一種景觀用再生環(huán)保型樹脂造型材料制備及性能測(cè)試研究

陶文婷,王誠(chéng)吉

(1.西安理工大學(xué)高科學(xué)院,陜西 西安 713700;2.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西 咸陽(yáng) 712100)

伴隨著天然石材的開采,環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問(wèn)題越來(lái)越突出。而人造石材具備美觀性強(qiáng)、耐久性好等特點(diǎn),可以作為天然石材的代替材料使用[1]。對(duì)此,許多學(xué)者進(jìn)行了研究。例如,以硅灰和偏高嶺土代替部分水泥,制備了一種無(wú)機(jī)人造石,并對(duì)其性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明:在無(wú)極人造石中加入偏高嶺土,可以增強(qiáng)其早期的壓縮強(qiáng)度[2]。為提高人造石的性能,通過(guò)添加偏高嶺土以及水鎂石纖維,研究了一種高性能水泥人造石材料。結(jié)果表明:當(dāng)摻入5%片偏高嶺土或者0.3%水鎂石纖維時(shí),人造石的綜合性能較好[3]。除了水泥基人造石之外,樹脂型人造石有著價(jià)格低廉、藝術(shù)性強(qiáng)、強(qiáng)度高等特點(diǎn),在人造石領(lǐng)域應(yīng)用較多[4]。研究了不同的表面改性方式對(duì)樹脂型人造石的作用效果。結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)KH-570硅烷偶聯(lián)劑改性的樹脂型人造石的彎曲、壓縮強(qiáng)度分別能達(dá)到28.98、94.5 MPa,同時(shí),環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)[5]。為保護(hù)環(huán)境,提高資源利用率,本文以石材加工廢料代替部分石英砂,與不飽和聚酯樹脂相結(jié)合,研究并制備一種摻雜廢料的樹脂型人造石,并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料:石材加工廢料(湖北易晟石材);石英砂(工業(yè)純河南信發(fā)環(huán)?？萍?;不飽和聚酯樹脂(工業(yè)純山東寶灃新材料);碳酸鈣粉末(工業(yè)純安徽涇縣錢豐粉業(yè))。

主要設(shè)備:RD1020型電子天平(深圳市榮達(dá)儀器);JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī)(北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備);BC-50A型高速攪拌機(jī)(東莞市博昌環(huán)保);

MG0612型變頻行星式球磨機(jī)(江西銳諾機(jī)械設(shè)備);YHPM-450型陶瓷圓盤粉碎機(jī)(鶴壁市銀河分析儀器);HH-1S型水浴鍋(河北金達(dá)來(lái)建筑器材);DV-79型黏度計(jì)(廣州科域新材料)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 人造石配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要將石材加工廢料和不飽和聚酯樹脂結(jié)合,制備一種摻雜廢料的樹脂型人造石,用于景觀設(shè)計(jì)。為制備人造石,初步設(shè)置的石材加工廢料、石英砂碳酸鈣粉末比例為2∶6∶1,不飽和聚酯樹脂的添加量為10%,具體如表1所示[6-7]。

表1 人造石初步配合比Tab.1 Preliminary mix proportion of artificial stone

1.2.2 人造石的制備

(1)根據(jù)表1中的人造石初步配合比,稱取適量的不飽和聚酯樹脂,加入攪拌機(jī)中,再加入適量的促進(jìn)劑、固化劑和水,進(jìn)行充分?jǐn)嚢?

(2)將步驟“(1)”中攪拌完成的混合料等待2 min,加入適量的添加劑色漿,繼續(xù)攪拌混合,備用;

(3)稱取適量的石材加工廢料,并用球磨機(jī)和粉碎機(jī)處理。然后將適量的石材加工廢料、石英砂、碳酸鈣粉末和水一起加入攪拌機(jī),進(jìn)行攪拌處理1 min,混合均勻,備用;

(4)將步驟“(2)”與步驟“(3)”中獲得的混合料一起加入攪拌機(jī)中,再次進(jìn)行攪拌混合3 min,獲得人造石混合料;

(5)在模具內(nèi)刷上脫模劑,然后將人造石混合料倒入模具中,并適當(dāng)?shù)膿u晃模具,使模具內(nèi)的人造石混合料均勻分散,更加牢固,之后使用壓力機(jī)進(jìn)行真空振壓處理15 min;

(6)脫模,用塑料薄膜密封試樣,然后將初步獲得的人造石在常溫環(huán)境下固化處理12 h;

(7)根據(jù)實(shí)際需要對(duì)人造石進(jìn)行磨削和拋光處理,獲得可用于景觀設(shè)計(jì)的環(huán)保型人造石。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 吸水率測(cè)定

在恒溫105 ℃的環(huán)境下,使用烘箱對(duì)試件進(jìn)行加熱處理24 h。自然冷卻1 h后,用電子天平稱量并記錄試件的初始質(zhì)量m1。將烘干后的試件浸泡到常溫的蒸餾水中一定時(shí)間,之后取出試件,并用抹布擦拭干凈試件表面的水分,再次用電子天平稱量并記錄試件的質(zhì)量m2,分析吸水率情況,具體計(jì)算公式[8]:

(2)

式中:W為試件吸水率,%;m1為試件烘干后的初始質(zhì)量,g;m2為試件浸泡吸水后的質(zhì)量,g。

1.3.2 抗折強(qiáng)度

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)人造石試件進(jìn)行測(cè)試,分析其抗折強(qiáng)度,具體計(jì)算公式[9]:

(1)

式中:R為試件的抗折強(qiáng)度,MPa;F為試件折斷時(shí)的破壞荷載,N;L為試件支點(diǎn)間的跨距,mm;b為試件折斷斷面的寬度,mm;h為試件折斷斷面的厚度,mm。

1.3.3 黏度測(cè)試

通過(guò)黏度計(jì)轉(zhuǎn)子,對(duì)不飽和聚酯樹脂的黏度進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 含水率的影響

本試驗(yàn)采用外加水的方式,控制石材加工廢料的含水率,在表1中人造石初步配合比的基礎(chǔ)上,對(duì)人造石的進(jìn)行測(cè)試,分析石材加工廢料的含水率對(duì)人造石性能的作用效果;測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 含水率的影響

由圖1可知,當(dāng)含水率不斷增加時(shí),人造石抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷降低的現(xiàn)象。當(dāng)人造石中摻入的石材加工廢材的含水率為0%時(shí),抗折強(qiáng)度為27.2 MPa;此后,隨著含水率的增加,抗折強(qiáng)度迅速降低,特別是當(dāng)含水率超過(guò)2.5%時(shí),人造石的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度下降;當(dāng)含水率為7.8%時(shí),抗折強(qiáng)度僅為13.1 MPa,對(duì)比含水率為0的試件,降低幅度為51.8%。這表明人造石含水率的增加,會(huì)使其抗折強(qiáng)度下降。在本試驗(yàn)中,制備人造石摻雜的石材加工廢料本身含有一定量的水分,且主要化學(xué)成分為碳酸鈣[10]。因此,為保證人造石的力學(xué)性能,應(yīng)控制含水量不超過(guò)2%為佳。綜上,本試驗(yàn)將控制石材加工廢料的含水量為2%。

2.2 廢料摻量的影響

石材加工廢料摻量的影響結(jié)果,具體如圖2所示。

圖2 石材加工廢料摻量的影響

由圖2可知,隨著樹脂型人造石中石材加工廢料摻量的增加,其抗折強(qiáng)度不斷降低。對(duì)于未添加石材加工廢料的樹脂型人造石空白試件,其抗折強(qiáng)度達(dá)到28.7 MPa;當(dāng)在樹脂型人造石中摻入15%石材加工廢料時(shí),抗折強(qiáng)度迅速下降至26.8 MPa,對(duì)比空白試件降低6.6%;隨著樹脂型人造石中的石材加工廢料摻量繼續(xù)增加,抗折強(qiáng)度繼續(xù)減小,當(dāng)石材加工廢料的摻量達(dá)到75%時(shí),樹脂型人造石的抗折強(qiáng)度降至20.5 MPa,這與空白試件相比,降低了28.6%。在樹脂型人造石的制備過(guò)程中,摻雜有石材加工廢料的人造石需要更多的樹脂量才可以使粉料充分濕潤(rùn)。在樹脂的添加量一定的情況下,人造石中摻入的石材加工廢料越多,粉料越不容易充分濕潤(rùn),導(dǎo)致在攪拌過(guò)程中粉料分布不均勻,成團(tuán)聚集。因此,樹脂型人造石內(nèi)部成分分布不均勻,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中等現(xiàn)象,抗折強(qiáng)度降低[11]。為此,在提高石材加工廢料的利用率的同時(shí)保證人造石的強(qiáng)度,應(yīng)控制樹脂型人造石中石材加工廢料的摻量不超過(guò)45%最佳。

2.3 樹脂摻量的影響

在以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,本試驗(yàn)控制石材加工廢料的摻量為45%,研究樹脂摻量對(duì)人造石性能的作用效果,結(jié)果如圖3所示。

圖3 樹脂摻量的影響

由圖3可知,當(dāng)摻有石材加工廢料的樹脂型人造石中的不飽和聚酯樹脂摻量從9%增至12%時(shí),人造石的抗折強(qiáng)度一開始緩慢增加,然后迅速提高。當(dāng)人造石中的不飽和聚酯樹脂摻量為9%時(shí),抗折強(qiáng)度為21.5 MPa;當(dāng)不飽和聚酯樹脂的摻量增至10%時(shí),抗折強(qiáng)度升至23.6 MPa,增幅僅為9.8%;當(dāng)不飽和聚酯樹脂的摻量達(dá)11%時(shí),人造石的抗折強(qiáng)度迅速提高,達(dá)27.3 MPa,增幅達(dá)27.0%。隨著不飽和聚酯樹脂摻量的繼續(xù)增多,人造石的抗折強(qiáng)度繼續(xù)大幅度提高,當(dāng)人造石中不飽和聚酯樹脂的摻量達(dá)12%時(shí),抗折強(qiáng)度提至33.4 MPa,提升幅度為55.3%。發(fā)生這些現(xiàn)象的原因:由于石材加工廢料的粉料吸油值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石英砂,當(dāng)人造石中的不飽和聚酯樹脂的摻量增多時(shí),可以使人造石原料中的石材加工廢料粉料更加濕潤(rùn)。因此,在攪拌等制備過(guò)程中,人造石的原料分布更加均勻,最后制備的人造石材料基體更加緊密,內(nèi)部的缺陷數(shù)量減少,應(yīng)力集中的現(xiàn)象減少,性能提高[12]。考慮人造石的成本,同時(shí)為提高其強(qiáng)度,在本試驗(yàn)中,應(yīng)控制不飽和聚酯樹脂的摻量為11%,制備的摻雜石材加工廢料的樹脂型人造石具備良好的抗折強(qiáng)度。

2.4 樹脂黏度的影響

本試驗(yàn)控制不同苯乙烯添加量來(lái)控制添加的11%摻量不飽和聚酯樹脂的黏度,并對(duì)人造石試件進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 人造石樹脂黏度的影響

由圖4可知,當(dāng)苯乙烯的添加量從0%逐漸增到1.6%時(shí),不飽和聚酯樹脂的黏度呈現(xiàn)不斷下降的現(xiàn)象,同時(shí),抗折強(qiáng)度先增后減。當(dāng)未添加苯乙烯時(shí),人造石原料中的不飽和聚酯樹脂的黏度為1 202.4 MPa·s;當(dāng)苯乙烯的添加量達(dá)1.6%時(shí),不飽和樹脂的黏度降至1 043.9 MPa·s,降幅為13.2%。由此可見,在不飽和聚酯樹脂中添加苯乙烯,可以使其黏度下降。基于此,本試驗(yàn)中,通過(guò)添加苯乙烯來(lái)控制不飽和聚酯樹脂黏度的方式是可行的。另外,在人造石的抗折強(qiáng)度方面,隨著不飽和聚酯樹脂黏度的不斷降低,抗折強(qiáng)度先增后減。當(dāng)苯乙烯的添加量為0.8%時(shí),不飽和聚酯樹脂的黏度為1 097.5 MPa·s,抗折強(qiáng)度最高達(dá)28.9 MPa,增幅為9.1%。但當(dāng)人造石中苯乙烯的添加量為1.6%時(shí),抗折強(qiáng)度大幅度降至23.8 MPa。

綜合分析可知,在不飽和聚酯樹脂中添加少量的苯乙烯,可以使其黏度減小。在本試驗(yàn)中,摻入0.8%的苯乙烯,可以適當(dāng)降低不飽和聚酯樹脂的黏度,提高人造石的抗折強(qiáng)度。

2.5 應(yīng)用效果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,本試驗(yàn)確定石材加工廢料的含水量為2%,石材加工廢料和不飽和聚酯樹脂的摻量分別為45%、11%,苯乙烯的添加量為0.8%,制備摻雜石材加工廢料的樹脂型人造石。該人造石材料的應(yīng)用性能如表2所示。

表2 人造石應(yīng)用性能Tab.2 Application performance of stone making

由表2可知,本試驗(yàn)制備的摻雜石材加工廢料的樹脂型人造石綜合性能良好,符合崗石板材的技術(shù)指標(biāo)要求,可以作為環(huán)保造型材料,用于園林景觀設(shè)計(jì)中的人造大理石鋪裝、人造石燈塔等。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)石材加工廢料中含水率的增多,以及人造石中石材加工廢料摻量的增多,均會(huì)降低人造石的抗折強(qiáng)度;

(2)在石材加工廢料一定的情況下,增加不飽和聚酯樹脂的摻量,可以增強(qiáng)人造石的抗折強(qiáng)度;

(3)適量增加苯乙烯的添加量,可以降低不飽和聚酯樹脂的黏度,從而提高人造石抗折強(qiáng)度。當(dāng)添加0.8%苯乙烯時(shí),人造石抗折強(qiáng)度最高,為28.9 MPa,增幅為9.1%;

(4)本試驗(yàn)中,石材加工廢料的含水量和摻量分別為2%、45%,不飽和聚酯樹脂和苯乙烯的添加量分別為11%、0.8%。此時(shí),制備的人造石綜合性能良好,符合崗石板材應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。