ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ПЕНОПОЛИУРЕТАНОВАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ ОГРАЖДАЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ

Данная полезная модель относится к области строительства, в частности производству светопрозрачных и сплошных ограждающих конструкций, применяемых как внутри помещений, так и в качестве атмосферостойких ограждений.
В настоящее время особое значение в строительстве и эксплуатации объектов имеет энергоэффективность применяемых материалов и конструкций, произведенных из них, в частности ограждающих конструкций, - сплошных, таких как двери, декоративные и функциональные перегородочные панели, декоративно-теплоизолирующие накладки, отливы, подоконники, и светопрозрачных, такие как остекленные оконные и дверные конструкции. Основным показателем энергоэффективности описанных изделий является теплопроводность конструкций и материалов. Такие широко применяемые пенополимеры, как пенополиуретан и пенополистирол обладают на сегодняшний день наименьшими показателями теплоемкости и широко применяются в энергоэффективных строительных конструкциях в качестве энергоэффективного наполнителя. Однако при этом они обладают малой прочностью, и в большинстве случаев формирование из них самостоятельных конструкций с несущим или самонесущим функционалом невозможно.
Для достижения прочностных свойств конструкций как правило, используется внешнее армирование. Из общего уровня техники известны такие способы формирования тел сплошных и светопрозрачных ограждающих конструкций, как внешнее армирование сталью, алюминиевым профилем, жесткими видами пластика, такими, как ПВХ. Известны такие конструктивы, как функциональные и декоративные сендвич-панели с покрытием из стали или ПВХ, в качестве ограждающих конструкций - рамы и створки, как сплошные, так и остекляемые (светопрозрачные) в комбинации ПВХ или алюминиевого профиля с наполнением из пенополимеров.
Отличительной чертой от сплошных ограждающих конструкций или конструкций, обладающих большой площадью плоскости, обеспечивающей конструкционную прочность, является требование к прочности элементов с относительно малым профилем, являющихся одновременно носителями нагрузки на опорно-подвесные элементы монтажа - фурнитуру, и обеспечивающим целостность встраиваемых светопрозрачных элементов, как правило, выполненных их стекла.
Технология производства таких конструкций различны, но результатом является полный или частичный внешний жесткий корпус изделия с заполнением его полости пенополимером. Соединение слоев происходит за счет первичной адгезии при пенообразовании, реже - с использованием промежуточных адгезионных слоев, клеев.
Недостатком такой технологии является наличие значительных мостиков холода по периметру изделия и на участках соединения поверхностей внутренними перегородками в связи с высокой теплоемкостью металлов и плотных пластиков, высокая температурная - геометрическая нестабильность вследствие различия коэффициентов термического линейного расширения, приводящая к расслоению материалов, низкий срок службы изделий, армированных сталью и ПВХ.
Для сплошных ограждающих конструкций, таких, как двери, утеплительные декоративные панели отношение площади мостиков холода по периметру к площади поверхности конструкций невелико, но для светопрозрачных - окон и остекленных дверей, весьма значительно. Даже при незначительном понижении внешних температур поверхность оконных рам и створок с алюминиевым и ПВХ покрытием со стороны помещений понижается, часто находится на уровне точки росы, покрывается конденсатом, что способствует возникновению и росту грибка. Такие дверные и оконные конструкции с достаточно узким профилем рам и створок не могут быть признаны энергоэфективными.
Деревянные светопрозрачные ограждающие конструкции обладают лучшими по сравнению с металлопластиковыми или комбинированными пенополимер-металл или полимер-ПВХ конструкциями параметрами энергоэффективности, но при этом имеют более высокую удельную стоимость. Использование относительно недорогой древесины с малой плотностью приводит к неминуемому изменению геометрии уже в начальных сроках эксплуатации. Более плотная и тем более обработанная фиксирующими составами древисина кроме совокупно высокой стоимости как самой древисины, так и производственного процесса, обладает более высокой теплоемкостью, что существенно снижает основной параметр - энергоэффективность.
Целью создания полезной модели являлось достижение технического результата - увеличение энергоэффективности изделия при сохранении прочностных свойств, исключение из конструкции материалов с высокими показателями температурного расширения, как металл и ПВХ, повышение срока службы изделий.
Объектом данной полезной модели является профильная ограждающая конструкция, исполненная по технологии формирования из как минимум двух слоев вспененного полиуретана с различной плотностью. Под профильной конструкцией подразумевается изделие с несущим конструкционным профилем, в котором значение площади изделия кратно превышает значение его толщины, как дверные полотна сплошные и с светопрозрачными вставками, отливы, декоративно-теплоизоляционные накладки, элементы рам и створок светопрозрачных конструкций, в которых при относительно малом по площади сечения профиле требуется достижение определенной конструкционной прочности, способной обеспечить высокие эксплуатационные характеристики изделия, конструкционную прочность и износостойкость.
Настоящая полезная модель является результатом объединения применяемых технологий построения слоистых пенополимерных тел, построена по комбинации технологий литья изделий из пенополимеров в пресс-форме с последующим склеиванием полученных слоев под давлением и отличается тем, что в качестве усиливающего и формообразующего покрытия используется не армирующие материалы и накладки из пластика и металла, а внешний отдельно изготавливаемый пенополиуретановый слой с более высокой удельной массой, чем основной формообразующий слой. При этом оба слоя обладают близким по значению коэффициентом температурного расширения и при применении пластичных связующих клеевых слоев обеспечивают высокую температурную стабильность изделия в целом.
Сутью технологии, используемой при построении полезной модели - литья под низким давлением, является формирование тела конструкции из жесткого наполнителя из вспениваемых полимерных материалов, применительно к настоящей модели это пенополиуретан, в пресс-форме под атмосферным или повышенным давлением. Плотность материала равнораспределена в массе, поверхностный слой, с учетом образованной при литье поверхностной интегральной корки, обладает соответствующей твердостью и прочностью. Из общего уровня развития технологий известно, что усиление поверхностного слоя вспененных материалов достигается армированием по поверхности более прочными материалами, содержащими или нет армирующие волокна - стеклоткань, рубленое стекловолокно, прочие армирующие материалы с пропиткой из композитных составов, или состоящими из более прочных полимерных соединений или материалов.
В такой усиливающий слой могут интегрироваться элементы крепления. Элементы креплений могут формироваться как неотъемлемая часть усиливающего слоя в процессе литья непосредственно из применяемого материала. Толщина усиливающего слоя выбирается, исходя из прочностных требований к изделию.
Применяемый для формообразующего слоя пенополиуретан имеет теплопроводность в пределах 0,03-0,06 Вт/(м*С), что в десять раз ниже, чем теплопроводность деревянного массива, а пенополиуретан, применяемый для усиливающего слоя, имеет теплопроводность до 0,18 Вт/(м*С) при 58 Вт/(м*С) у стали и 221 Вт/(м*С) у алюминия. Интегрированные усиливающие волокна и наноматериалы существенного влияния на теплопроводность не оказывают.
Пеноролиуретан обладает очень большим, до 50 лет эксплуатационным сроком при условии защиты от высоких температур, агрессивных кислотных сред и ультрафиолета
В качестве финишного покрытия используется полиуретановый лак, краска или порошок, имеющий очень высокие покровные и прочностные характеристики, стойкий к атмосферным воздействиям и ультрафиолету и имеющий большой срок службы в пределах 50 лет и выполняющий защитную и декоративную функции, не влияет на теплопроводность изделия в целом.
Отличительной чертой, используемой комбинации технологий, является возможность задавать любую форму профилю изделия. Автору не известно о применении такой комбинированной технологии применительно к строительным ограждающим конструкциям.
На Фиг. 1 показан общий вид светопроницаемой ограждающей конструкции с нетрадиционным профилем со схематическим разрезом, где указано:
1 - рама ограждающей конструкции
2 - створка ограждающей конструкции
3
3 - основное тело из пенополиуретана плотностью 80-250 кг/м
3
4 - усиливающий профиль из пенополиуретана плотностью 250-1400 кг/м
5 - внешне покрытие из полиуретанового лака
6 - стеклоблок
Слои 2 и 3 на схеме указаны схематически, их толщина завышена.
Построение светопроницаемой ограждающей конструкции:
Формирование основного тела и усиливающего слоя производится раздельно в специализированных пресс-формах путем их заполнения вспениваемой полиуретановой смесью соответствующей плотности с добавками из армирующих материалов или без.
3
Основное тело формируется в пресс-форме из пенополиуретана плотностью 80-250 кг/м. Выбор плотности материала зависит от размеров створки и рамы и условий эксплуатации. При подготовке пресс-форм закладываются технологические полости и отверстия и профили для последующей установки фурнитуры, тяг, замков, прочих элементов.
Армирование может выполняться как в теле слоев методом введения рубленого стекловолокна либо иного материала, вводимого в пресс-форму в составе вспениваемой массы, либо в виде поверхностного армирования. При таком методе перед заливкой пенополиуретана внутренняя поверхность пресс-формы покрывается слоем стекловолокна, углеродного волокна, фибры. После отверждения этот слой, интегрированный в поверхность, значительно увеличивает прочность и нагрузочную способность изделия.
3
3
Усиливающий внешний профиль выполняется методом заливки в пресс-форму под давлением пенополиуретана плотностью 250-1400 кг/м, имеет толщину слоя 2-5 мм, может включать инрегрируемые конструктивные элементы и полости для внешнего крепежа. Такое решение позволяет значительно увеличить связи материалов внешних креплений и элементов с материалом профиля. Прочности материала плотностью свыше 800 кг/м достаточно, чтобы надежно удерживать несущие и крепежные элементы и обеспечить надежное их крепление на весь срок эксплуатации изделия. Сторона усиливающего профиля, направленная к основному телу, может также армироваться волоконным материалом. Фиксирующие планки, накладные элементы выполняются по этой же технологии.
Затем заготовки объединяются и склеиваются в единой пресс-форме под давлением термореактивным композитным или специализированным клеем для пенополиуретана, имеющими высокие адгезионные свойства в отношении к применяемым материалам, после чего заготовка, имеющая форму готового изделия, окрашивается в камере с последовательным нанесением 3х-4х слоев жидкого полиуретанового двухкомпонентного лака. После окончательной сушки изделие полностью готово к установке стеклопакета и внешних декоративных элементов и фурнитуры.
На Фиг. 2 показан пример сечения пресс-формы для формирования основного тела конструкции из пенополиуретана низкой плотности, где схематически отображено:
3
3 - основное тело из пенополиуретана плотностью 80-250 кг/м
7 - сборные части пресс-формы основного тела.
На Фиг. 3 показан пример сечений пресс-формы для формирования усиливающего профиля конструкции из пенополиуретана высокой плотности., где схематически отображено:
3
4 - усиливающий профиль из пенополиуретана плотностью 250-1400 кг/м
8 - сборные части пресс-формы усиливающего профиля. На данном примере показано формирование сложного профиля, состоящего из трех отдельных элементов, в последствии стыкуемых друг с другом для создания единого усиливающего профиля.
Соединение заготовок производится специализированным клеем для пенополиуретана или быстрофиксируемым двухкомпонентным термореактивным клеем в специализированных прес-формах.
На Фиг. 4 показан процесс соединения основного тела с усиливающим профилем, где схематически отображено:
3
3 - основное тело из пенополиуретана плотностью 80-250 кг/м
3
4 - усиливающий профиль из пенополиуретана плотностью 250-1400 кг/м
9 - составные части пресс-формы оборудования для склейки изделия
10 - технологическая полость
Возможно получение заготовок с нестандартными размерами методом комбинирования угловых и наращивания линейных элементов. Для обеспечения прочности при наращивании линейных элементов участки стыков основного тела и усиливающего профиля не должны совпадать. Наращивание производится по выставляемым лекалам и позволяет достичь высокой степени геометрической точности изделия.
По окончании формирования заготовки производится осмотр, устранение дефектов, корректировка поверхности шлифовкой или шпаклеванием, проверяется проходимость технологических отверстий и полостей, производится сверление отверстий, которые невозможно обеспечить технологией заливки в пресс-форме.
Процесс формирования заготовок и их склеивания в пресс-формах обеспечивает высокую скорость производства, геометрическую точность изделий, низкую энергоемкость процессов.
Основным техническим результатом применения технологии раздельного формирования объемоформирующего и усиливающего слоев является возможность изготовления профиля сложной формы с большими перепадами высот, углублениями в разных плоскостях и углами прилежащих поверхностей, которые технически невозможно реализовать в одном цикле отливки изделия даже в сложной составной в пресс-форме. При данной технологии в сложносоставной пресс-ворма вормируется объемоформирующий слой, а усиливающий профиль состоит из отдельных компонентов сложной формы, изготовление которой доступно одним циклом заливки.
Окраска заготовки производится в окрасочной камере распылителями в несколько этапов с периодами сушки предыдущих слоев. Такое покрытие из полиуретанового лака имеет высокие адгезионные свойства к основному материалу, крайне низкий коэффициент линейного температурного расширения, максимальную устойчивость к ультрафиолету и внешним воздействиям, высокие потребительские и эстетические свойства и срок службы, гарантировано превышающий 20 лет. В твердом состоянии полиуретан обладает теплоемкостью, значительно ниже, чем у металлов, но выше, чем у пенополимера. В связи с малой толщиной слоя не влияние на общую теплоемкость изделия ничтожна, мостики холода отсутствуют. Поверхность изделия в нормальных условиях всегда находится выше точки росы, не подвержена грибковому заражению.
Форма профиля светопрозрачных ограждающих конструкций может варьироваться как под применение стандартных методов установки стеклоблоков и применения стандартизированной фурнитуры, так и под индивидуально изготавливаемую фурнитуру и способы установки и крепления стеклянных полотен.
Технический результат применения полезной модели
Изделие, полученное по описанной технологии, имеет крайне высокие теплоизоляционные свойства при сохранении прочностных характеристик, необходимых и достаточных для функционирования светопрозрачных ограждающих конструкций любого типа и высокой геометрической точности в процессе производства.
Полиуретан, как материал, применяемый для формирования всех элементов конструкции, экологически безопасен и долговечен.