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淺析玻璃纖維對PA66隔熱條增強的重要性

來源:2018《建筑門窗幕墻創新與發展》  作者:徐積清  日期:2018-5-15
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  摘要:本文主要概述了國內隔熱條中玻璃纖維的生產應用,選用玻璃纖維增強的原因,對使用優質玻璃纖維和劣質玻璃纖維及其它填充物進行了分析,以及闡述了玻璃纖維長度、分布和玻璃纖維在隔熱條中的取向問題,會對玻璃纖維增強PA66隔熱條主要性能的影響,對制備高性能隔熱條產品的玻璃纖維增強要點進行了分析和總結,指出了制造高性能國產隔熱條的關鍵要素和發展方向。
  關鍵詞:玻璃纖維;PA66;隔熱條;玻璃纖維增強

  1 引言

  1. 玻璃纖維增強的PA66隔熱條的界定

  1.1 玻璃纖維增強的PA6(詞條“PA6”由行業大百科提供)6隔熱條的概念

  20 世紀70年代初世界石油危機的發生,引起了世界各國對節約能源的重視。隔熱條在上世紀六十年代初誕生于德國,經過十多年的研究探索,PA66GF25 被公認為最佳的隔熱條產品基質,綜合性能遠優于其他材料基質,且近幾十來年均無變化。在歐洲,隔熱條產品的生產已有四十多年的歷史,技術工藝成熟,在歐洲市場的隔熱條均為優質產品。鋁合金型材隔熱技術應勢而生,并在歐美等發達國家得到了廣泛的應用。

  用玻璃纖維增強的PA66隔熱條近幾年從國外引進到我國的新產品,而隔熱鋁合金型材又分為兩大類:一類是穿條式,一類是澆鑄式。目前市場上的玻璃纖維增強的PA66隔熱條在隔熱門窗(詞條“門窗”由行業大百科提供)超過80%是采用穿條式隔熱鋁合金型材,因此,這一類隔熱鋁合金門窗(詞條“鋁合金門窗”由行業大百科提供)成為市場上的主導產品,玻璃纖維增強的PA66隔熱條在隔熱型材應用中正以驚人的速度發展,2016年玻璃纖維增強的PA66隔熱條市場具權威機構統計用量可達六十億米以上。

  1.2 玻璃纖維的涵義

  玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料(詞條“金屬材料”由行業大百科提供)。英文原名為:glass fiber 。成分為二氧化硅、氧化鋁(詞條“氧化鋁”由行業大百科提供)、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。原來大多是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝,近幾年隨著工藝技術的創新,較多廠家直接從原礦石生產加工成玻璃纖維。最后形成各類產品,玻璃纖維單絲的直徑從幾個微米到二十幾米個微米,相當于一根頭發絲的 1/20-1/5 ,每束纖維原絲都有數百根甚至上千根單絲組成,通常作為復材料中的增強材料建筑材料、汽車材料、電絕緣材料絕熱保溫材料,電路基板等,廣泛應用于國民經濟各個領域。

  2 選用玻璃纖維增強的原因

  2.1 選用玻璃纖維增強的理由

  PA66是性價比很高的工程塑料(詞條“工程塑料”由行業大百科提供),具有較高的機械強度和很好的耐熱性。但PA66本質是合成的有機高分子材料(詞條“有機高分子材料”由行業大百科提供),它也具有高分子材料本身固有的特性,即材料蠕變特性。所謂的蠕變性就是指塑料材料在一定的外應力作用下,其形變隨時間增加而增加的現象。未經增強改性的PA66是不可能直接做成隔熱條使用的。如果真的采用未經增強改性的PA66,我們可以想象在框和玻璃重量作用下,這種純PA66隔熱條將會隨時間延長而逐漸變形,所造成的后果將不堪設想。為了抑制PA66的蠕變性可加入多種填充物進行改性,國內外的實驗已經證明,在所有增強填充物中玻璃纖維對蠕變的抑制效果是最好的! 其次經玻璃纖維增強后的PA66在強度剛性熱變形溫度方面都有大幅度提高,如加入(25±2.5)%玻璃纖維增強的PA66比抗張強度可達1500以上,這與硬鋁合金(詞條“合金”由行業大百科提供)鋼的比抗張強度(1500-1600)相當,真正實現了隔熱條與鋁合金力學性能上的匹配。此外純PA66的線膨脹系數是7*10-5K-1,這一數值是鋁合金的近三倍,而加入(25±2.5)%玻璃纖維增強后PA66線膨脹系數可降至(2.5~3)* 10-5K-1,與鋁合金的線膨脹系數非常接近,這樣就避免了由于熱脹冷縮作用導致隔熱條從型材間脫落的危險。無數實驗已證明,在PA66所用增強填充物中唯有玻璃纖維增強的PA66才有可能達到與鋁合金相同的線膨脹系數!

  雖然玻璃纖維的加入能大幅提高或改善PA66的諸多性能,但其不利影響也是顯而易見的:玻璃纖維的加入使PA66原有的光滑表面變的粗糙,從而影響到產品的表面質量;另外玻璃纖維對加工設備磨損十分嚴重,大大增加了機器方面的損耗費用。因此玻璃纖維增強PA66隔熱條的生產技術是一項高端技術,目前國內能完全掌握該生產技術的廠家并不多。

  2.2 使用劣質玻璃纖維或其它填充物的危害

  現在市場上多個廠家在銷售PA66隔熱條,它們都聲稱其中的填充增強物為玻璃纖維,可經檢測發現事實并非如此: 有的完全采用廉價的礦物(如碳酸鈣、滑石粉等)進行填充,見圖1;這類礦物填充除了帶來成本降低之外,對隔熱條其它性能(如強度、線膨脹系數等)的改善極為有限;有的采用大部分礦物與少量或劣質玻璃纖維混合填充的辦法進行增強,殊不知玻璃纖維含量如達不到一定程度其增強作用會大打折扣;還有更假的非但填充增強物不能保證是玻璃纖維,連PA66都要在里面添加一些如聚丙烯,聚醋酸乙烯等之類的非工程塑料;用低成本的隔熱條來替代玻璃纖維增強PA66隔熱條。由于線膨脹系數與鋁合金的線膨脹系數相差甚遠,而且其強度低、耐熱(詞條“耐熱”由行業大百科提供)性差、抗老化性能差等許多缺陷,導致制成的隔熱窗在實際安裝使用,會由于熱脹冷縮的原因會造成劣質隔熱條在鋁型材內出現松動,輕則導致窗體松動、變形,破壞門窗的氣密性水密性等,重則造成窗體整體松散、脫離等,并在建筑中留下嚴重的安全隱患!

  3 玻璃纖維長度、分布和在隔熱條中的取向問題

  3.1 玻璃纖維長度及分布對隔熱條性能的影響

  在國外隔熱條生產企業通常直接選購已改性的高纖PA66母料,50%增強PA66等助劑,按比例混合后直接通過單螺桿擠出成型。但是,由于成本及不同形狀隔熱條對復合材料加工流動性能的特殊要求,國內廠家更多傾向于隔熱條專用的玻璃纖維增強PA66復合改性材料。通過雙螺桿造粒改性工藝,采用玻璃纖維分散技術和螺桿螺紋套組合技術,使玻璃纖維均勻分散于復合材料中,來確保力學性能要求,見圖2。

  3.1.1 玻璃纖維的分散排列和長度對隔熱條產品的力學性能影響

  玻璃纖維的分散和長度對隔熱條產品的各項力學指標和表面質量影響比較顯著。因此,在生產過程中除了擁有螺桿螺紋的剪切(詞條“剪切”由行業大百科提供)組合的優異分散效果之外,還需配以特定的相關助劑,加強玻璃纖維與PA66基體樹脂的結合。玻璃纖維的排列在隔熱條的性能提高上起著決定性的作用,如果橫向玻璃纖維排列的數量不夠多,或玻璃纖維的直徑、剪切長度不標準,都會影響到隔熱條的各項力學性能。見表1和圖2,A1、A2樣品均加有相關助劑,表面光滑平整;A3樣品外表粗糙,玻璃纖維有外露現象。

  3.1.2 玻璃纖維的分散排列和長度對隔熱條產品的力學性能影響

  對隔熱條復合材料改性過程中,擠塑機的螺桿螺紋組合對各組份物料分散和玻璃纖維長度影響非常重要。各配方好的物料需要加纖前在特定塑化區段(一般在五、六溫度區間),加入玻璃纖維才能得到比較好的剪切塑化。經實驗結果表明,粒料內玻璃纖維長度控制在0.6~0.8mm,隔熱條的綜合力學性能較好。從表1和圖3中顯示, A2樣品的玻璃纖維長度集中于0.6~0.8mm間,分散排列也較均勻,拉伸強度沖擊強度較好;A1和A3樣品玻璃纖維長度較大,分散排列也不均勻,因此這兩種的拉伸強度和沖擊強度也相應較低;只有通過改變玻璃纖維的排列結構,增加橫向的分布數量才能達到隔熱條的各項力學性能指標。

  3.2 玻璃纖維在隔熱條中的取向情況

  在隔熱條產品中起增強作用的玻璃纖維通常由E型玻璃熔融后由熔爐中抽出纖維狀細絲制成,其化學成分是鈣-鋁的硅酸鹽。E型玻璃纖維具有優良的力學性能,還有很好的耐熱性、耐水解性、性耐腐蝕性和尺寸穩定性。隔熱條的成型加工要通過擠出機(詞條“擠出機”由行業大百科提供)來完成,在擠出過程中,PA66熔體中的聚合物分子鏈不可避免地受擠出機的剪切作用,這種剪切作用力方向與擠出方向是一致的,因此加工時PA66分子鏈會沿著擠出方向排列取向。而PA66熔體中的增強填充材料的玻璃纖維本身具有很高的長徑比(通常在50-100之間),它也受擠出機剪切作用而取向,但二者取向有明顯差別:PA66分子鏈具有粘彈性因此當其熔體從擠出機擠出時由于剪切力瞬間消失,PA66分子鏈馬上收縮回彈;玻璃纖維不具有PA66特性,其剛性是主要的,故玻璃纖維沿擠出方向的取向是不會消失的,且這種取向很快隨PA66熔體的冷卻定型而被定形,見圖3。從圖3可以看出,隔熱條里玻璃纖維分布大致上會沿擠出方向取向,即沿隔熱條縱向方向取向。

  從表1、圖2和圖3中的數據和圖示可以比較得出產品性能的區別。A1和A3樣品的橫向抗拉強度與縱向抗拉強度數值可以看出,隔熱條縱向抗拉強度遠遠大于其橫向抗拉強度,造成這種現象原因正是因為隔熱條里的玻璃纖維沿加工擠出方向而取向,所以隔熱條在沿玻璃纖維取向方向上的縱向抗拉強度遠大于垂直縱向方向的橫向抗拉強度。

  有些廠家宣傳其隔熱條產品中的玻璃纖維不存在取向問題,并且以電鏡照片加以證明,但從科學的角度來說這是對消費者的一種誤導;電鏡照片只是將隔熱條的局部方面進行放大,并不能代表玻璃纖維在隔熱條里的總體分布情況。隔熱條的生產設備、模具(詞條“模具”由行業大百科提供)以及復合材料改性工藝決定了玻璃纖維在隔熱條里的取向情況。見表1和圖3中A2樣品的橫向拉伸強度和縱向拉伸強度是比較一致的,而A1和A3樣品的橫向拉伸強度和縱向拉伸強度是相關較大;因此,隔熱條在橫、縱向拉伸強度數據的顯著差異就證明了隔熱條產品中的玻璃纖維存在取向問題。

  4 玻璃纖維在隔熱條中的增強作用

  玻璃纖維與PA66是兩種化學成分完全不同的材料,要實現玻璃纖維對PA66增強效果的最大化必須克服許多技術難題。國內好的隔熱條廠家經過多年研發,采用以下技術成功地實現了玻璃纖維對PA66的最大增強作用:

  1.獨特的偶聯劑配方最大限度地保證了玻璃纖維與PA66界面粘結強度,這是玻璃纖維在尼龍樹脂基體起增強作用的基礎。

  2.針對PA66分子結構特點,選用無機/有機復配的方法,研制出PA66專用熱穩定劑,保持PA66分子在加工過程中不斷鏈,確保基體樹脂的高性能。

  3.最優化的混合工藝使玻璃纖維在PA66里被剪切成合適的長度,這一長度避免了由于玻璃纖維長徑比過大或過小而使其增強效果受到削弱。

  4.使用特殊螺桿結構來保證擠出機對物料的塑化,使隔熱條生產能穩定連續地進行,同時這種螺桿結構亦能最大限度減少物料在螺桿的停留避免其降解(詞條“降解”由行業大百科提供)

  在國內,盡管國產隔熱條已有十余年的發展歷史,但大部分國產隔熱條質量仍存在一定差距,其主要原因是原材料性能、玻璃纖維選用、螺桿組合、材料配方、生產設備、生產工藝、模具水平以及精密擠出等技術不足或工藝不完善。鑒于目前隔熱條產品質量的混亂狀況,因此讓建筑設計、施工、開發等專業人員深入了解隔熱條現狀,知曉隔熱條的生產過程,主動摒棄劣質隔熱條,提升建筑門窗的整體質量水平,無論對建筑門窗業本身,還是對社會均有重要意義。

  5 結束語

  本文通過對玻璃纖維的PA66隔熱條自身特點和隔熱條產品現狀的分析,發現隔熱條產品質量在應用方面存在著許多問題,這阻礙了玻璃纖維增強PA66隔熱條的順利發展。用玻璃纖維增強的PA66隔熱條是一種新型的建筑材料,也得到中國建筑金屬結構協會鋁門窗幕墻委員會的推薦產品。這項技術充分利用了塑料低導熱的特點阻斷熱量傳導,從而達到了節能目的,成為目前全世界最理想的隔熱節能材料。由此組合生產的新型隔熱鋁合金門窗幕墻以其顯著的節能效果和優異的性價比迅速成為我國門窗幕墻行業的新技術亮點。

  正確而深刻地認識玻璃纖維增強PA66隔熱條材料的本質對推動隔熱條的普及和發展無疑是有利的,也只有這樣才能讓鋁門窗行業多些呼吁使用高性能隔熱條的聲音,杜絕使用那些假冒偽劣產品,為隔熱鋁門窗行業健康、有序、持續地發展創造一個良好的氛圍,為我們國家創造更好的經濟效益和社會效益。

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