Moderni materijali za prozorske profile – Stiže zamena

Postoji širok opseg termoplastičnih materijala koji se nudi. Realne alternative PVC–U za ekstrudiranje profila su stiren kopolimeri ASA (akrilonitril–stiren–akrilat) i ABS (akrilonitril–butadien–stiren ). PP (polipropilen) takođe može biti zamena PVC–a.

ABSTRAKT

Ojačani modifikovani PVC (polivinl hlorid) je više od 50 godina u upotrebi. Kao materijal za  ekstrudiranje profila uopšte i prozorskih profila. Danas u Nemačkoj PVC čini materijal za više od 50% tržišta prozora. Brojni su razlozi zbog kojih na tržištu preovladava upotreba PVC–U (polivinil hlond – neplastifikovan).

I PVC ima svoja ograničenja. Na primer obojeni profil, posebno tamne nijanse, je sklon beljenju kada je izložen vremenskim prilikama. Moderni materijali za ekstruziju profila ne smeju nuditi samo balans osobina koje poseduje PVC, nego i poboljšane karakteristike koje omogućavaju da se ti materijali koriste u ekstremnijim ambijentalnim uslovima. Realne alternative PVC–U za  ekstrudiranje profila su stiren kopolimeri ASA (akrilonitril–stiren–akrilat ) i ABS (akrilonitril–butadien–stiren). PP polipropilen takođe može biti zamena PVC–a)

Ključne reči: moderni materijali, PVC–U , ASA, ABS, PP.

Slika 1. Presek tržišta prozora po materijalima od kojih se pravi

1. UVOD

Ojačani modifikovani PVC (polivinil–hlorid) je više od 50 godina u upotrebi. Kao materijal za ekstrudiranje profila uopšte i prozorskih profila. Danas u Nemačkoj PVC čini materijal za više od 50% tržišta prozora (slika 1). Brojni su razlozi zbog kojih na tržištu preovladava upotreba PVC–U (polivinil-hlorid–neplastifi kovan):

• visoka čvrstoća između -30 ºC i 60 ºC
• dobre karakteristike pri izloženosti atmosferskim uslovima
• visoka dimenzionalna stabilnost
• otpornost na vatru
• dobra sposobnost zavarivanja
• može se reciklirati
• povoljna cena/karakteristike

Ali čak i PVC ima svoja ograničenja. Na primer, obojeni profil – posebno tamne nijanse, je sklon beljenju kada je izložen vremenskim prilikama. Otpornost PVC–a na krivljenje usled toplote takođe može nametnuti ograničenja. Kompletne prozorske sisteme obično karakterišu delovi oblikovani brizganjem, kao što su završni elementi, koji su takođe od PVC–a. A pošto PVC nije polimer koga je lako brizgati, ti delovi ponekad mogu prouzrokovati glavobolje.

Moderni materijali za ekstruziju profila ne smeju nuditi samo balans osobine koje poseduje PVC, nego i poboljšane karakteristike koje omogućavaju da se ti materijali koriste u ekstremnijim ambijentalnim i klimatskim uslovima.

Postoji širok opseg termoplastičnih materijala koji se nudi. Realne alternative PVC– U za ekstrudiranje profila su stiren kopolimeri ASA (akrilonitril–stiren–akrilat) i ABS (akrilonitril–butadien –stiren ). PP (polipropilen) takođe može biti zamena PVC–a. Osobine ovih materijala neće biti prikazane u ovom tekstu. Ovde ćemo dati primere koji će ilustrovati tipove mogućih primena.

2. PROIZVODI I OSOBINE

Stiren kopolimeri su termoplasti koji izuzev stirena sadrže najmanje još jedan monomer u glavnom lancu polimera. Najvažniji neudarno modifikovani kopolimer je SAN (stiren–akrilonitril–kopolimer). SAN se može udarno modifikovati pomoću elastomera. Upotrebom butadien gume proizvodi se ABS, dok se od akrilične gume dobija ASA. Udarnim modifikovanjem pomoću kalemljenih guma baziranih na polibutadienu dobija se ABS, a korišćenjem akriličnih ester guma dobija se ASA.

Slika 2. Modifikovanja SAN-a gumom

Osobine polimera zavise od tipa elastromera koji se koristi (slika 2) Za razliku od ASA i PVC, ABS tokom relativno kratkog perioda izloženosti vremenskim prilikama gubi mehaničke osobine. Razlog lošijih osobina ABS–a leži u butadien gumi. Delovanje ultraljubičastih zraka i kiseonika uništava duple veze gume i materijal postaje krt i žut.

Pošto akrilične gume u ASA ne sadrže duple veze, materijal je manje sklon ovakvoj vrsti oštećenja, i iz tog razloga pokazuje bolje karkteristke kada je izložen vremenskim prilikama. Polipropilen se takođe može smatrati mogućom zamenom za PVC. Njegova upotreba je već dobro utvrđena u mnogim primenama. U današnje vreme u Americi postaje moda upotrebljavati PP za ekstrudiranje profila.

Maksimalna temperatura površine profila pri izloženosti vremenskim prilikama zavisi od klime i od boje profila. Na primer, u centralnoj Evropi, beli profil može dostići temperaturu od 45ºC, a tamni (crni) profil čak do 70ºC. Otpornost na deformacije usled toplote kod ASA, ABS je veća nego kod PVC–U. Ovo, i činjenice da je tamniji profil podložan višim temperaturama, čini ASA i ABS posebno dobrim materijalima za tamnije boje. Kao što je ranije pomenuto, obojeni PVC profili imaju tendenciju da blede posle relativno kratkog perioda izloženosti. PP takođe nije imun na ovaj fenomen. S druge strane ASA pokazuje izvrsnu postojanost boje. 

Najvažniji zahtev koji se postavlja za plastične prozorske profile je dobra otpornost na vremenske prilike. Proizvođači prozora uglavnom garantuju za svoje proizvode do 30 godina. To je vreme tokom kojeg ne sme postojati nikakva značajna promena u boji ili mehaničkim osobinama (žilavost i čvrstoća). Slika 3 prikazuje rezultate testa izlaganja vremenskim prilikama različitih materijala za profile.

Slika 3. Veštačko izlaganje vremenskim prilikama ASA, ABS i PVC–U (XENOTEST 1200 CPS)

ASA i PVC–U u velikoj meri ispunjavaju zahteve osobina otpornosti na vremenske prilike. Žućenje polipropilena je neznatno. Međutim, profil napravljen od ove smole gubi površinski sjaj posle kraćeg vremena izloženosti. ABS je veoma sklon žućenju zbog butadienske gume od koje se sastoji, zato nije pogodan za permanentne spoljne primene. Još jedan važan kriterijum je udarna žilavost. Tipično, PVC prozorski profil mora pokazati vrednost udarne žilavosti po Šarpiju od najmanje 25 kJ/m². Udarna žilavost ASA materijala izabranog za eksperimentalni profil je nešto niža od ove vrednosti. Međutim, udarna žilavost profila koekstrudiranog od ASA i ABS je adekvatna.

Čvrstoća profila je opisana pomoću modula elastičnosti materijala (slika 4).

Slika 4. Moduli elastičnosti različitih smola za ekstrudiranje profila

Pošto je većina plastičnih prozorskih profila ojačana čeličnim ili aluminijumskim profilom, sama čvrstoća plastike nije toliko značajna. Vrednost od 2300 N/mm² je uobičajena specifi kacija za neojačani PVC. Plastični prozorski ramovi se prave zavarivanjem različitih delova profila. Dobre osobine zavarivanja su najbitnije za jake spojeve.

Jedan aspekt dobrog ponašanja materijala pri zavarivanju je potreba za optimalnom viskoznošću omekšane plastike na specifi čnom opsegu temperatura. Čvrstoća veza je okarakterisana vrednošću nazvanom faktor zavarivanja, koja se određuje testovima deformisanja zavarenih uglova na prozorskom ramu. PVC–u je veoma lako zavariti tehnikom vruće ploče.

Kako stiren kopolimeri apsorbuju vlagu iz atmosfere relativno brzo, profil napravljen od tih smola mora se zavariti odmah posle ekstrudiranja. Ako se to propusti, profil se pre zavarivanja mora osušiti. Moguće je postići vrednost faktora zavarivanja od 0,94 do 0,96 pod optimizovanim uslovima zavarivanja.

Moguća alternativa ili dopuna zavarivanju moglo bi biti ojačanje ugaonog spoja nekim tipom metalnog umetka koji se zatvara. Polipropilen je teško zavariti na mašinama konstruisanim za PVC prozorske ramove – postizanje određene čvrstoće vara je samo jedan od problema.

OPREMA ZA EKSTRUDIRANJE

Ekstruder

Većina PVC–U (70–80 %) se proizvodi u prahu (za razliku od materijala u granulama). Iako je na konvencionalnim ekstruderima veoma teško rukovati prahom, PVC–U se obično obrađuje na CICT (unutrašnji preklapajući kontra rotirajući) dvopužnim mašinama. Dvopužni ekstruderi se ponašaju kao pozitivno premeštajuće pumpe sa malim stepenom trenja, što čini izuzetan transport i fi nu plastifi kaciju ovog  polimera osetljivog na toplotu. Zahvaljujući njihovom kompleksnom dizajnu, dvopužni ekstruderi koštaju dva do tri puta više od jednopužnih mašina. Svi ostali tipovi polimera imaju granule u obliku cilindra ili sočiva. Materijal u granulama ima prednost da je lakši za homogenizovanje u ekstruderu, a takođe može u sebi da sadrži bilo koji neophodni pomoćni materijal za obradu, kao što je toplotni stabilizator.

U principu, smole u granulama se mogu obrađivati na dvopužnim ektruderima, očigledna prednost za fabrike koje se bave obradom PVC–a, i mogu ih obrađivati na postojećim mašinama. Treba napomenuti da obrađivanje ovih smola na dvopužnim ektruderima može rezultovati povećanim habanjem. Razlog je viša temperatura topljenja ovih materijala u odnosu na PVC–U. U zoni dovoda, čvrsti materijal ide kroz zazore među puževima i razdvaja ih, a oni se trljaju o zidove barela. Lakše je i ekonomičnije (i što se tiče habanja) obrađivati PP i stiren kopolimere na jednopužnim mašinama, uključujući i mašine sa ižlebljenim zonama dovoda. Stiren kopolimeri se moraju osušiti pre upotrebe, ili se moraju obrađivati na ekstruderu koji ima ventilaciju. Veliki kapacitet proizvodnje se može postići korišćenjem ižlebljenog barela zajedno sa pužem visokog kvaliteta, opremljenim oblastima za smicanje i mešanje.

Dizna i jedinica za kalibraciju

Uobičajeni problemi u vezi kvaliteta koje uzrokuje loše projektovana dizna za ekstrudiranje PVC–a su izgoreli delovi i naslage na površini profila. Ovo nije problem sa alternativnim polimer smolama.

Glavne razlike u projektu dizna za stiren kopolimere u odnosu na dizne za PVC potiču od osobina istopljenih stiren kopolimera da se lepe na zid kada teku. Lepljenje za zid se može prevazići, na primer, lokalnim proširenjem u toku kanala. Kalibracija profila stiren kopolimera može se uporediti sa kalibracijom PVC–U. Međutim, može se ukazati potreba za modifikovanjem jedinice za kalibraciju, ako se uzme u obzir neznatna razlika u skupljanju ova dva materijala. Činjenica da je polipropilen polimer sa polukristalnom strukturom i da komplikuje projektovanje dizne i jedinice za kalibraciju. Ovde je neophodno uzeti u obzir da se dešava iznenadno zapreminsko skupljanje na temperaturi na kojoj polimer kristališe.

Jedinice donjeg toka

U principu se mogu koristiti jedinice donjeg toka (npr. izvlakač i jedinice za sečenje) koje se koriste i za PVC. Tabela 3 predstavlja skup osobina i cene. Ovaj projekat jasno pokazuje izvodljivost ekstrudiranja profila od stiren kopolimera. Alternativa za PVC profil je koekstrudirani profil koji sadrži ABS u kombinaciji ASA. Takva kombinacija predstavlja balans osobina koje nudi PVC, dok koekstrudiranje ima konkurentnu cenu. Studije pokazuju da je cena prozorskog ASA/ABS sistema samo 10-15% viša od cene odgovarajućeg PVC sistema. Polipropilen ima suviše tehničkih nedostataka da bi se uspešno koristio za pravljenje prozorskih profila.

ZAKLJUČAK

Polimeri koji se koriste za ekstrudiranje profila moraju zadovoljiti odgovarajuće zahteve. PVC je proveren materijal, pošto se godinama koristi za proizvode koji se ekstrudiraju zahvaljujući izvrsnoj kombinaciji osobina i cene. ASA predstavlja alternativu za PVC koji se ekstrudira, posebno za prozorske profile. On takođe nudi dobar balans osobina.