園林景觀造型用的改性木質纖維/石墨瀝青瓦制備及性能測試

包 敏

(西安思源學院,陜西 西安 710038)

受到雨水侵蝕、暴曬等環境影響,鄉村園林建筑材料不僅美觀性下降,并且性能降低,制備性能較好的園林景觀建筑材料成為一個研究熱點[1]。以聚氯乙烯樹脂和楊木粉,制備了一種用于園林景觀的木塑復合材料,并對其性能進行研究。結果表明,該該材料具備較好的力學、熱學性能,并且耐久性和疏水性良好[2]。通過添加阻燃劑等對木塑復合材料進行改性,并研究其性能。結果表明,603D相容劑和阻燃劑共同作用下,該材料的力學性能提高,耐老化耐候性較好[3]。除了木塑材料外,人造石也是園林景觀中常用的環保材料,采用抗氧劑對人造石進行改性。結果表明,抗氧劑的添加,不僅可以保證人造石的力學性能,還可以增強人造石的尺寸穩定性以及耐變黃性能,提高耐久性[4]。考慮到中國鄉村特色園林文化,瀝青瓦因其建筑造型的多樣性、防水性等優良特性,在園林景觀造型中應用廣泛[5]。基于此,本試驗制備了一種木質纖維-石墨復合改性瀝青瓦,并對其穩定性、耐久性等進行研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料:70#道路瀝青(工業純泰),安眾誠偉業土工材料;10#石油瀝青(工業純),山東中佑化工;鱗片石墨(工業純),河北率坤科技;木質纖維素氈(工業純),鄭州佳捷化工;滑石粉(工業純),靈壽縣匯茂礦產;阻燃劑(工業純),深圳市綠泰環保;KH570硅烷偶聯劑(工業純),山東捷列夫新材料;鹽酸(AR),濟南新達化工;氫氧化鈣(工業純),石家莊本諾礦產。

主要設備:ES1020型電子天平(上海升徽電子);SY-DW型低溫試驗箱(東莞市博萊美精密儀器);ZS型電爐(東臺市澤勝工業電爐);HH-WO型型數顯恒溫水浴鍋(鄭州赫名儀器設備);ZYLH-UVA340型紫外線老化試驗機(中研立華儀器科技);SYD-0628型動態剪切流變儀( 上海格密儀器);SZR-5型針入度儀(北京奧峰路業試驗);SYD-2806型軟化點儀(北京奧峰路業試驗);LB-LSRH-500型高速剪切機(常州勵岸寶機械);YZM-T型瀝青試驗機(上海魅宇儀器)。

1.2 瀝青瓦制備工藝

本試驗以木質纖維和鱗片石墨為主要改性材料,對70#道路瀝青進行改性,制備一種復合瀝青瓦。

(1)用電子天平稱取適量的70#道路瀝青,并加熱該瀝青材料到熔融狀態,然后添加質量分數5%木質纖維;

(2)使用高速剪切機對步驟(1)中的混合材料進行處理,拼接瀝青胎體材料;

(3)用電子天平按25∶10∶25∶35∶5的質量分數比例,稱取適量的10#石油瀝青、70#道路瀝青、阻燃劑、填料和助劑,混合制備阻燃瀝青混合料,備用[6-7];

(4)將瀝青浸漬,并用砂石撒布,然后覆膜處理,進行滾壓;

(5)在恒溫25 ℃環境下冷卻,然后升高溫度至50 ℃進行涂膠處理,并在木質纖維瀝青瓦的表明噴涂鱗片石墨,厚度0.5 mm;

(6)再次冷卻后,切割成型,分送并包裝好,經過檢驗后,獲得木質纖維-石墨復合改性瀝青瓦,貯存備用。

1.3 性能測試

1.3.1低溫抗裂性

采用瀝青試驗機,設置加載速度為1mm/min,在0 ℃環境下對試樣進行劈裂拉伸測試,分析其低溫抗裂性。

1.3.2高溫穩定性

通過動態剪切流變儀對試樣進行測試,分析材料的高溫穩定性。其中,角速度為10 rad/s,并控制掃描溫度為35～65 ℃,每360 s遞增5 ℃[8]。

1.3.3抗老化性

在恒溫140 ℃條件下,通過紫外加熱老化試驗機對試樣進行老化,并采用針入度儀以及軟化點儀對老化后的試樣進行測試,分析其抗老化性能。

1.3.4化學穩定性

通過質量分數0.1%鹽酸溶液和質量分數0.1%氫氧化鈣溶液,對試樣進行2 h酸堿腐蝕試驗,并利用有限元軟件分析腐蝕后試樣表面的殘留面積情況,分析試樣的化學穩定性。

1.3.5熱震穩定性

通過油浴鍋和冰柜,對試樣進行高低溫反復加熱、冷卻,并通過瀝青試驗機測試試樣的抗撕裂強度,分析其熱震穩定性。

2 結果與分析

2.1 低溫抗裂性

在低溫環境下,經過木質纖維和石墨復合改性的瀝青瓦勁度模量結果如圖1所示。

圖1 瀝青瓦勁度模量

由圖1可知,在低溫環境下,隨著作用力不斷增加,普通瀝青瓦和木質纖維-石墨瀝青瓦的勁度模量均呈現不斷增加的變化,且在相同作用力下,木質纖維-石墨瀝青瓦的勁度模量優于普通瀝青瓦。因此,本試驗制備的木質纖維-石墨瀝青瓦,具備優良的低溫抗裂性。而對于未添加石墨、木質纖維復合改性的普通瀝青瓦,其內部沒有增強抗裂性的木質纖維,表層沒有石墨層進行導熱,因此,瀝青瓦的整體溫差較大,抗裂性也較差。綜上,與普通瀝青瓦相比,經過木質纖維和石墨復合改性的瀝青瓦,低溫抗裂性較好。

2.2 高溫穩定性

根據1.3.2中的測試方法,本試驗對普通瀝青瓦和木質纖維-石墨瀝青進行高溫穩定性分析,結果如圖2所示。

圖2 瀝青瓦穩定系數

由圖2可知,隨著試驗溫度增加,普通瀝青瓦和木質纖維-石墨瀝青瓦的穩定系數均呈現不斷下降的現象。對于木質纖維-石墨瀝青瓦,當試驗溫度為35 ℃時,其穩定系數為22.4;當試驗溫度升高至65 ℃時,其穩定系數(車轍因子)降低到8.3。對于普通瀝青瓦,當試驗溫度為35 ℃時,其穩定系數僅為6.2;當試驗溫度升高至65 ℃時,其穩定系數幾乎無法測得。這表明,與普通瀝青瓦相比,木質纖維-石墨瀝青瓦在高溫環境下的穩定性較好。綜合分析可知,本試驗制備的木質纖維-石墨瀝青瓦,具備較好的高溫穩定性。

2.3 抗老化性

根據1.3.3中的測試方法,對普通瀝青瓦和木質纖維-石墨瀝青瓦進行測試,結果如圖3所示。

圖3 瀝青瓦抗老化性

由圖3可知,在針入度方面,木質纖維-石墨瀝青瓦的針入度達到5.56 mm,比普通瀝青瓦提高21.7%;在軟化點方面,木質纖維-石墨瀝青瓦的軟化點為66.8 ℃,與普通瀝青瓦相比,增幅達56.8%。這表明,木質纖維-石墨瀝青瓦的抗紫外加熱老化性明顯優于普通瀝青瓦。綜合分析可知,相比于普通瀝青瓦,在經過木質纖維和石墨改性后,瀝青瓦的抗老化性提升。

2.4 化學穩定性

根據1.3.4中的試樣方法,本試驗對普通瀝青瓦和木質纖維-石墨瀝青瓦進行測試,結果如圖4所示。

圖4 瀝青瓦耐酸堿腐蝕情況

由圖4可知,在經過酸堿腐蝕后,木質纖維-石墨瀝青瓦的殘留比面積明顯高于普通瀝青瓦。在耐酸腐蝕試驗中,木質纖維-石墨瀝青瓦的殘留比面積達到97%,比普通瀝青瓦增加12.4%;在耐堿腐蝕試驗中,木質纖維-石墨瀝青瓦的殘留比面積相對于耐酸腐蝕試驗有所降低,為94%;但與普通瀝青瓦相比,提高38.2%。這表明,堿性環境對瀝青瓦的腐蝕性更強。綜上,本試驗制備的木質纖維-石墨瀝青瓦在酸堿環境下的化學穩定性良好。

2.5 熱震穩定性

根據1.3.5中的試樣方法,本試驗對普通瀝青瓦和木質纖維-石墨瀝青瓦進行測試,結果如圖5所示。

圖5 瀝青瓦熱震穩定性

由圖5可知,隨著高低溫循環次數的增多,撕裂強度均呈現不斷降低的趨勢。對于木質纖維-石墨瀝青瓦,當高低溫循環次數從0次增至16次時,撕裂強度降低5.9%;對于普通瀝青瓦,當高低溫循環次數從0次增至16次時,撕裂強度降低19.6%;當高低溫循環次數相同時,木質纖維-石墨瀝青瓦的撕裂強度均高于普通瀝青瓦。這表明,在經過高低溫循環試驗后,木質纖維-石墨瀝青瓦的熱震穩定性優于普通瀝青瓦。綜上,本試驗制備的木質纖維-石墨瀝青瓦具備良好的熱震穩定性。

3 結語

(1)在低溫相同作用力下,木質纖維-石墨瀝青瓦的勁度模量較高,低溫抗裂性良好;

(2)木質纖維-石墨瀝青瓦在溫度為35 ℃、65 ℃的穩定系數分別為22.4、8.3,高溫穩定性較好;

(3)木質纖維-石墨瀝青瓦的軟化點為66.8 ℃,比普通瀝青瓦增加56.8%,抗老化性較好;

(4)在耐酸堿腐蝕方面,木質纖維-石墨瀝青瓦在酸性、堿性環境腐蝕下的殘留比面積分別達到97%、94%,比普通瀝青瓦分別提高12.4%、38.2%,化學穩定性良好;

(5)當高低溫循環次數從0次增至16次時,木質纖維-石墨瀝青瓦的撕裂強度僅降低5.9%,熱震穩定性較好。