加热元件上完全脱落,因此无需额外的清洁工作。


工艺的可持续性


可持续性是必须考虑的问题之一,尤其对于节能产品而言。该工艺对性能进行了测量以确定总能耗和各个组件的能耗。除了区分型材挤出的能耗,挤出机、加热器和熔体泵的能耗也可以在泡沫挤出过程中作为部分能耗进行区分。据计算,挤出一米发泡型材的总能耗是0.722kWh(图6),挤出一米发泡型材的总能耗是1.565kWh。在工业条件下,挤出不发泡型材的平均能耗约为0.2~0.25kWh/kg。因此,发泡型材的能耗明显更高。但是,随着启动速度和节能挤出机等条件的提升,可以预见单位能耗还将显著降低。


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图6 挤出1米型材时各个组件的单位能耗(来源:SKZ,图:©Hanser)


环境生命周期分析


此外,研究人员还对标准尺寸为1.23mx1.48m的PVC窗户进行了环境生命周期比较分析,使用寿命假定为30年。据推测,通过共挤出生产的标准PVC型材经过PS泡沫填充之后,窗户的总U值(传热系数)可从1.0降低到0.9W/m²K。结果表明,在使用阶段节省的能量大大超过了生命周期平衡制造期间的巨大耗费。PS泡沫热回收对环境的影响情况被计入了热能的替代,因此也减少了一次能源需求和升温潜势。


该研究项目的宗旨是开发一种能够通过一步法制造含PS泡沫芯的高度隔热PVC立面元件的工艺技术。所用的设备可产生高达0.06g/cm³的泡沫密度。泡沫达到的0.0215W/mK的导热率代表其具有良好的隔热等级。尽管这些结果都很可观,但型材在直接发泡过程中形成的泡沫仍未达到预期。受周围流动的PVC熔体的影响,用于引导装有发泡剂的PS熔体的芯轴的温度升高得太快。但是,建成的设备为SKZ中试工厂的后续开发工作提供了良好的起点。在其他项目中,目前已可对模具芯轴进行直接温度控制并寻找合适的材料组合。



本文翻译自KUNSTSTOFFEINTERNATIONAL杂志


作者:ChristinaHoffmann,JohannesRudloff,ChristianEck,EduardKraus,ThomasHochrein,HermannAchenbach,MarieluiseLang,MartinBastian



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