Nowoczesne uszczelki okienne

Ważnym elementem okien, zapewniającym ich odpowiednią izolacyjność termiczną i wpływającym na zmniejszenie strat energii cieplnej w budynku, jest uszczelka. Jednocześnie skutecznie zabezpiecza przed wnikaniem wilgoci oraz hałasu i ogranicza nadmierną infiltrację powietrza. Producenci uszczelek wciąż rozszerzają swój asortyment o nowe wyroby, charakteryzujące się wyższą wytrzymałością oraz lepszymi parametrami użytkowymi.

ZAGADNIENIA SZCZELNOŚCI OKIEN

Okno jest wyrobem budowlanym zamykającym otwory ścienne i umożliwiającym doświetlenie pomieszczeń oraz ich wentylację. Składa się  z nieruchomej części jaką jest ościeżnica, oraz jednej lub więcej części ruchomej, zwanej skrzydłem i będącej zazwyczaj przeszklonej.

Uszczelnienie okna ma bezpośredni wpływ na właściwości tego wyrobu, które są określone w normie PN-EN 14351-1:2006+A1:2010 Okna i drzwi – Norma wyrobu, właściwości eksploatacyjne – Część 1: Okna i drzwi zewnętrzne bez właściwości dotyczących odporności ogniowej i/lub dymoszczelności.

W problematyce szczelności okien rozróżnia się dwa zagadnienia – szczelność związaną z osadzeniem i zamocowaniem tego wyrobu w otworze ściennym oraz szczelność samego okna. Niniejsza publikacja obejmuje tylko elementy zapewniające właściwą szczelność okna.

Do najistotniejszych właściwości  okna, które są niewątpliwie zależne od jego uszczelnienia, można zaliczyć m.in. :

• wodoszczelność,
• przepuszczalność powietrza,
• izolacyjność akustyczną,
• odporność na wielokrotne otwieranie i zamykanie.

Wymagania związane z tymi właściwościami są określone w powyższej normie. Zawiera ona również wymagania odnoszące się do trwałości okna. Podaje się w nich, iż trwałość wodoszczelności i przepuszczalności powietrza jest zależna głównie od uszczelek, które powinny być wymienialne. Dodano także, że te elementy powinny spełniać wymagania indywidualnych europejskich norm  wyrobu. Takie normy dotyczące problematyki uszczelnień okien podane są w dalszej części publikacji.

Stosowane w oknach uszczelki spełniają różnorakie zadania, jak mocowanie i uszczelnianie oszklenia, pełnienie roli przylgi lub regulację przepływu powietrza przez szczeliny infiltracyjne.

Przyjmuje się, że uszczelki  dobrze i skutecznie spełniają swoje zadanie w oknie, jeżeli charakteryzują się następującymi właściwościami:

• dużą odpornością na promieniowanie słoneczne (UV) i działanie innych czynników atmosferycznych jak wilgoć, para wodna, zmienna temperatura i przenikanie kurzu,
• stosowną plastycznością i elastycznością w zakresie temperatur od -50 °C do +120 °C,
• twardością w granicach od 40 °Sh do 90 °Sh,
• odpornością na częste zamykanie i otwieranie okna,
• odpornością na sklejanie, odbarwianie i działanie czynników chemicznych jak kwasy, ługi itp.

RODZAJE I BUDOWA USZCZELEK

Zgodnie z definicją normową, uszczelką nazywamy materiał uszczelniający dobrze przylegający do powierzchni dwóch elementów, których połączenie należy uszczelnić. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje uszczelek okiennych, o charakterystyce poniżej przedstawionej.

Uszczelki przylgowe – zwane także dynamicznymi, są osadzane w specjalnych kanałach kształtownika, z którego wykonuje się ramy skrzydeł oraz ościeżnice okna, i mają za zadanie uszczelnienie styku tych elementów. Określenie, iż  są to uszczelki dynamiczne wynika z faktu ich „pracy” przy otwieraniu okna, co wymaga dużej elastyczności oraz dobrej pamięci kształtu.

Uszczelki przyszybowe – zwane także statycznymi, są stosowane zazwyczaj do mocowania oszklenia, z których jedna jest osadzana w specjalnym kanale kształtownika ramy skrzydła, a druga w kanale  listwy przyszybowej, przy czym obie mają za zadanie także uszczelnienie oszklenia i dodatkowo w przypadku okien aluminiowych oraz stalowych – osłonę przed bezpośrednim stykiem szkła i metalu. „Praca” tych uszczelek jest statyczna, ale wymaga dobrej wytrzymałości i odporności na pękanie.

Przykładowe uszczelki przylgowe i przyszybowe usytuowane w kształtownikach tworzywowych okna przedstawiono na rys. 1.

Ze względu na sposób budowy, wyróżnić można dwa zasadnicze elementy uszczelek:

• część mocującą – osadzaną w specjalnym kanale kształtownika okna,
• część uszczelniającą – opierającą się na kształtowniku z którego wykonane jest okno, po jego zamknięciu.

Uszczelki są osadzane częścią mocującą w kanale ramy ruchomego skrzydła oraz w kanale ramy na trwale zamocowanej w otworze okiennym ościeżnicy. Osadzenie jest wykonywane zazwyczaj w sposób ciągły na całym obwodzie ramy bez naprężania, a połączenie końców uszczelki powinno być usytuowane w połowie długości górnego ramiaka poziomego okna.

Część uszczelniająca, zwana także piórem, powinna po zamknięciu okna ułożyć się na kształtowniku ramy równolegle do płaszczyzny uszczelnianej. Wymaga to dokładnego wyregulowania luzu w oknie.

Uszczelki przyszybowe, stosowane także do osadzania wypełnień nieprzeźroczystych, są dobierane stosownie do grubości instalowanej tafli szklanej lub elemntu wypełniającego oraz do wymiarów listew przyszybowych danego okna.

Oprócz powyżej przedstawionych standardowych uszczelek, występują jeszcze m.in. następujące wyroby uszczelniające:

• uszczelki samoprzylepne, przewidziane głównie do stosowania przez indywidualnych użytkowników, przeważnie do renowacji okien,
• uszczelki zespolone z kształtownikiem tworzywowym w momencie jego wytwarzania lub zaraz po wytłoczeniu,
• uszczelki i taśmy pęczniejące, instalowane w oknach przeciwpożarowych, charakteryzujące się procesem pęcznienia pod wpływem temperatury i wielokrotnym zwiększaniem objętości, powodującym powstanie niepalnej, izolującej od ognia masy.

MATERIAŁY DO WYKONYWANIA USZCZELEK

GUMA

Tradycyjnym materiałem służącym do produkcji uszczelek jest guma, otrzymywana przez wulkanizację różnych rodzajów kauczuku małymi ilościami substancji wulkanizujących jak siarka lub nadtlenki. W skład gumy wchodzą jeszcze napełniacze, przyspieszacze wulkanizacji, substancje zmiękczające itp.

Właściwości gumy ulegają jednak w miarę upływu czasu niekorzystnym zmianom, wynikającym z działania m.in. zmiennych temperatur, światła UV, tlenu lub ozonu, czyli tzw. procesu starzenia. W związku z tym  guma jest coraz rzadziej stosowana do wytwarzania uszczelek, w tym także okiennych.

KAUCZUK EPDM

Kauczuk syntetyczny EPDM jest terpolimerem składającym się głównie z mieszaniny monomerów etylenowo-propylenowych, charakteryzujących się możliwością skrajnie szybkiej wulkanizacji podczas wytłaczania profili uszczelek oraz wysoką stabilnością cieplną i odpornością na ściskanie. Ponadto wyróżnia się ważną w uszczelnieniach wyrobów otworowych zaletą – tzw. powrotem poodkształceniowym, polegającą na dużej zdolności do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, bez zmiany ciągłości jego struktury. Cechuje się również dużą odpornością na niekorzystne warunki atmosferyczne i działanie wody opadowej oraz temperatur w granicach od -40 °C do +100 °C, a także twardością w zakresie od 40 °Sh do 90 °Sh.

Duża sztywność uszczelek wykonywanych z EPDM preferuje ich wykorzystanie do uszczelnień okien wytwarzanych z kształtowników metalowych, w tym także jako uszczelki przyszybowe.

TERMOPLASTYCZNE ELASTOMERY TPE

Termoplastyczne elastomery TPE są zbudowane z polimerów lub mieszaniny polimerów, mających w temperaturze użytkowania właściwości podobne do właściwości gumy. Cechy te zanikają jednak w temperaturze przerobu, dzięki czemu możliwe jest dalsze przetwórstwo, natomiast pojawiają się wówczas, gdy materiał powraca do temperatury, w której jest użytkowany. Wyroby wykonane z TPE charakteryzują się m.in. bardzo korzystną udarnością i elastycznością w  pokojowej, a nawet niskiej temperaturze, wysokim pochłanianiem energii mechanicznej, dobrą odpornością na ścieranie oraz znaczną elastycznością powrotu do kształtu pierwotnego.

Do przedstawianej grupy elastomerów zaliczane są także mieszaniny polimerów i stopów sieciowanych w warunkach dynamicznych, zwanych termoplastycznymi wulkanizatami – TPE-V. Tworzywo takie łączy w sobie zalety EPDM I TPE, czego wynikiem jest bardzo dobra odporność na niekorzystne czynniki atmosferyczne oraz stabilność termiczna w połączeniu z odpornością na odkształcenia trwałe pod wpływem sił ściskających.

PLASTYFIKOWANY POLICHLOREK WINYLU (PVC)

Tworzywem termoplastycznym, z którego można wykonywać w łatwiejszy oraz tańszy sposób uszczelki, w tym okienne, jest plastyfikowany polichlorek winylu – PVC. Jednak tylko odpowiednie receptury modyfikowanego polichlorku winylu z mieszaninami kauczuków nitrylowych jako środków plastyfikujących pozwalają na otrzymanie tworzywa, spełniającego wymagania dotyczące właściwych uszczelnień.

Uszczelki wykonywane z PVC charakteryzują się także wadami, do których zaliczyć należy małą odporność termiczną, dość niską sprężystość i zdolność utrzymania pierwotnego kształtu oraz duży skurcz termiczny.

MATERIAŁY WIELOKOMPONENTOWE

W celu uzyskania coraz lepszych parametrów wytrzymałościowych i odpornościowych uszczelek, wdrażane są rozwiązania tych wyrobów z zastosowaniem kombinacji wielu materiałów. Takim przykładem są uszczelki o konstrukcji składającej się  z pianki poliuretanowej stanowiącej wypełnienie uszczelki i powlekanej na zewnątrz cienką warstwą osłonową polipropylenu oraz termoplastycznego elastomeru poliestrowego TPE , z którego wykonuje się element końcowy uszczelki. Zestaw tych komponentów powoduje, że uszczelka ma świetną pamięć kształtu (powrót poodkształceniowy), niski, a właściwie zerowy poziom rozciągnięcia, wysokie właściwości tłumiące hałas oraz przewodności cieplnej, szeroki zakres temperatury pracy itp.

MATERIAŁY ZINTEGROWANE

Coraz szersze zastosowanie znajduje technologia instalowania uszczelek w kształtownikach okiennych wykonywanych z twardego PVC w trakcie ich wytłaczania. Procesy te są nazywane:

• koekstruzją – kiedy aplikacja uszczelki następuje w momencie wytłaczania kształtownika,
• postekstruzją – kiedy aplikacja uszczelki następuje zaraz po wytłoczeniu kształtownika.

Technologia ta skraca proces produkcji okna, gdyż zostaje wyeliminowany jeden z etapów jego wytwarzania w postaci instalowania uszczelki w kanale kształtownika okiennego tzw. aplikacja. Ponadto zmniejsza się ilość materiałów w magazynie producenta okien.

Zazwyczaj w przypadku stosowania procesów koekstrukcji lub postekstrukcji używane są uszczelki wykonywane z PTE albo PTE-V. Przyczyną tego jest to, iż zaaplikowana do kształtownika uszczelka wykonana z podanych materiałów może być zgrzewana w narożach okien w tym samym czasie, temperaturze i na tej samej zgrzewarce co kształtownik Z PVC. Jest to gwarancją osiągnięcia właściwej szczelności na całym obwodzie okna.

PRZEGLĄD NOWYCH ROZWIĄZAŃ USZCZELNIEŃ OKIEN

USZCZELKI Z MATERIAŁÓW WIELOKOMPONENTOWYCH

Firma Schlegel opracowała konstrukcję uszczelek okiennych o nazwie Q-Lon, zawierającej kombinację materiałów gwarantujących uzyskanie bardzo wysokiej wytrzymałości i odporności na działanie niekorzystnych warunków atmosferycznych. Rozwiązanie konstrukcyjne uszczelki typu Q-Lon z zaznaczeniem rodzajów użytych materiałów przedstawiono na rys. 2.

Zastosowane do wykonania uszczelki  komponenty – wypełniająca pianka poliuretanowa, powlekająca ją powłoka polietylenowa oraz wykonana z termoplastycznego elastomeru poliestrowego TPE końcówka, pozwalają na uzyskanie m.in. następujących parametrów:

• współczynnik przenikania ciepła U = 0,03 W/m²•K,
• siła ściskająca – około 15 N/100 mm,
• odporność na ścieranie – brak uszkodzeń po 100 000 cykli działania,
• zakres temperatur pracy – od -60 °C do +70 °C,
• trwałość koloru – brak odbarwień (indeks trwałości koloru  ˃4).

Przykładowe okno z zainstalowaną uszczelką typu Q-Lon przedstawiono na rys. 3.

Prezentowane uszczelki zapewniają niższą przepuszczalność powietrza w szerszym zakresie temperatur od innych rozwiązań tego typu wyrobów. Ponadto charakteryzują się wysokimi właściwościami tłumiącymi hałas oraz ustabilizowaną odpornością na gnicie, grzyby, promieniowanie UV oraz zabrudzenia farbami i innymi plamami.

Jak podaje producent, przydatność zainstalowanych w oknach uszczelek typu Q-Lon została jednoznacznie pozytywnie zweryfikowana przez ponad 20 lat ich stosowania.

Innym przykładem tego typu rozwiązań materiałowych są uszczelki z kordem wzmacniającym. Ma to zapobiegać nadmiernemu rozciąganiu uszczelki w trakcie jej montażu w oknie. Dodać należy, iż produkcja uszczelek z kordem wymaga precyzji, w celu jego niezmiennego położenia na całej długości. Jest to szczególnie istotne w przypadku uszczelek z profilem o małej grubości, gdyż występuje wtedy możliwość przecięcia materiału przez kord. Przykładową uszczelkę z kordem wzmacniającym pokazano na rys. 4.

USZCZELKI Z MATERIAŁÓW ZINTEGROWANYCH

Jak już w publikacji wspomniano, coraz większe zainteresowanie wśród europejskich producentów okien z polichlorku winylu (PVC) zdobywają kształtowniki (profile) z zainstalowanymi w trakcie ich wytłaczania uszczelkami. Procesy te są określane jako koekstruzja – aplikacja uszczelki następuje w momencie wytłaczania kształtownika okiennego i postekstruzja – aplikacja uszczelki jest realizowana tuż po wytłoczeniu kształtownika okiennego.

Kształtownik z PVC z uprzednio umieszczoną uszczelką w dość istotny sposób ułatwia proces produkcji okna oraz zapewnia wysoką szczelność na całym jego obwodzie.

W przedstawionym procesie produkcji kształtowników okiennych są zasadniczo stosowane  uszczelki wykonane z termoplastycznych elastomerów TPE i TPE-V. Wynika to głównie w faktu charakterystycznych właściwości tych tworzyw w zakresie temperatury przerobu, co pozwala na zgrzewanie w narożach okien w tym samym procesie technologicznym.

Prezentowane rozwiązanie tworzywowych kształtowników okiennych z zaaplikowanymi uszczelkami stosuje m.in. firma Veka. Jest to system „Veka effectline”, którego podstawą są pięciokomorowe kształtowniki z PVC. W ramach skrzydła i ościeżnicy okna znajdują się zainstalowane na całych ich obwodach uszczelki przylgowe o specjalnej konstrukcji. Ponadto w skrzydle są zamontowane dwupowierzchniowe uszczelki przyszybowe licujące z kształtownikiem, a ich 15 stopniowy spadek gwarantuje doskonałe odprowadzenie wody opadowej. Przekrój kształtowników okiennych tego systemu wraz z opisanymi uszczelkami przedstawiono na rys. 5. Z kolei na rys. 6 pokazano fragment okna wykonanego z kształtowników systemu „Veka effectline”.

W procesach koekstruzji i postekstruzji nie stosowano kauczuku syntetycznego EPDM, gdyż w przeciwieństwie do elastomerów TPE, jest on materiałem nietopliwym. Producent uszczelek – firma Semperit Deggedorf, opracowała nowatorski system uszczelnień do okien i drzwi typu „inline”, wykonywany z EPDM. Uszczelki tego systemu mogą być  także aplikowane do kształtowników okiennych wykonywanych z PVC w trakcie procesu ich wytłaczania.

USZCZELKI Z MATERIAŁÓW O RÓŻNEJ TWARDOŚCI

Jednym z bardziej zaawansowanych technicznie rozwiązań uszczelek okiennych jest wyrób wykonany z dwóch połączonych ze sobą takich samych materiałów, ale o różnych stopniach twardości. Część mocująca jest wykonana z materiału o wyższej twardości, natomiast część uszczelniająca (pracująca) z materiału o niższej twardości. Twardsza część mocująca znacznie ułatwia aplikację uszczelki oraz podwyższa pewność jej osadzenia w kanale kształtownika ram okna, natomiast niższa twardość części uszczelniającej pozwala na lepsze dopasowanie do uszczelnianych powierzchni. Uszczelki o dwóch stopniach twardości wykonywane są m.in. z kauczuku syntetycznego EPDM, a przykładowy wyrób pokazano na rys. 7.

Podobne rozwiązanie materiałowe stosowane jest w uszczelkach wykonywanych z termoplastycznych elastomerów TPE instalowanych w oknach drewnianych. Są to zazwyczaj uszczelki o bardziej złożonym przekroju, co przekłada się na podwyższenie właściwości termoizolacyjnych i akustycznych. Uszczelki okienne z dwukomponentowego  TPE o różnych stopniach twardości przedstawiono na rys. 8, przy czym części uszczelniające wykonane z  materiału miękkiego  zaznaczono kolorem szarym, a części mocujące wykonane z materiału twardego kolorem czarnym. Kształt zewnętrzny obu uszczelek jest bardzo zbliżony, natomiast duża różnica występuje w ich budowie. Uszczelka oznaczona jako „A” jest wielokomorowa, co zapewnia lepszą jej pracę przy zamykaniu okna. Zapobiega bowiem uderzaniu skrzydła o ościeżnicę przy przypadkowym trzaśnięciu oknem. Uszczelka oznaczona jako „B” ma natomiast część uszczelniającą wykonaną z miękkiego materiału spienionego, charakteryzującego się dużą elastycznością. Umożliwia to doskonałe dostosowanie się do wszelkich nierówności, co zapewnia pełną szczelność okna na całym jego obwodzie.

Jak już powyżej wspominano,   uszczelki o dwóch stopniach twardości są stosowane często w oknach drewnianych, a przykładowe rozwiązanie pokazano na rys. 9.

Takie rozwiązania uszczelek są także coraz częściej stosowane w oknach aluminiowo-drewnianych. Uszczelki będące kombinacją twardego, a więc masywnego TPE oraz miękkiego, zazwyczaj spienionego TPE, przewidziane do zainstalowania w powyżej wymienionych oknach, przedstawiono na rys. 10. Wyroby te charakteryzują się dokładnym dopasowaniem do ewentualnych nierówności drewna oraz właściwym przyleganiem do kształtowników aluminiowych i szyby. Dodatkową zaletą prezentowanych uszczelek jest możliwość ich barwienia.

NORMY ZWIĄZANE Z USZCZELKAMI

Podstawowe zagadnienia związane z uszczelnieniami budowlanych wyrobów otworowych, w tym także okien, zawarte są w grupie norm europejskich EN 12365. W skład tej grupy wchodzą cztery dokumenty normalizacyjne,  z których najszersze zastosowanie ma norma PN-EN 12365-1:2006 Okucia budowlane – Uszczelki i taśmy uszczelniające do drzwi, okien, żaluzji i ścian osłonowych – Część 1: Wymagania eksploatacyjne i klasyfikacja.

W powyższej normie są sformułowane m.in. następujące wymagania:

• uszczelki powinny być dopasowane do tolerancji wymiarowych materiałów konstrukcyjnych i wyrobów, do których będą stosowane (drewno, PVC-U, metale itp.), a także wynikających z procesów produkcyjnych oraz zmian szczelin spowodowanych obciążeniem wyrobu,
• materiały, z których są wykonane uszczelki, powinny być fizycznie i i chemicznie kompatybilne ze stykającymi się z nimi powierzchniami wyrobu oraz dopasowane do warunków środowiskowych stosowania,
•  uszczelki powinny przenosić naprężenia mechaniczne wywołane podczas normalnego użytkowania założonego w projekcie (przechylanie, skręcanie, przesuwanie) i powinna być podana częstotliwość występowania takich oddziaływań,
• uszczelki nie powinny osłabiać zaplanowanego działania wyrobu (np. nie powinny drgać w szczelinach), a podczas użytkowania powinny zmniejszać efekt trzaskania lub nadmiernego obciążenia.

Norma PN-EN 12365-1:2006 zawiera także klasyfikację, wyrażoną sześciocyfrowym systemem kodowania. Jednym z istotnych elementów klasyfikacji jest zakres temperatury pracy uszczelki, który podzielono na sześć klas obejmujących temperatury od -40 °C do +200 °C.

Ponadto w normie podano metody badań, które szczegółowo określono w trzech, poniżej przedstawionych  normach badawczych.

Norma PN-EN 12365-2:2006 Okucia budowlane – Uszczelki i taśmy uszczelniające do  drzwi, okien, żaluzji i ścian osłonowych – Część 2: Liniowa siła ściskająca – Metody badań, zawiera opis metody określającej siłę wymaganą do ściśnięcia lub ugięcia uszczelki do z góry ustalonej w normie wartości.

Norma PN-EN 12365-3:2006 Okucia budowlane – Uszczelki i taśmy uszczelniające do drzwi, okien, żaluzji i ścian osłonowych – Część 3: Oznaczenie powrotu poodkształceniowego – Metoda badania, przedstawia metodę określającą procentowy powrót poodkształceniowy uszczelek (zdolność do odzyskania swobodnej wysokości po ściśnięciu lub odgięciu), które były ściskane lub uginane do minimalnej wysokości, w maksymalnym zakresie temperatury, przewidzianej w normie.

Norma PN-EN 12365-4:2006 Okucia budowlane – Uszczelki i taśmy uszczelniające do drzwi, okien, żaluzji i ścian osłonowych – Część 4: Oznaczenie powrotu poodkształceniowego po przyspieszonym starzeniu – Metoda badania, podaje metodę określającą długofalowe właściwości materiału, z którego wykonuje się uszczelki w maksymalnej temperaturze pracy.

  inż. Zbigniew Czajka

OKNO nr 2/2016

 Literatura                                                                                                                     

Normy: PN-EN 14351-1:2006+A1:2010, PN-EN 12365-1:2006,

PN-EN 12365-2:2006, PN-EN 12365-3:2006, PN-EN 12365-4:2006

Mgr inż. M. Różalski „Rozwój rynku uszczelek do stolarki okiennej”

Materiały informacyjne firm: Veka, Schlegel, Semperit, Schüco