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浅析玻璃纤维对PA66隔热条增强的重要性

来源:2018《建筑门窗幕墙创新与发展》  作者:徐积清  日期:2018-5-15
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  摘要:本文主要概述了国内隔热条中玻璃纤维的生产应用,选用玻璃纤维增强的原因,对使用优质玻璃纤维和劣质玻璃纤维及其它填充物进行了分析,以及阐述了玻璃纤维长度、分布和玻璃纤维在隔热条中的取向问题,会对玻璃纤维增强PA66隔热条主要性能的影响,对制备高性能隔热条产品的玻璃纤维增强要点进行了分析和总结,指出了制造高性能国产隔热条的关键要素和发展方向。
  关键词:玻璃纤维;PA66;隔热条;玻璃纤维增强

  1 引言

  1. 玻璃纤维增强的PA66隔热条的界定

  1.1 玻璃纤维增强的PA66隔热条的概念

  20 世纪70年代初世界石油危机的发生,引起了世界各国对节约能源的重视。隔热条在上世纪六十年代初诞生于德国,经过十多年的研究探索,PA66GF25 被公认为最佳的隔热条产品基质,综合性能远优于其他材料基质,且近几十来年均无变化。在欧洲,隔热条产品的生产已有四十多年的历史,技术工艺成熟,在欧洲市场的隔热条均为优质产品。铝合金型材(词条“铝合金型材”由行业大百科提供)隔热技术应势而生,并在欧美等发达国家得到了广泛的应用。

  用玻璃纤维增强的PA66隔热条近几年从国外引进到我国的新产品,而隔热铝合金(词条“隔热铝合金”由行业大百科提供)型材又分为两大类:一类是穿条式,一类是浇铸式。目前市场上的玻璃纤维增强的PA66隔热条在隔热门窗超过80%是采用穿条式隔热铝合金型材,因此,这一类隔热铝合金门窗(词条“铝合金门窗”由行业大百科提供)成为市场上的主导产品,玻璃纤维增强的PA66隔热条在隔热型材应用中正以惊人的速度发展,2016年玻璃纤维增强的PA66隔热条市场具权威机构统计用量可达六十亿米以上。

  1.2 玻璃纤维的涵义

  玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料。英文原名为:glass fiber 。成分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化硼、氧化镁、氧化钠等。原来大多是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺,近几年随着工艺技术的创新,较多厂家直接从原矿石生产加工成玻璃纤维。最后形成各类产品,玻璃纤维单丝的直径从几个微米到二十几米个微米,相当于一根头发丝的 1/20-1/5 ,每束纤维原丝都有数百根甚至上千根单丝组成,通常作为复材料中的增强材料建筑材料、汽车材料、电绝缘材料绝热保温材料,电路基板等,广泛应用于国民经济各个领域。

  2 选用玻璃纤维增强的原因

  2.1 选用玻璃纤维增强的理由

  PA66是性价比很高的工程塑料,具有较高的机械强度和很好的耐热性。但PA66本质是合成的有机高分子材料,它也具有高分子材料本身固有的特性,即材料蠕变特性。所谓的蠕变性就是指塑料材料在一定的外应力作用下,其形变随时间增加而增加的现象。未经增强改性的PA66是不可能直接做成隔热条使用的。如果真的采用未经增强改性的PA66,我们可以想象在框和玻璃重量作用下,这种纯PA66隔热条将会随时间延长而逐渐变形,所造成的后果将不堪设想。为了抑制PA66的蠕变性可加入多种填充物进行改性,国内外的实验已经证明,在所有增强填充物中玻璃纤维对蠕变的抑制效果是最好的! 其次经玻璃纤维增强后的PA66在强度刚性热变形温度方面都有大幅度提高,如加入(25±2.5)%玻璃纤维增强的PA66比抗张强度可达1500以上,这与硬铝合金(词条“合金”由行业大百科提供)钢的比抗张强度(1500-1600)相当,真正实现了隔热条与铝合金力学性能上的匹配。此外纯PA66的线膨胀系数是7*10-5K-1,这一数值是铝合金的近三倍,而加入(25±2.5)%玻璃纤维增强后PA66线膨胀系数可降至(2.5~3)* 10-5K-1,与铝合金的线膨胀系数非常接近,这样就避免了由于热胀冷缩作用导致隔热条从型材间脱落的危险。无数实验已证明,在PA66所用增强填充物中唯有玻璃纤维增强的PA66才有可能达到与铝合金相同的线膨胀系数!

  虽然玻璃纤维的加入能大幅提高或改善PA66的诸多性能,但其不利影响也是显而易见的:玻璃纤维的加入使PA66原有的光滑表面变的粗糙,从而影响到产品的表面质量;另外玻璃纤维对加工设备磨损十分严重,大大增加了机器方面的损耗费用。因此玻璃纤维增强PA66隔热条的生产技术是一项高端技术,目前国内能完全掌握该生产技术的厂家并不多。

  2.2 使用劣质玻璃纤维或其它填充物的危害

  现在市场上多个厂家在销售PA66隔热条,它们都声称其中的填充增强物为玻璃纤维,可经检测发现事实并非如此: 有的完全采用廉价的矿物(如碳酸钙、滑石粉等)进行填充,见图1;这类矿物填充除了带来成本降低之外,对隔热条其它性能(如强度、线膨胀系数等)的改善极为有限;有的采用大部分矿物与少量或劣质玻璃纤维混合填充的办法进行增强,殊不知玻璃纤维含量如达不到一定程度其增强作用会大打折扣;还有更假的非但填充增强物不能保证是玻璃纤维,连PA66都要在里面添加一些如聚丙烯,聚醋酸乙烯等之类的非工程塑料;用低成本的隔热条来替代玻璃纤维增强PA66隔热条。由于线膨胀系数与铝合金的线膨胀系数相差甚远,而且其强度低、耐热性差、抗老化性能差等许多缺陷,导致制成的隔热窗在实际安装使用,会由于热胀冷缩的原因会造成劣质隔热条在铝型材内出现松动,轻则导致窗体松动、变形,破坏门窗的气密性水密性等,重则造成窗体整体松散、脱离等,并在建筑中留下严重的安全隐患!

  3 玻璃纤维长度、分布和在隔热条中的取向问题

  3.1 玻璃纤维长度及分布对隔热条性能的影响

  在国外隔热条生产企业通常直接选购已改性的高纤PA66母料,50%增强PA66等助剂,按比例混合后直接通过单螺杆挤出成型。但是,由于成本及不同形状隔热条对复合材料加工流动性能的特殊要求,国内厂家更多倾向于隔热条专用的玻璃纤维增强PA66复合改性材料。通过双螺杆造粒改性工艺,采用玻璃纤维分散技术和螺杆螺纹套组合技术,使玻璃纤维均匀分散于复合材料中,来确保力学性能要求,见图2。

  3.1.1 玻璃纤维的分散排列和长度对隔热条产品的力学性能影响

  玻璃纤维的分散和长度对隔热条产品的各项力学指标和表面质量影响比较显著。因此,在生产过程中除了拥有螺杆螺纹的剪切组合的优异分散效果之外,还需配以特定的相关助剂,加强玻璃纤维与PA66基体树脂的结合。玻璃纤维的排列在隔热条的性能提高上起着决定性的作用,如果横向玻璃纤维排列的数量不够多,或玻璃纤维的直径、剪切长度不标准,都会影响到隔热条的各项力学性能。见表1和图2,A1、A2样品均加有相关助剂,表面光滑平整;A3样品外表粗糙,玻璃纤维有外露现象。

  3.1.2 玻璃纤维的分散排列和长度对隔热条产品的力学性能影响

  对隔热条复合材料改性过程中,挤塑机的螺杆螺纹组合对各组份物料分散和玻璃纤维长度影响非常重要。各配方好的物料需要加纤前在特定塑化区段(一般在五、六温度区间),加入玻璃纤维才能得到比较好的剪切塑化。经实验结果表明,粒料内玻璃纤维长度控制在0.6~0.8mm,隔热条的综合力学性能较好。从表1和图3中显示, A2样品的玻璃纤维长度集中于0.6~0.8mm间,分散排列也较均匀,拉伸强度冲击强度较好;A1和A3样品玻璃纤维长度较大,分散排列也不均匀,因此这两种的拉伸(词条“拉伸”由行业大百科提供)强度和冲击强度也相应较低;只有通过改变玻璃纤维的排列结构,增加横向的分布数量才能达到隔热条的各项力学性能指标。

  3.2 玻璃纤维在隔热条中的取向情况

  在隔热条产品中起增强作用的玻璃纤维通常由E型玻璃熔融后由熔炉中抽出纤维状细丝制成,其化学成分是钙-铝的硅酸盐。E型玻璃纤维具有优良的力学性能,还有很好的耐热性、耐水解(词条“水解”由行业大百科提供)性、性耐腐蚀性和尺寸稳定性。隔热条的成型加工要通过挤出机(词条“挤出机”由行业大百科提供)来完成,在挤出过程中,PA66熔体中的聚合物分子链不可避免地受挤出机的剪切作用,这种剪切作用力方向与挤出方向是一致的,因此加工时PA66分子链会沿着挤出方向排列取向。而PA66熔体中的增强填充材料的玻璃纤维本身具有很高的长径比(通常在50-100之间),它也受挤出机剪切作用而取向,但二者取向有明显差别:PA66分子链具有粘弹性因此当其熔体从挤出机挤出时由于剪切力瞬间消失,PA66分子链马上收缩回弹;玻璃纤维不具有PA66特性,其刚性是主要的,故玻璃纤维沿挤出方向的取向是不会消失的,且这种取向很快随PA66熔体的冷却定型而被定形,见图3。从图3可以看出,隔热条里玻璃纤维分布大致上会沿挤出方向取向,即沿隔热条纵向方向取向。

  从表1、图2和图3中的数据和图示可以比较得出产品性能的区别。A1和A3样品的横向抗拉强度与纵向抗拉强度数值可以看出,隔热条纵向抗拉强度远远大于其横向抗拉强度,造成这种现象原因正是因为隔热条里的玻璃纤维沿加工挤出方向而取向,所以隔热条在沿玻璃纤维取向方向上的纵向抗拉强度远大于垂直纵向方向的横向抗拉强度。

  有些厂家宣传其隔热条产品中的玻璃纤维不存在取向问题,并且以电镜照片加以证明,但从科学的角度来说这是对消费者的一种误导;电镜照片只是将隔热条的局部方面进行放大,并不能代表玻璃纤维在隔热条里的总体分布情况。隔热条的生产设备、模具(词条“模具”由行业大百科提供)以及复合材料改性工艺决定了玻璃纤维在隔热条里的取向情况。见表1和图3中A2样品的横向拉伸强度和纵向拉伸强度是比较一致的,而A1和A3样品的横向拉伸强度和纵向拉伸强度是相关较大;因此,隔热条在横、纵向拉伸强度数据的显著差异就证明了隔热条产品中的玻璃纤维存在取向问题。

  4 玻璃纤维在隔热条中的增强作用

  玻璃纤维与PA66是两种化学成分完全不同的材料,要实现玻璃纤维对PA66增强效果的最大化必须克服许多技术难题。国内好的隔热条厂家经过多年研发,采用以下技术成功地实现了玻璃纤维对PA66的最大增强作用:

  1.独特的偶联剂配方最大限度地保证了玻璃纤维与PA66界面粘结强度,这是玻璃纤维在尼龙树脂基体起增强作用的基础。

  2.针对PA66分子结构特点,选用无机/有机复配的方法,研制出PA66专用热稳定剂,保持PA66分子在加工过程中不断链,确保基体树脂的高性能。

  3.最优化的混合工艺使玻璃纤维在PA66里被剪切成合适的长度,这一长度避免了由于玻璃纤维长径比过大或过小而使其增强效果受到削弱。

  4.使用特殊螺杆结构来保证挤出机对物料的塑化,使隔热条生产能稳定连续地进行,同时这种螺杆结构亦能最大限度减少物料在螺杆的停留避免其降解

  在国内,尽管国产隔热条已有十余年的发展历史,但大部分国产隔热条质量仍存在一定差距,其主要原因是原材料性能、玻璃纤维选用、螺杆组合、材料配方、生产设备、生产工艺、模具水平以及精密挤出等技术不足或工艺不完善。鉴于目前隔热条产品质量的混乱状况,因此让建筑设计、施工、开发等专业人员深入了解隔热条现状,知晓隔热条的生产过程,主动摒弃劣质隔热条,提升建筑门窗的整体质量水平,无论对建筑门窗业本身,还是对社会均有重要意义。

  5 结束语

  本文通过对玻璃纤维的PA66隔热条自身特点和隔热条产品现状的分析,发现隔热条产品质量在应用方面存在着许多问题,这阻碍了玻璃纤维增强PA66隔热条的顺利发展。用玻璃纤维增强的PA66隔热条是一种新型的建筑材料,也得到中国建筑金属结构协会铝门窗幕墙委员会的推荐产品。这项技术充分利用了塑料低导热的特点阻断热量传导,从而达到了节能目的,成为目前全世界最理想的隔热节能材料。由此组合生产的新型隔热铝合金门窗幕墙以其显著的节能效果和优异的性价比迅速成为我国门窗幕墙行业的新技术亮点。

  正确而深刻地认识玻璃纤维增强PA66隔热条材料的本质对推动隔热条的普及和发展无疑是有利的,也只有这样才能让铝门窗行业多些呼吁使用高性能隔热条的声音,杜绝使用那些假冒伪劣产品,为隔热铝门窗行业健康、有序、持续地发展创造一个良好的氛围,为我们国家创造更好的经济效益和社会效益。

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