酚醛树脂制备防渗透气颗粒研究

罗天祥 ，任增茂 ，胡永权 ，陈延军

（1.兰州大学，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省建材科研设计院，甘肃 兰州 730020；3.甘肃省低能耗建筑技术重点实验室，甘肃 兰州 730020；4.甘肃省建筑材料资源综合利用工程技术研究中心，甘肃 兰州 730020）

0 前言

酚醛树脂为无色或黄褐色透明物，有颗粒、粉末状，不溶于水，溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。因其具有良好的耐水、耐热、耐腐蚀性等广泛应用于建筑、木材加工、交通运输等行业。

《建筑防水行业“十三五”发展规划》中明确提出“以绿色建材为抓手，从原料、配方、装备、工艺等方面着手，大力发展功能可靠、经久耐用、绿色环保的防水密封材料。鼓励开发具有复合功能的防水系统。淘汰高污染、高能耗的改性沥青防水卷材生产工艺及生产装备[1]”。风积沙具有天然的不良级配，其粒径主要分布在0.075～0.3 mm，且由断级配构成。风积沙的这种特性使其成型困难,而且成型后的抗剪性能也较差，因此难以被传统混凝土行业利用。本文旨在通过酚醛树脂对风积沙颗粒进行改性，使亲水性的风积沙颗粒变为憎水性的防渗材料，同时又保持风积沙的透气性。使固体废弃物（风积沙）变成一种新型绿色环保型防水材料。既利用了固体废弃物，又节约了资源，为我国防水材料行业增加新的种类。

1 原理

热固性酚醛树脂是在碱性催化剂条件下，甲醛与苯酚的物质的量之比大于1情况下制备的，是一种支化、交联型缩聚物。在碱性条件下，甲醛与苯酚反应先得到甲阶酚醛树脂，它能溶于水或者醇，又称可溶性酚醛树脂，甲阶酚醛树脂含有能进一步缩聚的羟甲基，因此无需固化剂即可固化。甲阶酚醛树脂经加热黏度逐渐增大，形成橡胶状的乙阶树脂，又称半溶性酚醛树脂，仅可在丙酮和醇类溶剂中溶胀和软化，在加热和加压时能流动。乙阶树脂进一步固化，得到不溶不融的体型结构丙阶树脂，也称不溶性酚醛树脂[2-3]。

本文通过加热反应的方式使甲阶酚醛树脂在风积沙表面处反应生成丙阶树脂，逐渐包覆在风积沙表面，直至完全包裹，利用丙阶树脂的不溶不融特性使亲水性的风积沙变成憎水性的骨料颗粒。

2 试验

2.1 原材料及试验仪器

风积沙：主要从靠近兰州的景泰选取。酚醛树脂：济南鑫沃化工有限公司，2123热固性甲阶酚醛树脂（以下简称酚醛树脂）。

试验仪器：数显恒温油浴锅、电动搅拌机、电子天平、拍击式振动筛。

2.2 试验方案

方案1：先与酚醛树脂预混，后加热。将一定量的风积沙和一定量的酚醛树脂搅拌均匀后，在恒温油浴锅中加热到固定温度，使用电动搅拌机搅拌一定时间。取出制备好的样品，在常温下放置1 h。

方案2：先加热风积沙，后加酚醛树脂。将一定量的风积沙在恒温油浴锅中加热到固定温度，然后将一定量的酚醛树脂加入到风积沙中，使用电动搅拌机搅拌一定时间。取出制备好的样品，在常温下放置1 h。

2.3 防渗漏效果测试

将制备好的样品平铺在干净的纸上，上表面压平后，在样品表面用滴管一次滴8滴水珠，静等10 min后，观察样品表面水珠是否出现渗漏。

3 试验结果与分析

3.1 风积沙粒径选择

风积沙级配（见表1）试验表明：所选的景泰地区风积沙，其中50目以下占风积沙总质量的96.9%，且50目以上主要是各种杂质。为了保证原材料的质量，同时最大限度利用风积沙，因此选择粒径小于50目的风积沙作为试验原材料。

表1 风积沙的级配

3.2 试验方案选择

加热温度190℃，搅拌时间15 min，风积沙50 g，酚醛树脂1 g。分别采用方案1和方案2制备样品，见图1。

图1 酚醛树脂风积沙样品

由图1（a）可知：采用方案1制备的样品，颗粒均匀，包裹完全，不渗漏。由图1（b）可知：采用方案2制备的样品出现颗粒聚团现象，包裹不完全，出现渗漏。分析认为：采用方案2先加热风积沙，后加入酚醛树脂，酚醛树脂在风积沙上表面还未完全与风积沙搅拌均匀的时候，受热开始反应，酚醛树脂之间聚团反应形成不溶性酚醛树脂结块，无法均匀地包裹在风积沙表面；采用方案1先加酚醛树脂预混，后加热，酚醛树脂均匀地分散在风积沙颗粒的间隙中，加热后，分散于间隙中的酚醛树脂反应包裹风积沙表面，在风积沙表面形成一层憎水性的不溶性酚醛树脂包裹层。因此，以下试验选择方案1进行试验。

3.3 加热温度对搅拌时间的影响

在相同的风积沙质量和酚醛树脂掺量条件下，探索不同的加热温度对搅拌时间的影响，试验结果见表2。

表2 加热温度对搅拌时间的影响

以无渗漏为判定依据，根据表2试验数据可知，适宜的加热温度和搅拌时间分别为：加热温度180℃，搅拌时间为15 min；加热温度190℃，搅拌时间为12.5 min；加热温度200℃，搅拌时间为10 min；加热温度210℃，搅拌时间为5 min。随着加热温度的升高，搅拌时间减少。考虑生产效率，本文选择210℃作为加热温度。

3.4 风积沙质量对搅拌时间的影响

在相同的加热温度和酚醛树脂掺量的条件下，探索不同质量的风积沙对搅拌时间的影响，试验结果见表3。

表3 风积沙质量对搅拌时间的影响试验

以无渗漏为判定依据，由表3可知：风积沙质量50 g时，搅拌时间为5 min；风积沙质量100 g时，搅拌时间为7.5 min；风积沙质量150 g时，搅拌时间为12.5 min；风积沙质量200 g时，搅拌时间为17.5 min。随着一次搅拌的风积沙质量增加，搅拌时间也延长。分析认为：采用油浴锅加热风积沙固体，不同于加热液体，固体之间传热主要是热传导，靠接触传热，效率较低，一次加热的风积沙质量越大，需要加热的时间也就越长。

3.5 酚醛树脂掺量对防渗性能的影响

固定加热温度为210℃，风积沙质量为200 g、搅拌时间为17.5 min，不同酚醛树脂掺量对样品防渗性能的影响见表4。前文中的防渗漏效果测试方法虽然能判断防渗颗粒是否有防渗性能，但这种方法有局限性，只能对是否防渗作定性判断，无法进行定量比较。表4中样品的防渗高度测试采用自制的防渗性测试设备进行，以测试设备中水从密封装置中间透出时的上一级压力P作为试验结果，由P=ρgh可知，h=P/（ρ·g）（ρ为水的密度，g取9.8），将压力换算成防渗高度h。

表4 酚醛树脂掺量对样品防渗性能的影响

由表4可知：随着酚醛树脂掺量的增加，样品的防渗高度先增加后减小，掺量为3%时，达到最大值320 mm。分析认为：酚醛树脂掺量较小时，反应生成的不溶性酚醛树脂未完全包裹风积沙表面，致使样品的防渗高度较低；掺量过大时，反应生成的不溶性酚醛树脂互相团聚结块，致使不溶性酚醛树脂未完全包裹风积沙表面，导致产品的防渗高度较低。

3.6 酚醛树脂掺量对透气性能的影响

在相同的加热温度（210℃）、相同质量的风积沙（200 g）和相同的搅拌时间（17.5 min）的条件下，研究酚醛树脂掺量对样品透气性能的影响，试验结果见表5。

表5 不同酚醛树脂掺量对产品透气性能的影响

由表5可知，在相同压力下，随着酚醛树脂掺量的增加，透气性增大。分析认为：随着酚醛树脂掺量的增加，包裹在风积沙表面的酚醛树脂增多，相应地颗粒粒径也就越大，颗粒粒径越大，颗粒与颗粒之间的间隙越大，透气性越大。相同掺量酚醛树脂改性的风积沙样品随着压力增大，透气性增大，两者近似呈线性关系。

4 结语

利用酚醛树脂改性风积沙，制备防渗透气颗粒工艺参数中，加热温度、搅拌时间、风积沙质量都对产品的形成有影响；酚醛树脂掺量对样品的防渗性和透气性均有影响。酚醛树脂掺量为3%时，防渗高度最大，达到320 mm。虽具备一定的防渗性能，但还不能满足大多数工程需要，需对防渗透气颗粒进行进一步优化研究，以提高其防渗性能。

本文主要针对实验室阶段防渗透气颗粒制备过程中的工艺参数进行了研究，对于防渗透气颗粒的性能优化及综合评价方面还需进一步的深入研究。