Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Новая деталь сделает окна ПВХ теплее и экологичнее
ПВХ-профили, из которых сделаны пластиковые окна, дополнительно укрепляются стальным сердечником. Если заменить металл на материал, который хуже проводит тепло, то термоизоляционные свойства окон улучшатся, и в помещении станет теплее, а расход энергии на отопление снизится. Технологию изготовления альтернативных армирующих элементов для окон ПВХ испытали и усовершенствовали в Сколтехе.
Исследование опубликовано в журнале Materials & Design. Авторы работы изготовили полые термопластичные полимерные композитные профили — прочные трубки из пластика, укрепленного стекловолокном, — при помощи метода пултрузии. Последний предполагает протяжку лент из насыщенного полипропиленом стекловолокна через аппарат, в котором они нагреваются и сплавляются в узком пространстве. В итоге из аппарата вытягивается длинная деталь в форме доски, стержня или трубы, которую и называют профилем.
Исследование раскрывает ранее неизвестные тонкости процесса передачи тепла при пултрузии, знание которых поможет производителям избежать дефектов в профилях и снизить энергопотребление при их изготовлении. «Довольно хорошо известно, как ведут себя во время пултрузии так называемые термореактивные полимеры, чего нельзя сказать о термопластичных полимерах, таких как рассмотренный нами в этой работе полипропилен. Но последние тоже весьма перспективны для производства армированных композитных профилей», — прокомментировал исследование его руководитель, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Александр Сафонов.
Разница между термопластичными и термореактивными полимерами в том, что первые можно повторно расплавить и снова отвердить, а вторые при изготовлении застывают раз и навсегда. Если говорить о производстве армирующих элементов для пластиковых окон и других деталей, то укрепленные волокном термопластичные композиты имеют ряд преимуществ, рассказывает Сафонов: «Их можно сваривать. Их можно перерабатывать. Их производство не влечет вредных выбросов летучих органических соединений. Кроме того, сырье, то есть ленты, имеет почти неограниченный срок годности».
Поперечное сечение профиля в тот момент, когда он проходит самую горячую точку фильеры (температура нагревателя — 200 градусов Цельсия). Распределение температуры внутри профиля показано цветами для трех сценариев: в случае (a) изделие протягивается через аппарат медленнее всего (3,3 мм/с) и потому прогревается сильнее всего, если же удвоить (b) и тем более утроить (c) скорость протяжки, то удовлетворительного прогрева не достигается, и, как мы увидим ниже, это ведет к браку / © Кирилл Минченков и другие / Materials & Design
Эти соображения подтолкнули материаловедов из Сколтеха экспериментировать с пултрузией композитных профилей из армированного стекловолокном полипропилена.
«В фильере ленты нагреваются снизу и сверху, но было неизвестно, как именно температура распределяется по сечению профиля, если вы его представите в разрезе. А это важно, потому что если какая-то часть профиля нагреется недостаточно, то изделие будет бракованным. В то же время интересно, как нагреть профиль достаточно, но не слишком сильно, потому что если всегда перестраховываться в плане температуры, производитель будет нести избыточные расходы на электроэнергию», — пояснил первый автор исследования, аспирант Центра технологий материалов Сколтеха Кирилл Минченков.
Ученые измерили, как температура вблизи центра поперечного сечения профиля меняется в ходе нагрева и охлаждения в пултрузионной машине. Для этого использовалось устройство под названием термопара — два провода из различных сплавов, которые соединены на одном конце. Электропроводность такого «комбинированного» проводника предсказуемым образом меняется в зависимости от температуры в точке контакта двух сплавов. Исследователи протянули термопару через фильеру вместе с лентами из стекловолокна и полипропилена и таким образом получили возможность отслеживать температуру вблизи центра профиля.
Оптическая микроскопия среднего из трех профилей с предыдущей иллюстрации. В соответствии с рассчитанным распределением температуры по сечению (повторено в цвете внизу) профиль содержит структурные дефекты, которые значительно менее выражены (дополнительные снимки — в научной статье) при более низкой скорости протяжки и, наоборот, усугубляются на более высоких скоростях / © Кирилл Минченков и другие / Materials & Design
Такое измерение провели для скоростей протяжки лент от 3,3 мм/с до в четыре раза более высокой. Зная теплопроводность материала и измеренную в эксперименте динамику температуры вблизи центра профиля, ученые рассчитали распределение температуры по всему сечению (изображение выше), построив геометрическую модель фильеры.
Определив температурное распределение, коллектив провел исследование изготовленных профилей на оптическом микроскопе и испытал их механические характеристики. И микроскопия, и проверка на прочность показали, что лишь изготовленные на самой медленной из четырех скоростей изделия имеют надлежащее качество.
Интересно, что при ближайшем рассмотрении снимков профиля из сценария (b) выясняется, что дефекты либо попадают в центральную зону, которая обведена на карте температур белым контуром, либо образовались не в процессе пултрузии, а связаны с недостатком сырья — наличием не пропитанных полимером волокон в лентах. Оказывается, что «дефектная зона» в центре профиля не просто не прогрелась до температуры плавления полипропилена, а даже не достигла более низкой отметки, называемой температурой размягчения по Вика́. В тех же областях, которые перешли этот температурный порог, консолидация материала произошла даже ниже температуры плавления.
«В итоге мы делаем вывод, что при условии заведомо высокого качества сырья производитель может экономить электроэнергию, прогревая профиль до температуры Вика, а не сильнее, — отметил Минченков. — Однако если используемые для пултрузии преконсолидированные ленты содержат дефекты в виде пор, то для их устранения все же необходим прогрев до температуры плавления полимера».
Сваренная в угол труба из укрепленного стекловолокном термопластичного полимера (слева), изготовленная исследователями для демонстрации возможности применения такого рода деталей в качестве замены армирующего элемента из металла внутри профилей окон ПВХ (справа) / © Кирилл Минченков и другие / Materials & Design
Выполнив описанные эксперименты, моделирование и испытание механических свойств на плоских профилях, коллектив изготовил из того же материала квадратную трубу и продемонстрировал тем самым применимость подобных деталей для укрепления ПВХ-профилей пластиковых окон.
Плоские профили, изготовленные методом пултрузии на скоростях протяжки от 3,3 мм/с (a) до вдвое (b), втрое (c) и вчетверо (d) более высокой / © Кирилл Минченков и другие / Materials & Design
В ответ на вопрос о новых шагах в рамках проекта и планах коллектива на будущее соавтор исследования, старший инженер Центра технологий материалов Сколтеха Сергей Гусев, рассказал: «В этой работе мы рассматривали композиты, в которых полимерной связующей был полипропилен, а армирующим компонентом — стекловолокно, но мы расширяем круг материалов. Сейчас мы уже проводим эксперименты с базальтовым и углеволокном, а также другими термопластичными полимерами: полиамидом и полифениленсульфидом. Одно из сочетаний этих материалов может оказаться еще более подходящим для использования в строительстве — в окнах ПВХ и не только». Освещенное в пресс-релизе исследование поддержано Российским научным фондом в рамках проекта.
Telegram 
Дзен 
VK Представления о политическом устройстве древних майя долгое время сводились к образу всемогущего обожествленного царя. Однако новые находки археологов в джунглях Гватемалы показали, что на смену абсолютной монархии там пришла куда более открытая форма власти — с советами, открытыми заседаниями и коллективной ответственностью.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Палеонтологи из ЮАР и Франции впервые обнаружили невылупившийся эмбрион древнего синапсида — эволюционного предшественника млекопитающих. Находка, сделанная в породах раннего триасового периода, завершает 180-летние поиски яйцекладущих предков человека. Исследование доказывает, что древние животные откладывали мягкие кожистые яйца, скорлупа которых не сохраняется в окаменелостях. Это открытие помогает понять, как в ходе эволюции у млекопитающих появилось молоко.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно