一種景觀用再生環保型樹脂造型材料制備及性能測試研究

陶文婷,王誠吉

(1.西安理工大學高科學院,陜西 西安 713700;2.西北農林科技大學,陜西 咸陽 712100)

伴隨著天然石材的開采,環境污染和資源浪費等問題越來越突出。而人造石材具備美觀性強、耐久性好等特點,可以作為天然石材的代替材料使用[1]。對此,許多學者進行了研究。例如,以硅灰和偏高嶺土代替部分水泥,制備了一種無機人造石,并對其性能進行研究。結果表明:在無極人造石中加入偏高嶺土,可以增強其早期的壓縮強度[2]。為提高人造石的性能,通過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。結果表明:當摻入5%片偏高嶺土或者0.3%水鎂石纖維時,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格低廉、藝術性強、強度高等特點,在人造石領域應用較多[4]。研究了不同的表面改性方式對樹脂型人造石的作用效果。結果表明:經過KH-570硅烷偶聯劑改性的樹脂型人造石的彎曲、壓縮強度分別能達到28.98、94.5 MPa,同時,環保性和經濟性較強[5]。為保護環境,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合,研究并制備一種摻雜廢料的樹脂型人造石,并對其性能進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

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

主要設備:RD1020型電子天平(深圳市榮達儀器);JITAI-S10KN型電子多功能試驗機(北京吉泰科儀檢測設備);BC-50A型高速攪拌機(東莞市博昌環保);

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

1.2 試驗方法

1.2.1 人造石配合比設計

本試驗主要將石材加工廢料和不飽和聚酯樹脂結合,制備一種摻雜廢料的樹脂型人造石,用于景觀設計。為制備人造石,初步設置的石材加工廢料、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,加入攪拌機中,再加入適量的促進劑、固化劑和水,進行充分攪拌;

(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,繼續攪拌混合,備用;

(3)稱取適量的石材加工廢料,并用球磨機和粉碎機處理。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,進行攪拌處理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中,再次進行攪拌混合3 min,獲得人造石混合料;

(5)在模具內刷上脫模劑,然后將人造石混合料倒入模具中,并適當的搖晃模具,使模具內的人造石混合料均勻分散,更加牢固,之后使用壓力機進行真空振壓處理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境下固化處理12 h;

(7)根據實際需要對人造石進行磨削和拋光處理,獲得可用于景觀設計的環保型人造石。

1.3 性能測試

1.3.1 吸水率測定

在恒溫105 ℃的環境下,使用烘箱對試件進行加熱處理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量m1。將烘干后的試件浸泡到常溫的蒸餾水中一定時間,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量m2,分析吸水率情況,具體計算公式[8]:

(2)

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

1.3.2 抗折強度

通過萬能試驗機對人造石試件進行測試,分析其抗折強度,具體計算公式[9]:

(1)

式中:R為試件的抗折強度,MPa;F為試件折斷時的破壞荷載,N;L為試件支點間的跨距,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 黏度測試

通過黏度計轉子,對不飽和聚酯樹脂的黏度進行測試。

2 結果與討論

2.1 含水率的影響

本試驗采用外加水的方式,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上,對人造石的進行測試,分析石材加工廢料的含水率對人造石性能的作用效果;測試結果如圖1所示。

圖1 含水率的影響

由圖1可知,當含水率不斷增加時,人造石抗折強度呈現不斷降低的現象。當人造石中摻入的石材加工廢材的含水率為0%時,抗折強度為27.2 MPa;此后,隨著含水率的增加,抗折強度迅速降低,特別是當含水率超過2.5%時,人造石的抗折強度出現大幅度下降;當含水率為7.8%時,抗折強度僅為13.1 MPa,對比含水率為0的試件,降低幅度為51.8%。這表明人造石含水率的增加,會使其抗折強度下降。在本試驗中,制備人造石摻雜的石材加工廢料本身含有一定量的水分,且主要化學成分為碳酸鈣[10]。因此,為保證人造石的力學性能,應控制含水量不超過2%為佳。綜上,本試驗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,其抗折強度不斷降低。對于未添加石材加工廢料的樹脂型人造石空白試件,其抗折強度達到28.7 MPa;當在樹脂型人造石中摻入15%石材加工廢料時,抗折強度迅速下降至26.8 MPa,對比空白試件降低6.6%;隨著樹脂型人造石中的石材加工廢料摻量繼續增加,抗折強度繼續減小,當石材加工廢料的摻量達到75%時,樹脂型人造石的抗折強度降至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。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,導致在攪拌過程中粉料分布不均勻,成團聚集。因此,樹脂型人造石內部成分分布不均勻,容易出現應力集中等現象,抗折強度降低[11]。為此,在提高石材加工廢料的利用率的同時保證人造石的強度,應控制樹脂型人造石中石材加工廢料的摻量不超過45%最佳。

2.3 樹脂摻量的影響

在以上試驗的基礎上,本試驗控制石材加工廢料的摻量為45%,研究樹脂摻量對人造石性能的作用效果,結果如圖3所示。

圖3 樹脂摻量的影響

由圖3可知,當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,人造石的抗折強度一開始緩慢增加,然后迅速提高。當人造石中的不飽和聚酯樹脂摻量為9%時,抗折強度為21.5 MPa;當不飽和聚酯樹脂的摻量增至10%時,抗折強度升至23.6 MPa,增幅僅為9.8%;當不飽和聚酯樹脂的摻量達11%時,人造石的抗折強度迅速提高,達27.3 MPa,增幅達27.0%。隨著不飽和聚酯樹脂摻量的繼續增多,人造石的抗折強度繼續大幅度提高,當人造石中不飽和聚酯樹脂的摻量達12%時,抗折強度提至33.4 MPa,提升幅度為55.3%。發生這些現象的原因:由于石材加工廢料的粉料吸油值遠遠高于石英砂,當人造石中的不飽和聚酯樹脂的摻量增多時,可以使人造石原料中的石材加工廢料粉料更加濕潤。因此,在攪拌等制備過程中,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,內部的缺陷數量減少,應力集中的現象減少,性能提高[12]。考慮人造石的成本,同時為提高其強度,在本試驗中,應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度。

2.4 樹脂黏度的影響

本試驗控制不同苯乙烯添加量來控制添加的11%摻量不飽和聚酯樹脂的黏度,并對人造石試件進行測試,測試結果如圖4所示。

圖4 人造石樹脂黏度的影響

由圖4可知,當苯乙烯的添加量從0%逐漸增到1.6%時,不飽和聚酯樹脂的黏度呈現不斷下降的現象,同時,抗折強度先增后減。當未添加苯乙烯時,人造石原料中的不飽和聚酯樹脂的黏度為1 202.4 MPa·s;當苯乙烯的添加量達1.6%時,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,本試驗中,通過添加苯乙烯來控制不飽和聚酯樹脂黏度的方式是可行的。另外,在人造石的抗折強度方面,隨著不飽和聚酯樹脂黏度的不斷降低,抗折強度先增后減。當苯乙烯的添加量為0.8%時,不飽和聚酯樹脂的黏度為1 097.5 MPa·s,抗折強度最高達28.9 MPa,增幅為9.1%。但當人造石中苯乙烯的添加量為1.6%時,抗折強度大幅度降至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。在本試驗中,摻入0.8%的苯乙烯,可以適當降低不飽和聚酯樹脂的黏度,提高人造石的抗折強度。

2.5 應用效果

根據以上試驗結果,本試驗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。該人造石材料的應用性能如表2所示。

表2 人造石應用性能Tab.2 Application performance of stone making

由表2可知,本試驗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指標要求,可以作為環保造型材料,用于園林景觀設計中的人造大理石鋪裝、人造石燈塔等。

3 結語

(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,均會降低人造石的抗折強度;

(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,可以增強人造石的抗折強度;

(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度。當添加0.8%苯乙烯時,人造石抗折強度最高,為28.9 MPa,增幅為9.1%;

(4)本試驗中,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,制備的人造石綜合性能良好,符合崗石板材應用標準。