门窗用拉挤型材的研究
中国玻璃钢综合信息网 日期: 2010-01-27 阅读: 15726 字体:大 中 小 双击鼠标滚屏
1 前 言
玻璃钢拉挤型材集铝合金型材高的刚度和PVC塑料型材低的导热性于一身，并且独有高的尺寸稳定性和耐腐蚀性，是建筑门窗用新一代型材品种。
2 玻璃钢型材的性能参数
综合建筑门窗的使用要求和玻璃钢材料的特点，确定门窗用玻璃钢型材材料理化性能指标和型材尺寸指标，见表1和表2所示。
表1 玻璃钢型理化性能指标
性能 指标值 试验方法
密度(kg/m3)
纵向弯曲强度(MPa)
纵向弯曲弹性模量(GPa)
横向弯曲强度(MPa)
横向弯曲弹性模量(GPa)
简支梁冲击强度(kJ/m2)
热变形温度(℃)
树脂含量(％)
树脂不可溶分含量(％)
巴氏硬度 1800～1900
≥200
≥10
≥50
≥6
≥150
≥200
≤50
≥85
≥35 GB/T1463
GB/T1449
GB/T1449
GB/T1449
GB/T1449
GB/T1451
GB/T1634
GB/T2527
GB/T12576
GB/T3854
表2 玻璃钢型材尺寸偏差指标
项目 指标值
截面外形尺寸(mm)
壁厚尺寸(mm)
表面轴向直线度(mm/m) ±0.5
±0.2
≤2
3 玻璃钢型材的材料设计与生产
高性能门窗用玻璃钢型材为多腔薄壁异型材，标准壁厚为2mm，最小壁厚可至1．5mm，生产速度可达0．7～1．0m/min。
3．1 材料设计
玻璃钢型材主要用单向玻璃纤维粗纱及玻璃纤维毡作为增强材料，其中单向玻璃纤维粗纱用于增强型材的纵向强度，玻璃纤维毡用于增强型材的横向强度。型材外表面采用薄玻璃毡以提高制品表面质量。
作为粘合剂作用的基体混合料由不饱和聚酯树脂、低收缩添加剂、固化剂、脱模剂、填料及其它辅料配制而成。
型材外壁标准截面构成如图1所示，是由三层构成。
(1)富树脂层：为抗老化层，由表面毡和树脂构成；
图1 玻璃钢拉挤型材标准铺层示意图
(2)横向增强层：增加型材横向强度，由连续纤维增强毡和树脂构成；
(3)纵向增强层：增加型材纵向强度，由玻纤粗纱和树脂构成。
3．2 材料及工艺参数的研究
拉挤物料在牵引机的牵引下从模具中通过，当移动到模具长度方向上的某一点，逐渐达到胶凝温度，引发胶凝和固化反应，发生放热，树脂温度急剧升高，粘度增加，迅速转变成坚硬的固体，伴随发生体积收缩，作用到模具壁上的压力急速下降，直至为零，最终从模具壁脱离，形成一定间隙。在胶凝区有一个液体树脂和胶凝体构成的液一固介面，由于温度传递的滞后作用，外表面树脂的胶凝化必然早于物料中心处，致使这个介面为月牙状断面，胶凝体为中心圆锥形。
图2中，设模具壁长度方向上的胶凝体长度为 y，胶凝体对模具壁的粘接强度为Sa，锥形的胶凝体的厚度为t，胶凝体拉伸强度为σ，上述胶凝体物理参数之间，应满足下述关系：y·Sa<t·σ
图2 胶凝区成形不意图
从关系式可以看出，材料和工艺参数的设计应遵从下述原则：
(1)尽量减少y值，即尽可能的减少胶凝区长度，在可能的条件下采用高反应型树脂或提高胶凝区模具温度；
(2)减少粘接强度Sa，主要通过使用高效脱模剂来实现；
(3)尽可能使t值增大，这要求尽量减少基体层厚度，提高反应速度对此也有一定作用；
(4)提高σ，在树脂中适当选用填料或选用玻璃化温度高的树脂配方。
3．2．1 树脂
高速生产多腔薄壁异型材的拉挤树脂应满足的基本条件有：
(1)高的反应活性；
(2)高的玻璃化温度；
(3)尽可能高的浸润速度；
(4)适当的粘度特性。
低反应活性的树脂反应速度慢，甚至在较短的模具停留时间内，不能完成固化反应，胶凝区太长，生产困难；为调节树脂基体的反应活性，可选用适当的引发剂或者选用多种引发剂共同引发。
间苯型树脂的玻璃化温度高，胶凝时间短且胶凝体的强度较高，容易浸渍纤维，且粘度适中(500～600厘泊)，填料不易下沉，非常适合生产多腔薄壁异型材。
为了提高拉挤速度和尽可能的缩短胶凝时间，应采用低温、中温、高温共同引发的多级引发系统，使树脂基体在较低的温度下就能引发，以保证内层和外层的树脂基体能够同时固化，消除由于内外树脂基体固化时间不一样而产生的裂纹和型材弯曲现象，采用此体系，还可以很大程度上缩短胶凝时间，提高胶凝体的强度，减少工艺事故率的发生，提高了拉挤速度，且增大了固化度，从而提高了型材的表面质量。
3．2．2 模具温度
拉挤模具在长度方向上按顺序至少分4个区域：预成型区、加热一区、加热二区、加热三区。各区域的功能各不相同。
预成型区(人口段)：此区不设加热，只是使混合液胶凝发生前各种增强材料要各就其位，并在模具的挤压下得到进一步浸渍。
加热一区：其作用是对整个拉挤物料进行加热，使之达到胶凝温度以下的某一个合适的温度，这个加热区应当具有足够的长度，以便使拉挤物料整个截面的温度趋于一致并进行充分的再浸渍，实现合理的基体回流和迁移，完成增强材料准直化和精确定位，提高制品的致密性，该区温度一般应比胶凝区
低15℃左右。
加热二区(胶凝区)：此区是拉挤型材的关键区域，在这段区域，拉挤物料大量释放化学反应热，直接传到模具壁上。如果此区域累积热量过高，产品会由于热应力作用产生层间裂纹，因此，胶凝区温度的确定必须综合考虑树脂的反应活性、基体配方、拉挤速度和制品厚度。在必要的限制条件下，胶凝区温度应尽可能高，一般控制在140—150℃。
加热三区(出口段)：此区域的温度一般应比胶凝区低25℃左右，以控制冷却速度。
3．3 设备
3．3．1 模具
模具选用高强度的工具钢材料制成，工作表面镀铬或渗氮，以保证型材的表面质量，同时提高模具的使用寿命。
玻璃钢型材表面的增强材料是一层补强玻纤，补强玻纤的缺点是不能形成大的角度和弯度，而对于型材的尖、角、凸起等位置，增强材料不能进入，导致尖角部位没有增强材料而强度不足，并在生产过程中容易造成缺料使产品产生缺陷，为了解决这一矛盾，在模具的入口端型材的边角部位设计了增强材料导向定位系统，并选用浸渍性好、带有横向增强的特种增强材料，从而保证型材边角部位增强材料的含量能够达到要求而不出现缺料、掉角现象。
3．3．2 玻纤导向导流系统
模具入口前设多级补强玻纤侧向导向装置和玻纤导流系统，使增强材料在进入模具之前就已经形成了和型材截面相似的形状，并使增强材料均匀分布，保证了增强材料在模具中的直线度和准确度，减小了增强材料阻力，进而提高生产速度。
3．3．3 多维自动模具调整装置
模具安装于一个多维自动调整装卡系统中，模具可自行调节，使玻璃纤维在成型中所形成的内应力最小，因而可以生产较薄的型材，且可保证型材的直线度。
3．3．4 敞口尺寸保证和浮动校直系统
型材离开模具后，敞口部位易变形收缩，轴向易弯曲。该系统利用型材离开模具后树脂系统反应的后固化作用，提供外力抵消型材的收缩内应力和弯曲内应力，以保证敞口尺寸的精确和型材的直线度。
3．3．5 压力浸胶和多点式粘度控制系统
采用压力浸胶系统，树脂从多点式粘度控制系统注射到毡和纱中，使玻璃纤维在高的牵引速度下能得到快速浸润。
4 玻璃钢型材与钢型材的复合
用于普通建筑门窗的玻璃钢型材的刚度一般可以满足使用要求，但对于大型门窗、高层建筑或高风压地区使用的门窗，玻璃钢型材的刚度就显得不足了，需要与其它高刚度材料(钢或铝等)复合使用，以提高其刚度。
图3 玻璃钢型材与钢型材夏合使用典型截面
图3为玻璃钢型材与钢型材复合型材的截面图，X轴为复合型材中性轴，X?轴为玻璃钢型材中性轴，Xs轴为钢型材中性轴。在正常荷载作用下，玻璃钢型材和钢型材有着共同的边界约束条件即二者产生的挠度相等，由弯曲应力分布规律得到：
（1）
式中：ρ一复合型材中性层曲率半径；
EIx一复合型材刚度，且
(2)
式(2)中：E?、Es一玻璃钢型材、钢型材的纵向弯曲弹性模量；L?x，Isx一玻璃钢型材、钢型材对复合型材中性层的截面惯性矩
(3)
式(3)中：I?x?、Isxs一玻璃钢型材、钢型材的截面惯性矩；A?、As一玻璃钢型材、钢型材的截面面积；b、a—玻璃钢型材、钢型材的中性层与复合型材中性层的距离，当两个型材的中性层相距不大时，可以令 a =0、b=0，以简化设计计算，其计算结果偏于安全。
玻璃钢型材和钢型材分配的荷载为：
其中：qy、My一复合型材承受的力、弯矩；
q?y、M?y一玻璃钢型材分配的力、弯矩；
qsy、Msy一钢型材分配的力、弯矩。
用上述公式可以计算确定复合型材的刚度和承载能力。以生产不同应用场合的不同规格的复合型材。
5 结论
用拉挤玻璃钢型材为主体材料制作的门窗作为一种新型门窗品种,以其优良的节能、隔声和耐腐蚀等性能被称为继木、钢、铝合金及塑料等门窗之后的“第五代门窗”，被越来越多的人们所认可。
采用玻璃钢门窗，可大幅度地降低建筑的采暖或制冷能耗，缓解能源需求增长与供给日益短缺的矛盾，并且提高居住的舒适度；同时还可减少采暖或制冷时二氧化碳、二氧化硫和臭氧等气体的排放量，对于环境保护、社会可持续发展将具有深远的现实和历史意义。
随着国家建筑节能力度的加大和法制化进程的加快，玻璃钢门窗将得到广泛应用，门窗用高性能、高质量的薄壁空腹异型材具有良好的市场前景和广阔的发展空间。
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