尼龍絕緣帶中玻璃纖維的探討

一．引言  帶玻璃纖維(以下簡稱玻纖)增強的尼龍66隔熱條是近年來工程塑料應用于建筑領域的一個很好的實例。它的出現解決了長期困擾鋁門窗行業(yè)發(fā)展的大問題：即以鋁合金門窗為代表的金屬門窗不節(jié)能的問題。這些年來隨著相關行業(yè)標準的出臺對隔熱條質量要求也愈加嚴格，以聚氯乙烯(即PVC)為代表的不合格產品正在退出隔熱條市場,而玻纖增強的尼龍66隔熱條正以驚人的速度發(fā)展,預計2005年玻纖增強尼龍66隔熱條市場用量可達一億米以上。  玻纖增強的尼龍66隔熱條無論在建材領域或是塑料加工界都屬于新產品,在我們的銷售工作當中我們感覺到客戶對此產品確實也比較陌生。為了加深用戶對玻纖增強尼龍66隔熱條的認識,同時也為了使優(yōu)質的隔熱條能盡快占領市場,我們計劃撰寫系列技術文章,對玻纖增強尼龍66隔熱條的材料特性做闡述,歡迎讀者與我們一起討論。二．選用玻璃纖維增強的理由  尼龍66是性價比很高的工程塑料,具有較高的機械強度和很好的耐熱性。但尼龍66本質是合成的有機高分子材料,它也具有高分子材料本身固有的特性,即蠕變特性。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。未經增強改性的尼龍66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尼龍66,我們可以想象在窗框和玻璃重量作用下，這種純尼龍66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。為了抑制尼龍66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纖對蠕變的抑制效果是最好的! 其次經玻纖增強后的尼龍66在強度、剛性和熱變形溫度方面都有大幅度提高，如加入25wt%以上玻纖增強的尼龍66比抗張強度可達1500以上，這與硬鋁或合金鋼的比抗張強度（1500-1600）相當，真正實現了隔熱條與鋁合金在力學性能上的匹配。此外純尼龍66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25wt%以上玻纖增強后尼龍66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，在尼龍66所用增強填充物中唯有玻璃纖維增強的尼龍66才有可能達到與鋁合金相同的線膨脹系數！  雖然玻纖的加入能大幅提高或改善尼龍66的諸多性能,但其不利影響也是顯而易見的:玻纖的加入使尼龍66原有的光滑表面變的粗糙,從而影響到產品的表面質量;另外玻纖對加工設備的磨損十分嚴重,大大增加了機器方面的損耗費用。因此玻纖增強尼龍66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。  現在市面上多個廠家在銷售尼龍66隔熱條,它們都聲稱其中的填充增強物為玻纖,可經檢測發(fā)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,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玻纖(低于10wt%)混合填充的辦法進行增強,殊不知玻纖含量如達不到一定程度(一般不少于25 wt%)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纖,連尼龍66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!  玻纖增強的尼龍66隔熱條從二十世紀七十年代就開始應用在歐洲隔熱鋁合金門窗上,歐洲三十年隔熱門窗發(fā)展歷程已雄辯地證明帶玻纖增強尼龍66隔熱條的節(jié)能門窗的節(jié)能效果、使用安全性、氣密性等指標是完全符合要求的！三．玻璃纖維在隔熱條里的取向問題  在隔熱條里起增強作用的玻纖通常由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型玻纖具有優(yōu)良的力學性能，還有很好的耐熱性、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性。隔熱條的成型加工要通過擠出機來完成，在擠出過程中，尼龍66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，因此加工時尼龍66分子鏈會沿著擠出方向排列取向（即分子鏈沿擠出方向伸展以減少阻力）。作為尼龍66熔體中的增強填充材料的玻纖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：尼龍66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，尼龍66分子鏈馬上收縮回彈；玻纖不具有尼龍66特性，其剛性是主要的，故玻纖沿擠出方向的取向是不會消失的，且這種取向很快隨尼龍66熔體的冷卻定型而被“凍結”。  從以上分析可以看出，隔熱條里玻纖分布大致上會沿擠出方向取向，即沿隔熱條縱向方向取向。這一點還可以從以下隔熱條縱向和橫向抗拉強度的比較看出。  我們取了市面上銷售的25%玻纖增強尼龍66隔熱條，分別檢測它們的縱向和橫向抗拉強度，平均來說，中間厚度為1.8mm的I型隔熱條的縱向抗拉強度在130MPa，而其橫向抗拉力F1為131N/mm，如果要把橫向抗拉力換算成單位面積上受的力F2（即強度Pa單位），則有如下?lián)Q算關系：F2(Pa) = F1(N) / m2 =[131 /(1*1.8)]*106 Pa=72.8MPa  把換算后的橫向抗拉強度F2與隔熱條縱向抗拉強度進行比較可以看出，隔熱條縱向抗拉強度遠遠大于其橫向抗拉強度，造成這種現象的原因正是因為隔熱條里的玻纖沿加工擠出方向取向，故隔熱條在沿玻纖取向方向上的強度（即縱向抗拉強度）遠大于垂直縱向方向的橫向抗拉強度。  個別廠家宣傳其隔熱條產品中的玻纖不存在取向問題，并且以電鏡照片加以證明，我們認為從科學的角度來說這是對消費者的誤導！電鏡照片只是將隔熱條很小的局部部分放大，并不能代表玻纖在隔熱條里的總體分布情況。隔熱條的生產方式決定了玻纖在隔熱條里是沿擠出方向取向的，而隔熱條在縱、橫向抗拉強度方面的顯著差異就更證明了這一點！四．如何保證玻纖在隔熱條里增強效果的最大化？  玻纖與尼龍66是兩種化學成分完全不同的材料，要實現玻纖對尼龍66增強效果的最大化必須克服許多技術難題。我們經過多年研發(fā)，采用以下技術成功地實現了玻纖對尼龍66的最大增強效果：  1．獨特的偶聯(lián)劑配方最大限度地保證了玻纖與尼龍66界面粘結強度，這是玻纖在尼龍樹脂基體起增強作用的基礎。  2．針對尼龍66分子結構特點，選用無機/有機復配的方法，研制出尼龍66專用熱穩(wěn)定劑，保持尼龍66分子在加工過程中不斷鏈，確?；w樹脂的高性能。  3．最優(yōu)化的混合工藝使玻纖在尼龍66里被剪切成合適的長度，這一長度避免了由于玻纖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(wěn)定連續(xù)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。五．結束語  帶玻纖增強的尼龍66隔熱條可以說是新型建材，由此產生的隔熱型材更是鋁門窗行業(yè)的一場節(jié)能革命。正確而深刻地認識玻纖增強尼龍66隔熱條材料的本質對推動隔熱條的普及和發(fā)展無疑是有利的，也只有這樣才能讓業(yè)界多些呼吁使用高性能隔熱條的聲音，少些使用那些假冒偽劣產品，為隔熱鋁門窗行業(yè)健康、有序、持續(xù)地發(fā)展創(chuàng)造一個良好的氛圍。