尼龙绝缘带中玻璃纤维的探讨

一．引言  带玻璃纤维(以下简称玻纤)增强的尼龙66隔热条是近年来工程塑料应用于建筑领域的一个很好的实例。它的出现解决了长期困扰铝门窗行业发展的大问题：即以铝合金门窗为代表的金属门窗不节能的问题。这些年来随着相关行业标准的出台对隔热条质量要求也愈加严格，以聚氯乙烯(即PVC)为代表的不合格产品正在退出隔热条市场,而玻纤增强的尼龙66隔热条正以惊人的速度发展,预计2005年玻纤增强尼龙66隔热条市场用量可达一亿米以上。  玻纤增强的尼龙66隔热条无论在建材领域或是塑料加工界都属于新产品,在我们的销售工作当中我们感觉到客户对此产品确实也比较陌生。为了加深用户对玻纤增强尼龙66隔热条的认识,同时也为了使优质的隔热条能尽快占领市场,我们计划撰写系列技术文章,对玻纤增强尼龙66隔热条的材料特性做阐述,欢迎读者与我们一起讨论。二．选用玻璃纤维增强的理由  尼龙66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。但尼龙66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。未经增强改性的尼龙66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尼龙66,我们可以想象在窗框和玻璃重量作用下，这种纯尼龙66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。为了抑制尼龙66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纤对蠕变的抑制效果是最好的! 其次经玻纤增强后的尼龙66在强度、刚性和热变形温度方面都有大幅度提高，如加入25wt%以上玻纤增强的尼龙66比抗张强度可达1500以上，这与硬铝或合金钢的比抗张强度（1500-1600）相当，真正实现了隔热条与铝合金在力学性能上的匹配。此外纯尼龙66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25wt%以上玻纤增强后尼龙66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，在尼龙66所用增强填充物中唯有玻璃纤维增强的尼龙66才有可能达到与铝合金相同的线膨胀系数！  虽然玻纤的加入能大幅提高或改善尼龙66的诸多性能,但其不利影响也是显而易见的:玻纤的加入使尼龙66原有的光滑表面变的粗糙,从而影响到产品的表面质量;另外玻纤对加工设备的磨损十分严重,大大增加了机器方面的损耗费用。因此玻纤增强尼龙66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。  现在市面上多个厂家在销售尼龙66隔热条,它们都声称其中的填充增强物为玻纤,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,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玻纤(低于10wt%)混合填充的办法进行增强,殊不知玻纤含量如达不到一定程度(一般不少于25 wt%)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纤,连尼龙66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!  玻纤增强的尼龙66隔热条从二十世纪七十年代就开始应用在欧洲隔热铝合金门窗上,欧洲三十年隔热门窗发展历程已雄辩地证明带玻纤增强尼龙66隔热条的节能门窗的节能效果、使用安全性、气密性等指标是完全符合要求的！三．玻璃纤维在隔热条里的取向问题  在隔热条里起增强作用的玻纤通常由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型玻纤具有优良的力学性能，还有很好的耐热性、耐腐蚀性和尺寸稳定性。隔热条的成型加工要通过挤出机来完成，在挤出过程中，尼龙66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，因此加工时尼龙66分子链会沿着挤出方向排列取向（即分子链沿挤出方向伸展以减少阻力）。作为尼龙66熔体中的增强填充材料的玻纤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：尼龙66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，尼龙66分子链马上收缩回弹；玻纤不具有尼龙66特性，其刚性是主要的，故玻纤沿挤出方向的取向是不会消失的，且这种取向很快随尼龙66熔体的冷却定型而被“冻结”。  从以上分析可以看出，隔热条里玻纤分布大致上会沿挤出方向取向，即沿隔热条纵向方向取向。这一点还可以从以下隔热条纵向和横向抗拉强度的比较看出。  我们取了市面上销售的25%玻纤增强尼龙66隔热条，分别检测它们的纵向和横向抗拉强度，平均来说，中间厚度为1.8mm的I型隔热条的纵向抗拉强度在130MPa，而其横向抗拉力F1为131N/mm，如果要把横向抗拉力换算成单位面积上受的力F2（即强度Pa单位），则有如下换算关系：F2(Pa) = F1(N) / m2 =[131 /(1*1.8)]*106 Pa=72.8MPa  把换算后的横向抗拉强度F2与隔热条纵向抗拉强度进行比较可以看出，隔热条纵向抗拉强度远远大于其横向抗拉强度，造成这种现象的原因正是因为隔热条里的玻纤沿加工挤出方向取向，故隔热条在沿玻纤取向方向上的强度（即纵向抗拉强度）远大于垂直纵向方向的横向抗拉强度。  个别厂家宣传其隔热条产品中的玻纤不存在取向问题，并且以电镜照片加以证明，我们认为从科学的角度来说这是对消费者的误导！电镜照片只是将隔热条很小的局部部分放大，并不能代表玻纤在隔热条里的总体分布情况。隔热条的生产方式决定了玻纤在隔热条里是沿挤出方向取向的，而隔热条在纵、横向抗拉强度方面的显著差异就更证明了这一点！四．如何保证玻纤在隔热条里增强效果的最大化？  玻纤与尼龙66是两种化学成分完全不同的材料，要实现玻纤对尼龙66增强效果的最大化必须克服许多技术难题。我们经过多年研发，采用以下技术成功地实现了玻纤对尼龙66的最大增强效果：  1．独特的偶联剂配方最大限度地保证了玻纤与尼龙66界面粘结强度，这是玻纤在尼龙树脂基体起增强作用的基础。  2．针对尼龙66分子结构特点，选用无机/有机复配的方法，研制出尼龙66专用热稳定剂，保持尼龙66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纤在尼龙66里被剪切成合适的长度，这一长度避免了由于玻纤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。五．结束语  带玻纤增强的尼龙66隔热条可以说是新型建材，由此产生的隔热型材更是铝门窗行业的一场节能革命。正确而深刻地认识玻纤增强尼龙66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，也只有这样才能让业界多些呼吁使用高性能隔热条的声音，少些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。