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國産高性能鋁型材隔熱條生産工藝技術探討

來源: 时间:2016-08-09 17:15:20 浏覽次數:

德國和意大利等國家對隔熱條産品已進行了40多年的探索,其開發出的高性能玻璃纖維增強尼龍66(PA66GF25)鋁型材門窗用隔熱條,各項性能指標達到了較高水平

1.隔熱條的曆史

德國和意大利等對隔熱條産品已進行了40多年的探索,其開發出的高性能玻璃纖維增強尼龍66PA66GF25)鋁型材門窗用隔熱條,各項性能指標達到了較高水平[1-3]

我國對PA66GF25隔熱條的研究起步較晚。90年代中後期,國內廠家相繼開發了PVCABS等隔熱條並推廣使用。但由于以PVCABS等爲基材的隔熱材料的性能與鋁合金不相匹配,特別是線膨脹系數、斷裂伸長率、耐熱和耐老化性能等指標,無法保證隔熱條與鋁合金結合後不會發生松脫現象和使用壽命,所以PVCABS等隔熱條近年來已被市場淘汰。

2000年開始,德國泰諾風的PA66GF25隔熱條産品正式登陸中國,逐步形成對中國建築隔熱保溫市場的壟斷。國內廠家由于整體裝備簣D夹g的差距,只能選擇一些簡單的塑料傳統加工設備拼湊在一起進行生産,難以保證産品質量。

國內早期的PA66GF25隔熱條生産成型工藝主要采取PA66GF25熔融體放空、拉伸過模具、直接水冷成型。此工藝的缺點是放空段熔融體進入模具時容易造成卡模具、斷條等現象,同時由于直接水冷造成産品表面粗糙,尺寸精度難以保證,油汙現象明顯[4-7]。另外,由于放空段自離開擠出機到模具的這段距離,瞬間溫差大,尼龍66的結晶顆粒粗糙不均,進而造成産品的整體力學性能不佳。應用此工藝制造的産品在國內長期處于市場的低端位置,外企甚至放言中國企業及其設備根本不可能做出高性能的PA66GF25隔熱條産品!

經過數年的行業技術探索和積累[8-11],以南海易樂公司爲代表的國內企業,通過生産技術的整體提升,相繼實現了隔熱條産品的生産。筆者以南海易樂公司實際生産經驗對高性能隔熱條制造過程中主要的問題提出幾點見解。

高性能隔熱條産品一般通過兩步工藝完成:a、玻纖增強尼龍66複合材料改性的雙螺杆造粒工藝;b、單螺杆擠壓成型工藝。

2.雙螺杆造粒工藝及影響

外國隔熱條生産企業通常直接選購已改性的高纖尼龍66母粒(GF),尼龍66,色母等助劑,按比例混合後直接通過單螺杆擠出機擠出成型。但是,由于成本及不同形狀隔熱條對複合材料加工流動性能的特殊要求,國內廠家傾向于自制隔熱條的玻纖增強尼龍66複合材料。

在雙螺杆造粒工藝中,其關鍵核心技術之一是:玻纖分散技術和螺杆螺紋組合。

1)玻纖的分散和長度對隔熱條産品的各項力學指標和表面質量影響比較顯著。因此,生産過程中除了擁有螺杆螺紋的剪切組合的優異分散效果之外,還需配以特定的偶聯劑,加強玻纖與基體樹脂的結合。見表1和圖1a樣制品外表粗糙,玻纖有一定的外露;bc樣品均加有偶聯劑,樣品表面光滑。

2)螺杆螺紋組合對各組份物料的分散和玻纖長度有重要的影響。各組分物料需要在加纖前(第五區加纖)得到比較好的塑化,以利于後續加纖的剪切;實驗結果顯示,粒料內玻纖長度控制在0.60.8mm,隔熱條的綜合力學性能較好。見表1和圖1a樣品玻纖長度較大,c樣品長度較小,但兩種的拉伸強度都較低;b樣品的長度集中于0.60.8mm間,拉伸強度較好。

1 玻纖長度及分布對隔熱條性能的影響

    樣品

a

b

c

    偶聯劑處理

拉伸強度 /MPa

66.1

81.5

64.7

制品表面質量

玻纖有一定外露,表面較粗糙

表面光滑

表面光滑

 

      

          a                    b                   c

1  PA66/GF複合材料中GF的分散情況

3)通过喂料速度和螺杆主机转速的相互配合,可以确定所造粒料玻纤含量。双螺杆的溫區溫度设计整体上遵循從高到低的规则(即进料口高,出料口低),剪切區域溫度稍低,以利于無捻长纤的卷入簣D羟蟹稚ⅲ2

2 雙螺杆溫區工藝溫度設置

                          雙螺杆溫控

溫區

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

溫度°C

255

268

268

256

250

240

233

233

240

245

3.單螺杆成型工藝及影響

單螺杆的擠出成型工藝亦是影響隔熱條産品質量的關鍵,國內外一般采用全自動連續化生産線來生産高性能隔熱條,此工藝對設備、模具、配套設備的整體性較高,以下分單螺杆、牽引設備、模具三部分進行介紹:

1) 單螺杆擠出工藝

①烘料溫度、时间对产品质量的影响

烘料情况对终产品的外观和性能有的影响。烘料溫度过低、烘料时间不足则残余水分將严重影响PA66隔热条的质量,如产品内部出现疏松的气泡孔,强度急剧下降,表面花斑多,出现不同程度的浮纖、水纹等(见圖2de),严重时出现喷射现象,产品不能成型。烘料溫度过高、烘料时间过长,將会造成助剂性能失效和局部焦化,产品表现为脆性,强度下降,产品尺寸波动较大,表面银纹严重、出现类烧焦的现象,出现碳化料堵塞口模、流道等。一般来说,烘料采用120℃,4小時左右爲宜,另外要顧及所采用的PA66原材料及所選用助劑的性能而作綜合選擇。

      d (表面)               e(截面)            f(表面)

2  PA66/GF隔熱條表面及截面微觀情況

2中的de分别是劣质隔热条表面及断面圖片。可见到d表面较粗糙且出现玻纤白斑,從e截面的气孔圖片可见到截面酥松并局部位置有大空隙的现象;f是隔热条的表面,可见表面光滑且几乎無浮纖现象。

②單螺杆塑化能力對産品質量的影響

为了提高隔热条的产量,采用的模具基本上都是一模多孔挤出,这对单螺杆的供料能力(即塑化效率)提出了较高的要求。单螺杆的塑化能力主要由主机转速和溫度控制,转速越快,溫度越高,塑化能力越强。由于玻纤增强尼龙66复合材料熔体在祱D羟兴俾侍跫抡扯雀摺⒘鞫圆睿菀自斐刹繁砻浮纖,同時由于玻纖增強尼龍66复合材料熔体粘度对溫度具有较高的敏感性,所以,隔热条的挤出加工工艺要求较高螺杆转速簣D庸囟取

2) 牽引穩定工藝對産品質量的影響

生産高性能隔熱條時,由于采取的是一模多孔擠出的模具,而模具設計時很難達到每個口模出口的壓力完全一樣,導致同一套模具的各個定型模擠出的隔熱條有一定的速度差(每6米的切割周期出現偏差約爲1015cm),造成工藝不穩定廢品較多。此問題可通過控制牽引設備進行解決。

①牽引機位置

牽引機牽引皮帶部分必須與定型模的中心線在同一直線、同一水平面上,且牽引機與定型模之間的距離適中。因爲在短距離內隔熱條有一定的剛性不易折彎,因此可利用牽引機起到一個速度補償,使各出口的隔熱條擠出速度趨向一致(即對擠出速度稍快的隔熱條施加反向力,對速度稍慢的施加正向力)。若牽引設備擺放過遠,則只能起到牽引的作用,不能控制擠出速度快慢一致,這是因爲較長的隔熱條具有較好的柔韌性,容易彎曲。

②牽引速度

a、牽引速度快于擠出速度時,會使隔熱條的尺寸偏小,嚴重時會出現拉斷條。

b、若牽引慢于擠出速度,則隔熱條會在牽引機與定型模被折彎甚至被折斷。

c、若牽引機牽引速度産生波動,此波動會傳導到模具內,導致隔熱條産生尺寸的波動,同時産生白斑、波浪紋、銀紋甚至熔接痕。

通過上述牽引機位置和牽引速度的控制,依靠機械手牽引的隔熱條每6米的切割周期相差小于0.3cm,無需在包装前再切割一次。同时,隔热条的表面质量和性能指标优异。

3)  模具工藝

生产高性能隔热条所采取的生产工艺与生产普通隔热条的生产工艺有比较大的區别,其主要區别在定型模与口模的连接方式不一样,造成了两种隔热条的冷却形式有很大的不同。

使用生産條的模具進行生産時,由于生産速率低,爲了提高産量及降低成本,一摸多孔的模具也因此應運而生。同時爲了能穩定地進行生産,所設計的口模各個模孔的出口壓力必須在一個合理的範圍內,壓力相差越小生産越穩定。如何保證出料口的壓力均等是設計一模多孔高性能隔熱條擠出模具的核心技術之一。

由于高性能隔热条生产涉及到众多学科的技术和装备配置,是一个复杂的有机整体,业界至今尚無完备的生产指导理论。笔者仅從双螺杆造粒工艺、单螺杆成型工艺、牵引、模具等方面作了以上简单的分析。表4是新工藝制備的隔熱條性能測試[12-13]

4 本司新工藝隔熱條技術性能指標

分 类

檢測項目

新工藝産品性能

試驗方法

材料基本性能

(標准狀態下測試)

热变形溫度

240

GB /T 1634

熱導率(導熱系數)W/m.k

0.28

GB /T 10297

 

線膨脹系數K-1

3.3?10-5

GB /T 1036

 

冲击强度(無缺口)KJ/m2

67.7 或不斷裂

GB /T 1043

 

産品基本性能

(標准狀態下測試)

邵氏硬度

84

GB /T 2411

密度允許偏差g/cm3

1.29

GB /T 1033

 

拉伸強度(横向)N/mm

202

JG/T 174-2005

 

拉伸強度(纵向)MPa

86.3

GB/T 1040

 

斷裂伸長率%

4.4

GB/T 1040

 

拉伸彈性模量MPa

4520

GB/T 1040

 

高溫性能(+90

抗拉強度(橫向)N/mm

116

JG/T 174-2005

低溫性能(-30

抗拉強度(橫向)N/mm

218

企標

冲击强度(無缺口)KJ/m2

67.7 或不斷裂

GB /T 1043

 

耐水性能

抗拉強度(橫向)N/mm

101

JG/T 174-2005

紫外老化(200h)

抗拉強度(橫向)N/mm

174

JG/T 174-2005

備注:1. 標准狀態是指室溫爲23±2和相對濕度50±5%的實驗室狀態。

2.材料性能指從原材料上取样,按标准要求的试样进行测试;产品性能指從成品隔热条上直接取样测试。

3.高温、低温、耐水和紫外老化性能中的抗拉強度(橫向)指标仅适用于I型條。

 

 

 

4. 結語

本文概述了國內隔熱條的發展曆程,同時對制備高性能隔熱條産品的工藝過程要點進行了分析和總結,指出了制造高性能國産隔熱條的關鍵要素和發展方向。
國産隔熱條的生産技術雖然取得長足的進步,但整體而言還需更進一步的探索和突破。筆者提出以下幾點國産隔熱條的發展方向:

1)整体装备技术。迄今为止,国内企业尚螐男专门的隔热条生产设备,导致产品质量不稳定。

2)模具設計技術。國內隔熱條企業所用的模具的成型孔道及其冷卻回路的精細結構,跟外企成熟技術相比尚有較大的差距。

3)配方和工藝技術。需要開發新型的功能型助劑進一步提升産品的質量,開發新工藝以改善生産環節減少勞動強度。

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