Tấm nhôm composite: Loại lõi, Xếp hạng chống cháy & Chế tạo

Tấm nhôm composite là cấu trúc nhiều lớp, không phải là tấm nhôm đơn lẻ

Tấm nhôm tổng hợp là vật liệu xây dựng được thiết kế bao gồm hai tấm nhôm mỏng—thường Mỗi lớp dày 0,3 đến 0,5 mm—được liên kết nhiệt dưới nhiệt độ và áp suất liên tục với vật liệu lõi không phải nhôm có độ dày từ 2 đến 5 mm . Tấm bánh sandwich thu được, thường có tổng độ dày từ 3 đến 6 mm, thể hiện độ cứng uốn lớn hơn nhiều so với tấm nhôm nguyên khối có trọng lượng tương đương. Lớp vỏ nhôm cung cấp độ bền kéo, khả năng chống chịu thời tiết và bề mặt phù hợp cho hệ thống lớp phủ kiến ​​trúc, trong khi lõi truyền ứng suất cắt giữa các lớp da và mang lại độ phẳng và khả năng chống va đập cho tấm. Cấu trúc nhiều lớp này là nguyên nhân làm cho tấm composite 4 mm vẫn phẳng trên khoảng 1,2 mét, trong khi tấm nhôm nguyên khối có cùng trọng lượng sẽ thể hiện độ gợn sóng và đóng hộp dầu có thể nhìn thấy khi chịu sự thay đổi nhiệt độ. Sự liên kết giữa lớp vỏ nhôm và lõi được thực hiện thông qua một Màng dính nhiệt dẻo liên tục—thường là chất đồng trùng hợp polyetylen biến tính—được kích hoạt bằng nhiệt trong quá trình cán tấm và đạt được độ bền vỏ vượt quá 15 N/25mm khi được thử nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM D1781.

Vật liệu cốt lõi và sự phân chia cơ bản giữa tấm PE và FR

Vật liệu cốt lõi là thành phần xác định của tấm nhôm composite và sự lựa chọn giữa các loại lõi sẽ xác định phân loại hiệu suất chống cháy, chi phí, trọng lượng và sự phù hợp của tấm cho các ứng dụng xây dựng cụ thể. Lõi tiêu chuẩn cho các ứng dụng không chống cháy là polyetylen mật độ thấp, có mật độ khoảng 0,92 đến 0,95 g/cm³ và chỉ số oxy giới hạn khoảng 17%, nghĩa là nó sẽ dễ cháy trong điều kiện khí quyển bình thường . Tấm lõi PE chiếm phần lớn các tấm nhôm composite được sử dụng trên toàn cầu trong các bảng hiệu, trang trí nội thất và các ứng dụng ngoại thất không theo quy định. Công nghệ lõi thay thế cho các ứng dụng chống cháy là lõi chứa đầy khoáng chất, trong đó ma trận polyetylen được nạp với 30% đến 70% trọng lượng là chất độn khoáng chống cháy—thường là nhôm trihydroxide hoặc magie dihydroxide—có tác dụng hấp thụ nhiệt thông qua quá trình phân hủy thu nhiệt, giải phóng hơi nước làm loãng khí đốt và để lại lớp than gốm cách nhiệt cho lõi không cháy . Các tấm lõi FR chứa đầy khoáng chất này đạt được chỉ số oxy giới hạn trên 30%, phân loại vật liệu là tự dập tắt và chúng có thể đáp ứng các yêu cầu của ASTM E84 Loại A, EN 13501-1 Loại B-s1-d0 hoặc tiêu chuẩn phòng cháy quốc gia tương đương. Loại lõi thứ ba, ít phổ biến hơn là lõi nhôm dạng sóng hoặc tổ ong được sử dụng cho các ứng dụng hoàn toàn bằng kim loại, có độ cứng cao, trong đó cần có khả năng tương thích giãn nở nhiệt giữa vỏ và lõi.

Lịch sử hỏa hoạn và phản ứng theo quy định

Môi trường pháp lý toàn cầu đối với tấm nhôm composite đã thay đổi căn bản sau một số vụ cháy tòa nhà cao tầng, trong đó tấm lõi PE trên lớp ốp bên ngoài góp phần làm ngọn lửa lan nhanh theo chiều dọc. Những sự cố này đã dẫn đến các sửa đổi quy tắc rộng rãi hiện cấm sử dụng tấm composite lõi PE trên lớp ốp bên ngoài cho các tòa nhà trên một ngưỡng chiều cao nhất định—thường là 18 mét hoặc bốn tầng, tùy thuộc vào khu vực pháp lý . Yêu cầu thay thế là các tấm ốp bên ngoài phải có lõi FR chứa đầy khoáng chất hoặc phải có cấu trúc thay thế, chẳng hạn như tấm nhôm nguyên khối hoặc vật liệu ốp không cháy khác. Yêu cầu thử nghiệm cụ thể khác nhau tùy theo quốc gia: tại Hoa Kỳ, tiêu chuẩn liên quan là NFPA 285 đối với thử nghiệm lắp ráp tường nhiều tầng quy mô đầy đủ; ở Vương quốc Anh và nhiều quốc gia thuộc Khối thịnh vượng chung là BS 8414; tại Liên minh Châu Âu, phân loại EN 13501-1 được tham chiếu trong các quy chuẩn xây dựng quốc gia. Hậu quả thực tế đối với người chỉ định là vật liệu cốt lõi phải được xác minh thông qua báo cáo thử nghiệm của bên thứ ba dành riêng cho nhãn hiệu và kiểu tấm nền được chỉ định, chứ không phải được giả định từ tài liệu chung về sản phẩm.

Hệ thống lớp phủ và quang phổ độ bền PVDF so với Polyester

Lớp vỏ nhôm trên tấm nhôm composite được phủ một lớp hoàn thiện kiến trúc quyết định khả năng giữ màu, giữ độ bóng, chống phấn và chống ăn mòn của tấm qua nhiều thập kỷ tiếp xúc với bên ngoài. Hệ thống lớp phủ được áp dụng cho cuộn nhôm trước khi nó được ép thành tấm composite, sử dụng quy trình phủ cuộn liên tục áp dụng một tiền xử lý lớp phủ chuyển hóa cromat, sau đó là lớp sơn lót và lớp phủ ngoài, mỗi lớp được xử lý ở nhiệt độ kim loại cao nhất từ 230 đến 250 độ C . Hóa học lớp phủ ngoài được chia thành hai họ chính. Lớp phủ polyvinylidene fluoride, thường được tạo thành dưới dạng hỗn hợp nhựa acrylic 70% PVDF / 30%, là tiêu chuẩn cho các ứng dụng kiến trúc ngoại thất và được bảo hành hiệu suất từ 15 đến 30 năm đối với hiện tượng phai màu và phấn. Liên kết carbon-flo trong PVDF là một trong những liên kết hóa học mạnh nhất trong hóa học hữu cơ và nó chống lại sự phân hủy do bức xạ UV, mưa axit và phun muối. Lớp phủ polyester , polyester tiêu chuẩn hoặc polyester biến tính silicone, ít tốn kém hơn và được sử dụng cho các ứng dụng nội thất hoặc biển hiệu bên ngoài với thời gian sử dụng ngắn hơn từ 5 đến 10 năm. Phạm vi màu có sẵn trong PVDF hẹp hơn so với polyester vì yêu cầu xử lý ở nhiệt độ cao của PVDF hạn chế các chất hóa học sắc tố ổn định nhiệt, đó là lý do tại sao một số màu đỏ tươi, cam và vàng chỉ có trong công thức polyester.

Phương pháp chế tạo và kỹ thuật tạo rãnh và gấp

Tấm nhôm composite được định hình thành các yếu tố kiến trúc chủ yếu thông qua Kỹ thuật tạo rãnh và gấp, trong đó một rãnh hình chữ V được dẫn vào mặt sau của bảng thông qua lớp vỏ nhôm và phần lớn lõi, để lại lớp vỏ nhôm phía trước và một lớp vật liệu lõi mỏng còn nguyên vẹn để hoạt động như một bản lề . Sau đó, tấm này được uốn dọc theo đường rãnh này để tạo thành một góc thẳng, sắc nét với bán kính uốn cong được xác định bởi độ dày vật liệu còn lại. Độ sâu định tuyến rất quan trọng: quá nông và nếp gấp sẽ co lại hoặc làm nứt lớp da phía trước; quá sâu và mũi bộ định tuyến sẽ ghi điểm hoặc xuyên qua bề mặt nhôm phía trước, tạo ra một đường rõ ràng trên mặt hoàn thiện. Độ sâu định tuyến chính xác để lại 0,3 đến 0,4 mm vật liệu—về cơ bản là lớp vỏ nhôm phía trước cộng với khoảng 0,1 mm lõi—còn nguyên vẹn bên dưới rãnh . Góc của rãnh chữ V xác định góc góc hoàn thiện: rãnh 90 độ tạo ra góc 90 độ, rãnh 135 độ tạo ra góc quay 45 độ. Chiều rộng rãnh, lựa chọn dao và tốc độ tiến dao phải phù hợp với độ dày của tấm và loại lõi; Lõi PE định tuyến sạch sẽ ở tốc độ tiến dao cao hơn lõi FR chứa đầy khoáng chất, vốn có tính mài mòn cao hơn và yêu cầu các công cụ định tuyến có đầu bằng cacbua hoặc kim cương để duy trì chất lượng cạnh trong quá trình sản xuất. Sau khi gấp lại, góc có thể được gia cố bằng các giá đỡ góc bằng nhôm liên kết vào góc bên trong bằng chất kết dính kết cấu để tăng thêm độ cứng và ngăn góc mở ra khi chịu tải trọng gió.

Định tuyến CNC và yêu cầu hút bụi

Quá trình tạo rãnh chữ V tạo ra một lượng đáng kể bụi vật liệu lõi, vừa gây phiền toái vừa có nguy cơ cháy nổ. Bụi lõi PE dễ cháy và khi lơ lửng trong không khí ở nồng độ thích hợp, có thể tạo thành đám mây bụi dễ nổ. Bụi lõi chứa đầy khoáng chất FR nặng hơn và ít bắt lửa hơn nhưng lại có tính mài mòn đối với các vòng bi và vòng bi của máy công cụ. các trạm định tuyến phải được trang bị hệ thống hút bụi hiệu quả cao để thu giữ phoi tại điểm dụng cụ trước khi nó bay vào không khí , và bụi thu được phải được xử lý theo quy định của địa phương đối với chất thải dễ cháy hoặc chất thải khoáng sản nếu thích hợp. Ống hút bụi để định tuyến lõi PE phải được nối đất và liên kết để tiêu tán tĩnh điện, đồng thời thùng thu gom bụi phải được làm trống và các bộ phận lọc được làm sạch theo lịch trình để ngăn ngừa sự tích tụ của vật liệu dễ cháy bên trong hệ thống thu gom bụi.

Sự giãn nở nhiệt và chuyển động của bảng điều khiển phải được điều chỉnh

Các tấm nhôm composite giãn nở và co lại khi nhiệt độ thay đổi và mức độ chuyển động chủ yếu được xác định bởi lớp vỏ nhôm. các hệ số giãn nở nhiệt của nhôm là khoảng 2,4 × 10⁻⁵ mỗi độ C, nghĩa là một tấm dài 3 mét chịu sự thay đổi nhiệt độ 60 độ C giữa đêm mùa đông và mặt trời mùa hè sẽ thay đổi chiều dài khoảng 4,3 mm . Chuyển động này phải được điều chỉnh trong thiết kế mối nối của tấm và trong hệ thống đính kèm. Các tấm được cố định cứng ở nhiều điểm mà không cho phép giãn nở sẽ bị vênh ra ngoài giữa các điểm cố định khi bị nung nóng - một chế độ hư hỏng được gọi là đóng hộp dầu sẽ tồn tại vĩnh viễn một khi nó xảy ra do lớp vỏ nhôm bị nén và không trở lại phẳng khi được làm mát. Chiều rộng mối nối tiêu chuẩn cho hệ thống bảng tổng hợp dao động từ 10 đến 20 mm , với khớp nối rộng hơn được chỉ định cho các màu tối hơn giúp hấp thụ nhiều năng lượng mặt trời hơn và đạt nhiệt độ cao nhất. Hệ thống gắn kết thường sử dụng sự kết hợp của các điểm neo cố định chống lại tải trọng gió và các điểm neo trượt cho phép chuyển động nhiệt, với các điểm cố định được định vị ở đường tâm của tấm để sự giãn nở xảy ra đối xứng về cả hai cạnh. Việc định tuyến và gấp các cạnh của bảng điều khiển thành các băng cassette hoặc khay sẽ thay đổi hành vi giãn nở nhiệt: một khay được gấp hoàn toàn với các cạnh ở cả bốn cạnh sẽ cứng hơn bảng phẳng và có thể yêu cầu độ rộng khớp và khoảng cách gắn khác với bảng phẳng mà nó được chế tạo.

Thiết kế tải trọng gió và các bảng nhịp điều chỉnh khoảng cách đính kèm

Thiết kế cấu trúc của hệ thống tấm ốp nhôm composite được điều chỉnh bởi các bảng nhịp xác định khoảng cách tối đa cho phép giữa các điểm gắn cho độ dày tấm, loại lõi và áp suất gió thiết kế nhất định. A Tấm lõi PE 4 mm với lớp vỏ nhôm 0,5 mm, được đỡ trên bốn cạnh với khung chu vi ở tâm 600 mm, thường có thể chịu được áp suất gió thiết kế từ 1,5 đến 2,0 kPa với giới hạn độ lệch L/60 . Việc tăng độ dày của tấm lên 6 mm hoặc giảm tâm khung xuống 400 mm sẽ tăng khả năng chịu tải gió tương ứng. Giới hạn độ võng được thiết lập không phải do hư hỏng cấu trúc—tấm composite có độ dẻo cao và sẽ không bị gãy dưới tải trọng gió—mà bởi khả năng sử dụng: độ lệch quá mức gây ra hiện tượng gợn sóng có thể nhìn thấy trong ánh sáng phản chiếu và có thể mở các mối nối của tấm ngoài phạm vi tiếp xúc của lớp bịt kín thời tiết. Các bảng nhịp được công bố bởi các nhà sản xuất tấm và dành riêng cho từng kết cấu tấm; không thể áp dụng bảng nhịp cho tấm lõi PE cho tấm lõi FR, vì lõi chứa đầy khoáng chất có mô đun cắt khác ảnh hưởng đến đặc tính uốn của tấm. Bản thân hệ thống đính kèm—thường là nhôm ép đùn có đinh tán, ốc vít hoặc chất kết dính cố định vào bảng điều khiển—cũng phải được thiết kế cho tải trọng gió và các ốc vít phải có đủ khoảng cách đến các cạnh trong lớp vỏ nhôm để tránh bị rách dưới áp lực gió âm kéo tấm bảng ra khỏi tòa nhà.

Các phương pháp liên kết và giải pháp thay thế liên kết bằng keo

Phương pháp truyền thống để lắp ráp các bộ phận của bảng tổng hợp được chế tạo — chẳng hạn như rãnh cassette, rãnh tăng cứng và thanh chắn — là buộc chặt cơ học bằng đinh tán mù nhôm hoặc vít thép không gỉ. Việc buộc chặt cơ học là đáng tin cậy và có thể kiểm tra được, nhưng nó tạo ra tải trọng điểm ở mỗi dây buộc, để lại các đầu dây buộc có thể nhìn thấy trên mặt hoặc phía sau bảng điều khiển và có thể không tương thích với các yêu cầu thẩm mỹ của công trình kiến ​​trúc cao cấp. Một phương pháp thay thế đã được chấp nhận cho các ứng dụng cao cấp là liên kết kết dính cấu trúc bằng cách sử dụng chất kết dính epoxy hoặc acrylic hai thành phần được thiết kế đặc biệt để liên kết nhôm . Chất kết dính được bôi thành một hạt liên tục dọc theo mối nối giữa tấm và phần đính kèm, và cụm lắp ráp được cố định cho đến khi chất kết dính đạt đến độ bền xử lý. Mối nối dính được thiết kế phù hợp sẽ phân phối tải trọng liên tục dọc theo đường liên kết thay vì tập trung vào các điểm chốt rời rạc, điều này cho phép sử dụng lớp vỏ nhôm mỏng hơn mà không bị lõm dây buộc và loại bỏ cầu nối nhiệt mà ốc vít kim loại tạo ra. Hệ thống kết dính phải được xác nhận cho lớp phủ tấm cụ thể vì liên kết được tạo ra với bề mặt lớp phủ chứ không phải nhôm trần và năng lượng bề mặt của lớp phủ cũng như độ bám dính với nền nhôm quyết định độ bền liên kết cuối cùng. A cường độ cắt lớp phủ tối thiểu là 5 MPa trên bề mặt tấm được phủ thực tế là một tiêu chí chấp nhận điển hình cho việc liên kết keo cấu trúc của các phụ tùng tấm composite.

Tiêu chuẩn về độ phẳng và tiêu chí chấp nhận trực quan

Độ phẳng của các tấm nhôm composite được lắp đặt được đánh giá bằng quan sát trực quan trong các điều kiện ánh sáng cụ thể và tiêu chí chấp nhận được xác định trong các tiêu chuẩn ngành như AAMA 508 và EN 438-6. Bề mặt tấm, khi nhìn ở góc xiên dưới ánh sáng tự nhiên khuếch tán hoặc ánh sáng nhân tạo tương đương, không được biểu hiện đóng hộp dầu, được định nghĩa là độ gợn sóng hoặc gợn sóng có thể nhìn thấy làm biến dạng hình ảnh phản chiếu, biên độ lớn hơn 2 mm trên 300 mm chiều dài bảng điều khiển . Các khuyết tật cục bộ như vết lõm, nếp nhăn hoặc vết lõm ở dây buộc có thể nhìn thấy từ khoảng cách 3 mét trong điều kiện xem bình thường đều không được chấp nhận. Độ phẳng của tấm composite được xác định bởi chất lượng của lớp vỏ nhôm, tính đồng nhất của lõi, các thông số của quá trình cán cũng như quy trình xử lý và lắp đặt. Một tấm bị rơi vào một góc trong quá trình xử lý hoặc một tấm được lắp đặt với các điểm gắn lệch khỏi mặt phẳng sẽ hiển thị các khiếm khuyết về độ phẳng liên quan đến lắp đặt hơn là liên quan đến sản xuất. Sự khác biệt rất quan trọng vì trách nhiệm khắc phục thuộc về các bên khác nhau và việc kiểm tra độ phẳng phải được thực hiện sau khi quá trình lắp đặt hoàn tất và các tấm phải tuân theo các điều kiện nhiệt độ và gió thiết kế chứ không phải trong quá trình lắp đặt khi các tấm có thể bị căng tạm thời do lực xử lý và căn chỉnh.

Tuổi thọ sử dụng và bảo hành lớp phủ như một chỉ số hiệu suất

Tuổi thọ sử dụng của hệ thống tấm nhôm composite chủ yếu được quyết định bởi độ bền của lớp phủ trên lớp vỏ nhôm bên ngoài, vì bản thân nhôm và vật liệu lõi vốn có khả năng chống lại sự suy thoái của môi trường. A Tấm phủ PVDF được lắp đặt trong môi trường phi hàng hải, phi công nghiệp có thể duy trì màu sắc và độ bóng trong phạm vi thông số bảo hành từ 20 đến 30 năm , sau đó vết phấn và phai màu dần dần có thể đo lường được nhưng không nhất thiết phản cảm về mặt thẩm mỹ. Do đó, bảo hành lớp phủ là một chỉ số hiệu suất có ý nghĩa: một nhà sản xuất cung cấp bảo hành 20 năm về tính toàn vẹn, màu sắc và độ bóng của màng đối với lớp hoàn thiện PVDF đã xác nhận lớp hoàn thiện đó thông qua thời tiết tăng tốc trên diện rộng tương đương với thời gian sử dụng đó. Chế độ bảo hành cũng là một chỉ số về khả năng chống phấn của lớp phủ: phấn hóa là sự xuống cấp của nhựa trên bề mặt lớp phủ, giải phóng các hạt sắc tố có thể bị xóa sạch dưới dạng bột màu và nó tượng trưng cho sự khởi đầu của giai đoạn cuối đời của lớp phủ. Một tấm đã bắt đầu bị phấn hóa đáng kể vẫn còn nguyên vẹn về mặt cấu trúc, nhưng bề ngoài của nó sẽ tiếp tục xuống cấp và việc sơn lại tấm composite thường không hiệu quả về mặt kinh tế so với việc thay thế. Tuổi thọ cấu trúc của bảng điều khiển—tính toàn vẹn của liên kết giữa lớp vỏ nhôm và lõi—thường vượt quá tuổi thọ của lớp phủ và bảng điều khiển 30 năm tuổi với lớp phủ phấn vẫn có thể sử dụng được về mặt cấu trúc, mặc dù việc tháo bỏ và thay thế sẽ được kích hoạt bởi các cân nhắc về mặt thẩm mỹ hơn là an toàn.