拉挤复合材料

----挑战传统建筑材料

http://www.iianews.com 拉挤复合材料拉挤复合材料拉挤复合材料拉挤复合材料拉挤复合材料拉挤复合材料拉挤复合材料拉挤复合材料 2007年01月28日

     Martin Pultrusion集团的Jeff Martin先生在本文说明了拉挤复合材料在建筑材料市场是如何与木材、PVC和铝竞争的。

        在快速发展的北美市场，房主们特别是由两个人负担的家庭，都不想在房屋维修上花费太多精力，许多房主宁愿多花钱来购买那些少维护或免维护的产品。

图2

另外，高昂的劳动力费用也使得建筑商对提供保修期内的服务很敏感。因此，双方都在寻找那些可以节省维修时间和费用的建筑产品。这就给复合材料提供了在此领域展示其免维护特性的机会，复合材料在此领域的成功应用将促进其在不同应用领域中取代少量的木材、PVC和铝材。

图9

        过去20多年，拉挤型材在窗户系统中赢得了免维护的好声誉，具有优异的尺寸稳定性和热性能。线形拉挤制品如结构柱、扶手和栅栏在家用领域也开始取代木材。
        近来，拉挤型材已被美国主要的房地产开发商用到其每年建造的上万座房子中。由于产品牢固以及安装简便所节省的人工费用使房屋建造成本比木材建造的房屋要低。
        市场机遇
        实际上，拉挤型材在各个领域都与传统材料形成竞争。如果不是由于材料特性和工艺优势，我们也不会看到在这些边缘领域出现今天的销售量和价值。
        这些优点包括：重量轻、强度高、尺寸稳定、耐腐蚀/免维护、绝缘、牢固和隔热等，而且我们还应看到拉挤工艺所具有的连续长度、强度均匀和尺寸稳定等优点。
        在建筑市场复合材料通常与木材、铝、PVC、混凝土和钢竞争。虽然我们关注的焦点是与木材的竞争，但由于PVC和铝通常也是采用挤出成型，在拉挤型材市场产生了竞争性的目标市场，因此复合材料与它们也存在竞争。有几个领域我们可以看到玻璃纤维复合材料拉挤制品与木材、PVC和铝之间竞争激烈，如：门窗、扶手和栅栏、棚架和凉棚、结构装饰柱、防波堤、重型花盆、定制建筑和住宅建筑。

        门窗市场
        窗户制造商使用木材、磨砂铝、PVC、钢和复合材料生产窗框和门的部件。木材通常用作实心线型结构；由于铝比木材价格高则用作薄壁结构；PVC之所以进入市场是由于其制品外观与铝制品类似，不需进行涂装，然而由于强度原因PVC结构设计时需要增强壁和许多加强筋，这种复杂的结构给拉挤工艺带来了挑战。

图7

        复合材料的最大优势是玻璃纤维的热膨胀系数与窗户所用玻璃相同，因此安装好的窗户不会让空气和水进入，与木材、铝和PVC相比具有非常卓越的热性能。铝的线膨胀系数是玻璃纤维的2.5倍，而PVC的膨胀超过玻璃纤维8倍。拉挤玻璃纤维复合材料良好的尺寸稳定性也使其成为优异的制窗材料。
        复合材料的一个成功之处在建筑门窗市场。玻璃纤维复合材料型材于80年代初进入门窗市场，门窗总销售额每年超过30亿美元。但复合材料在门窗中的应用还是不多，开始时，制造商只是将其用作部件而不是整个窗户。Anderson Windows公司首次采用它的玻璃纤维复合材料型材Flexiframe?作为外层结构，木材为内部结构批量生产窗框。至今这种涂装过的型材仍在大量使用。
        直到一家生产商采用全玻璃纤维复合材料窗户系统后，窗户生产商才逐渐使用玻璃纤维复合材料生产窗户。有趣的是，首先把拉挤玻璃纤维复合材料作为“新一代材料”而采用的是木质窗户生产商。
        窗户制造商一直在努力寻求与众不同的材料和设计。今天，复合材料工业的机会就是与木材竞争，成为窗户生产商的材料选择。大多数窗户生产商也视其为优质材料，在新产品中广泛采用。

        拉挤生产商的挑战
        对于拉挤生产商来讲，进入窗户市场不是一件易事。他们必须克服生产过程中的诸多问题和挑战。首先要以一定的生产速度制造结构复杂的薄壁拉挤型材，使复合材料在价格和外观上与其它传统材料具有竞争性。这就要求能够快速制造出无皱折、废品率低的连续原丝毡。生产速度越快，直接劳动力成本就越低。这样就会使复合材料型材在经济上具有竞争力。
        早些时候，复合材料拉挤制品生产商的废品率通常超过10%。许多生产商尝试了不同的技术来提高生产效率，然而都因废品率高，售价低而放弃。他们发现生产结构相对简单的通用型材比在这一需要高产量但低利润的市场进行竞争要容易些。复合材料拉挤型材生产中决不能有丝毫浪费，还需采用正确的成型技术保证所挤出的型材具有均匀的强度。
        另一个挑战是，要有非常短的固化周期以达到一个经济的生产速率，同时还要使制品具有与PVC相近的表面效果。为此，生产商必须通过选择合适的固化剂来调整树脂的反应活性，并开发在不同温度范围快速固化、快速脱模的型材，快速脱模有助于保证产品表面光滑。在大型阳模或芯模上安装加热管有利于加快产品固化速度并保证制品均匀、充分固化，也有利于得到良好的涂装或喷漆效果。
        喷漆或涂装一直是保证复合材料耐候性的必要方法。起初，拉挤型材生产商是将喷漆工作外包的，然而高的外包喷漆成本使低利润的产品失去了竞争力。有些型材生产商不顾环境问题使用聚氨酯漆；而另一些开发了粉末涂料系统，并取得了专利，然而他们从未将其用于型材生产中；只有少数拉挤企业内部具有涂装能力。大多数生产商使用水溶性丙烯酸漆，这种漆无环境污染，粘结力和耐候性可以满足要求；而有些窗户生产商选择自己涂装线形窗框。后来，门窗公司不得不开发合适的涂装和生产技术，以便可以利用优异耐热性能的型材作为窗框材料。

图8 ,4 ,10

        平均年增长率
        Druker 2004年的市场研究表明，铝质窗用型材以每年5%的速率减少，大多数业内专家认为铝窗将在未来5~10年内消失。同样，木质窗也在以每年3%的速度减少。另一方面，PVC的用量在持续增长，虽然现在增长率只有2.5%，但以前年增长率一直在20~40%，很明显，现在正是它的顶盛时期。
        此研究表明复合材料门窗的年增长率达到了37%。他们没有将木材/热塑性复合材料分开统计，但很明显复合材料和玻璃纤维型材在今天的门窗市场已经取得了一席之地。但不幸的是，多数研究对玻璃纤维复合材料的应用都轻描淡写，因为玻璃纤维复合材料部件很少被统计。有许多生产商在设计混合型窗户时只采用单一的玻璃纤维复合材料型材。我们很难准确统计其用量，但复合材料的发展很显然呈增长趋势。它将持续与木质窗、铝窗形成竞争，这种竞争将在15%的高端市场展开。

        玻璃纤维复合材料型材在窗户市场持续上升的原因有以下几点：
        ◆ 玻璃纤维复合材料窗的热性能使其可以更多地用于普通家庭，同时也满足联邦和州政府新的节能要求；
        ◆ 玻璃纤维复合材料具有足够的强度，用作窗框时可以减小窗框宽度，实现更大的视角范围；
        ◆ 热膨胀系数低，可以阻止空气和水进入，节能效果好；
        ◆ 玻纤窗户具有良好的抗冷凝性；
        ◆ 复合材料具有优异的耐化学性能，适用于恶劣的沿海环境和酸雨地区；
        ◆ 免维护涂层可以延长制品使用寿命；
        ◆ 与其它传统材料相比，玻璃纤维复合材料窗寿命周期成本低。

        拉挤复合材料在窗户市场取得成功的不确定性市场动力有：
        ◆ 玻璃纤维复合材料制品在建筑师、工程师和业主中已赢得广泛认同和推崇；
        ◆ 窗户行业对玻璃纤维复合材料部件优异性能的认识程度正逐渐提高；
        ◆ 大型木窗生产企业加入拉挤行列，提高了玻纤复合材料窗户和部件的可信度；
        ◆ 玻璃纤维复合材料生产企业将装配时间缩短了一半，使得窗户价格更具竞争力；
        ◆ 联邦和州政府的节能要求对窗户系统提出了更高的性能要求，有利于玻璃纤维复合材料的应用；
        ◆ 窗户生产商和建筑商寻找质量保证要求少的产品；
        ◆ 玻璃纤维复合材料被视为一种新型材料，而新型材料有利于各生产商在市场中形成不同定位。

图5

        下一个增长机遇
        拉挤玻璃纤维复合材料型材正在门窗市场取得预期的市场份额。拉挤行业下一步的重点领域是商用建筑。虽然产品良莠不齐，但美国能源部门（DOE）已经向几家企业提供了研发节能效果更好的商用窗的资金。这一市场非常大，然而要想获得高的利润，必须具有良好的节能效果和阻燃性能。我们预期到，玻璃纤维复合材料型材在不久的将来能够在此领域得到大量应用。

        扶手和栅栏
        多年来木质和PVC扶手及栅栏占据了大多数市场份额，因为木材价格较低而PVC的表面装饰效果较好。然而PVC虽然不贵但不能满足用户的所有要求，有时为了达到一定的强度要求，PVC需用钢材增强，这就使其比单纯PVC重量大且价格高。
        玻璃纤维复合材料栅栏的跨距可以比PVC大，减少了立柱的用量，相比之下，成本稍有降低。玻璃纤维复合材料栅栏稳定性更好，PVC栅栏和扶手被业内专家称为“软绳综合症”，当倚靠其上，特别是在受热情况下，感觉不够稳固，总想抓住扶手离开。这就是为何玻璃纤维复合材料栅栏和扶手目前在市场得到广泛认同的原因。
        建筑者则称，玻璃纤维复合材料的保修要求少，用户满意度高。

        凉棚和棚架
        由于复合材料具有强度高、重量轻及涂装后耐候性好等优点，许多装饰产品均用拉挤复合材料取代木质产品。
        有一棚架生产商就采用截面5平方英寸的拉挤管材代替了木质柱子。现在只有在顾客要求产品表面具有东方建筑风格时才采用木质椽，但木材耐候性差，必须经常涂漆。
        另一棚架生产商在制造大型凉棚时遇到了麻烦。许多户外家具零售商需要用棚子展示他们的产品，这就要求棚子的跨距达到20英尺。如此长度的跨距对木材来说几乎是不可能的事，即使可以找到长度合适的木材，棚子也会因为木材自身重量而发生倾斜。于是建造者采用薄壁拉挤复合材料椽上加檩的方式。1.75×7.5寸的椽仅重1.52千克/米（1磅/英尺），檩重为0.6千克/米（0.4磅/英尺）。跨度为20英尺时椽的变形仅为3/16英寸（4.5毫米）。两种型材壁厚均为2毫米，中空型材的两端用聚氨酯浇铸物封填，使棚子具有所需的外部造型。
        复合材料的优势促进拉挤型材逐渐进入门窗市场，并进入这一应用领域，这些优势体现为薄壁型材、高的强度、光滑的表面和良好耐候性涂层。

        装饰用结构柱
        许多建筑师和建筑商选用木柱子作为门廊等顶部结构的支撑部件。然而时间一久，木材就会损坏，需要进行更换。已经至少有两家建造商采有拉挤玻璃纤维复合材料作为结构柱。玻璃纤维复合材料固有的良好耐候性使其成为沿海地区的理想用料，而且它比木材弹性好，在受到侵蚀时不易受损。
        玻璃纤维复合材料柱子一般有8、10、12平方英寸等规格，部分为简单的直线方形结构，新的柱子设计引入了弧线，使柱子更像手工木质柱。最新的柱子设计甚至使用凹槽结构。凹槽结构的仿木柱子重量不到7.41 千克/米（5磅/英尺）。达到1英尺/分钟的生产速度也是拉挤生产者梦寐以求的事。
        然而，这些大型型材所需的模具成本很高，而且对设备的要求也很高，这已成为复合材料行业一个很大的市场机遇。铝柱生产商已经感觉到来自玻纤复合材料的压力。与铝相比，复合材料具有耐腐蚀，不易损坏等优点。一美国制造商拥有两种尺寸的三种设计，其中一种尺寸已经实现一模多孔生产。

        防波堤
        过去一直是木材和钢材占据了防波堤市场。通常所使用的是处理过的木材，但用于木材处理的化合物已经证实对环境不利；而钢材容易锈蚀，几年后就要更换。这两种材料所面临的问题给PVC和复合材料带来了机遇。乙烯材料开始用于此领域，但强度有问题。
        长的防波堤有时需要钉入湖底或海底。拉挤成型的复合材料被证实在长度方向强度、耐腐蚀性方面可以满足安装。其良好的耐腐蚀性和优势使其成为此领域的理想材料。

        商用花盆
        一加利福尼亚公司已经开始出售拉挤型材制作的U形花盆，尺寸为22.8厘米×21.6厘米（9英寸×9英寸），象装饰柱一样，该花盆为仿木外观。考虑到使用强度的要求，生产商采用了玻璃纤维复合材料。这种花盆有盖，制造商可以在任意长度拉挤型材上加盖。
        在住宅市场销售的产品尺寸多为90厘米到1.8米（3英尺到6英尺），商用市场所需尺寸要长很多。许多商用花盆一般悬挂在建筑外面，不锈钢挂钩一般被锚固在墙上，筐每边的顶部都有一个供固定的小翻边。筐重约为4.95千克/米（约3.3磅/英尺），加上泥土和植物可达112千克/米（75磅/英尺）。因此，木材和PVC的强度均不能满足要求，采用玻璃纤维复合材料就可以保证花盆不会断裂而坠落到人行道上。而一些园林建筑商（包括Smith & Hawken）指定使用这种花盆，将其用在花园中。该公司进行了一些新设计，使得在同样理念基础上可以生产更大的商用花盆。

        定制建筑
        拉挤复合材料在定制建筑中已经得到广泛应用，特别是电磁干扰严重的场合。IBM和苹果电脑公司对标准和定制型材的建造的工厂建筑进行了测试。
        当自然力量造成灾难时，如印度尼西亚海啸和新奥尔良飓风卡特里娜，用复合材料型材搭建的临时建筑可以为受灾家庭提供避难场所，还可以用它建造医院、厨房、睡眠设施，用后可以拆卸下来以备下一次灾难时使用。政府需要考虑这些需求并在急需时提供这些设备。在临时性定制建筑方面，复合材料和拉挤工艺具有其它传统材料无法比拟的优势。

        住宅建筑
        最大的住宅建造商Pulte Home Sciences公司取得了一项最新的研究成果，即开发了一系列型材，可以使单个家庭住宅的建造时间缩短。这种方案的优点是可以用一大型型材替代三个独立安装的传统铝质、木材和PVC构件的功能。槽、拱腹和面板通过拉挤成型整体安装，代替三块传统构件/材料。

图6

        Pulte就此申请了专利，并准备将其大规模用于建造美国住宅建筑。Pulte公司承建了美国大约2％的住宅建筑。这项研究最有趣的地方是，建筑公司的老板设计了拉挤型材并找到了一家拉挤生产企业为其生产。所有这些开发是在没有复合材料行业的任何帮助下进行的。
        这似乎并不是一件好事，但令人鼓舞的是我们已经因为这种材料和工艺体系而闻名，证明了我们在此市场取得了新的认知度。这项最新研究开发将会得到认同，但不能武断地说是它是我们行业的最大机会，一个行业最敏感的是价格问题。

        综合评价
        拉挤复合材料型材为所有建筑导向的应用提供了解决方案：
        ◆ 窗户线框，具有内在的绝热性能，在冷、热环境下具有良好尺寸稳定性，从而达到最高的能量效率；
        ◆ 复合材料扶手和栅栏具有乙烯材料所没有的强度（刚度）；
        ◆ 复合材料型材的强度优势使得凉棚和棚架椽跨距可以比木质和乙烯制品更大，且具有耐腐蚀性和装饰性；
        ◆ 装饰/结构柱强度高、易安装、免维护、外形美观；
        ◆ 拉挤防波堤强度高、耐腐蚀；
        ◆ 商用花盆轻质高强、免维护、符合建筑外观要求；
        ◆ 拉挤复合材料定制建筑几乎具有复合材料和拉挤工艺所有优点，包括电磁波可透性；
        ◆ 复合材料制品因其牢固性将会在民用住宅市场得到应用，节省劳动力成本。
        作为一个行业，我们不应考虑价格竞争。反之，应着眼于价值。如今我们在很多领域取得了价值基础上的成功。我们不应考虑如何与传统材料竞争，而是传统材料如何与拉挤复合材料竞争？作为拉挤制品生产商所面临的挑战是确定那些传统材料无法满足要求而复合材料可以发挥优势的应用领域。一旦我们涉足其中，这些材料和工艺就会证实我们所描述的优势和价值。 ■



        Jeff Martin, Martin Pultrusion集团；
        1670 Enterprise Parkway, Twinsburg,
        OH 44087, USA;
        电话: +1-330-405-5788;
        e-mail: pultrude@aol.com;
        www.martinpultusion.com
        图片说明：
        1.处于最后装配阶段的复合材料凉棚（图片致谢：Arbors Direct公司）
        2.2002年和2005年拉挤制品的需求量（数据来源：Drucker Research公司）
        3.窗户市场材料使用趋势（数据来源：Drucker Research公司）
        4.拉挤成型的扶手具有比PVC更高的刚度，特别是在夏天的几个月中
        （图片提供：Arbors Direct）
        5.玻璃纤维拉挤型材因强度高而被用在商用花盆中（图片致谢：Martin Pultrusion Group Inc.）
        6.拉挤型材帮助Pulte缩短房屋建造时间（图片致谢：Pulte Home Sciences公司）
        7.许多窗户制造商将拉挤工艺与传统材料结合以获得最佳性能
        8.喷涂的拉挤型材制成的低保养、外表美观的的棚架
        9.拉挤栅栏由于强度高、外观美，被用于商业领域（图片致谢：ATP 经由Martin Pultrusion Group Inc.）
        10.拉挤成型的结构柱比木材更轻、寿命更长（图片提供：Martin Pultrusion Group Inc.）

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2011年06月