Для изготовления оконных рам используются различные материалы, но каждый из них имеет уникальные преимущества и недостатки с точки зрения стоимости, механических свойств и теплоизоляции. Хотя металлические рамы, в основном алюминиевые, прочны и имеют современный внешний вид, их высокая теплопроводность часто требует добавления терморазрывов, для снижения потерь энергии. Деревянные рамы визуально привлекательны и обеспечивают хорошую теплоизоляцию, но их необходимо часто обслуживать, чтобы избежать ухудшения состояния. Тем не менее, в сочетании с двойным остеклением они помогают сэкономить около 20 % на потреблении энергии для отопления. Благодаря своей низкой теплопроводности, высокой устойчивости к погодным условиям и низким потребностям в обслуживании, ПВХ-конструкции являются особенно доступной и долговечной заменой.
Оконные рамы из ПВХ обычно используются в строительной отрасли из-за их долговечности, низкой стоимости и простоты обслуживания. Однако с ростом экологических проблем и переходом к экономике замкнутого цикла, замена первичного ПВХ переработанными материалами в таком применении стала важнейшей областью исследований. Процесс переработки, а также качество самих отходов сильно влияют на конечные свойства переработанных материалов, что ограничивает его использование в высококачественных продуктах. Бытуют разные мнения о возможности такого вторичного использования пластика из-за сомнений в механических характеристиках оконных профилей, изготовленных из переработанного ПВХ, с упором на их способность выдерживать структурные нагрузки. Учитывая, что оконные рамы подвергаются воздействию ветровых сил и нагрузок здания, обеспечение их механической прочности имеет важное значение.
Поливинилхлорид (ПВХ) является одним из товарных полимеров с самым высоким уровнем потребления в мире. Благодаря своей универсальности изделия из этой разновидности пластика стали незаменимыми для промышленности, что делает его третьим по популярности полимером в мире после полиэтилена и полипропилена. Его химический состав может комбинироваться и сочетаться с различными добавками, для обеспечения конечных качеств, включая жёсткость или гибкость пластика, химическую устойчивость, способность не выцветать под УФ-облучении. Благодаря своей механической прочности и химической стойкости эта основа, в основном, используется в строительной отрасли для изготовления оконных рам, труб, отделочных панелей, отделки металлических деталей (таких как подоконники), изоляции проводов и кабеля, напольных покрытий и много чего другого. Однако оконные рамные и балконные конструкции из непластифицированного поливинилхлорида, как правило, оказывают самое высокое воздействие на окружающую среду среди материалов для оконных рам, особенно в категориях, которые изготавливаются из производных нефти или другого ископаемого топлива. У этих материалов очень низкий показатель переработки, проблемы с целостностью изделий из переработанного материала, а кроме этого, сама технология рециклинга очень негативно влияет на озоновый слой Планеты.
Отрасли переходят на переработку отходов различных пластиков, чтобы устойчиво удовлетворять растущий спрос на поливинилхлорид. Поэтому в этой области было проведено несколько исследований для улучшения свойств смол, полученных в результате рециклинга отходов до или после переработки, в попытке получить свойства, аналогичные свойствам первичного полимера. Использование переработанного ПВХ для оконных рам значительно снижает воздействие на окружающую среду, по сравнению с изготовлением первичного, более чистого продукта. Замена в изделиях первичного ПВХ переработанным экономит 2056 кг диоксида углерода с каждой тонны вторичного материала. Потенциальная экономия парниковых газов значительна при ежегодном мировом потреблении 3 мегатонн ПВХ только для оконных рам в России. Переработка 100 килотонн в год может минимизировать порядка 200 килотонн выбросов вредных веществ в атмосферу. Кроме того, переработка сокращает отходы, отправляемые на свалки или сжигание, решая проблемы, связанные с образованием диоксинов.
Исследователи изучили три типа U-PVC: первичный материал, стабилизированный свинцом, первичный материал, стабилизированный кальцием/цинком, и 20-летние переработанные окна из бывших в употреблении отходов. Они обнаружили, что для наружных профилей удлинение при разрыве остаётся практически неизменным после многих лет эксплуатации по сравнению с новым материалом. Эта стабильность может быть обусловлена высокой концентрацией остаточных стабилизаторов и других добавок в таких наружных изделиях. Однако многочисленные опытные испытания показали, что внутренняя нестабильность ПВХ приводит к ухудшению характеристик и снижению применимости переработанного материала. Для решения этой проблемы было предложено несколько решений, с двумя более приемлемыми методами, включающими смешивание переработанного полимера с первичным и/или с другими подходящими термопластиками.
Интеграция переработанного материала в первичный увеличивает вязкость, одновременно снижая индекс текучести расплава, твёрдость и плотность смесей. Загрузка переработанного ПВХ изменила температуру стеклования, ухудшения и тепловой деформации. Включение переработанной субстанции в различные сорта чистого ПВХ зависит от типа сорта и интересующих свойств. Альтернативный подход к улучшению свойств переработанных отходов заключается в его смешивании с другими термопластиками, такими как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) или другими стирольными полимерами. Это может привести к повышению ударной прочности и термической стабильности.
Исследования смеси переработанного ПВХ с АБС, продемонстрировали частичную совместимость, приписываемую взаимодействиям между полярными группами. В то время как чистый АБС обеспечивает более высокую совместимость, смеси с переработанным АБС экономически более выгодны, несмотря на демонстрацию худших результатов с точки зрения механических характеристик. Включение стирольных полимеров, таких как полистирол, также улучшает термическую стабильность переработанного ПВХ, при этом механические свойства меняются в зависимости от типа и происхождения добавленных полимеров.
Одним из способов снижения потерь тепла является использование энергоэффективных окон и минимизация воздействия линейных тепловых мостов при обеспечении правильной установки. Однако проблемы остаются, особенно в отношении деформации профилей из-за разницы температур между внешней и внутренней средой. Эта проблема более выражена в неармированных секциях, где деформация, вызванная температурой, может влиять на целостность конструкции. Рынок переработанных пластиковых отходов остаётся ограниченным из-за значительных барьеров, связанных с качеством, разделением материалов и загрязнением – их иногда используют в дата-центрах для создания разделённых горячих-холодных зон в серверном зале и в других неответственных ограждающих конструкциях. В связи с этим промышленные предприятия предпочитают использовать первичный полимер для обеспечения высокого качества продукции.
В то время как спрос на переработанные альтернативы растёт по мере роста проблем устойчивости, инфраструктура для крупномасштабной высококачественной переработки отходов пластика по-прежнему нуждается в улучшении для решения проблем, связанных со смешанным качеством. Фактически, из-за высокого содержания хлора в этом материале, почти все методы переработки ПВХ не являются благоприятными. Захоронение на свалках и компостирование не подходят из-за неизвестных опасностей, связанных с окислительной деградацией в окружающей среде. Сжигание и пиролиз также нежелательны из-за большого количества хлористого водорода и других токсичных продуктов, которые производятся при данных методиках. Механическая переработка предпочтительна, но качество рециклатов зависит от происхождения отходов и параметров переработки.
Существуют рыночные и финансовые препятствия по использованию переработанного ПВХ в оконной промышленности. С точки зрения механических качеств, однородности и требований сертификации он часто сталкивается с конкуренцией со стороны изначально качественной продукции и несоответствию с некоторыми требованиями по прочности, сопротивлению на изгиб и нагрузками, несмотря на его потенциал для не особо ответственных конструкций (например, в загородные одноэтажные дома), но тоже с определёнными ограничениями. Таким образом, более строгие правила, регулирующие эксплуатационные характеристики строительных материалов, различия в качестве и проблемы обработки вынуждают отрасль неохотно использовать переработанные материалы.
