一种景观用再生环保型树脂造型材料制备及性能测试研究

陶文婷,王诚吉

(1.西安理工大学高科学院,陕西 西安 713700;2.西北农林科技大学,陕西 咸阳 712100)

伴随着天然石材的开采,环境污染和资源浪费等问题越来越突出。而人造石材具备美观性强、耐久性好等特点,可以作为天然石材的代替材料使用[1]。对此,许多学者进行了研究。例如,以硅灰和偏高岭土代替部分水泥,制备了一种无机人造石,并对其性能进行研究。结果表明:在无极人造石中加入偏高岭土,可以增强其早期的压缩强度[2]。为提高人造石的性能,通过添加偏高岭土以及水镁石纤维,研究了一种高性能水泥人造石材料。结果表明:当掺入5%片偏高岭土或者0.3%水镁石纤维时,人造石的综合性能较好[3]。除了水泥基人造石之外,树脂型人造石有着价格低廉、艺术性强、强度高等特点,在人造石领域应用较多[4]。研究了不同的表面改性方式对树脂型人造石的作用效果。结果表明:经过KH-570硅烷偶联剂改性的树脂型人造石的弯曲、压缩强度分别能达到28.98、94.5 MPa,同时,环保性和经济性较强[5]。为保护环境,提高资源利用率,本文以石材加工废料代替部分石英砂,与不饱和聚酯树脂相结合,研究并制备一种掺杂废料的树脂型人造石,并对其性能进行研究。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料:石材加工废料(湖北易晟石材);石英砂(工业纯河南信发环保科技);不饱和聚酯树脂(工业纯山东宝沣新材料);碳酸钙粉末(工业纯安徽泾县钱丰粉业)。

主要设备:RD1020型电子天平(深圳市荣达仪器);JITAI-S10KN型电子多功能试验机(北京吉泰科仪检测设备);BC-50A型高速搅拌机(东莞市博昌环保);

MG0612型变频行星式球磨机(江西锐诺机械设备);YHPM-450型陶瓷圆盘粉碎机(鹤壁市银河分析仪器);HH-1S型水浴锅(河北金达来建筑器材);DV-79型黏度计(广州科域新材料)。

1.2 试验方法

1.2.1 人造石配合比设计

本试验主要将石材加工废料和不饱和聚酯树脂结合,制备一种掺杂废料的树脂型人造石,用于景观设计。为制备人造石,初步设置的石材加工废料、石英砂碳酸钙粉末比例为2∶6∶1,不饱和聚酯树脂的添加量为10%,具体如表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 人造石的制备

(1)根据表1中的人造石初步配合比,称取适量的不饱和聚酯树脂,加入搅拌机中,再加入适量的促进剂、固化剂和水,进行充分搅拌;

(2)将步骤“(1)”中搅拌完成的混合料等待2 min,加入适量的添加剂色浆,继续搅拌混合,备用;

(3)称取适量的石材加工废料,并用球磨机和粉碎机处理。然后将适量的石材加工废料、石英砂、碳酸钙粉末和水一起加入搅拌机,进行搅拌处理1 min,混合均匀,备用;

(4)将步骤“(2)”与步骤“(3)”中获得的混合料一起加入搅拌机中,再次进行搅拌混合3 min,获得人造石混合料;

(5)在模具内刷上脱模剂,然后将人造石混合料倒入模具中,并适当的摇晃模具,使模具内的人造石混合料均匀分散,更加牢固,之后使用压力机进行真空振压处理15 min;

(6)脱模,用塑料薄膜密封试样,然后将初步获得的人造石在常温环境下固化处理12 h;

(7)根据实际需要对人造石进行磨削和抛光处理,获得可用于景观设计的环保型人造石。

1.3 性能测试

1.3.1 吸水率测定

在恒温105 ℃的环境下,使用烘箱对试件进行加热处理24 h。自然冷却1 h后,用电子天平称量并记录试件的初始质量m1。将烘干后的试件浸泡到常温的蒸馏水中一定时间,之后取出试件,并用抹布擦拭干净试件表面的水分,再次用电子天平称量并记录试件的质量m2,分析吸水率情况,具体计算公式[8]:

(2)

式中:W为试件吸水率,%;m1为试件烘干后的初始质量,g;m2为试件浸泡吸水后的质量,g。

1.3.2 抗折强度

通过万能试验机对人造石试件进行测试,分析其抗折强度,具体计算公式[9]:

(1)

式中:R为试件的抗折强度,MPa;F为试件折断时的破坏荷载,N;L为试件支点间的跨距,mm;b为试件折断断面的宽度,mm;h为试件折断断面的厚度,mm。

1.3.3 黏度测试

通过黏度计转子,对不饱和聚酯树脂的黏度进行测试。

2 结果与讨论

2.1 含水率的影响

本试验采用外加水的方式,控制石材加工废料的含水率,在表1中人造石初步配合比的基础上,对人造石的进行测试,分析石材加工废料的含水率对人造石性能的作用效果;测试结果如图1所示。

图1 含水率的影响

由图1可知,当含水率不断增加时,人造石抗折强度呈现不断降低的现象。当人造石中掺入的石材加工废材的含水率为0%时,抗折强度为27.2 MPa;此后,随着含水率的增加,抗折强度迅速降低,特别是当含水率超过2.5%时,人造石的抗折强度出现大幅度下降;当含水率为7.8%时,抗折强度仅为13.1 MPa,对比含水率为0的试件,降低幅度为51.8%。这表明人造石含水率的增加,会使其抗折强度下降。在本试验中,制备人造石掺杂的石材加工废料本身含有一定量的水分,且主要化学成分为碳酸钙[10]。因此,为保证人造石的力学性能,应控制含水量不超过2%为佳。综上,本试验将控制石材加工废料的含水量为2%。

2.2 废料掺量的影响

石材加工废料掺量的影响结果,具体如图2所示。

图2 石材加工废料掺量的影响

由图2可知,随着树脂型人造石中石材加工废料掺量的增加,其抗折强度不断降低。对于未添加石材加工废料的树脂型人造石空白试件,其抗折强度达到28.7 MPa;当在树脂型人造石中掺入15%石材加工废料时,抗折强度迅速下降至26.8 MPa,对比空白试件降低6.6%;随着树脂型人造石中的石材加工废料掺量继续增加,抗折强度继续减小,当石材加工废料的掺量达到75%时,树脂型人造石的抗折强度降至20.5 MPa,这与空白试件相比,降低了28.6%。在树脂型人造石的制备过程中,掺杂有石材加工废料的人造石需要更多的树脂量才可以使粉料充分湿润。在树脂的添加量一定的情况下,人造石中掺入的石材加工废料越多,粉料越不容易充分湿润,导致在搅拌过程中粉料分布不均匀,成团聚集。因此,树脂型人造石内部成分分布不均匀,容易出现应力集中等现象,抗折强度降低[11]。为此,在提高石材加工废料的利用率的同时保证人造石的强度,应控制树脂型人造石中石材加工废料的掺量不超过45%最佳。

2.3 树脂掺量的影响

在以上试验的基础上,本试验控制石材加工废料的掺量为45%,研究树脂掺量对人造石性能的作用效果,结果如图3所示。

图3 树脂掺量的影响

由图3可知,当掺有石材加工废料的树脂型人造石中的不饱和聚酯树脂掺量从9%增至12%时,人造石的抗折强度一开始缓慢增加,然后迅速提高。当人造石中的不饱和聚酯树脂掺量为9%时,抗折强度为21.5 MPa;当不饱和聚酯树脂的掺量增至10%时,抗折强度升至23.6 MPa,增幅仅为9.8%;当不饱和聚酯树脂的掺量达11%时,人造石的抗折强度迅速提高,达27.3 MPa,增幅达27.0%。随着不饱和聚酯树脂掺量的继续增多,人造石的抗折强度继续大幅度提高,当人造石中不饱和聚酯树脂的掺量达12%时,抗折强度提至33.4 MPa,提升幅度为55.3%。发生这些现象的原因:由于石材加工废料的粉料吸油值远远高于石英砂,当人造石中的不饱和聚酯树脂的掺量增多时,可以使人造石原料中的石材加工废料粉料更加湿润。因此,在搅拌等制备过程中,人造石的原料分布更加均匀,最后制备的人造石材料基体更加紧密,内部的缺陷数量减少,应力集中的现象减少,性能提高[12]。考虑人造石的成本,同时为提高其强度,在本试验中,应控制不饱和聚酯树脂的掺量为11%,制备的掺杂石材加工废料的树脂型人造石具备良好的抗折强度。

2.4 树脂黏度的影响

本试验控制不同苯乙烯添加量来控制添加的11%掺量不饱和聚酯树脂的黏度,并对人造石试件进行测试,测试结果如图4所示。

图4 人造石树脂黏度的影响

由图4可知,当苯乙烯的添加量从0%逐渐增到1.6%时,不饱和聚酯树脂的黏度呈现不断下降的现象,同时,抗折强度先增后减。当未添加苯乙烯时,人造石原料中的不饱和聚酯树脂的黏度为1 202.4 MPa·s;当苯乙烯的添加量达1.6%时,不饱和树脂的黏度降至1 043.9 MPa·s,降幅为13.2%。由此可见,在不饱和聚酯树脂中添加苯乙烯,可以使其黏度下降。基于此,本试验中,通过添加苯乙烯来控制不饱和聚酯树脂黏度的方式是可行的。另外,在人造石的抗折强度方面,随着不饱和聚酯树脂黏度的不断降低,抗折强度先增后减。当苯乙烯的添加量为0.8%时,不饱和聚酯树脂的黏度为1 097.5 MPa·s,抗折强度最高达28.9 MPa,增幅为9.1%。但当人造石中苯乙烯的添加量为1.6%时,抗折强度大幅度降至23.8 MPa。

综合分析可知,在不饱和聚酯树脂中添加少量的苯乙烯,可以使其黏度减小。在本试验中,掺入0.8%的苯乙烯,可以适当降低不饱和聚酯树脂的黏度,提高人造石的抗折强度。

2.5 应用效果

根据以上试验结果,本试验确定石材加工废料的含水量为2%,石材加工废料和不饱和聚酯树脂的掺量分别为45%、11%,苯乙烯的添加量为0.8%,制备掺杂石材加工废料的树脂型人造石。该人造石材料的应用性能如表2所示。

表2 人造石应用性能Tab.2 Application performance of stone making

由表2可知,本试验制备的掺杂石材加工废料的树脂型人造石综合性能良好,符合岗石板材的技术指标要求,可以作为环保造型材料,用于园林景观设计中的人造大理石铺装、人造石灯塔等。

3 结语

(1)石材加工废料中含水率的增多,以及人造石中石材加工废料掺量的增多,均会降低人造石的抗折强度;

(2)在石材加工废料一定的情况下,增加不饱和聚酯树脂的掺量,可以增强人造石的抗折强度;

(3)适量增加苯乙烯的添加量,可以降低不饱和聚酯树脂的黏度,从而提高人造石抗折强度。当添加0.8%苯乙烯时,人造石抗折强度最高,为28.9 MPa,增幅为9.1%;

(4)本试验中,石材加工废料的含水量和掺量分别为2%、45%,不饱和聚酯树脂和苯乙烯的添加量分别为11%、0.8%。此时,制备的人造石综合性能良好,符合岗石板材应用标准。