活化高炉矿渣粉与间苯型不饱和聚酯合成人造大理石的性能研究

2021-11-04刘晓轩宝武集团环境资源科技有限公司上海201900

建筑科技 2021年2期

刘晓轩（宝武集团环境资源科技有限公司，上海 201900）

高炉矿渣粉是钢铁企业将高炉矿渣经过除铁、烘干、粉磨后加工而成的一种无机非金属粉体绿色材料。人造大理石的无机填料主要是天然石粉、CaCO3和 Al(OH)3等材料。从化学成分来看，高炉矿渣粉与大理石一致，若能使用高炉矿渣粉替代价格昂贵的超细天然石粉以及化工原料，则既能降低人造大理石生产企业的生产成本，也可以提升高炉矿渣粉的产品价值[1]。

近年来已有将工业废渣用作填料参与人造大理石的制作[2]。研究表明，高炉矿渣粉与不饱和聚酯合成人造大理石的性能可以与天然大理石媲美[3]。在用活化高炉矿渣粉合成人造大理石之前，对比高炉矿渣粉偶联反应前后样品对合成人造大理石性能的影响。研究表明，未经活化反应处理的高炉矿渣粉与不饱和聚酯的相容性非常差，使人造大理石材料的结构出现大量缺陷，大幅降低了材料的力学性能，而经过活化处理的高炉矿渣粉大幅增加了与不饱和聚酯树脂的相容性。本文使用含磷钛酸酯偶联剂活化的高炉矿渣粉作为无机填料，使用间苯型不饱和聚酯为黏结剂合成人造大理石，研究了无机填料的投放量对高炉矿渣粉/间苯型不饱和聚酯合成人造大理石样品性能的影响。

1 试验

1.1 主要材料及预处理

高炉矿渣粉为上海宝田新型建材有限公司生产，其性能符合国家标准 GB/T 18046—2017 《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中 S 95 的性能要求。

间苯型不饱和聚酯树脂为江苏无锡某树脂有限公司生产的工业级树脂，符合 GB/T 8237—2005《纤维增强塑料用液体不饱和聚酯树脂》的性能要求。

1.2 高炉矿渣粉活化

本研究为含磷钛酸酯活化高炉矿渣粉。

（1）将高炉矿渣粉置于温度为 100 ℃ 的烘箱中烘干至恒重，待用。将 2% 浓度的钛酸酯（含磷酸）偶联剂溶于含去离子水量为 1% ～5% 的乙醇/离子水溶液中，并超声波振荡10 min。

（2）量取一定量钛酸酯偶联剂乙醇溶液，倒入所需量待用的高炉矿渣粉中，并快速搅拌固液混合物，使钛酸酯偶联剂溶液完全充分浸润高炉矿渣粉，再在常温下静置片刻。

（3）将充分浸润了钛酸酯偶联剂乙醇溶液的高炉矿渣粉放入烘箱内，于 100 ℃ 的温度下活化 30 min，取出冷却至室温。

1.3 高炉矿渣粉/间苯型不饱和聚酯人造大理石样品制备

（1）称取 60 g 活化高炉矿渣粉，研磨至粉末，放入密封袋置于 4 ℃ 冷藏柜内冷藏待用。

（2）称取 40 g 间苯型不饱和聚酯树脂，滴加 2 ～ 3 mL硅油，分别量取 0.26 g 环烷酸钴催化剂和 0.26 g 过氧化甲乙酮促进剂滴入间苯型不饱和聚酯树脂，充分搅拌均匀，置于 4 ℃ 冷藏柜片刻。

（3）将活化高炉矿渣粉与加入各种助剂的间苯型不饱和聚酯共混，搅拌均匀使活化高炉矿渣粉完全被间苯型不饱和聚酯浸润（必要时可加入 5 ～ 10 mL 无水乙醇使活化高炉矿渣粉完全浸润）。

（4）放入抽真空机，抽真空至-0.1 MPa，直至无气泡。

（5）取出样品，倒入模具，放入 50 ℃ 的烘箱内固化 12 h，再在 100 ℃ 下固化 3 h。

（6）从模具里取出大理石板，用万能制样机切成宽 10 mm、厚 4 mm 的条状大理石，待性能测试用。

2 结果与讨论

2.1 高炉矿渣粉活化前后对人造大理石力学性能的影响

分别添加 60 % 活化前后高炉矿渣粉的人造大理石的力学性能影响如表 1 所示。

表1 高炉矿渣粉活化前后对人造大理石力学性能的影响

由表 1 可知，活化后的高炉矿渣粉可明显提高人造大理石的力学性能，特别是人造大理石的弯曲弹性模量。添加60 % 活化高炉矿渣粉的人造大理石样品的弯曲强度为 50.99 MPa，而添加未活化微粉的人造大理石样品的弯曲强度仅为46.45 MPa。可见高炉矿渣粉经过活化处理后可有效提高人造大理石的弯曲强度。这是高炉矿渣粉经活化处理后与有机材料的相容性大幅提高。

2.2 高炉矿渣粉投放量对人造大理石弯曲强度和弯曲弹性模量的影响

通常，在高分子材料中添加无机填料会对材料的弯曲强度和弹性模量将产生负面影响。人造大理石的弯曲强度和弹性模量随高炉矿渣粉投放量的变化情况如表 2 所示。

表2 高炉矿渣粉投放量对人造大理石弯曲强度和弹性模量的影响

由表 2 可知，人造大理石的弯曲强度随无机填料的增加而下降，如纯聚酯树脂的弯曲强度为 56.00 MPa，添加了60 % 重量份活化高炉矿渣粉的弯曲强度为 50.99 MPa。继续增加无机材料的添加量，则人造大理石材料的弯曲强度急剧下降，添加 70 % 重量份活化高炉矿渣粉时，其人造大理石的弯曲强度只有 20.06 MPa，是空白样品的 35.82 %。原因是无机材料与高分子材料的相溶性差，在有机相和无机相的界面产生大量间隙，导致有机/无机合成人造大理石的弯曲强度下降。

2.3 高炉矿渣粉投放量对人造大理石韧性和吸收功的影响

脆性是天然大理石的一大缺点，具体表现为在开采、加工、运输、存储以及建筑加工和使用中容易碎裂，而韧性是人造大理石的一大优势。人造大理石的原料之一不饱和聚酯树脂的韧性非常好，但另一个原料高炉矿渣粉与有机材料的相容性很差，实验的结果也说明了这个问题。高炉矿渣粉投放量对人造大理石的韧性和吸收功的影响如表 3 所示。

表3 高炉矿渣粉投放量对人造大理石人造大理石韧性和吸收功的影响

试验结果表明，不饱和聚酯树脂中加入活化高炉矿渣粉后，人造大理石韧性急剧下降，纯不饱和聚酯树脂固化后的韧性为 8.49 kJ/m2，而添加 50% 活化高炉矿渣粉不饱和聚酯树脂的韧性仅为 4.30 kJ/m2，下降了近 50 %。

2.4 高炉矿渣粉投放量对人造大理石弹性模量、断裂强度和伸长率的影响

拉伸弹性模量、断裂强度和断裂伸长率是高分子材料极为重要的参数，在使用领域，其是选择材料的依据。不饱和聚酯树脂添加高炉矿渣粉固化后的试验数据如表 4 所示。

表4 高炉矿渣粉投放量对人造大理石弹性模量、断裂强度和断裂伸长率的影响

由表 4 可知，少量添加活化高炉矿渣粉可以大幅提高人造大理石的断裂强度，对人造大理石的拉伸弹性模量影响不大，但对人造大理石的断裂伸长率的破坏程度相当严重。

2.5 高炉矿渣粉投放量对人造大理石硬度的影响

以含磷钛酸酯偶联剂活化的高炉矿渣粉作为无机填料，间苯型不饱和聚酯为黏结剂合成的人造大理石，根据GB/T 3854—2005《增强塑料巴柯尔硬度试验方法》的测试方法，使用巴氏硬度计检测人造大理石的硬度，测试结果如表 5 所示。

表5 粉料投放量对高炉矿渣粉/间苯型不饱和聚酯合成人造大理石硬度的影响

由表 5 可知，固化纯不饱和聚酯的硬度为 45 HBa。高炉矿渣粉的添加可进一步增加人造大理石硬度。

2.6 人造大理石的耐污染性

活化高炉矿渣粉与间苯型不饱和聚酯树脂合成人造大理石耐污染性能测试按 GB/T 17657—1999《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》中 4.37 条文进行操作。试验在人造大理石表面与经常会引起污染的酱油、醋、棕色鞋油、口红、蓝墨水、紫药水等材料接触的情况下进行。由于高炉矿渣粉的颜色略深，污染表面擦洗后，通过眼睛的观察，大理石表面几乎未留下任何痕迹。