Profile okienne z PVC – nowoczesne to znaczy jakie

STRESZCZENIE

Celem artykułu jest przybliżenie historii rozwoju profili z nieplastyfikowanego poli(chlorku winylu) PVC-(U) do produkcji stolarki okiennej na przestrzeni ostatnich 30 lat z uwzględnieniem zmian w przepisach oraz rozwoju technologii. Jest to także próba określenia kierunku zmian, jakim będą podlegać tego typu wyroby, istotnie związanych z zużyciem i oszczędnością energii oraz komfortem cieplnym użytkowników okien.

ABSTRACT

The aim of the article is to address the history and development of unplasticized polyvinylchloride (PVC-U) profiles used in the production of windows over the last 30 years, with particular consideration given to changes in regulations and technology development. It also attempts to indicate a trend on how such products will change, taking into account energy consumption and conservation as well as thermal comfort of window users.

W początkach lat 90. ubiegłego wieku profile PVC stały się synonimem nowoczesnych rozwiązań konstrukcji okiennych, jednak wraz z upływem czasu rozwiązania postrzegane jako nowoczesne spowszedniały i dziś już nikogo nie dziwią okna plastikowe. Jednak pamiętać trzeba o tym, że między profilami tłoczonymi 30 lat temu a tłoczonymi dzisiaj istnieje naprawdę technologiczna przepaść. Pomijając oczywiście własności cieplne profili obecnie produkowanych z tymi sprzed ćwierćwiecza, znaczące zmiany nastąpiły w obszarze, który jest dla przeciętnego użytkownika niedostrzegalny. Chodzi mianowicie o sam proces produkcji, czyli wytłaczania. Zanim jednak przejdziemy do omawiania zmian zachodzących w profilach PVC używanych do produkcji okien lub szerzej stolarki otworowej, należą się dwa słowa wyjaśnienia, dlaczego właśnie parametry cieplne są obecnie punktem wyjścia i mają duże znaczenie dla wszystkich porównań.

Rys. 1. Wpływ szerokości profili na wartości przenikalności cieplnej U_f stolarki okiennej

W normie PN-EN 14351-1+A2:2016-10 Okna i drzwi – Norma wyrobu, właściwości eksploatacyjne – Część 1: Okna i drzwi zewnętrzne podane są właściwości podstawowe, które należy określić dla stolarki okienno-drzwiowej, oraz jaki wpływ na zmianę danej właściwości ma zmiana danego komponentu zastosowanego w oknie lub drzwiach (załącznik A, tablica A.1 normy). Tymi właściwościami są:

1. wodoszczelność,
2. przepuszczalność powietrza,
3. odporność na obciążenie wiatrem,
4. izolacyjność akustyczna,
5. przenikalność cieplna,
6. nośność urządzeń zabezpieczających (okna),
7. wysokość (drzwi),
8. właściwości związane z promieniowaniem,
9. zawartość substancji niebezpiecznych.

Właściwości 1-3 zależą głównie od sposobu zorganizowania zakładu produkującego stolarkę otworową, co nie znaczy, że profil lub jego kształt nie mają wpływu na te właściwości. Oczywiście, że mają, jednak z takich samych profili można zrobić zarówno okno nienadające się nawet do zainstalowania w przykładowym garażu, jak i o wysokich parametrach (tzn. pozwalających na montaż stolarki w dość ekstremalnych warunkach użytkowania, np. 8. piętro budynku mieszkalnego w Gdyni z widokiem na morze). Właściwości 6 i 8 zależą od zastosowanych komponentów innych niż profile tworzywowe, a mianowicie od okuć budowlanych i zainstalowanej szyby termoizolacyjnej.

Właściwość 7 to po prostu wymiar pionowy światła przejścia zależny od wymagań klienta.

Właściwość 9 dotyczy wydzielania do wnętrza pomieszczeń wolnego chlorku winylu i chociaż tworzywem do produkcji
okien i drzwi jest PVC-(U), czyli polichlorek winylu) – nieplastyfikowany, to proces polimeryzacji jest zupełny od lat 70. ubiegłego wieku, a zatem niebezpieczeństwo zatrucia tym związkiem nie powinno spędzać nam snu z powiek. Również jeśli chodzi o dodatki, takie jak: napełniacze, plastyfikatory, stabilizatory, barwniki (pigmenty), antystatyki czy antypiryny, to tutaj zgodnie z rozporządzeniem REACH zabronione jest stosowanie związków toksycznych. Dla przykładu od 2015 r. zabronione jest stosowanie w produkcji profili PVC-(U) stabilizatorów kadmowo-ołowiowych (Cd-Pb), zamiast nich są używane stabilizatory wapniowo-cynkowe (Ca-Zn).

Rys. 2. Rozwiązania wielokomorowych profili z uwzględnieniem różnych sposobów wzmacniania profili ościeżnicy i skrzydła

Właściwość 4 zależy od konstrukcji profilu okiennego lub drzwiowego o tyle tylko, że do profili o większej głębokości zabudowy (tzw. grubości) można wstawić szybę o lepszych parametrach izolacyjności akustycznej. Pozostałe aspekty konstrukcyjne, takie jak liczba komór, kolor, zastosowanie wzmocnień stalowych czy ilość i ciągłość uszczelek (pod warunkiem jej zachowania), wpływ na izolacyjność akustyczną mają znikomą z uwzględnieniem prawa masy. Właściwość 5 – przenikalność cieplna – to ta, na którą kształt, wymiary oraz lokalizacja komór i przewodność cieplna materiału mają zasadniczy wpływ.

Zanim więc określimy, co nas czeka w przyszłości, spróbujmy przeanalizować dotychczasowe zmiany, żeby na ich podstawie określić kierunki, a w niektórych przypadkach granice ewolucji profili okiennych i drzwiowych.

Najprostszy i najbardziej oczywisty sposób poprawy własności profili okiennych to zwiększenie ich grubości (głębokości zabudowy). Na wykresie (rys. 1) przedstawiono wpływ szerokości profili na wartości przenikalności cieplnej stolarki okiennej.

Analiza wykresu wskazuje jednak, że istnieje naturalna granica poprawy własności cieplnych profili. W każdym przypadku zwiększenie szerokości profili powoduje poprawę ich własności cieplnych, jednak nieracjonalne z ekonomicznego punktu widzenia jest zwiększanie szerokości profili powyżej 100 mm. Oczywiście naturalną konsekwencją poszerzania profili jest powiększanie liczby komór wewnętrznych, liczonych nie ogólnie, ale w kierunku przepływu strumienia ciepła (w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni oszklenia).

Najstarsze konstrukcje zbudowane były, opierając się na dwóch komorach:

• głównej, w której znajdowało się wzmocnienie stalowe,
• zewnętrznej wykorzystywanej do odprowadzenia wody z przestrzeni wrębu szybowego.

Nowsze, szersze konstrukcje pozwalają na zwiększenie liczby komór w sposób bardziej radykalny, co doprowadziło do konstrukcji profili o sześciu, siedmiu, a nawet dziesięciu komorach wewnętrznych. Praktycznym ograniczeniem liczby
komór jest oczywiście szerokość profili i minimalna szerokość komory nie mniejsza niż 5 mm.

Zwiększanie liczby komór wewnętrznych obarczone jest jednak ograniczeniami technicznymi, z których najistotniejsze to:

• konieczność połączenia komór na całym obwodzie podczas procesu zgrzewania, co w przypadku cienkich ścianek podatnych na odkształcenia i uszkodzenia nie jest czynnością łatwą;
• konieczność właściwego odwodnienia okna;
• właściwe wykonanie otworów dekompresyjnych.

Rys. 3. Profile z dodatkową uszczelką wewnątrz okna

Istnieją również ograniczenia w związku z usytuowaniem komory głównej ze wzmocnieniem stalowym względem zewnętrznej ogrzewanej przez promieniowanie słoneczne strony profilu. Przesunięcie w stronę wewnętrzną poprawia własności cieplne profili, ale konsekwencją takiej ewolucji jest nierównomierne nagrzewanie się profili, co w skrajnych przypadkach może prowadzić do samorzutnego odkształcania się ościeżnic, skrzydeł czy też ramiaków słupka profili okiennych.

Na podstawie obecnego stanu wiedzy nie należy się spodziewać profili o większej liczbie komór niż dziewięć przy klasycznym wzmocnieniu kształtownikiem stalowym oraz dziesięciu komór w przypadku rozwiązań z płaskim elementem wzmacniającym. Niezbędnym warunkiem jest jednak symetryczne ułożenie wzmocnienia względem pionowej osi przekroju ramy, aby uniknąć odkształceń mechanicznych na wskutek różnej rozszerzalności liniowej materiałów pod wpływem zmian termicznych.

Na rys. 2 przedstawiono przykładowe rozwiązania wielokomorowych profili z uwzględnieniem różnych sposobów wzmacniania profili ościeżnicy i skrzydła. Kolejnym rozwiązaniem poprawiającym właściwości cieplne okna jest zastosowanie dodatkowej uszczelki wewnątrz okna (rys. 3).

Powiększenie szerokości profili skrzydeł umożliwia zastosowanie oszklenia o większej szerokości, co również pozwala uzyskać lepsze własności cieplne okna. Najstarsze, a więc najwęższe profile umożliwiały zastosowanie szyby zespolonej o grubości 20 mm, obecnie można zastosować jako rozwiązanie standardowe oszklenie o grubości 48 mm, a w ekstremalnych przypadkach nawet 52 mm. Wpływ grubości oszklenia na własności cieplne profili przedstawiono w tab. 1.

Tab. 1. Grubość oszklenia na własności cieplne profili (U_f – przenikalność cieplna, IGU – grubość szyby zespolonej)

*Oznaczenie dotyczące budowy pakietu szybowego (grubość tafli szklanej 4 mm)

Istnieje naturalna granica zwiększania szerokości stosowanego oszklenia, co również determinuje wymiary skrzydła. Komory w oszkleniu zespolonym nie powinny być większe niż 16-18 mm ze względu na zjawisko konwekcji, a sumaryczna grubość tafli szkła w szybie zespolonej nie powinna przekraczać 12-14 mm ze względu na ciężar własny oszklenia (metr kwadratowy szkła o grubości 2 mm waży 5 kg).

Ze względu na coraz większe wymiary oszklenia związane z powierzchnią okien nie należy się spodziewać stosowania szerszego oszklenia niż przedstawione wcześniej, co automatycznie zlikwiduje presję na powiększanie szerokości wrębu szybowego zarówno w ościeżnicy (w przypadku stałego szklenia w ramie), jak i skrzydle.

Rys. 4 Profil okienny o bardzo dobrych własnościach cieplnych

Kolejnym sposobem poprawy własności cieplnych profili jest zmiana współczynnika przewodzenia ciepła materiału tworzywa, z którego wytłaczane są profile PVC. Pierwotne rozwiązania opierały się na tworzywie, dla którego współczynnik A wynosił 0,17 [W/mK], obecnie ogromna większość materiałów profili posiada własności różniące się od wartości normowej (patrz tab. 2).

Tab. 2. Przykładowy wpływ zmiany współczynnika przewodzenia ciepła na własności cieplne złożenia profili o grubości 70 mm i oszkleniu o grubości 24 mm

Dla najczęściej spotykanych na rynku profili wytłaczanych z polichlorku winylu współczynnik y zawiera się w granicach 0,14-0,15 [W/mK]. Wartości niższe mogą oznaczać większą ilość substancji spieniających, co powodować będzie obniżenie własności wytrzymałościowych, co z kolei doprowadzi do ograniczeń w wielkości skrzydeł, a w konsekwencji również okien.

Kolejnym obszarem modyfikacji i unowocześniania profili są zmiany materiału uszczelnienia między ościeżnicą i skrzydłem. Uszczelki wykonane z tworzywa EPDM (etylo-propylenowe-dienowe-manomery) zastąpiono przez TPE (termoplastyczne elastomery), co spowodowało poprawę własności cieplnych profili, chociaż głównym powodem zmiany materiału uszczelek było przyspieszenie procesu produkcji okien. Wynika to stąd, że podczas procesu produkcji profili PVC uszczelki są wytłaczane (współwytłaczane lub koekstrudowane) jednocześnie z profilem ramy (ościeżnicy, skrzydła, słupka lub listwy przyszybowej). Należy jednak zwrócić uwagę, że w zależności od przeznaczenia sposobu pracy uszczelki różnią się właściwościami mechanicznymi. Uszczelki przyszybowe to uszczelki tzw. statyczne, natomiast uszczelki przylgowe to uszczelki tzw. dynamiczne.

W tab. 3 przedstawiono porównanie własności cieplnych profili z różnymi uszczelkami.

Tab. 3. Porównanie przykładowego złożenia profili o grubości 70 mm i oszklenia o grubości 44 mm przy zastosowaniu różnych materiałów uszczelek  λ

W dającej się przewidzieć przyszłości nastąpi całkowite zastąpienie uszczelek wciąganych wykonanych z EPDM na rzecz uszczelek koekstrudowanych. Poprawa własności termicznych profili wiąże się bowiem z dodatkowymi zyskami dla producentów wynikającymi z likwidacją procesu wciągania uszczelek w zakładzie produkującym stolarkę budowlaną. Korzyści ekonomiczne i poprawa własności termicznych uzyskiwana dla profili z uszczelką koekstrudowaną nie musi oznaczać poprawy pozostałych własności użytkowych okien. Zachowanie szczelności na przenikanie powietrza i odporności na zalewanie wodą opadową na tym samym poziomie przy zmianie uszczelek jest procesem wymagającym odpowiedniego oprzyrządowania przy zgrzewaniu i obróbce naroży oraz wysokiej dokładności wykonania operacji technologicznej. Możliwości dalszej poprawy własności materiałów uszczelniających mogą być związane z zastosowaniem spienionego PVC, dla którego współczynnik przewodzenia ciepła jest mniejszy niż 0,1 [W/mK].

Kolejną nowością w konstrukcji profili PVC stała się możliwość wklejania szyby zespolonej w celu poprawy sztywności skrzydła i likwidacji mostków cieplnych. Poprawa sztywności skrzydła po wklejeniu szyby zespolonej na całej długości skrzydła jest bezsporna. Niestety odbywa się to tylko w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny skrzydła, a w płaszczyźnie prostopadłej do jego powierzchni efekt jest niezauważalny. W przypadku uszkodzenia oszklenia wymiana możliwa jest tylko wraz z całym skrzydłem. Osobnym problemem jest poprawne wyparcie szyby zespolonej i opadanie skrzydła na wskutek długotrwałego użytkowania, stąd możliwości regulacji ograniczone są tylko do własności regulacyjnych okucia obwiedniowego. Zagadnienie wklejania szyby komplikuje się w związku z koniecznością właściwego wentylowania przestrzeni między oszkleniem a wrębem szybowym. Zablokowanie odprowadzania na zewnątrz wody z wrębu szybowego może doprowadzić do uszkodzenia oszklenia, a w skrajnym przypadku do przenikania wody przez listwę przyszybową do wnętrza pomieszczenia.

Sposób wklejenia szyby i sposoby uszczelnienia pozostałych elementów muszą być dostosowane do konstrukcji skrzydła. Szklenie zaś nie musi być wykonywane od strony wewnętrznej, lecz również od strony zewnętrznej podobnie jak ma to miejsce w konstrukcjach drewnianych z zewnętrzną okładziną aluminiową. Wklejanie oszklenia ma jeszcze jeden aspekt pobudzający wyobraźnię konstruktorów – zmniejszenie wysokości skrzydła pozwala na zwiększenie powierzchni oszklenia, co poprawia własności wizualne, a w konsekwencji również cieplne. Poprawa własności cieplnych przez ograniczenie wielkości mostka cieplnego na styku oszklenie/ramka dystansowa/profil skrzydła nie rekompensuje jednak ograniczeń konstrukcyjnych, tak aby wklejanie oszklenia mogło się stać istotnym kierunkiem rozwoju profili okiennych.

Drugim podstawowym polem unowocześniania profili są zmiany dotyczące wzmocnienia stalowego odpowiadającego za zachowanie własności mechanicznych okna. Konieczność wzmacniania okien PVC profilami stalowymi wynika z niskiego współczynnika elastyczności (modułu Younga), którym charakteryzuje się tworzywo konstrukcyjne profili. Niewystarczające ze względów konstrukcyjnych własności PVC o wartości 2500 N/mm² wzmacnia się kształtownikami stalowymi, dla których moduł wynosi 210 000 N/mm², co powoduje poprawę własności mechanicznych stolarki (profile PVC są usztywnione przez mechaniczne skręcenie ze wzmocnieniem stalowym), ma to jednak niekorzystny wpływ na własności cieplne profili. Można na rynku znaleźć okna PVC wzmacniane profilami kompozytowymi, jednakże ze względu na opłacalność ekonomiczną takich rozwiązań wydaje się, że pełne zastąpienie profili stalowych przez tworzywa sztuczne nie nastąpi zbyt szybko.

Na rys. 4 przedstawiono rozwiązanie profilu, w którym własnościom cieplnym podporządkowano statykę, możliwości technologiczne związane z obróbką profili i ekonomikę rozwiązania.

Na koniec dobrym przykładem ciągłego rozwoju techniki produkcji i kierunków zmian procesu produkcji profili okienno-drzwiowych niech będzie porównanie prędkości wytłaczania profili z niezmiękczonego poli(chlorku winylu), która na przełomie XX i XXI w. wynosiła ok. 0,6-0,8 [m/min], z prędkością, która dzisiaj wynosi 4-6 [m/min], czyli różnica jest prawie dziesięciokrotna, a zmiana sposobu przygotowywania surowca (tzw. mieszanki) przez obecnie pracujące wytłaczarki ogranicza ilość powstających odpadów do poziomu nieosiągalnego dla maszyn starszego typu.

mgr inż. Maciej Żyła

Laboratorium Techniki Budowlanej