玻璃鋼門窗用拉擠型材的研究

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門窗用拉擠型材的研究中國玻璃鋼綜合信息網　日期: 2010-01-27 　閱讀: 15726 　字體:大中小　雙擊滑鼠滾屏 1 前言玻璃鋼拉擠型材集鋁合金型材高的剛度和PVC塑料型材低的導熱性於一身，並且獨有高的尺寸穩定性和耐腐蝕性，是建築門窗用新一代型材品種。2 玻璃鋼型材的性能參數綜合建築門窗的使用要求和玻璃鋼材料的特點，確定門窗用玻璃鋼型材材料理化性能指標和型材尺寸指標，見表1和表2所示。表1 玻璃鋼型理化性能指標性能指標值試驗方法密度(kg/m3)縱向彎曲強度(MPa)縱向彎曲彈性模量(GPa)橫向彎曲強度(MPa)橫向彎曲彈性模量(GPa)簡支梁衝擊強度(kJ/m2)熱變形溫度(℃)樹脂含量(％)樹脂不可溶分含量(％)巴氏硬度 1800～1900≥200≥10≥50≥6≥150≥200≤50≥85≥35 GB/T1463GB/T1449GB/T1449GB/T1449GB/T1449GB/T1451GB/T1634GB/T2527GB/T12576GB/T3854

表2 玻璃鋼型材尺寸偏差指標項目指標值截面外形尺寸(mm)壁厚尺寸(mm)表面軸向直線度(mm/m) ±0.5±0.2≤2

3 玻璃鋼型材的材料設計與生產高性能門窗用玻璃鋼型材為多腔薄壁異型材，標準壁厚為2mm，最小壁厚可至1．5mm，生產速度可達0．7～1．0m/min。3．1 材料設計玻璃鋼型材主要用單向玻璃纖維粗紗及玻璃纖維氈作為增強材料，其中單向玻璃纖維粗紗用於增強型材的縱向強度，玻璃纖維氈用於增強型材的橫向強度。型材外表面採用薄玻璃氈以提高製品表面質量。作為粘合劑作用的基體混合料由不飽和聚酯樹脂、低收縮添加劑、固化劑、脫模劑、填料及其它輔料配製而成。型材外壁標準截面構成如圖1所示，是由三層構成。 (1)富樹脂層：為抗老化層，由表面氈和樹脂構成；

圖1 玻璃鋼拉擠型材標準鋪層示意圖 (2)橫向增強層：增加型材橫向強度，由連續纖維增強氈和樹脂構成； (3)縱向增強層：增加型材縱向強度，由玻纖粗紗和樹脂構成。3．2 材料及工藝參數的研究拉擠物料在牽引機的牽引下從模具中通過，當移動到模具長度方向上的某一點，逐漸達到膠凝溫度，引髮膠凝和固化反應，發生放熱，樹脂溫度急劇升高，粘度增加，迅速轉變成堅硬的固體，伴隨發生體積收縮，作用到模具壁上的壓力急速下降，直至為零，最終從模具壁脫離，形成一定間隙。在膠凝區有一個液體樹脂和膠凝體構成的液一固介面，由於溫度傳遞的滯後作用，外表面樹脂的膠凝化必然早於物料中心處，致使這個介面為月牙狀斷面，膠凝體為中心圓錐形。圖2中，設模具壁長度方向上的膠凝體長度為 y，膠凝體對模具壁的粘接強度為Sa，錐形的膠凝體的厚度為t，膠凝體拉伸強度為σ，上述膠凝體物理參數之間，應滿足下述關係：y·Sa<t·σ

圖2 膠凝區成形不意圖從關係式可以看出，材料和工藝參數的設計應遵從下述原則： (1)盡量減少y值，即儘可能的減少膠凝區長度，在可能的條件下採用高反應型樹脂或提高膠凝區模具溫度； (2)減少粘接強度Sa，主要通過使用高效脫模劑來實現； (3)儘可能使t值增大，這要求盡量減少基體層厚度，提高反應速度對此也有一定作用； (4)提高σ，在樹脂中適當選用填料或選用玻璃化溫度高的樹脂配方。3．2．1 樹脂高速生產多腔薄壁異型材的拉擠樹脂應滿足的基本條件有： (1)高的反應活性； (2)高的玻璃化溫度； (3)儘可能高的浸潤速度； (4)適當的粘度特性。低反應活性的樹脂反應速度慢，甚至在較短的模具停留時間內，不能完成固化反應，膠凝區太長，生產困難；為調節樹脂基體的反應活性，可選用適當的引發劑或者選用多種引發劑共同引發。間苯型樹脂的玻璃化溫度高，膠凝時間短且膠凝體的強度較高，容易浸漬纖維，且粘度適中(500～600厘泊)，填料不易下沉，非常適合生產多腔薄壁異型材。為了提高拉擠速度和儘可能的縮短膠凝時間，應採用低溫、中溫、高溫共同引發的多級引發系統，使樹脂基體在較低的溫度下就能引發，以保證內層和外層的樹脂基體能夠同時固化，消除由於內外樹脂基體固化時間不一樣而產生的裂紋和型材彎曲現象，採用此體系，還可以很大程度上縮短膠凝時間，提高膠凝體的強度，減少工藝事故率的發生，提高了拉擠速度，且增大了固化度，從而提高了型材的表面質量。3．2．2 模具溫度拉擠模具在長度方向上按順序至少分4個區域：預成型區、加熱一區、加熱二區、加熱三區。各區域的功能各不相同。預成型區(人口段)：此區不設加熱，只是使混合液膠凝發生前各種增強材料要各就其位，並在模具的擠壓下得到進一步浸漬。加熱一區：其作用是對整個拉擠物料進行加熱，使之達到膠凝溫度以下的某一個合適的溫度，這個加熱區應當具有足夠的長度，以便使拉擠物料整個截面的溫度趨於一致並進行充分的再浸漬，實現合理的基體迴流和遷移，完成增強材料準直化和精確定位，提高製品的緻密性，該區溫度一般應比膠凝區低15℃左右。加熱二區(膠凝區)：此區是拉擠型材的關鍵區域，在這段區域，拉擠物料大量釋放化學反應熱，直接傳到模具壁上。如果此區域累積熱量過高，產品會由於熱應力作用產生層間裂紋，因此，膠凝區溫度的確定必須綜合考慮樹脂的反應活性、基體配方、拉擠速度和製品厚度。在必要的限制條件下，膠凝區溫度應儘可能高，一般控制在140—150℃。加熱三區(出口段)：此區域的溫度一般應比膠凝區低25℃左右，以控制冷卻速度。3．3 設備3．3．1 模具模具選用高強度的工具鋼材料製成，工作表面鍍鉻或滲氮，以保證型材的表面質量，同時提高模具的使用壽命。玻璃鋼型材表面的增強材料是一層補強玻纖，補強玻纖的缺點是不能形成大的角度和彎度，而對於型材的尖、角、凸起等位置，增強材料不能進入，導致尖角部位沒有增強材料而強度不足，並在生產過程中容易造成缺料使產品產生缺陷，為了解決這一矛盾，在模具的入口端型材的邊角部位設計了增強材料導向定位系統，並選用浸漬性好、帶有橫向增強的特種增強材料，從而保證型材邊角部位增強材料的含量能夠達到要求而不出現缺料、掉角現象。3．3．2 玻纖導嚮導流系統模具入口前設多級補強玻纖側嚮導向裝置和玻纖導流系統，使增強材料在進入模具之前就已經形成了和型材截面相似的形狀，並使增強材料均勻分布，保證了增強材料在模具中的直線度和準確度，減小了增強材料阻力，進而提高生產速度。3．3．3 多維自動模具調整裝置模具安裝於一個多維自動調整裝卡系統中，模具可自行調節，使玻璃纖維在成型中所形成的內應力最小，因而可以生產較薄的型材，且可保證型材的直線度。3．3．4 敞口尺寸保證和浮動校直系統型材離開模具後，敞口部位易變形收縮，軸向易彎曲。該系統利用型材離開模具後樹脂系統反應的後固化作用，提供外力抵消型材的收縮內應力和彎曲內應力，以保證敞口尺寸的精確和型材的直線度。3．3．5 壓力浸膠和多點式粘度控制系統採用壓力浸膠系統，樹脂從多點式粘度控制系統注射到氈和紗中，使玻璃纖維在高的牽引速度下能得到快速浸潤。4 玻璃鋼型材與鋼型材的複合用於普通建築門窗的玻璃鋼型材的剛度一般可以滿足使用要求，但對於大型門窗、高層建築或高風壓地區使用的門窗，玻璃鋼型材的剛度就顯得不足了，需要與其它高剛度材料(鋼或鋁等)複合使用，以提高其剛度。

圖3 玻璃鋼型材與鋼型材夏合使用典型截面圖3為玻璃鋼型材與鋼型材複合型材的截面圖，X軸為複合型材中性軸，X?軸為玻璃鋼型材中性軸，Xs軸為鋼型材中性軸。在正常荷載作用下，玻璃鋼型材和鋼型材有著共同的邊界約束條件即二者產生的撓度相等，由彎曲應力分布規律得到：（1）式中：ρ一複合型材中性層曲率半徑； EIx一複合型材剛度，且 (2) 式(2)中：E?、Es一玻璃鋼型材、鋼型材的縱向彎曲彈性模量；L?x，Isx一玻璃鋼型材、鋼型材對複合型材中性層的截面慣性矩 (3)式(3)中：I?x?、Isxs一玻璃鋼型材、鋼型材的截面慣性矩；A?、As一玻璃鋼型材、鋼型材的截面面積；b、a—玻璃鋼型材、鋼型材的中性層與複合型材中性層的距離，當兩個型材的中性層相距不大時，可以令 a =0、b=0，以簡化設計計算，其計算結果偏於安全。玻璃鋼型材和鋼型材分配的荷載為：其中：qy、My一複合型材承受的力、彎矩； q?y、M?y一玻璃鋼型材分配的力、彎矩； qsy、Msy一鋼型材分配的力、彎矩。用上述公式可以計算確定複合型材的剛度和承載能力。以生產不同應用場合的不同規格的複合型材。5 結論用拉擠玻璃鋼型材為主體材料製作的門窗作為一種新型門窗品種,以其優良的節能、隔聲和耐腐蝕等性能被稱為繼木、鋼、鋁合金及塑料等門窗之後的「第五代門窗」，被越來越多的人們所認可。採用玻璃鋼門窗，可大幅度地降低建築的採暖或製冷能耗，緩解能源需求增長與供給日益短缺的矛盾，並且提高居住的舒適度；同時還可減少採暖或製冷時二氧化碳、二氧化硫和臭氧等氣體的排放量，對於環境保護、社會可持續發展將具有深遠的現實和歷史意義。隨著國家建築節能力度的加大和法制化進程的加快，玻璃鋼門窗將得到廣泛應用，門窗用高性能、高質量的薄壁空腹異型材具有良好的市場前景和廣闊的發展空間。