Композитні алюмінієві панелі: типи серцевини, вогнестійкість і виготовлення

Композитна алюмінієва панель — це ламінована сендвіч-структура, а не окремий алюмінієвий лист

Композитні алюмінієві панелі це технічні будівельні матеріали, що складаються з двох тонких алюмінієвих листів, як правило Товщиною від 0,3 до 0,5 міліметра кожна — термічно з’єднані під дією безперервного нагрівання та тиску з неалюмінієвим матеріалом сердечника товщиною від 2 до 5 міліметрів . Отримана сендвіч-панель, як правило, загальною товщиною від 3 до 6 міліметрів, демонструє жорсткість на вигин, набагато більшу, ніж суцільний алюмінієвий лист еквівалентної ваги. Алюмінієві оболонки забезпечують міцність на розрив, стійкість до атмосферних впливів і поверхню, придатну для архітектурних систем покриття, тоді як серцевина передає напругу зсуву між оболонками та забезпечує площинність панелі та стійкість до ударів. Завдяки цій ламінованій конструкції 4-міліметрова композитна панель залишається абсолютно плоскою на проміжку в 1,2 метра, тоді як суцільний алюмінієвий лист такої ж ваги демонстрував би видиму хвилястість і масляні плями під впливом температурних змін. Зв’язок між алюмінієвою оболонкою та сердечником досягається через a безперервна термопластична клейка плівка, як правило, модифікований поліетиленовий сополімер, яка піддається термічній активації під час процесу ламінування панелей і досягає міцності на відрив понад 15 Н/25 мм при випробуванні відповідно до ASTM D1781.

Основний матеріал і фундаментальна різниця між PE та FR панелями

Матеріал серцевини є визначальним компонентом композитної алюмінієвої панелі, а вибір між типами серцевини визначає класифікацію панелі протипожежних характеристик, вартість, вагу та придатність для конкретних будівельних застосувань. Стандартне ядро для додатків, що не мають вогнестійкості поліетилен низької щільності, який має щільність приблизно від 0,92 до 0,95 г/см³ і граничний кисневий індекс приблизно 17%, тобто він легко горить у нормальних атмосферних умовах . Панелі з поліетиленовим сердечником складають більшість композитних алюмінієвих панелей, які використовуються у всьому світі для вивісок, внутрішнього оздоблення та нерегульованих зовнішніх застосувань. Альтернативною технологією серцевини для вогнестійких застосувань є серцевина з мінеральним наповненням, де поліетиленова матриця заповнена Від 30% до 70% за вагою вогнезахисних мінеральних наповнювачів, як правило, тригідроксиду алюмінію або дигідроксиду магнію, які поглинають тепло шляхом ендотермічного розкладання, вивільняють водяну пару, яка розбавляє гази згоряння, і залишають шар керамічного вугілля, який ізолює незгорілу серцевину . Ці панелі з мінеральним наповненням FR мають граничний кисневий індекс вище 30%, що класифікує матеріал як самозатухаючий, і вони можуть відповідати вимогам ASTM E84 класу A, EN 13501-1 класу B-s1-d0 або еквівалентних національних протипожежних стандартів. Третій, менш поширений тип сердечника — це гофрований або стільниковий алюмінієвий сердечник, який використовується для суцільнометалевих систем високої жорсткості, де потрібна сумісність теплового розширення між оболонкою та сердечником.

Історія пожежі та нормативна реакція

Глобальне нормативне середовище для композитних алюмінієвих панелей докорінно змінилося після кількох пожеж у багатоповерхових будівлях, під час яких панелі з поліетиленового сердечника на зовнішній обшивці сприяли швидкому вертикальному поширенню полум’я. Ці випадки призвели до широко поширені зміни до кодексу, які тепер забороняють використання композитних панелей із поліетиленовим сердечником для зовнішнього облицювання будівель, висота яких перевищує певний поріг — як правило, 18 метрів або чотири поверхи, залежно від юрисдикції . Вимога до заміни полягає в тому, що зовнішні облицювальні панелі повинні мати серцевину з мінерального наповнення або мати альтернативну конструкцію, наприклад, суцільний алюмінієвий лист або інший негорючий облицювальний матеріал. Конкретні вимоги до тестування відрізняються залежно від країни: у Сполучених Штатах відповідним стандартом є NFPA 285 для повномасштабного випробування складання багатоповерхової стіни; у Великобританії та багатьох країнах Співдружності це BS 8414; у Європейському Союзі на класифікацію EN 13501-1 посилаються в національних будівельних нормах. Практичним наслідком для специфікаторів є те, що основний матеріал повинен бути перевірений за допомогою звітів про випробування третьої сторони, специфічних для конкретної марки панелі та моделі, що вказується, а не взято із загальної літератури про продукт.

Системи покриттів і спектр довговічності PVDF проти поліестеру

Алюмінієві оболонки на композитній алюмінієвій панелі покриті архітектурним покриттям, яке визначає збереження кольору, блиску, стійкість до крейди та захист від корозії протягом десятиліть зовнішнього впливу. Система покриття наноситься на алюмінієву котушку перед тим, як її ламінувати в композитну панель, використовуючи безперервний процес нанесення покриття, який застосовує попередня обробка хроматного конверсійного покриття з наступним шаром ґрунтовки та фінішного шару, кожен з яких твердне при максимальній температурі металу від 230 до 250 градусів Цельсія . Хімічний склад верхнього покриття поділяється на дві основні родини. Покриття з полівініліденфториду, як правило, виготовлені у вигляді суміші 70% ПВДФ/30% акрилової смоли, є стандартом для зовнішнього архітектурного застосування. і мають гарантію на ефективність від 15 до 30 років проти вицвітання кольору та крейди. Вуглець-фторний зв’язок у ПВДФ є одним із найміцніших хімічних зв’язків в органічній хімії, і він протистоїть розкладанню від ультрафіолетового випромінювання, кислотних дощів і соляних бризок. Поліефірні покриття , як стандартний поліестер, так і поліестер, модифікований силіконом, менш дорогі та використовуються для внутрішнього застосування або для зовнішніх вивісок із меншим очікуваним терміном служби від 5 до 10 років. Діапазон кольорів, доступний для PVDF, є вужчим, ніж для поліестеру, оскільки вимоги до високотемпературного затвердіння PVDF обмежують хімічні склади пігментів, які є термічно стабільними, тому певні яскраво-червоні, помаранчеві та жовті кольори доступні лише в поліефірних композиціях.

Методи виготовлення та техніка пазів і складання

Композитні алюмінієві панелі формуються в архітектурні елементи в основному через технологія groove-and-fold, при якій V-подібна канавка проходить у задню поверхню панелі через алюмінієву оболонку та більшу частину серцевини, залишаючи передню алюмінієву оболонку та тонкий шар основного матеріалу недоторканими, щоб діяти як шарнір . Потім панель згинається вздовж цієї лінії канавки, щоб утворити чіткий прямий кут із радіусом вигину, який визначається товщиною матеріалу, що залишився. Глибина фрезерування має вирішальне значення: занадто неглибока, і складка відскочить назад або потріскає передню шкіру; надто глибоко, і фрезерна свердло буде надрізати або проникати в передню алюмінієву поверхню, створюючи видиму лінію на готовій поверхні. Правильна глибина фрезерування листів Від 0,3 до 0,4 міліметра матеріалу — по суті, передня алюмінієва оболонка плюс приблизно 0,1 міліметра серцевини — неушкодженим під жолобком . Кут V-подібної канавки визначає кінцевий кут кута: канавка 90 градусів створює кут 90 градусів, канавка 135 градусів створює поворот 45 градусів. Ширина канавки, вибір інструменту та швидкість подачі повинні відповідати товщині панелі та типу сердечника; ПЕ сердечники чистіше фрезерують із вищою швидкістю подачі, ніж серцевини з мінеральним наповненням FR, які є більш абразивними та потребують фрезерних інструментів із твердосплавним або алмазним наконечником, щоб підтримувати якість кромок під час виробництва. Після складання кут можна зміцнити алюмінієвими кутовими кронштейнами, прикріпленими до внутрішнього кута за допомогою структурного клею, щоб забезпечити додаткову жорсткість і запобігти розкриттю кута під впливом вітрового навантаження.

Фрезерування з ЧПУ та вимоги до відведення пилу

Процес нарізання V-подібних канавок утворює значний об’єм пилу основного матеріалу, що є водночас неприємністю та потенційною небезпекою пожежі. Пил поліетиленового сердечника є горючим і, будучи зваженим у повітрі в потрібній концентрації, може утворювати вибухову хмару пилу. Наповнений мінералами пил серцевини FR важчий і менш горючий, але є абразивним для шляхів і підшипників верстатів. The станція маршрутизації повинна бути оснащена високоефективною системою видалення пилу, яка захоплює стружки в точці інструменту, перш ніж вони потраплять у повітря , а зібраний пил необхідно утилізувати відповідно до місцевих правил щодо горючих або мінеральних відходів. Повітроводи для видалення пилу для прокладки поліетиленової серцевини повинні бути заземлені та з’єднані для розсіювання статичної електрики, а пилозбірник має бути спорожнений, а фільтруючі елементи очищені за графіком, який запобігає накопиченню горючого матеріалу всередині системи збору пилу.

Теплове розширення та переміщення панелей, які необхідно враховувати

Композитні алюмінієві панелі розширюються і звужуються при зміні температури, а величина руху в першу чергу визначається алюмінієвими оболонками. The Коефіцієнт теплового розширення для алюмінію становить приблизно 2,4 × 10⁻⁵ на градус Цельсія, тобто 3-метрова панель, що піддається коливанню температури на 60 градусів Цельсія між зимовою ніччю та літнім сонцем, зміниться у довжині приблизно на 4,3 міліметра . Цей рух має бути врахований у конструкції з’єднання панелей і в системі кріплення. Панелі, які жорстко закріплені в кількох точках без дозволу на розширення, під час нагрівання вигинаються назовні між фіксованими точками — режим відмови, відомий як масляне консервування, який є постійним, оскільки алюмінієві оболонки піддаються стисненню та не повертаються до плоского стану, коли охолоджуються. Стандартна ширина шва для систем композитних панелей становить від 10-20 міліметрів , із ширшим шаром, призначеним для темніших кольорів, які поглинають більше сонячної енергії та досягають вищих пікових температур. У системі кріплення зазвичай використовується комбінація анкерів із фіксованою точкою, які протистоять вітровому навантаженню, та анкерів із ковзною точкою, які дозволяють термічне переміщення, при цьому фіксовані точки розташовані на центральній лінії панелі, щоб розширення відбувалося симетрично до обох країв. Маршрутизація та згортання країв панелі в касети або лотки змінює поведінку теплового розширення: повністю складений лоток із поверненнями на всіх чотирьох краях є жорсткішим, ніж плоска панель, і може вимагати іншої ширини швів і відстані для кріплення, ніж плоска панель, з якої вона була виготовлена.

Розрахунок вітрового навантаження та таблиці прольотів, які визначають відстань між кріпленнями

Конструкція системи облицювання композитними алюмінієвими панелями регулюється таблицями прольотів, які вказують максимально допустимі відстані між точками кріплення для заданої товщини панелі, типу серцевини та розрахункового тиску вітру. А 4-міліметрова панель із поліетиленового сердечника з алюмінієвою оболонкою товщиною 0,5 міліметра, що підтримується на чотирьох краях з обрамленням по периметру в центрі 600 міліметрів, зазвичай може протистояти розрахунковому тиску вітру від 1,5 до 2,0 кПа з межею прогину L/60 . Збільшення товщини панелі до 6 міліметрів або зменшення центрів обрамлення до 400 міліметрів пропорційно збільшує здатність вітрового навантаження. Межа прогину встановлюється не структурною несправністю — композитні панелі мають високу пластичність і не ламаються під вітровим навантаженням, — а придатністю до експлуатації: надмірний прогин спричиняє видиму хвилястість у відбитому світлі та може відкрити з’єднання панелей за межі діапазону зачеплення погодних ущільнень. Таблиці прольотів публікуються виробниками панелей і є специфічними для кожної конструкції панелі; Таблиця проміжків для панелі з поліетиленовим сердечником не може бути застосована до панелі з серцевиною FR, оскільки серцевина з мінеральним наповненням має інший модуль зсуву, який впливає на поведінку панелі при вигині. Сама система кріплення — як правило, алюмінієві екструзії із заклепками, гвинтами або клейовим кріпленням до панелі — також має бути розрахована на вітрове навантаження, а кріпильні елементи повинні мати достатню відстань до краю алюмінієвої оболонки, щоб запобігти розриву під негативним тиском вітру, який тягне панель назовні з будівлі.

Методи з’єднання та альтернатива клейовому склеюванню

Традиційним методом складання виготовлених композитних панелей, таких як касетні реверси, канали жорсткості та скоби, є механічне кріплення алюмінієвими глухими заклепками або гвинтами з нержавіючої сталі. Механічне кріплення є надійним і перевіряється, але воно створює точкове навантаження на кожне кріплення, залишає видимими головки кріплень на лицьовій або задній частині панелі, і може бути несумісним з естетичними вимогами висококласних архітектурних робіт. Альтернативний метод, який отримав визнання для додатків преміум-класу склеювання структурним клеєм за допомогою двокомпонентних епоксидних або акрилових клеїв, спеціально розроблених для склеювання алюмінію . Клей наноситься безперервним валиком уздовж стику між панеллю та кріпильним профілем, і вузол фіксується, доки клей не досягне міцності при керуванні. Правильно сконструйоване клейове з’єднання розподіляє навантаження безперервно вздовж лінії з’єднання, а не концентрує його в окремих точках кріплення, що дозволяє використовувати більш тонкі алюмінієві оболонки без поглиблень кріплення та усуває тепловий міст, який створюють металеві кріплення. Адгезійна система повинна бути перевірена для конкретного покриття панелі, оскільки з’єднання здійснюється з поверхнею покриття, а не з оголеним алюмінієм, а поверхнева енергія покриття та адгезія до алюмінієвої основи визначають кінцеву міцність з’єднання. А мінімальна міцність на зсув внахлест 5 МПа на фактичній поверхні панелі з покриттям є типовим критерієм прийнятності для структурного адгезивного склеювання кріплень композитних панелей.

Стандарти площинності та візуальні критерії прийнятності

Плоскість встановлених композитних алюмінієвих панелей оцінюється шляхом візуального спостереження за певних умов освітлення, а критерії прийнятності визначені в галузевих стандартах, таких як AAMA 508 і EN 438-6. Поверхня панелі, якщо дивитися під косим кутом при розсіяному природному освітленні або еквівалентному штучному освітленні, не повинна демонструвати маслоконсервування, визначається як видима хвилястість або брижі, які спотворюють відображені зображення, амплітуда яких перевищує 2 міліметри на 300 міліметрів довжини панелі . Локалізовані дефекти, такі як вм’ятини, складки або поглиблення на застібках, видимі з відстані 3 метрів за звичайних умов перегляду, неприйнятні. Площиність композитної панелі визначається якістю алюмінієвих оболонок, однорідністю серцевини, параметрами процесу ламінування, а також процедурами транспортування та встановлення. Панель, яка була впущена на кут під час транспортування, або панель, яка була встановлена ​​точками кріплення поза площиною, демонструватиме дефекти площинності, пов’язані з установкою, а не з виробництвом. Розрізнення має значення, оскільки відповідальність за відновлення лежить на різних сторонах, а перевірку площинності слід виконувати після завершення монтажу панелей і панелей підлягають проектним вітровим і температурним умовам, а не під час монтажу, коли панелі можуть тимчасово навантажуватися під час транспортування та сил вирівнювання.

Термін служби та гарантія на покриття як показник продуктивності

Термін служби системи композитних алюмінієвих панелей залежить, перш за все, від довговічності покриття на зовнішній алюмінієвій оболонці, оскільки сам алюміній і матеріал серцевини за своєю суттю стійкі до погіршення навколишнього середовища. А Очікується, що панель із покриттям PVDF, встановлена в неморському, непромисловому середовищі, збереже свій колір і блиск у межах гарантійних специфікацій протягом 20–30 років , після чого поступове крейдування та вицвітання кольору стають вимірними, але не обов’язково естетично небажаними. Таким чином, гарантія на покриття є значущим показником ефективності: виробник, який пропонує 20-річну гарантію на цілісність плівки, колір і глянець покриття PVDF, підтвердив це покриття шляхом значного прискореного вивітрювання до еквівалента цього терміну служби. Гарантія також є показником стійкості покриття до крейди: крейда – це деградація смоли на поверхні покриття, яка вивільняє частинки пігменту, які можна стерти у вигляді кольорового порошку, і це означає початок фази завершення терміну служби покриття. Панель, яка почала суттєво крейдувати, залишається структурно недоторканою, але її зовнішній вигляд продовжуватиме погіршуватися, а повторне покриття композитної панелі, як правило, є економічно невигідним порівняно із заміною. Строковий термін служби панелі — цілісність зв’язку між алюмінієвими оболонками та серцевиною — зазвичай перевищує термін служби покриття, і 30-річна панель із крейдованим покриттям може все ще бути конструктивно придатною для експлуатації, хоча видалення та заміна будуть викликані радше естетичними міркуваннями, ніж міркуваннями безпеки.