顆粒增強熱固性樹脂強度性能研究

郭文真

（福建路通管業科技股份有限公司，福建 泉州 362801）

0 引言

顆粒增強熱固性樹脂是以不飽和聚酯樹脂等熱固性樹脂為基體、石英砂等為增強材料并以振動澆鑄方式密實結構的一種復合材料（簡稱樹脂混凝土）[1]。因其具有強度高、韌性好、抗沖擊強度大、耐腐蝕等優良特點，是傳統混凝土的替代品，廣泛應用于石油、化工等耐腐蝕領域，在城市給排水領域也得到應用，特別是在沿海有酸、堿、鹽等腐蝕介質的環境的使用。隨著顆粒增強熱固性樹脂的廣泛應用，對其耐壓性能的研究也逐步加強。

為了提高顆粒增強熱固性樹脂產品抗壓強度的穩定性，對石英砂的級配進行優化[2]，按照一定比例復配后，增加石英砂的堆積密度，可以提高壓縮強度。

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石英砂進行表面處理，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，并加入促進劑、固化劑后，與石英砂等無機填料混合攪拌，澆鑄到模具中成型，并對其進行壓縮強度測試和分析。

1 實驗部分

1.1 主要實驗原料

不飽和聚酯樹脂（5019）：江陰市建恒化工有限公司；促進劑（異辛酸鈷6%）：上海陶源鈷業有限公司；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易商行；助劑（分散劑S-2108、濕潤劑S-2102、消泡劑S-4307、偶聯劑S-6021）：廣州市守正化工科技有限公司。

1.2 主要實驗儀器

液壓式壓力試驗機：濟南新試金試驗機有限公司；電熱恒溫干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；標準篩（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配砂、碳酸鈣混合均勻。澆鑄到涂有脫膜劑的模具中，振動成型。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劑、助劑、固化劑質量配比

1.3.2 級配砂的組成設計

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

圖1 級配砂級配曲線

表2 級配砂級配組成設計

1.4 測試方法

試驗采用液壓式壓力試驗機測試顆粒增強熱固性樹脂的壓縮強度。壓縮性能按照《GB/T 1448—2005纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》測定[7]。

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

2 結果與分析

2.1 級配砂組成對壓縮性能和密度的影響

表3 為不同級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 不同級配的壓縮試樣制備和測試記錄表

圖2 所示為不同級配砂對顆粒增強熱固性樹脂壓縮性能和密度的影響。

圖2 級配對壓縮性能和密度的影響

由圖2 可知，不同級配的壓縮強度和密度均呈先增大后緩慢減小的趨勢。石英砂級配中，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，顆粒增強熱固性樹脂的密度和壓縮強度呈提高趨勢變化。當大粒徑石英砂間隙已經被中粒徑和小粒徑石英砂填滿并溢出，顆粒增強熱固性樹脂的密度和壓縮強度呈緩慢降低趨勢變化。

2.2 助劑對壓縮性能的影響

表4 為添加0.8%分散劑、0.6%濕潤劑、0.4%消泡劑、1.0%偶聯劑（其中各項中的分數值均為各項的質量配比，下同）及對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 為添加不同助劑對顆粒增強熱固性樹脂壓縮性能的影響對比圖。

由圖3 可知，添加分散劑、濕潤劑、消泡劑對其壓縮強度影響不大，但添加1%的偶聯劑，其壓縮強度有大幅度增強。經制樣過程和結果分析，分散劑、濕潤劑、消泡劑起到優化工藝性能的作用，增加樹脂的分散作用，減少試樣中存在細小氣泡、孔洞等缺陷。偶聯劑將石英砂和樹脂結合起來，起到一個橋梁作用，實現無機物與有機物之間良好的界面結合。試樣由原來的樹脂和石英砂界面破壞轉變為石英砂破壞為主。

2.3 偶聯劑含量對壓縮性能的影響

表5 為添加質量分數為0.0%、0.4%、0.7%、1.0%、1.3%的偶聯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劑對顆粒增強熱固性樹脂壓縮性能的影響。

圖4 不同偶聯劑含量對壓縮性能的影響

由圖4 可知，不添加偶聯劑時，壓縮強度較低，只有76.1 MPa。因為沒有偶聯劑作用下的顆粒增強熱固性樹脂，受壓縮時，破壞界面主要是樹脂和石英砂的結合面破壞。隨著添加偶聯劑含量的增加，受壓縮時，樹脂和石英砂結合面結合能力逐漸增強，破壞界面轉變為石英砂的破壞。當偶聯劑添加量（質量配比）達到0.7%時，其壓縮強度達到最大103.4 MPa。當繼續增加偶聯劑的添加量，其壓縮強度不再增加，反而出現了緩慢下降趨勢。

2.4 級配砂組成對含偶聯劑試樣壓縮性能的影響

表6 為加有0.7%偶聯劑條件下，不同級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%偶聯劑條件下，不同級配砂對顆粒增強熱固性樹脂壓縮性能的影響。

圖5 級配對壓縮性能的影響

由圖5 可知，在加有0.7%偶聯劑條件下，不同級配的壓縮強度均能達到90 MPa 以上。從級配1 到級配5 的轉變上看，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，級配結構改善了，密實度提高了，壓縮強度提高了。當大粒徑石英砂繼續減少，中粒徑和小粒徑的石英砂繼續增多，大粒徑石英砂間隙已經被中粒徑和小粒徑石英砂填滿并溢出，密實度初步下降，而壓縮強度出現了大幅度下降。經推斷是由于偶聯劑加到樹脂中與小粒徑石英砂結合效果有限，需進行后續研究以提高結合能力。

3 結論

1）顆粒增強熱固性樹脂的最佳級配是級配3；

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

3）顆粒增強熱固性樹脂添加偶聯劑的最佳量（質量配比）是0.7%；

4）當添加偶聯劑時，顆粒增強熱固性樹脂的最佳級配是有效的，在實際應用中應采用可以是級配3，避免級配2 和級配4 落在臨界點。

顆粒增強熱固性樹脂質輕高強、耐腐蝕性能具有較高的研究和應用前景，但應用到工業化生產中還需解決許多問題，需不斷優化。