空心玻璃微珠在玻纖增強尼龍66隔熱條中的應用研究 ①

□□ 曹翔宇，王德輝，田娜娜，馮 榮

(1.太原學院，山西 太原 030032； 2.山西海諾科技股份有限公司，山西 高平 048406； 3.山西省玻璃陶瓷科學研究所(有限公司)，山西 太原 030013)

引言

近年來，我國一直在大力提倡綠色節能，尤其是建筑領域對建筑物門窗、幕墻的要求也在不斷提高。以玻璃纖維增強PA66為主的隔熱條是穿條隔熱型材的核心構件，它既是鋁型材中熱量傳遞路徑上的“斷橋”，減少熱量在鋁型材部位的傳遞；又是隔熱型材中兩側鋁型材的結構連接件，與兩側型材共同承擔載荷作用，這要求隔熱條必須具備良好的性能。

我國目前的尼龍隔熱條主要存在的技術問題為[1]：一是不同溫度下型材力學性能差異較大；二是隔熱條吸水率高，嚴重影響力學性能；三是擠出料流動性變化較大，導致擠出條的尺寸穩定性差，單條生產線產量低。針對這些問題，相關研究者也做了一定的研究。向紅先[2]在PA/玻纖復合材料中添加中空玻璃微球，得到的隔熱條吸水率降到0.1%左右，型材的尺寸穩定性有了明顯的提高。繆明松等[3-4]開發了一種可以穩定生產、提高生產效率、易操作、能耗低的玻璃纖維增強尼龍66隔熱條的生產裝置，生產出的隔熱條性能優越。

空心玻璃微珠(HGM)是一種無機非金屬材料，具有密度小、抗壓強度高、各向同性等特點[5]，同時，規則的球形表面更有利于將所受到的外力均勻地傳遞給周圍基體，從而改善復合材料的力學性能；由于其具備自潤滑功能，可以有效提高尼龍復合材料體系的流動性，提高生產效率[6-7]。目前國內對HGM應用于隔熱條的研究少有文獻報道，試驗擬采用經表面處理過的HGM填充PA66/玻纖復合材料擠出制得尼龍隔熱條，考察不同HGM填充量對隔熱條性能的影響，以期為建材輕量化提供一個新的發展方向。

1 試驗部分

1.1 試驗原料和設備

1.1.1 原材料

空心玻璃微珠(HGM)：HN60，真密度為0.6 g/cm3，抗壓強度≥85 MPa，來自于山西海諾科技股份有限公司。

PA66：EPR27，相對粘度為2.7，來自于中國平煤神馬集團。

玻璃纖維：988A，單絲直徑為13 μm，來自于浙江巨石集團。

硅烷偶聯劑：KH560，來自于南京曙光化工廠。

抗氧化劑1098、抗氧化劑168：來自于天津試劑廠。

其他加工助劑均為市售。

1.1.2 儀器與設備

同向平行雙螺桿擠出機：ZM-75型，由南京誠盟裝備制造有限公司制造。

單螺桿擠出機：GY-65型，由張家港市國越機械制造有限公司制造。

高速混合機：LCH-400型，由常州市海正藥化設備有限公司制造。

鼓風干燥箱：DHG-9 030 A，由鞏義市宏華儀器設備工貿有限公司制造。

電子萬能試驗機：ZCGD-W100KN，由濟南中創工業測試系統有限公司制造。

電子密度計：MDJ-300 A型，由廈門雄發儀器儀表有限公司制造。

SEM：JSM-6360型，由日本電子公司制造。

1.2 試驗過程

1.2.1 HGM的表面處理

(1)稱取質量為m的HGM和質量為0.5%m的KH560硅烷偶聯劑，將KH560在無水乙醇中稀釋。

(2)將稀釋過后的KH560與HGM一起添加到高混機中攪拌均勻。

(3)將攪拌均勻的HGM干燥，備用。

1.2.2 PA66/GF25/HGM復合材料的制備

(1)按表1中的配方稱取PA66(使用前在120 ℃的鼓風干燥箱中干燥6 h)、抗氧化劑、潤滑劑及加工助劑，在高速攪拌混合機預混5 min，得到料A。

(2)按表1中的配方稱取空心玻璃微珠，空心玻璃微珠的含量分別為0、2%、5%、10%、15%。

表1 PA66/GF25/HGM復合材料的配方

(3)從雙螺桿機主喂料口加入混合均勻的料A，從側喂料口加入改性后的HGM，從雙螺桿擠出機的玻纖口加入玻璃纖維，控制玻纖含量在25%，設定好工藝參數，加工溫度設置為260～300 ℃，主機轉速控制在380 r/min，擠出造粒得到HGM含量不同的PA66/GF/HGM復合材料。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 PA66/GF25/HGM復合材料擠出造粒工藝流程

1.2.3 尼龍隔熱條的制備

將1.2.2制得的不同粒料分別干燥處理，烘干溫度為110 ℃，烘干時間為4～6 h，然后經單螺桿擠出機擠出制得I14.8型條。圖2為尼龍隔熱條的擠出生產線[8]，擠出機擠出溫度設定為260～290 ℃，主機轉速為13 r/min。

圖2 尼龍隔熱條擠出生產線

1.3 性能測試

密度：按GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》采用浸漬法迸行測定。

縱向拉伸性能測試：參照GB/T 1447—2005《塑料拉伸試驗方法》，拉伸速率為20 mm/min。

橫向拉伸性能測試參照GB/T 23615.1—2017《鋁合金建筑型材用隔熱材料 第1部分：聚酰胺型材》，拉伸速率為10 mm/min。

2 結果與討論

2.1 HGM的含量對PA66/GF25/HGM隔熱條密度的影響

不同含量HGM對PA66/GF25/HGM隔熱條密度的影響結果見表2。

表2 HGM的含量對PA66/GF25/HGM隔熱條密度的影響

從表2分析得知，添加HGM后PA66/GF25/HGM隔熱條的實測密度和理論密度基本一致。與PA66/GF25隔熱條相比，添加2%、5%、10%、15%HGM的尼龍隔熱條的實測密度值分別降低了2.2%、5.5%、8.7%和9.8%，說明HGM添加到尼龍隔熱條的減重作用比較明顯。

隨著HGM添加量的增加，尼龍隔熱條實測密度和理論密度的相差值越來越大，當HGM的含量為15%時更為明顯，這是由于在擠出造粒過程中，HGM在螺桿中分布較廣，受到螺桿剪切的機率更大，破碎率會更高。通過測隔熱條灰分可知，HGM含量為15%的PA66/GF25/HGM隔熱條中HGM的破碎率為10%左右，因此，可推斷HGM的添加量不宜>15%。

2.2 HGM的含量對PA66/GF25/HGM隔熱條拉伸性能的影響

為進一步探索PA66/GF25/HGM隔熱條中HGM的最佳添加量，對HGM含量不同的PA66/GF25/HGM隔熱條的拉伸性能進行了檢測。

不同溫度下HGM的含量對PA66/GF25/HGM隔熱條拉伸性能的影響結果見表3。

表3 HGM的含量對PA66/GF25/HGM隔熱條拉伸性能的影響

由表3可以看出，PA66/GF25/HGM隔熱條的室溫縱向抗拉強度、室溫橫向抗拉強度及高低溫橫向抗拉強度的變化趨勢基本一致。隨著HGM含量的增加，PA66/GF25/HGM隔熱條的各項抗拉強度均呈現逐步下降趨勢，當HGM的含量為10%時，PA66/GF25/HGM隔熱條的拉伸性能下降較為明顯。分析原因：HGM作為剛性球體，平均粒徑為45 μm，不具備增強作用，當受到外力拉伸作用時，抗拉伸強度主要靠樹脂基體和玻璃纖維及兩相之間的界面層共同承擔。HGM使得樹脂基體受力面積減少，HGM的集合點增加，拉伸過程中易產生銀紋效應，相界面裂紋增大而導致隔熱條的抗拉強度顯著降低。

JG/T 174—2014《建筑鋁合金型材用聚酰胺隔熱條》中要求：室溫抗拉強度≥90 MPa，高溫抗拉強度≥55 MPa，低溫抗拉強度≥90 MPa，試驗結果與國標對照發現，HGM的含量≤5%時，PA66/GF25/HGM隔熱條的力學性能完全能達到國標要求；HGM的含量>5%時，僅隔熱條的縱向抗拉強度滿足要求，其他性能均不滿足。分析原因主要是與玻璃纖維在隔熱條中的分布情況有關，在擠出過程中，玻璃纖維受到螺桿的剪切作用沿隔熱條擠出方向重新排列，使得隔熱條縱向玻纖排列分布較多，拉伸作用下縱向排列的玻纖可提供更高的抗拉強度[9]。

2.3 尼龍隔熱條拉伸樣條的斷面微觀形貌

圖3為HGM含量為5%和10%時的PA66/GF25/HGM隔熱條橫向拉伸樣條斷面SEM圖。從圖3可以看出，HGM均保持良好的球形結構，證明擠出機中側喂料加入HGM可以很好地保持HGM的球形結構，有效地降低了HGM的破碎率。與圖3(b)相比較，圖3(a)中HGM與樹脂基體的界面相容性較好，在外力作用下，HGM依然很好地被樹脂包覆。圖3(b)多數HGM有明顯的脫落，受到外力后，HGM在樹脂基體上滑移，部分玻纖從樹脂基體中被剝離下來，對隔熱條的力學性能未提供增強作用，使得抗拉強度降低比較明顯，這與表2分析結果一致。綜合分析，在HGM填充量為5%時，PA66/GF25/HGM隔熱條的綜合性能較好。

圖3 PA66/GF25/HGM隔熱條拉伸樣條的斷面SEM圖

3 結論

3.1 隨著HGM含量的增加，尼龍隔熱條的密度呈現比較明顯的下降趨勢，當HGM含量為15%時，PA66/GF25/HGM隔熱條的實測密度降低了9.8%，此時實測密度與理論密度的偏差最大。

3.2 HGM的含量≤5%時，PA66/GF25/HGM隔熱條的各項抗拉強度均達到標準要求。

3.3 通過SEM觀察PA66/GF25/HGM隔熱條拉伸樣條的斷面，HGM均保持良好的球形結構。

3.4 HGM含量為5%時，PA66/GF25/HGM隔熱條的綜合性能最好。