1. Uvod
Već više od 60 godina za različite primene kod spoljnih profila (prozorski ramovi, zastori…) koristi se PVC. Međutim, kako je njegovo ponašanje dobro poznato i njime dobro ovladano, što se tiče primena belo obojenih profila, veoma retko se za spoljne primene koristi obojeni PVC.
Neki proizvođači su koristili i još uvek koriste PVC za tamno braon prozorske ramove bojene u masi. Ovakvo rešenje zahteva upotrebu supstance otporne na ultraljubičasto zračenje, i stoga veoma skup PVC. Sad to ne radi skoro niko.
Da bi zadovoljili potražnju za različitim bojama, ne samo za tamno braon ili tamno zelenom, koje predstavljaju 90% tržišta, nego i za žutom, crvenom i plavom itd., proizvođači su se okrenuli drugim rešenjima. Pomenućemo neka koja se najčešće koriste: akrilni zaštićeni plastificirani PVC filmovi, (PU ili akrilna) boja ili PMMA/PVC koekstruzija.
Dva glavna problema koja se javljaju kada se koriste obojene varijante, na koje boje su s jedne strane otporne na ultra-ljubičasto ozračenje, a s druge strane deformacija usled preteranog stvaranja toplote kod tamnih boja kada su izložene suncu.
Mada je u većini slučajeva prvi problem prevladan, drugi uglavnom nije. Preporučuje se ugradnja tamno obojenih profila samo u oblastima gde nema mnogo jakog sunca. Mi ovde nudimo rešenje, koje ima prednost jer nudi 100% PVC pristup, pošto se on lako reciklira, i koje je dokazalo da je pogodno za otklanjanje kako problema otpornosti na vremenske prilike i tako i problem toplotne deformacije.
2. Globalni PVC pristup
On se sastoji u koekstrudiranju obojenog PVC sloja otpornog na ultra-ljubičaste zrake sa niskim koeficijentom apsorpcije infra crvenih zraka na bazni sloj PVC-a koji ima nisku otpornost na ultra-ljubičaste zrake i koji je jeftiniji.
Debljina površinskog sloja mora biti ograničena na 200 μm, jer smatramo da je ona neophodna i adekvatna za dobijanje dobre boje. Otpornost na ultra-ljubičaste zrake ovog sloja je odlična. Kasnije ćemo prikazati neke standardne boje. Konačno, struktura ovakve površine PVC-a je dizajnirana tako da ograniči apsorpcije infracrvenih sunčevih zraka, i na taj način da održava porast temperature i rezultirajuću deformaciju u okviru prihvatljivih
ograničenja.
Bazni sloj mora biti ili standardni beli PVC, ili obojeni PVC koji ima istu nijansu boje kao površinski sloj, ali sa niskom otpornošću na ultra-ljubičasto zračenje. O nekim delikatnim slučajevima (npr. tamno braon zastor) možda će biti neophodno korišćenje PVC-a čiji bazni sloj ima osobine malog procenta skupljanja, ili visoke tačke omekšavanja. U ovim poljima se još vrše proučavanja.
3. Stabilnost za prirodno starenje
3.1 Standardne formule
Izrađen je opseg standardnih boja, počev od ovih osnovnih boja. U mogućnosti smo da ponudimo skoro sve nijanse tih boja. Opseg boja uključuje tamno braon, zelenu, plavu, žutu, crvenu, narandžastu i ljubičastu.
Ove formulacije su bile podvrgnute prirodnom starenju u:
Bandolu: Jug Francuske, na obali mora
Rajnbergu: Nemačka, Rurski basen
Ubatubi: Južni Brazil
3.2 Mesta na kojima je ispitivana otpornost na vremenske prilike i njihove karakteristike
Svi procesi ispitivanja otpornosti na vremenske prilike su počeli 2013. Rezultati koji su vam na raspolaganju odgovaraju petogodišnjoj izloženosti.
3.3 Rezultati dobijeni sa standardnim bojama
Kriterijum koji se koristi je skala vizuelnog sivog (grej) kontrasta (VGC), u skladu sa ISO 105 AO2. Ona vizuelno određuje razvoj boje u poređenju sa referentnom epruvetom koja nije bila izložena vremenskim uticajima. Skala ide od 5 (nema razlike) do 1 (velika razlika). Prihvatljivo ograničenje je 2,5. Ova skala se može zameniti skalom A03, koja je pogodnija za procenjivanje svetlih i pastelnih boja. Međutim, kao što je pokazano na dijagramu (slika 1), skala A03 je mnogo manje osetljiva od skale A02 (34 jedinice ΔE između 5 i 1 u odnosu na samo 14 jedinica na skali A02).
Nije preporučljivo koristiti instrumentalno merenje za obojene proizvode, zato što ovaj metod nije dovoljno osetljiv na beljenje izazvano mikro pukotinama. Slike 2, 3 i 4 pokazuju ponašanje braon, zelene i plave formulacije na tri mesta na kojima je ispitivana otpornost na vremenske prilike.
Posle 5 godina, VGC tri formulacije je veći ili jednak 3,5, čak i u Ubatubi vrednosti koje odgovaraju braon i plavoj formulaciji posle četiri godine izloženosti starenju pokazuje iznenadan pad, posle koga se ponovo poboljšavaju (efekat stvaranja krede prirodno eliminisan vetrom i kišom).
Slike 5, 6 i 7 pokazuju razvoj žute, narandžaste, crvene i ljubičaste formulacije. Ove formule imaju prilično dobru otpornost, ali najkritičnije su crvena i ljubičasta boja. U Bandolu, samo crvena boja pokazuje značajno opadanje posle 5 godina. U Rajnbergu, sve boje imaju savršenu otpornost. U Ubatubi, VGC vrednosti crvene i ljubičaste formulacije imaju tendenciju opadanja posle 5 godina.
Može se zaključiti da otpornost na vremenske prilike formulacija, koje predstavljaju veliki deo tržišta, izuzetno zadovoljava čak i u ekstremnim klimatskim uslovima Južnog Brazila. Najkritičnije formule su crvene i ljubičaste, mada veoma dobro opstaje u različitim klimatskim uslovima, u mediteranskoj ili tropskoj klimi.
4. Smanjenje temperature površine
4.1 Problem tamnih boja
Tamno obojeni profili apsorbuju više sunčevog zračenja od svetlijih profila. Iz tog razloga će njihova temperatura na površini tokom izlaganja sunčevoj svetlosti biti viša. Ovaj porast temperature, koji može biti priličan, naročito u slučaju tamno braon boja, uzrokuje dva tipa deformacija.
Prvi tip deformacije je reverzibilan: čini ga širenje PVC-a zbog porasta temperature. Povezano je sa koeficijentom širenja PVC-a, a on iznosi oko 5,5 · 10-5 /K. Ovo širenje se vraća u prvobitno stanje kada temperatura opadne, na primer uveče.
Drugi tip deformacije je problematičniji, zato što je ireverzibilan: on se sastoji od oslobađanja unutrašnjeg napona skupljenog tokom ekstruzija. Zaista, kada temperatura raste, nasumična reorijentacija molekula dovodi do kontrakcija profila šire poznate pod nazivom skupljanje. S druge strane, pošto čvrstoća profila opada sa porastom temperature, deformacija još lakše uzrokuje napon. Skupljanje se dešava na niskoj temperaturi (56°C), i zatim se brzo povećava sa porastom temperature. Dijagram na slici 8 pokazuje skupljanje izmereno na uzorcima izloženim temperaturama od 60 i 70°C.
Kada se temperatura spušta sa 70 na 60°C, skupljanje je smanjeno sa 0,85 μm na 0,4 μm tj. za više od polovine.
Oba tipa deformacija (termalno širenje i skupljanje zbog unutrašnjeg napona) se dešavaju na površini koju je ugrejalo sunce. Zbog loše provodljivosti PVC-a zagrejanost ne prelazi na suprotnu površinu, čija temperatura ostaje znatno niža. Ove deformacije rezultiraju savijanjem profila, a u slučaju prozorskih ramova, lomljenjem zavarenih uglova.
Za eliminisanje ili smanjenje ovog problema koji se dešava kod tamnih boja mogu se primeniti sledeće metode:
- ograničenje unutrašnjeg napona tokom ekstruzije,
- pravljenje tolerancije za skupljanje i širenje kada se profili ugrađuju,
- rad na recepturi da bi se ograničio gubitak tvrdoće zbog porasta temperature,
- rad na recepturi bez modifikovanja boje da bi se smanjila temperatura na površini tokom izloženosti suncu.
Poslednje rešenje je bolje objašnjeno u tekstu koji sledi. U isto vreme, za ekstremne slučajeve nastavljeno je razvijanje formulacija koje karakterišu mali procenat skupljanja ili poboljšana termomehanička stabilnost.
4.2 Temperature površine dobijene „hladnim“ formulama
Ograničavanje temperature površine bez modifikovanja same boje nije samo stvar biranja pravog pigmenta. Cela receptura mora biti pažljivo ispitana. Ona u isto vreme mora da ponudi dobru otpornost na vremenske prilike i niže temperature površine tokom izlaganja suncu od onih koje se obično dostižu sa upotrebom klasičnih formulacija.
Razvijene su određene vrste formulacija koje zovemo „hladne“ formule. Ove komponente su testirane u različitim uzorcima, kako IR lampom u laboratoriji, tako i na sunčevoj svetlosti.
4.2.1 Merenje sa IR lampom – laboratorijski test
Uređaj za laboratorijsko testiranje je opremljen sa 15 setova od 8 IR lampi, od kojih svaka ima jačinu 250 W, tj. ukupna jačina je 30 kW.
Pošto postoji velika razlika u spektru između lampi i sunčeve svetlosti nije moguće koristiti merenje radijacije pomoću uređaja za merenje (Luxmetar) kao referencu za poređenje sa sunčevom svetlošću. Postavljanjem lampi tokom testova izloženosti se zato izvodi na osnovu temperature površine okruglih epruveta prečnika 9,2 cm tamno braon nalepljene na PS blokove. Iste epruvete su bile izložene sunčevoj svetlosti tokom nekoliko leta, da bi se odredila maksimalna temperatura za koju postoji verovatnoća da će dostići u Briselu, u položaj upravnom na pravac sunčevih zraka. Ova maksimalna temperatura dostiže oko 70°C na temperaturi vazduha od 35°C, tj. porast temperature od 35°C.
Temperatura površine se meri IR kamerom instaliranom otprilike 1 m od epruveta. Prvi testovi se sastoje od merenja temperature površine sivo obojenih ploča debljine 1 mm pomoću „hladne“ formule, koja u poređenju sa klasičnom formulom nudi veoma slične kolorimetrijske koordinate. Pločice za testiranje su nalepljene na prozorski ram koji je malo svetlije sive boje.
Dijagram na slici 9 pokazuje rezultate merenja. Na maksimalnoj temperaturi od 70 °C, temperaturna razlika između dve ploče je 15 °C. Dijagram na slici 10 pokazuje porast temperature dve epruvete, tj. razliku između temperature površine i temperature vazduha.
Drugi test se sastoji od merenja temperatura površine okruglih epruveta prečnika 3,2 cm u tri boje: beloj, klasično braon i „hladno“ braon. Ove komponente su korišćene pre izrade prozorskih ramova izloženih sunčevoj svetlosti tokom leta 2018. Na to ćemo se vratiti kasnije. Dijagram na slici 11 pokazuje rezultate merenja. Razlika u stvaranju povišene temperature između klasično i „hladno“ braon je oko 5°C za maksimalnu vrednost povišene temperature od 35°C u epruveti i prouzrokovane akumulacijom toplote.
4.2.2 Merenje pri izloženosti sunčevoj svetlosti
Tokom nekoliko letnjih perioda na okruglim epruvetama različitih boja, postavljenih upravno u odnosu na pravac sunčevih zraka, merene su temperature površine. Slika 12 pokazuje vrednosti dobijene kao funkcije koordinate L*.
Korelacija između L* i temperature površine epruveta upravno postavljenih u odnosu na pravac sunčevih zraka
Može se primetiti da za isto L* postoji velika razlika u temperaturi. Tri okrugle epruvete (bela, „hladno“ tamno braon), koje odgovaraju prozorskim ramovima testiranim na sunčevoj svetlosti u avgustu 2018, su prikazane na grafiku. Razlika u temperaturi između dve braon formulacije je 8,5°C.
S druge strane, izmerene temperature odgovaraju koeficijentu apsorpcije solarne energije (IR i vidljiva), slika 13. Tri iste epruvete su ponovo predstavljene na grafiku. Dijagram pokazuje da kod boja koje ostanu nepromenjene, koeficijenti apsorpcije solarne energije imaju nižu vrednost kod „hladnih“ nego od klasičnih formula.
Korelacija između koeficijenta apsorpcije solarne energije i temperature površine okruglih epruveta koje su položene upravno na pravac upada sunčevih zraka
Slika 14 pokazuje rezultate merenja dobijene za tri prozorska rama koja su položena vertikalno i okrenuta ka jugu, kao funkcija zagrevanja braon reference epruveta, postavljenih na istu ploču. U ovom slučaju, izmerena razlika između klasične i „hladne“ braon formulacija je oko 5°C, ali može porasti do 8°C u ekstremnijim klimatskim uslovima.
Vertikalni prozorski ramovi (okrenuti ka jugu)
5. Zaključak
Formulacije koje predstavljaju cilj ovog rada, nude u isto vreme odličnu otpornost na vremenske prilike i nizak koeficijent apsorpcije solarne energije, što rezultira nižom vrednošću stvaranja toplote pri izloženosti sunčevoj svetlosti.
Pošto oni imaju nižu temperaturu površine (oko 10°C za najtamnije boje), deformacija profila će se znatno smanjiti.
Zbog svoje kompleksnosti, ove formulacije se mogu koristiti ekonomično u procesima koekstruzije (200 μm ili manje) na jeftinom PVC baznom sloju. Specijalne PVC bazne slojeve sa niskim stepenom skupljanja ili visokom termomehaničkom stabilnošću treba zahtevati samo u ekstremnim slučajevima. Ovakvo rešenje se još uvek proučava.
Globalni pristup PVC-u koji je predložen, a koji se zasniva na njegovoj prednosti da može da se reciklira, treba da otvori nova tržišta koja su do sada bila nemoguća za upotrebu PVC-a, na primer, PVC tamno braon zastor.
Autori teksta: Prof. dr D. Škobalj, Ž. Đokić, dipl. inž.
