酚醛樹(shù)脂制備防滲透氣顆粒研究

羅天祥 ，任增茂 ，胡永權(quán) ，陳延軍

（1.蘭州大學(xué)，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730020；3.甘肅省低能耗建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020；4.甘肅省建筑材料資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730020）

0 前言

酚醛樹(shù)脂為無(wú)色或黃褐色透明物，有顆粒、粉末狀，不溶于水，溶于丙酮、酒精等有機(jī)溶劑中。因其具有良好的耐水、耐熱、耐腐蝕性等廣泛應(yīng)用于建筑、木材加工、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。

《建筑防水行業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“以綠色建材為抓手，從原料、配方、裝備、工藝等方面著手，大力發(fā)展功能可靠、經(jīng)久耐用、綠色環(huán)保的防水密封材料。鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)具有復(fù)合功能的防水系統(tǒng)。淘汰高污染、高能耗的改性瀝青防水卷材生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)裝備[1]”。風(fēng)積沙具有天然的不良級(jí)配，其粒徑主要分布在0.075～0.3 mm，且由斷級(jí)配構(gòu)成。風(fēng)積沙的這種特性使其成型困難,而且成型后的抗剪性能也較差，因此難以被傳統(tǒng)混凝土行業(yè)利用。本文旨在通過(guò)酚醛樹(shù)脂對(duì)風(fēng)積沙顆粒進(jìn)行改性，使親水性的風(fēng)積沙顆粒變?yōu)樵魉缘姆罎B材料，同時(shí)又保持風(fēng)積沙的透氣性。使固體廢棄物（風(fēng)積沙）變成一種新型綠色環(huán)保型防水材料。既利用了固體廢棄物，又節(jié)約了資源，為我國(guó)防水材料行業(yè)增加新的種類(lèi)。

1 原理

熱固性酚醛樹(shù)脂是在堿性催化劑條件下，甲醛與苯酚的物質(zhì)的量之比大于1情況下制備的，是一種支化、交聯(lián)型縮聚物。在堿性條件下，甲醛與苯酚反應(yīng)先得到甲階酚醛樹(shù)脂，它能溶于水或者醇，又稱(chēng)可溶性酚醛樹(shù)脂，甲階酚醛樹(shù)脂含有能進(jìn)一步縮聚的羥甲基，因此無(wú)需固化劑即可固化。甲階酚醛樹(shù)脂經(jīng)加熱黏度逐漸增大，形成橡膠狀的乙階樹(shù)脂，又稱(chēng)半溶性酚醛樹(shù)脂，僅可在丙酮和醇類(lèi)溶劑中溶脹和軟化，在加熱和加壓時(shí)能流動(dòng)。乙階樹(shù)脂進(jìn)一步固化，得到不溶不融的體型結(jié)構(gòu)丙階樹(shù)脂，也稱(chēng)不溶性酚醛樹(shù)脂[2-3]。

本文通過(guò)加熱反應(yīng)的方式使甲階酚醛樹(shù)脂在風(fēng)積沙表面處反應(yīng)生成丙階樹(shù)脂，逐漸包覆在風(fēng)積沙表面，直至完全包裹，利用丙階樹(shù)脂的不溶不融特性使親水性的風(fēng)積沙變成憎水性的骨料顆粒。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料及試驗(yàn)儀器

風(fēng)積沙：主要從靠近蘭州的景泰選取。酚醛樹(shù)脂：濟(jì)南鑫沃化工有限公司，2123熱固性甲階酚醛樹(shù)脂（以下簡(jiǎn)稱(chēng)酚醛樹(shù)脂）。

試驗(yàn)儀器：數(shù)顯恒溫油浴鍋、電動(dòng)攪拌機(jī)、電子天平、拍擊式振動(dòng)篩。

2.2 試驗(yàn)方案

方案1：先與酚醛樹(shù)脂預(yù)混，后加熱。將一定量的風(fēng)積沙和一定量的酚醛樹(shù)脂攪拌均勻后，在恒溫油浴鍋中加熱到固定溫度，使用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌一定時(shí)間。取出制備好的樣品，在常溫下放置1 h。

方案2：先加熱風(fēng)積沙，后加酚醛樹(shù)脂。將一定量的風(fēng)積沙在恒溫油浴鍋中加熱到固定溫度，然后將一定量的酚醛樹(shù)脂加入到風(fēng)積沙中，使用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌一定時(shí)間。取出制備好的樣品，在常溫下放置1 h。

2.3 防滲漏效果測(cè)試

將制備好的樣品平鋪在干凈的紙上，上表面壓平后，在樣品表面用滴管一次滴8滴水珠，靜等10 min后，觀察樣品表面水珠是否出現(xiàn)滲漏。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)積沙粒徑選擇

風(fēng)積沙級(jí)配（見(jiàn)表1）試驗(yàn)表明：所選的景泰地區(qū)風(fēng)積沙，其中50目以下占風(fēng)積沙總質(zhì)量的96.9%，且50目以上主要是各種雜質(zhì)。為了保證原材料的質(zhì)量，同時(shí)最大限度利用風(fēng)積沙，因此選擇粒徑小于50目的風(fēng)積沙作為試驗(yàn)原材料。

表1 風(fēng)積沙的級(jí)配

3.2 試驗(yàn)方案選擇

加熱溫度190℃，攪拌時(shí)間15 min，風(fēng)積沙50 g，酚醛樹(shù)脂1 g。分別采用方案1和方案2制備樣品，見(jiàn)圖1。

圖1 酚醛樹(shù)脂風(fēng)積沙樣品

由圖1（a）可知：采用方案1制備的樣品，顆粒均勻，包裹完全，不滲漏。由圖1（b）可知：采用方案2制備的樣品出現(xiàn)顆粒聚團(tuán)現(xiàn)象，包裹不完全，出現(xiàn)滲漏。分析認(rèn)為：采用方案2先加熱風(fēng)積沙，后加入酚醛樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂在風(fēng)積沙上表面還未完全與風(fēng)積沙攪拌均勻的時(shí)候，受熱開(kāi)始反應(yīng)，酚醛樹(shù)脂之間聚團(tuán)反應(yīng)形成不溶性酚醛樹(shù)脂結(jié)塊，無(wú)法均勻地包裹在風(fēng)積沙表面；采用方案1先加酚醛樹(shù)脂預(yù)混，后加熱，酚醛樹(shù)脂均勻地分散在風(fēng)積沙顆粒的間隙中，加熱后，分散于間隙中的酚醛樹(shù)脂反應(yīng)包裹風(fēng)積沙表面，在風(fēng)積沙表面形成一層憎水性的不溶性酚醛樹(shù)脂包裹層。因此，以下試驗(yàn)選擇方案1進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 加熱溫度對(duì)攪拌時(shí)間的影響

在相同的風(fēng)積沙質(zhì)量和酚醛樹(shù)脂摻量條件下，探索不同的加熱溫度對(duì)攪拌時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 加熱溫度對(duì)攪拌時(shí)間的影響

以無(wú)滲漏為判定依據(jù)，根據(jù)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，適宜的加熱溫度和攪拌時(shí)間分別為：加熱溫度180℃，攪拌時(shí)間為15 min；加熱溫度190℃，攪拌時(shí)間為12.5 min；加熱溫度200℃，攪拌時(shí)間為10 min；加熱溫度210℃，攪拌時(shí)間為5 min。隨著加熱溫度的升高，攪拌時(shí)間減少?？紤]生產(chǎn)效率，本文選擇210℃作為加熱溫度。

3.4 風(fēng)積沙質(zhì)量對(duì)攪拌時(shí)間的影響

在相同的加熱溫度和酚醛樹(shù)脂摻量的條件下，探索不同質(zhì)量的風(fēng)積沙對(duì)攪拌時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)積沙質(zhì)量對(duì)攪拌時(shí)間的影響試驗(yàn)

以無(wú)滲漏為判定依據(jù)，由表3可知：風(fēng)積沙質(zhì)量50 g時(shí)，攪拌時(shí)間為5 min；風(fēng)積沙質(zhì)量100 g時(shí)，攪拌時(shí)間為7.5 min；風(fēng)積沙質(zhì)量150 g時(shí)，攪拌時(shí)間為12.5 min；風(fēng)積沙質(zhì)量200 g時(shí)，攪拌時(shí)間為17.5 min。隨著一次攪拌的風(fēng)積沙質(zhì)量增加，攪拌時(shí)間也延長(zhǎng)。分析認(rèn)為：采用油浴鍋加熱風(fēng)積沙固體，不同于加熱液體，固體之間傳熱主要是熱傳導(dǎo)，靠接觸傳熱，效率較低，一次加熱的風(fēng)積沙質(zhì)量越大，需要加熱的時(shí)間也就越長(zhǎng)。

3.5 酚醛樹(shù)脂摻量對(duì)防滲性能的影響

固定加熱溫度為210℃，風(fēng)積沙質(zhì)量為200 g、攪拌時(shí)間為17.5 min，不同酚醛樹(shù)脂摻量對(duì)樣品防滲性能的影響見(jiàn)表4。前文中的防滲漏效果測(cè)試方法雖然能判斷防滲顆粒是否有防滲性能，但這種方法有局限性，只能對(duì)是否防滲作定性判斷，無(wú)法進(jìn)行定量比較。表4中樣品的防滲高度測(cè)試采用自制的防滲性測(cè)試設(shè)備進(jìn)行，以測(cè)試設(shè)備中水從密封裝置中間透出時(shí)的上一級(jí)壓力P作為試驗(yàn)結(jié)果，由P=ρgh可知，h=P/（ρ·g）（ρ為水的密度，g取9.8），將壓力換算成防滲高度h。

表4 酚醛樹(shù)脂摻量對(duì)樣品防滲性能的影響

由表4可知：隨著酚醛樹(shù)脂摻量的增加，樣品的防滲高度先增加后減小，摻量為3%時(shí)，達(dá)到最大值320 mm。分析認(rèn)為：酚醛樹(shù)脂摻量較小時(shí)，反應(yīng)生成的不溶性酚醛樹(shù)脂未完全包裹風(fēng)積沙表面，致使樣品的防滲高度較低；摻量過(guò)大時(shí)，反應(yīng)生成的不溶性酚醛樹(shù)脂互相團(tuán)聚結(jié)塊，致使不溶性酚醛樹(shù)脂未完全包裹風(fēng)積沙表面，導(dǎo)致產(chǎn)品的防滲高度較低。

3.6 酚醛樹(shù)脂摻量對(duì)透氣性能的影響

在相同的加熱溫度（210℃）、相同質(zhì)量的風(fēng)積沙（200 g）和相同的攪拌時(shí)間（17.5 min）的條件下，研究酚醛樹(shù)脂摻量對(duì)樣品透氣性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同酚醛樹(shù)脂摻量對(duì)產(chǎn)品透氣性能的影響

由表5可知，在相同壓力下，隨著酚醛樹(shù)脂摻量的增加，透氣性增大。分析認(rèn)為：隨著酚醛樹(shù)脂摻量的增加，包裹在風(fēng)積沙表面的酚醛樹(shù)脂增多，相應(yīng)地顆粒粒徑也就越大，顆粒粒徑越大，顆粒與顆粒之間的間隙越大，透氣性越大。相同摻量酚醛樹(shù)脂改性的風(fēng)積沙樣品隨著壓力增大，透氣性增大，兩者近似呈線性關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

利用酚醛樹(shù)脂改性風(fēng)積沙，制備防滲透氣顆粒工藝參數(shù)中，加熱溫度、攪拌時(shí)間、風(fēng)積沙質(zhì)量都對(duì)產(chǎn)品的形成有影響；酚醛樹(shù)脂摻量對(duì)樣品的防滲性和透氣性均有影響。酚醛樹(shù)脂摻量為3%時(shí)，防滲高度最大，達(dá)到320 mm。雖具備一定的防滲性能，但還不能滿(mǎn)足大多數(shù)工程需要，需對(duì)防滲透氣顆粒進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化研究，以提高其防滲性能。

本文主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)室階段防滲透氣顆粒制備過(guò)程中的工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)于防滲透氣顆粒的性能優(yōu)化及綜合評(píng)價(jià)方面還需進(jìn)一步的深入研究。