UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板的制備及力學(xué)性能研究

嚴(yán)文記 ,竇亞杰 ,李金華，鮑旭東

(1.佛山市藍(lán)之鯨科技有限公司 佛山528225 2.華南理工大學(xué)材料學(xué)院 廣州510641 3.廣州和光同盛科技有限公司 廣州510530)

1 引言

新型建筑材料陶瓷巖板已應(yīng)用于背景墻、家居臺面、電器面板、桌面、門面等方面[1-2]，然而，陶瓷巖板在家居領(lǐng)域的應(yīng)用范圍又受限于其較低的抗沖擊性能和機(jī)械加工性能，優(yōu)異的抗沖擊性能和機(jī)械加工性能可以減少陶瓷巖板在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和實(shí)際使用過程中的切割裂[3]及易受沖擊碎裂的問題。

陶瓷復(fù)合是陶瓷強(qiáng)韌化的關(guān)鍵技術(shù)手段之一[4]，采用高強(qiáng)高韌高彈模材料與陶瓷基體復(fù)合可以有效提高陶瓷材料的抗沖擊性能，可以大幅減少大規(guī)格薄型化陶瓷巖板在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和使用中的碎裂。目前陶瓷巖板背面復(fù)合纖維網(wǎng)材料主要利用AB 膠作為粘結(jié)劑，但AB 膠會自固，導(dǎo)致裝備需要經(jīng)常清洗，會造成大量VOC產(chǎn)生。另外，AB 膠需要高溫加熱實(shí)現(xiàn)固化，能耗較高。與AB 膠相比，無自固現(xiàn)象的UV 粘結(jié)劑所具有的最大優(yōu)勢是秒級固化和超低VOC 排放，AB 膠熱固化每次至少需要30min，而UV 粘結(jié)劑在紫外光的照射下僅需幾秒即可實(shí)現(xiàn)固化[5]，低碳節(jié)能的UV 光固化工藝能夠在大幅度提高生產(chǎn)效率的同時有效避免高溫加熱產(chǎn)生的高能耗及高碳排放，這符合我國“綠水青山就是金山銀山”的綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，也有助于推動陶瓷巖板全方面多層次寬領(lǐng)域跨界應(yīng)用。

本文通過正交實(shí)驗(yàn)逐一對比測試光固化行業(yè)中現(xiàn)有的樹脂和單體，并結(jié)合UV 光固化對紫外光源的能量要求，研究制備了陶瓷巖板與增強(qiáng)材料復(fù)合專用的UV粘結(jié)劑配方；探究了UV 粘結(jié)劑底膠和面膠涂布質(zhì)量比對復(fù)合陶瓷巖板力學(xué)性能的影響，最終確定了最佳的UV 粘結(jié)劑配方和輥涂工藝，基于此UV 粘結(jié)劑配方和輥涂工藝測試對比了不同厚度陶瓷巖板在裸板、UV 光固化復(fù)合兩種不同狀態(tài)下的力學(xué)性能。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣品制備

UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板工藝流程如圖1所示，生產(chǎn)出陶瓷巖板后，先對其進(jìn)行切割打磨處理，通過傳送帶傳送到第一翻板機(jī)上進(jìn)行翻面，經(jīng)過排板、清潔、干燥處理后，傳送到第一涂膠機(jī)上均勻輥涂UV 粘結(jié)劑，然后傳送到鋪網(wǎng)裝備上鋪設(shè)纖維網(wǎng)，將平網(wǎng)處理后的板材傳送到LED 紫外固化裝備處進(jìn)行第一次光固化，再由第一中轉(zhuǎn)平臺傳送到第二涂膠機(jī)，用第二涂膠機(jī)在纖維網(wǎng)表面輥涂粘結(jié)劑，隨后用汞燈固化裝備對第二涂膠機(jī)噴涂的粘結(jié)劑進(jìn)行光固化處理，最后將板材從第二排板平臺傳送到第二翻板機(jī)，用第二翻板機(jī)翻轉(zhuǎn)板材，檢查粘結(jié)劑層無質(zhì)量問題后進(jìn)行翻面處理并包裝。

圖1 UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板工藝流程

2.2 測試與表征

參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB18581-2020《木器涂料中有害物質(zhì)限量》對陶瓷巖板與增強(qiáng)材料復(fù)合專用UV 粘結(jié)劑中有害物質(zhì)含量進(jìn)行檢驗(yàn)；按照建筑工業(yè)行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)JG/T463-2014《建筑裝飾用人造石英石板》對200 mm×200 mm×3.5 mm 和200 mm×200 mm×6 mm 兩種尺寸規(guī)格的未復(fù)合陶瓷巖板樣品和UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板樣品的抗落球沖擊性能進(jìn)行檢驗(yàn)；按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3810.4-2016《陶瓷磚試驗(yàn)方法第4 部分：斷裂模數(shù)和破壞強(qiáng)度的測定》對300 mm×600 mm×3.5 mm 和300 mm×600 mm×6 mm 兩種尺寸規(guī)格的未復(fù)合陶瓷巖板樣品和UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板樣品的破壞強(qiáng)度和斷裂模數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

采用德國蔡司EVO18 型掃描電子顯微鏡觀察分析UV 光固化復(fù)合陶瓷巖板粘結(jié)層厚度的均勻性及復(fù)合層結(jié)合度。

3 結(jié)果分析

3.1 不同UV 膠水配方及其性能

通過正交試驗(yàn)從光固化行業(yè)現(xiàn)有的樹脂和單體中選出適合陶瓷巖板復(fù)合的諸多樹脂和單體，再通過逐一比對測試選出最適合的幾種樹脂和單體，然后通過調(diào)整配比測試，最終選擇了多官能團(tuán)的樹脂和低官能團(tuán)的單體搭配，剛性的聚酯丙烯酸酯和柔性的長鏈聚氨酯丙烯酸酯混合的方式，結(jié)合UV 光固化對紫外光源的能量要求，獲得初步的UV 粘結(jié)劑配方。由表1 可知，配方3 和配方5 的UV 粘結(jié)劑的力學(xué)性能最好，但配方5 的UV粘結(jié)劑的粘度最高且無味，且VOC 檢測值僅為1.38 g/kg，遠(yuǎn)低于GB 18581-2020 標(biāo)準(zhǔn)（＜判定指標(biāo)60 g/kg），如表2 所示，因此采用配方5 作為陶瓷巖板UV 粘結(jié)劑配方。

表1 不同配方UV 粘結(jié)劑性能參數(shù)

表2 陶瓷巖板與增強(qiáng)材料復(fù)合專用UV 粘結(jié)劑中各有害物質(zhì)含量

3.2 UV 粘結(jié)劑底/面涂布質(zhì)量比對復(fù)合陶瓷巖板力學(xué)性能的影響

考慮到若無UV 面膠覆蓋住纖維網(wǎng)，后期加工過程中產(chǎn)生的纖維網(wǎng)漂浮碎屑會損害工人健康和造成環(huán)境污染，我們選擇了二次涂布的方式，先在陶瓷巖板背面輥涂UV 底膠，鋪上纖維網(wǎng)后進(jìn)行LED 紫外固化，然后再輥涂UV 面膠并進(jìn)行汞燈固化，這樣，加工時產(chǎn)生的纖維網(wǎng)碎末被包裹于UV 粘結(jié)劑中，不會漂浮于空中損害工人健康。

由表3 可知，當(dāng)UV 底膠為150 g，UV 面膠為150 g時，復(fù)合陶瓷巖板沖擊能量在測試結(jié)果中最高，為6.17 J，是陶瓷巖板裸板沖擊能量的14 倍左右。結(jié)合UV 粘結(jié)劑底/面涂布質(zhì)量比對陶瓷巖板力學(xué)性能的影響，我們最終采用底膠150 g+面膠150 g 的UV 粘結(jié)劑涂布方案。

表3 不同的UV 粘結(jié)劑底/面涂布質(zhì)量比的陶瓷巖板力學(xué)性能

3.3 UV 粘結(jié)劑層厚度均勻性及界面結(jié)合度分析

為了進(jìn)一步評價輥涂工藝效果，如圖2 所示，在1800 mm×900 mm×6 mm 復(fù)合陶瓷巖板上均勻選取9塊20 mm×20 mm×6 mm 的樣品，通過掃描電子顯微鏡觀察分析UV 粘結(jié)劑層厚度均勻性及界面結(jié)合度。

圖2 九塊UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板樣品的位置選取圖

理論上，如果陶瓷巖板與粘結(jié)劑層結(jié)合性能差，在陶瓷巖板底面和UV 面膠界面處會存在裂痕。通過顯微結(jié)構(gòu)觀察可知，9 塊樣品斷面的上下邊緣處均無裂痕，陶瓷巖板底面和UV 面膠結(jié)合緊密，而且UV 粘結(jié)劑滲透于玻璃纖維網(wǎng)中，二者緊密結(jié)合，如圖3 所示。

圖3 九塊UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板對應(yīng)斷面的SEM圖（300 倍）

圖3 九塊UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板對應(yīng)斷面的SEM圖（300 倍）（續(xù)）

3.4 不同厚度陶瓷巖板在不同復(fù)合狀態(tài)下的力學(xué)性能分析

通過上述實(shí)驗(yàn)確定了UV 粘結(jié)劑最佳配方及輥涂工藝，基于此配方及輥涂工藝測試不同厚度陶瓷巖板在裸板、UV 光固化復(fù)合兩種不同狀態(tài)下的力學(xué)性能。

根據(jù)檢測要求的尺寸規(guī)格，我們分別檢測了200 mm×200 mm×3.5 mm 和200 mm×200 mm×6 mm 兩種規(guī)格的三種不同復(fù)合狀態(tài)陶瓷巖板的抗落球沖擊性能，如表4 所示。特別強(qiáng)調(diào)的是，3.5 mm 厚未復(fù)合陶瓷巖板的抗落球沖擊性能弱，一碰即碎，但經(jīng)UV 光固化復(fù)合后其抗落球沖擊性能提升為2.6 J。可見，對于3.5 mm 厚的陶瓷巖板，必須要通過復(fù)合的方式提高其抗沖擊性能，否則難以市場化應(yīng)用。對于6 mm 厚的陶瓷巖板，其裸板的抗沖擊性能為0.4 J，經(jīng)UV 膠光固化復(fù)合后，抗沖擊性能都可提升至1.8 J，是裸板抗沖擊性能的4.5 倍。綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)通過UV 光固化復(fù)合陶瓷巖板可以大幅提高陶瓷巖板的抗沖擊性能。

根據(jù)檢測要求的尺寸規(guī)格，我們也分別檢測了300 mm×600 mm×3.5 mm 和300 mm×600 mm×6 mm 兩種規(guī)格的三種不同復(fù)合狀態(tài)陶瓷巖板的破壞強(qiáng)度和斷裂模數(shù)，如表4 所示。對于3.5 mm 厚的陶瓷巖板，經(jīng)UV 光固化復(fù)合后其破壞強(qiáng)度提升12.7%，斷裂模數(shù)提升14.8%。對于6 mm 厚的陶瓷巖板，經(jīng)UV 光固化復(fù)合后其破壞強(qiáng)度提升16.2%，斷裂模數(shù)提升16.5%。

表4 三種不同復(fù)合狀態(tài)陶瓷巖板力學(xué)性能對比

4.結(jié)論

1.通過多官能團(tuán)的樹脂和低官能團(tuán)的單體搭配，剛性的聚酯丙烯酸酯和柔性的長鏈聚氨酯丙烯酸酯混合的方式，結(jié)合UV 光固化對紫外光源的能量要求，研制出一個綜合性能最佳、工藝窗口最合適的陶瓷巖板與增強(qiáng)材料復(fù)合專用的UV 粘結(jié)劑配方，VOC 檢測值僅為1.38 g/kg，遠(yuǎn)低于GB 18581-2020 標(biāo)準(zhǔn)（＜判定指標(biāo)60 g/kg）。

2.通過探究UV 粘結(jié)劑底/面涂布質(zhì)量比對陶瓷巖板力學(xué)性能的影響，確定底膠150 g+面膠150 g 的UV粘結(jié)劑涂布最佳方案。

3.通過UV 光固化復(fù)合材料增強(qiáng)陶瓷巖板能夠有效提高陶瓷巖板的抗沖擊性能。3.5 mm 厚未復(fù)合陶瓷巖板的抗落球沖擊性能弱，一碰即碎，但經(jīng)UV 光固化復(fù)合后其抗落球沖擊性能提升為2.6 J；6 mm 厚未復(fù)合陶瓷巖板的抗沖擊性能為0.4 J，經(jīng)UV 膠光固化復(fù)合后，抗沖擊性能都可提升至1.8 J，是裸板抗沖擊性能的4.5 倍。