Пластиковые окна (окна ПВХ)

Экспресс-метод определения долговечности ПВХ-профилей пластиковых окон.

Поливинилхлоридные (ПВХ) профили для строительной индустрии производятся в Европе уже более 30 лет. Объем их продаж в Германии за 15 последних лет возрос вчетверо и достиг 500 тысяч тонн, в Западной Европе — в 3,5 раза до отметки 700 тыс. тонн.

В России и Беларуси окна и двери из ПВХ стали широко использоваться только с середины 90-х. На рынке Беларуси активно конкурируют свыше десятка фирм, торгующих профилями, произведенными в основном в Германии. При широком предложении ПВХ-профилей Министерство архитектуры и строительства начало создавать собственную систему стандартизации и сертификации ПВХ-профилей, обеспечивающую высокое качество изделий и надежно установленные гарантийные сроки их эксплуатации в условиях республики. Важнейшим показателем в разрабатываемых национальных стандартах на ПВХ-профили стала долговечность. В процессе разработки выяснилось, что ни в немецких стандартах на пластмассовые оконные профили *, ни в проекте межгосударственного стандарта, разработанного в России, показателя долговечность, выражаемого в физических годах, нет. Вместе с тем имеются публикации, указывающие на то, что в независимом испытательном центре «Стройполимертест» ОАО «Полимерстройматериалы» совместно с отделом стандартизации строительных материалов Госстроя РФ разработана методика оценки долговечности ПВХ-профилей для окон и дверей, выражаемой в условных годах. Процесс старения ПВХ под воздействием искусственных климатических факторов ** контролируется по изменению механических свойств и цветовых показателей профилей после определенного количества циклов испытаний, соответствующих условному сроку службы (долговечности) в естественных условиях их эксплуатации.

Контрольными показателями являются: прочность при растяжении; ударная вязкость по Шарпи; изменение линейных размеров; коэффициент диффузного отражения (белизна) и цвет. Они определяются через каждые 25 циклов, соответствующих 7 условным годам эксплуатации в натурных условиях.

Продолжительность одного цикла составляет 6,5 часов и включает: УФ-облучение при 53°С; орошение водой; замораживание при –45°С; термостатирование при 60°С. Долговечность определяется числом условных лет, за которое изменение ударной вязкости по Шарпи, прочности при растяжении и белизны достигнет 0,5 от исходной величины.

Долговечность ПВХ-профилей ведущих германских фирм по этой методике составляет 40-50 условных лет. Хотя описанная методика и представляет собой объединение известных методов, базирующихся на общепринятых физико-химических воздействиях на полимерный материал, моделирующих эксплутационные факторы, она является, несомненно, прогрессивным шагом вперед в системе стандартизации и сертификации ПВХ-профилей.

Наряду с этим отметим, что традиционные испытания в аппарате искусственной погоды (везерометрах) достаточно длительны и протекают в течение сотен и тысяч часов. Кроме того, показатели, применяемые во всех стандартах для контроля за сроком эксплуатации ПВХ-профилей, не связаны напрямую с процессом изменения во времени молекулярной структуры ПВХ при старении и являются косвенными, опосредованными. Так, ударная вязкость по Шарпи существенно падает при деструктивном изменении молекулярной массы ПВХ, а цвет материала изменяется за счет дегидрохлорирования ПВХ, образования системы двойных сопряженных связей.

Долговечность полимерного материала объективно связана с параметром энергии активации термоокислительной деструкции ЕД экспоненциальной зависимостью, описанной выше.

Отличительной особенностью уравнения долговечности, предложенного нами, является зависимость предэкспоненты от критериального параметра ЕД. Для оценки долговечности конкретного материала из полимера данного класса остается лишь быстро и надежно определить значение параметра ЕД. Для этого используется широко распространенный метод дериватографии, кривая динамической термогравиметрии обрабатывается методом Бройдо (двойного логарифмирования). Метод позволяет на 200 мг материала профиля за один рабочий день определить ЕД, а следовательно, и рассчитать его долговечность.

При этом будут учтены: качество ПВХ-сырья (молекулярная масса и ММР полимера, наличие и эффективность стабилизирующей системы); технологическая дисциплина и уровень состояния оборудования при экструзии ПВХ-профилей; температура, при которой эксплуатируется ПВХ-профиль. Все остальные факторы: УФ-излучение, влажность, знакопеременные температуры, замораживание до любых минусовых температур — смогут быть учтены экспериментально единожды, через соответствующее понижение ЕД.

Эмпирические коэффициенты a и b устанавливаются раз для каждого класса полимеров по данным длительного теплового старения материалов из этих полимеров путем специального математического анализа с компьютерной обработкой, являющейся ноу-хау разработчиков.

Если предположить, что в процессе экструзии ПВХ-профилей строго соблюдается технологический режим и полимер не подвергается заметной термоокислительной деструкции за счет превышения температур, напряжений сдвига и времени пребывания материала в вязкотекучем состоянии, то долговечность ПВХ-профилей, кроме условий эксплуатации, будет зависеть главным образом от качества сырья. Для предотвращения разложения ПВХ как в процессе переработки, так и в процессе его эксплуатации, в него должна вводиться мощная система стабилизаторов: один компонент (соли свинца, а в последнее время соединения кальция, цинка и т. п.) выполняет роль акцептора HCl, выделяющегося из ПВХ; другой (производные фенола, ароматические амины и проч.) выступает в качестве антиоксиданта; третий (производные бензофинилов, бензтриазолов и т.п.) поглощает УФ-лучи, преобразуя их в тепло.

Предлагаемый экспресс-метод можно использовать как для полимерных труб, так и для входного контроля качества полимерного сырья, и для эффективности введенных стабилизаторов, что крайне важно для ПВХ.

И то, и другое быстро и надежно оценивается по значению энергии активации термоокислительной деструкции ЕД. На примере ПВХ-профилей различных производителей рассмотрим применение экспресс-метода для решения поставленных задач.

Анализ показывает, что по устойчивости к старению ПВХ-профили производства российской фирмы «Самарские оконные конструкции», например, находятся на уровне ПВХ-профилей ведущих германских фирм КВЕ / КБЕ, Aluplast / «Алюпласт», Rehau / «Рехау», и несколько превосходят исследованные нами профили фирмы Gealan / «Джилэн».

С помощью данного метода установлено, что для определения гарантийного срока эксплуатации ПВХ-профилей для оконных и дверных блоков в 30 лет необходимыми условиями являются: значение ЕД для исходных, не эксплуатировавшихся, изделий не ниже 180 кДж/моль; понижение энергии активации деструкции DЕД под воздействием: суммарной дозы УФ-излучения ксеноновой лампы АИП 8 ГДж/м2 (доза эквивалентна в условиях Беларуси 30 годам естественного солнечного облучения); внутренних напряжений, возникающих при охлаждении до –40°С; знакопеременных температурах при дождевании не должно превышать 85 кДж/моль. Величина DЕД должна быть точно установлена однажды при использовании методик, аккредитованных органами стандартизации, аналогичных описанной.

Экспериментально установлено, что максимальная температура в материале белого профиля в условиях климата Беларуси может достигать 50°С. При температурах ниже 20°С процессы старения ПВХ протекают с очень низкими скоростями, поэтому долговечность при пониженных температурах не прогнозируется, материал считается «законсервированным» (влияние температур, близких к температуре хрупкости ПВХ, учитывается через DЕД).

Баланс времени, в течение которого в ПВХ-профиле развиваются повышенные температуры, для Беларуси выглядит следующим образом: Т = 50°С — время 300 часов; при 40°С — 200 часов; при 30°С — 600 часов; при 20°С — время составит 1120 часов.

Общее время действия температур, снижающих долговечность ПВХ-профиля — 2220 часов. В расчет принимались май, июнь, июль, август и 30 суток из апреля и сентября. Восемь ночных часов в летние сутки не учитывались, т.к. температура в это время ниже 20°С (баланс времени действия температур может быть уточнён для любого региона по данным строительной климатологии).

Для расчета долговечности при переменной температуре должен быть использован принцип сложения долей разрушения:

t = 0,50t20° + 0,27t30° + 0,09t40° + + 0,135t50° = 24,65 + 6,97 + 0,37 + 0,18 = = 32,17 лет

Таким образом, при качестве материала ПВХ-профилей, оцениваемом значением ЕД в 180 кДж/моль, долговечность полимера окон и дверей — 32 года.

 На примере ПВХ-профилей производства фирмы «Самарские оконные конструкции», деструктирующих с ЕД равным 185 кДж/моль, долговечность должна быть выше, что и показывает расчёт:

t = 0,50 х 98,4 + 0,27 х 25,4 + 0,09 х 7,2 + + 0,135 х 2,2 = 57 лет

Нами также установлено, что ПВХ, соскобленный с поверхностного слоя профиля толщиной 10-20 мкм, деструктирует с гораздо меньшей ЕД, чем опилки, полученные из массы того же профиля.

Например, ЕД стружки профиля «Самарские оконные конструкции» равна 158 кДж/моль, а профиля Rehau — 155 кДж/моль. Это связано с технологией экструзии профилей, когда их поверхности, примыкающие к стенкам формующих полостей, перегреваются больше, чем весь объем ПВХ-массы.

В результате макромолекулы ПВХ в поверхностных слоях профиля существенно деструктируют, понижение ЕД достигает 30 кДж/моль. Вследствие этого полимерный материал на поверхности заметно ослаблен, а учитывая, что такие эксплуатационные факторы, как УФ-излучение, влага и знакопеременные температуры воздействуют практически только на поверхностные слои ПВХ, разрушение профиля всегда будет происходить начиная с его поверхности. Это обстоятельство должно быть учтено при разработке методик контроля качества ПВХ-профилей, в том числе методик определения их долговечности.

Разработанный нами экспресс-метод оценки долговечности ПВХ оконных и дверных профилей и готовящийся к введению на его основе Стандарт Беларуси позволят за одни сутки на доступном оборудовании определить долговечность этих изделий, выраженную в понятных астрономических годах для любых климатических условий их эксплуатации. Получаемые при этом данные по долговечности хорошо коррелируют с данными сертификационных испытаний, проводимых отделом стандартизации строительных материалов Госстроя Российской Федерации.