顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂強(qiáng)度性能研究

郭文真

（福建路通管業(yè)科技股份有限公司，福建 泉州 362801）

0 引言

顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂是以不飽和聚酯樹脂等熱固性樹脂為基體、石英砂等為增強(qiáng)材料并以振動(dòng)澆鑄方式密實(shí)結(jié)構(gòu)的一種復(fù)合材料（簡稱樹脂混凝土）[1]。因其具有強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊強(qiáng)度大、耐腐蝕等優(yōu)良特點(diǎn)，是傳統(tǒng)混凝土的替代品，廣泛應(yīng)用于石油、化工等耐腐蝕領(lǐng)域，在城市給排水領(lǐng)域也得到應(yīng)用，特別是在沿海有酸、堿、鹽等腐蝕介質(zhì)的環(huán)境的使用。隨著顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂的廣泛應(yīng)用，對(duì)其耐壓性能的研究也逐步加強(qiáng)。

為了提高顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性，對(duì)石英砂的級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化[2]，按照一定比例復(fù)配后，增加石英砂的堆積密度，可以提高壓縮強(qiáng)度。

另外，由于石英砂粒子和樹脂基體之間界面互容性較差，可選擇硅烷類助劑對(duì)石英砂進(jìn)行表面處理，以提高界面互容性[3-5]。

采用不飽和聚酯樹脂為樹脂基體，按照一定比例加入分散劑、濕潤劑等助劑，并加入促進(jìn)劑、固化劑后，與石英砂等無機(jī)填料混合攪拌，澆鑄到模具中成型，并對(duì)其進(jìn)行壓縮強(qiáng)度測試和分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)原料

不飽和聚酯樹脂（5019）：江陰市建恒化工有限公司；促進(jìn)劑（異辛酸鈷6%）：上海陶源鈷業(yè)有限公司；固化劑（過氧化甲乙酮V388）：天津阿克蘇諾貝爾過氧化物有限公司；石英砂：仙游縣郊尾永煉石英貿(mào)易商行；助劑（分散劑S-2108、濕潤劑S-2102、消泡劑S-4307、偶聯(lián)劑S-6021）：廣州市守正化工科技有限公司。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南新試金試驗(yàn)機(jī)有限公司；電熱恒溫干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；標(biāo)準(zhǔn)篩（0.1～18 mm）：中國航空第五四零廠；分析天平：沈陽龍騰電子有限公司；

1.3 制備工藝和流程

1.3.1 壓縮試樣的制備

將不飽和聚酯樹脂按照表1 中的比例，分別加入促進(jìn)劑、助劑、固化劑，攪拌均勻后逐次加入[6]。配好的不飽和聚酯樹脂與級(jí)配砂、碳酸鈣混合均勻。澆鑄到涂有脫膜劑的模具中，振動(dòng)成型。自然固化后，脫膜，把試樣放置到80 ℃的電熱恒溫干燥箱，后固化處理5 h。將制好的試樣在25 ℃下，恒溫放置24 h 后測試。

表1 不飽和聚酯樹脂添加促進(jìn)劑、助劑、固化劑質(zhì)量配比

1.3.2 級(jí)配砂的組成設(shè)計(jì)

級(jí)配砂采用w（SiO2）為95%以上的石英砂組成設(shè)計(jì)而成，根據(jù)不飽和聚酯樹脂、級(jí)配砂、碳酸鈣的組合特性，級(jí)配設(shè)計(jì)見表2，確定的級(jí)配砂級(jí)配曲線見圖1。由各個(gè)級(jí)配分別制備壓縮試樣，進(jìn)行壓縮強(qiáng)度和密度測試，由壓縮強(qiáng)度和密度最大的確定為最佳級(jí)配砂組成。

圖1 級(jí)配砂級(jí)配曲線

表2 級(jí)配砂級(jí)配組成設(shè)計(jì)

1.4 測試方法

試驗(yàn)采用液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)測試顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂的壓縮強(qiáng)度。壓縮性能按照《GB/T 1448—2005纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》測定[7]。

試樣密度按照《GB/T 4472—2011 化工產(chǎn)品密度、相對(duì)密度的測定》測定[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 級(jí)配砂組成對(duì)壓縮性能和密度的影響

表3 為不同級(jí)配的壓縮試樣的制備配方和壓縮性能、密度的測試記錄。

表3 不同級(jí)配的壓縮試樣制備和測試記錄表

圖2 所示為不同級(jí)配砂對(duì)顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂壓縮性能和密度的影響。

圖2 級(jí)配對(duì)壓縮性能和密度的影響

由圖2 可知，不同級(jí)配的壓縮強(qiáng)度和密度均呈先增大后緩慢減小的趨勢。石英砂級(jí)配中，大粒徑石英砂的空隙由中粒徑和小粒徑的石英砂填充，隨著間隙的填充變化，顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂的密度和壓縮強(qiáng)度呈提高趨勢變化。當(dāng)大粒徑石英砂間隙已經(jīng)被中粒徑和小粒徑石英砂填滿并溢出，顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂的密度和壓縮強(qiáng)度呈緩慢降低趨勢變化。

2.2 助劑對(duì)壓縮性能的影響

表4 為添加0.8%分散劑、0.6%濕潤劑、0.4%消泡劑、1.0%偶聯(lián)劑（其中各項(xiàng)中的分?jǐn)?shù)值均為各項(xiàng)的質(zhì)量配比，下同）及對(duì)比樣的壓縮試樣的制備配方和壓縮性能的測試記錄。

表4 添加不同助劑的壓縮試樣制備和測試記錄表

圖3 為添加不同助劑對(duì)顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂壓縮性能的影響對(duì)比圖。

由圖3 可知，添加分散劑、濕潤劑、消泡劑對(duì)其壓縮強(qiáng)度影響不大，但添加1%的偶聯(lián)劑，其壓縮強(qiáng)度有大幅度增強(qiáng)。經(jīng)制樣過程和結(jié)果分析，分散劑、濕潤劑、消泡劑起到優(yōu)化工藝性能的作用，增加樹脂的分散作用，減少試樣中存在細(xì)小氣泡、孔洞等缺陷。偶聯(lián)劑將石英砂和樹脂結(jié)合起來，起到一個(gè)橋梁作用，實(shí)現(xiàn)無機(jī)物與有機(jī)物之間良好的界面結(jié)合。試樣由原來的樹脂和石英砂界面破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭⑸捌茐臑橹鳌?/p>

2.3 偶聯(lián)劑含量對(duì)壓縮性能的影響

表5 為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0%、0.4%、0.7%、1.0%、1.3%的偶聯(lián)劑的壓縮試樣的制備配方和壓縮性能的測試記錄。

表5 添加不同含量偶聯(lián)劑的壓縮試樣制備和測試記錄表

圖4 所示為添加不同含量偶聯(lián)劑對(duì)顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂壓縮性能的影響。

圖4 不同偶聯(lián)劑含量對(duì)壓縮性能的影響

由圖4 可知，不添加偶聯(lián)劑時(shí)，壓縮強(qiáng)度較低，只有76.1 MPa。因?yàn)闆]有偶聯(lián)劑作用下的顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂，受壓縮時(shí)，破壞界面主要是樹脂和石英砂的結(jié)合面破壞。隨著添加偶聯(lián)劑含量的增加，受壓縮時(shí)，樹脂和石英砂結(jié)合面結(jié)合能力逐漸增強(qiáng)，破壞界面轉(zhuǎn)變?yōu)槭⑸暗钠茐?。?dāng)偶聯(lián)劑添加量（質(zhì)量配比）達(dá)到0.7%時(shí)，其壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大103.4 MPa。當(dāng)繼續(xù)增加偶聯(lián)劑的添加量，其壓縮強(qiáng)度不再增加，反而出現(xiàn)了緩慢下降趨勢。

2.4 級(jí)配砂組成對(duì)含偶聯(lián)劑試樣壓縮性能的影響

表6 為加有0.7%偶聯(lián)劑條件下，不同級(jí)配的壓縮試樣的制備配方和壓縮性能的測試記錄。

表6 不同級(jí)配的壓縮試樣制備和測試記錄表

圖5 所示為加有0.7%偶聯(lián)劑條件下，不同級(jí)配砂對(duì)顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂壓縮性能的影響。

圖5 級(jí)配對(duì)壓縮性能的影響

由圖5 可知，在加有0.7%偶聯(lián)劑條件下，不同級(jí)配的壓縮強(qiáng)度均能達(dá)到90 MPa 以上。從級(jí)配1 到級(jí)配5 的轉(zhuǎn)變上看，隨著大粒徑石英砂的減少，中粒徑和小粒徑的石英砂增多，大粒徑石英砂間隙由中粒徑和小粒徑石英砂填充，級(jí)配結(jié)構(gòu)改善了，密實(shí)度提高了，壓縮強(qiáng)度提高了。當(dāng)大粒徑石英砂繼續(xù)減少，中粒徑和小粒徑的石英砂繼續(xù)增多，大粒徑石英砂間隙已經(jīng)被中粒徑和小粒徑石英砂填滿并溢出，密實(shí)度初步下降，而壓縮強(qiáng)度出現(xiàn)了大幅度下降。經(jīng)推斷是由于偶聯(lián)劑加到樹脂中與小粒徑石英砂結(jié)合效果有限，需進(jìn)行后續(xù)研究以提高結(jié)合能力。

3 結(jié)論

1）顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂的最佳級(jí)配是級(jí)配3；

2）添加偶聯(lián)劑可有效提高顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂的壓縮性能，添加分散劑、濕潤劑、消泡劑可以提高產(chǎn)品的工藝性能；

3）顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂添加偶聯(lián)劑的最佳量（質(zhì)量配比）是0.7%；

4）當(dāng)添加偶聯(lián)劑時(shí)，顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂的最佳級(jí)配是有效的，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)采用可以是級(jí)配3，避免級(jí)配2 和級(jí)配4 落在臨界點(diǎn)。

顆粒增強(qiáng)熱固性樹脂質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕性能具有較高的研究和應(yīng)用前景，但應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中還需解決許多問題，需不斷優(yōu)化。