El estudio explora formas de hacer que las ventanas de PVC sean más cálidas y agregar componentes reciclables

Los marcos de PVC se basan en una estructura metálica para su estabilidad. Pero, ¿qué pasaría si en lugar de metal se utilizara otro material duradero con menor conductividad térmica? Esto mejoraría el aislamiento térmico general de la ventana y su eficiencia energética, haciendo que los hogares sean más cálidos y respetuosos con el medio ambiente. Una técnica de fabricación común que podría producir elementos de andamio alternativos ha sido probada y refinada en un estudio realizado por investigadores de Skoltech, publicado en Materiales y diseño.

En el artículo, el equipo informa sobre la producción de perfiles compuestos termoplásticos (tubos rectangulares hechos de plástico reforzado con fibra de vidrio) utilizando una tecnología llamada pultrusión. Consiste en pasar cintas disponibles comercialmente hechas de fibra de vidrio con polipropileno a través de una máquina que las calienta y las fusiona en un espacio reducido. La parte larga resultante en forma de tabla, tabla o viga se llama perfil.

El estudio revela detalles hasta ahora desconocidos del proceso de fabricación que ayudarán a los fabricantes a evitar un consumo excesivo de energía y defectos en el producto final. «Verá, aunque entendemos bien cómo se comportan los llamados polímeros termoestables durante la pultrusión, este no es el caso de los polímeros termoplásticos, como el polipropileno en este estudio. Pero la pultrusión podría tener mucho sentido con estos polímeros también. ” dijo l ‘Asociado. El profesor Alexander Safonov de Skoltech Materials, investigador principal del proyecto.

A diferencia de los polímeros termoestables, sus homólogos termoplásticos se pueden fundir y consolidar repetidamente. Para un andamio de marco de ventana de PVC hecho de piezas de polímero reforzado con fibra, esto tiene varias ventajas, explica Safonov: «Se pueden soldar, son reciclables y durante su fabricación no se liberan compuestos orgánicos volátiles nocivos al medio ambiente. Además, Los materiales de partida, es decir, las cintas, son rentables porque tienen una vida útil muy larga”.

Estas consideraciones llevaron a los investigadores de Skoltech a experimentar con la pultrusión de perfiles compuestos de polipropileno reforzado con fibra de vidrio.

«En la matriz, las tiras se calientan desde abajo y desde arriba, y si imaginamos una sección transversal de un perfil rectangular producido por este proceso, no sabemos cómo se distribuye la temperatura en su interior. Y esto es importante, porque si alguna partes del perfil no reciben suficiente calor, el producto estará defectuoso. Además, queríamos ver cuánto calor se necesita realmente para que el perfil se solidifique, porque si aumenta el calor cada vez solo para estar seguro, enfrentar costos de servicios públicos innecesarios», afirmó el autor principal del estudio, Kirill Minchenkov, estudiante de doctorado en Skoltech Materials.

El equipo se basó en un sensor de temperatura conocido como termopar para medir cómo varía la temperatura en un punto de la sección transversal a medida que el perfil se calienta y se enfría posteriormente en el proceso de pultrusión.

El termopar se compone esencialmente de dos cables acoplados hechos de diferentes aleaciones. En esta disposición, su conductividad eléctrica varía de forma muy predecible en función de la temperatura ambiente. Luego, al pasar el termopar junto con las cintas a través del molde, los investigadores pudieron monitorear la temperatura local del material en cualquier momento.

Estos datos de medición se obtuvieron para varias velocidades a las que se pueden pasar las cintas a través de la máquina, desde 3,3 milímetros por segundo hasta cuatro veces más rápido. Conociendo la conductividad térmica del material y la evolución de la temperatura cerca del centro del perfil observada en el experimento, los investigadores crearon un modelo geométrico de las matrices calentadas y enfriadas y calcularon la distribución de temperatura para toda la sección transversal.

Tras obtener estas distribuciones de temperatura, el equipo también estudió con un microscopio óptico los perfiles fabricados a diferentes velocidades de tracción y los sometió a pruebas de resistencia mecánica. De los probados, solo la velocidad de tracción más lenta resultó ser adecuada para producir perfiles de alta calidad, como lo demuestran las pruebas microscópicas y mecánicas.

Curiosamente, después de un examen cuidadoso de las micrografías de perfil del escenario (b), los investigadores encontraron que los defectos se encontraban dentro del área central encerrada por el contorno blanco en el mapa de temperatura, o tenían una naturaleza diferente y eran el resultado de imperfecciones en la vista aproximada. . materiales (es decir, fibras impregnadas no poliméricas en las cintas), en lugar de mediante el proceso de pultrusión.

Al final resultó que, la zona central fría que albergaba los defectos no sólo no había alcanzado el punto de fusión del polipropileno, sino que ni siquiera había alcanzado la temperatura de reblandecimiento Vicat ligeramente más baja. En áreas que excedieron este umbral de temperatura, el material se consolidó según fue necesario incluso por debajo del punto de fusión.

«Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que es posible conservar energía y ahorrar costos de servicios públicos calentando las cintas a la temperatura Vicat, a menos que el fabricante tenga motivos para dudar de la calidad de los materiales de partida. Sin embargo, si las cintas preconsolidadas contienen defectos en la forma de poros, calentarlos por encima de la temperatura Vicat y hasta el punto de fusión es la mejor opción para eliminar estos defectos”, dijo Minchenkov.

Después de realizar experimentos, modelados y pruebas mecánicas en perfiles planos, el equipo produjo un tubo hueco cuadrado del mismo material para demostrar su aplicabilidad en marcos de ventanas de PVC.

Cuando se le preguntó sobre los últimos avances del proyecto y los planes futuros del equipo, el coautor del estudio Sergey Gusev, ingeniero senior de Skoltech Materials, responsable de producir las muestras, comentó: «En este estudio estudiamos sólo compuestos reforzados con fibra de vidrio con polipropileno como una matriz polimérica. Pero también estamos explorando otros materiales. En este momento estamos experimentando con fibras de carbono y basalto y matrices de poliamida y sulfuro de polifenileno».

«Esto podría dar a los perfiles pultruidos una ventaja adicional para aplicaciones en la construcción, ventanas de PVC y más».