空心玻璃微珠在玻纤增强尼龙66隔热条中的应用研究 ①

2021-07-03曹翔宇王德辉田娜娜

建材技术与应用 2021年3期

□□ 曹翔宇，王德辉，田娜娜，冯荣

(1.太原学院，山西太原 030032； 2.山西海诺科技股份有限公司，山西高平 048406； 3.山西省玻璃陶瓷科学研究所(有限公司)，山西太原 030013)

引言

近年来，我国一直在大力提倡绿色节能，尤其是建筑领域对建筑物门窗、幕墙的要求也在不断提高。以玻璃纤维增强PA66为主的隔热条是穿条隔热型材的核心构件，它既是铝型材中热量传递路径上的“断桥”，减少热量在铝型材部位的传递；又是隔热型材中两侧铝型材的结构连接件，与两侧型材共同承担载荷作用，这要求隔热条必须具备良好的性能。

我国目前的尼龙隔热条主要存在的技术问题为[1]：一是不同温度下型材力学性能差异较大；二是隔热条吸水率高，严重影响力学性能；三是挤出料流动性变化较大，导致挤出条的尺寸稳定性差，单条生产线产量低。针对这些问题，相关研究者也做了一定的研究。向红先[2]在PA/玻纤复合材料中添加中空玻璃微球，得到的隔热条吸水率降到0.1%左右，型材的尺寸稳定性有了明显的提高。缪明松等[3-4]开发了一种可以稳定生产、提高生产效率、易操作、能耗低的玻璃纤维增强尼龙66隔热条的生产装置，生产出的隔热条性能优越。

空心玻璃微珠(HGM)是一种无机非金属材料，具有密度小、抗压强度高、各向同性等特点[5]，同时，规则的球形表面更有利于将所受到的外力均匀地传递给周围基体，从而改善复合材料的力学性能；由于其具备自润滑功能，可以有效提高尼龙复合材料体系的流动性，提高生产效率[6-7]。目前国内对HGM应用于隔热条的研究少有文献报道，试验拟采用经表面处理过的HGM填充PA66/玻纤复合材料挤出制得尼龙隔热条，考察不同HGM填充量对隔热条性能的影响，以期为建材轻量化提供一个新的发展方向。

1 试验部分

1.1 试验原料和设备

1.1.1 原材料

空心玻璃微珠(HGM)：HN60，真密度为0.6 g/cm3，抗压强度≥85 MPa，来自于山西海诺科技股份有限公司。

PA66：EPR27，相对粘度为2.7，来自于中国平煤神马集团。

玻璃纤维：988A，单丝直径为13 μm，来自于浙江巨石集团。

硅烷偶联剂：KH560，来自于南京曙光化工厂。

抗氧化剂1098、抗氧化剂168：来自于天津试剂厂。

其他加工助剂均为市售。

1.1.2 仪器与设备

同向平行双螺杆挤出机：ZM-75型，由南京诚盟装备制造有限公司制造。

单螺杆挤出机：GY-65型，由张家港市国越机械制造有限公司制造。

高速混合机：LCH-400型，由常州市海正药化设备有限公司制造。

鼓风干燥箱：DHG-9 030 A，由巩义市宏华仪器设备工贸有限公司制造。

电子万能试验机：ZCGD-W100KN，由济南中创工业测试系统有限公司制造。

电子密度计：MDJ-300 A型，由厦门雄发仪器仪表有限公司制造。

SEM：JSM-6360型，由日本电子公司制造。

1.2 试验过程

1.2.1 HGM的表面处理

(1)称取质量为m的HGM和质量为0.5%m的KH560硅烷偶联剂，将KH560在无水乙醇中稀释。

(2)将稀释过后的KH560与HGM一起添加到高混机中搅拌均匀。

(3)将搅拌均匀的HGM干燥，备用。

1.2.2 PA66/GF25/HGM复合材料的制备

(1)按表1中的配方称取PA66(使用前在120 ℃的鼓风干燥箱中干燥6 h)、抗氧化剂、润滑剂及加工助剂，在高速搅拌混合机预混5 min，得到料A。

(2)按表1中的配方称取空心玻璃微珠，空心玻璃微珠的含量分别为0、2%、5%、10%、15%。

表1 PA66/GF25/HGM复合材料的配方

(3)从双螺杆机主喂料口加入混合均匀的料A，从侧喂料口加入改性后的HGM，从双螺杆挤出机的玻纤口加入玻璃纤维，控制玻纤含量在25%，设定好工艺参数，加工温度设置为260～300 ℃，主机转速控制在380 r/min，挤出造粒得到HGM含量不同的PA66/GF/HGM复合材料。工艺流程图如图1所示。

图1 PA66/GF25/HGM复合材料挤出造粒工艺流程

1.2.3 尼龙隔热条的制备

将1.2.2制得的不同粒料分别干燥处理，烘干温度为110 ℃，烘干时间为4～6 h，然后经单螺杆挤出机挤出制得I14.8型条。图2为尼龙隔热条的挤出生产线[8]，挤出机挤出温度设定为260～290 ℃，主机转速为13 r/min。

图2 尼龙隔热条挤出生产线

1.3 性能测试

密度：按GB/T 1033.1—2008《塑料非泡沫塑料密度的测定第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》采用浸渍法迸行测定。

纵向拉伸性能测试：参照GB/T 1447—2005《塑料拉伸试验方法》，拉伸速率为20 mm/min。

横向拉伸性能测试参照GB/T 23615.1—2017《铝合金建筑型材用隔热材料第1部分：聚酰胺型材》，拉伸速率为10 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 HGM的含量对PA66/GF25/HGM隔热条密度的影响

不同含量HGM对PA66/GF25/HGM隔热条密度的影响结果见表2。

表2 HGM的含量对PA66/GF25/HGM隔热条密度的影响

从表2分析得知，添加HGM后PA66/GF25/HGM隔热条的实测密度和理论密度基本一致。与PA66/GF25隔热条相比，添加2%、5%、10%、15%HGM的尼龙隔热条的实测密度值分别降低了2.2%、5.5%、8.7%和9.8%，说明HGM添加到尼龙隔热条的减重作用比较明显。

随着HGM添加量的增加，尼龙隔热条实测密度和理论密度的相差值越来越大，当HGM的含量为15%时更为明显，这是由于在挤出造粒过程中，HGM在螺杆中分布较广，受到螺杆剪切的机率更大，破碎率会更高。通过测隔热条灰分可知，HGM含量为15%的PA66/GF25/HGM隔热条中HGM的破碎率为10%左右，因此，可推断HGM的添加量不宜>15%。

2.2 HGM的含量对PA66/GF25/HGM隔热条拉伸性能的影响

为进一步探索PA66/GF25/HGM隔热条中HGM的最佳添加量，对HGM含量不同的PA66/GF25/HGM隔热条的拉伸性能进行了检测。

不同温度下HGM的含量对PA66/GF25/HGM隔热条拉伸性能的影响结果见表3。

表3 HGM的含量对PA66/GF25/HGM隔热条拉伸性能的影响

由表3可以看出，PA66/GF25/HGM隔热条的室温纵向抗拉强度、室温横向抗拉强度及高低温横向抗拉强度的变化趋势基本一致。随着HGM含量的增加，PA66/GF25/HGM隔热条的各项抗拉强度均呈现逐步下降趋势，当HGM的含量为10%时，PA66/GF25/HGM隔热条的拉伸性能下降较为明显。分析原因：HGM作为刚性球体，平均粒径为45 μm，不具备增强作用，当受到外力拉伸作用时，抗拉伸强度主要靠树脂基体和玻璃纤维及两相之间的界面层共同承担。HGM使得树脂基体受力面积减少，HGM的集合点增加，拉伸过程中易产生银纹效应，相界面裂纹增大而导致隔热条的抗拉强度显著降低。

JG/T 174—2014《建筑铝合金型材用聚酰胺隔热条》中要求：室温抗拉强度≥90 MPa，高温抗拉强度≥55 MPa，低温抗拉强度≥90 MPa，试验结果与国标对照发现，HGM的含量≤5%时，PA66/GF25/HGM隔热条的力学性能完全能达到国标要求；HGM的含量>5%时，仅隔热条的纵向抗拉强度满足要求，其他性能均不满足。分析原因主要是与玻璃纤维在隔热条中的分布情况有关，在挤出过程中，玻璃纤维受到螺杆的剪切作用沿隔热条挤出方向重新排列，使得隔热条纵向玻纤排列分布较多，拉伸作用下纵向排列的玻纤可提供更高的抗拉强度[9]。

2.3 尼龙隔热条拉伸样条的断面微观形貌

图3为HGM含量为5%和10%时的PA66/GF25/HGM隔热条横向拉伸样条断面SEM图。从图3可以看出，HGM均保持良好的球形结构，证明挤出机中侧喂料加入HGM可以很好地保持HGM的球形结构，有效地降低了HGM的破碎率。与图3(b)相比较，图3(a)中HGM与树脂基体的界面相容性较好，在外力作用下，HGM依然很好地被树脂包覆。图3(b)多数HGM有明显的脱落，受到外力后，HGM在树脂基体上滑移，部分玻纤从树脂基体中被剥离下来，对隔热条的力学性能未提供增强作用，使得抗拉强度降低比较明显，这与表2分析结果一致。综合分析，在HGM填充量为5%时，PA66/GF25/HGM隔热条的综合性能较好。