颗粒增强热固性树脂强度性能研究

郭文真

（福建路通管业科技股份有限公司，福建 泉州 362801）

0 引言

颗粒增强热固性树脂是以不饱和聚酯树脂等热固性树脂为基体、石英砂等为增强材料并以振动浇铸方式密实结构的一种复合材料（简称树脂混凝土）[1]。因其具有强度高、韧性好、抗冲击强度大、耐腐蚀等优良特点，是传统混凝土的替代品，广泛应用于石油、化工等耐腐蚀领域，在城市给排水领域也得到应用，特别是在沿海有酸、碱、盐等腐蚀介质的环境的使用。随着颗粒增强热固性树脂的广泛应用，对其耐压性能的研究也逐步加强。

为了提高颗粒增强热固性树脂产品抗压强度的稳定性，对石英砂的级配进行优化[2]，按照一定比例复配后，增加石英砂的堆积密度，可以提高压缩强度。

另外，由于石英砂粒子和树脂基体之间界面互容性较差，可选择硅烷类助剂对石英砂进行表面处理，以提高界面互容性[3-5]。

采用不饱和聚酯树脂为树脂基体，按照一定比例加入分散剂、湿润剂等助剂，并加入促进剂、固化剂后，与石英砂等无机填料混合搅拌，浇铸到模具中成型，并对其进行压缩强度测试和分析。

1 实验部分

1.1 主要实验原料

不饱和聚酯树脂（5019）：江阴市建恒化工有限公司；促进剂（异辛酸钴6%）：上海陶源钴业有限公司；固化剂（过氧化甲乙酮V388）：天津阿克苏诺贝尔过氧化物有限公司；石英砂：仙游县郊尾永炼石英贸易商行；助剂（分散剂S-2108、湿润剂S-2102、消泡剂S-4307、偶联剂S-6021）：广州市守正化工科技有限公司。

1.2 主要实验仪器

液压式压力试验机：济南新试金试验机有限公司；电热恒温干燥箱：天津市泰斯特仪器有限公司；标准筛（0.1～18 mm）：中国航空第五四零厂；分析天平：沈阳龙腾电子有限公司；

1.3 制备工艺和流程

1.3.1 压缩试样的制备

将不饱和聚酯树脂按照表1 中的比例，分别加入促进剂、助剂、固化剂，搅拌均匀后逐次加入[6]。配好的不饱和聚酯树脂与级配砂、碳酸钙混合均匀。浇铸到涂有脱膜剂的模具中，振动成型。自然固化后，脱膜，把试样放置到80 ℃的电热恒温干燥箱，后固化处理5 h。将制好的试样在25 ℃下，恒温放置24 h 后测试。

表1 不饱和聚酯树脂添加促进剂、助剂、固化剂质量配比

1.3.2 级配砂的组成设计

级配砂采用w（SiO2）为95%以上的石英砂组成设计而成，根据不饱和聚酯树脂、级配砂、碳酸钙的组合特性，级配设计见表2，确定的级配砂级配曲线见图1。由各个级配分别制备压缩试样，进行压缩强度和密度测试，由压缩强度和密度最大的确定为最佳级配砂组成。

图1 级配砂级配曲线

表2 级配砂级配组成设计

1.4 测试方法

试验采用液压式压力试验机测试颗粒增强热固性树脂的压缩强度。压缩性能按照《GB/T 1448—2005纤维增强塑料压缩性能试验方法》测定[7]。

试样密度按照《GB/T 4472—2011 化工产品密度、相对密度的测定》测定[8]。

2 结果与分析

2.1 级配砂组成对压缩性能和密度的影响

表3 为不同级配的压缩试样的制备配方和压缩性能、密度的测试记录。

表3 不同级配的压缩试样制备和测试记录表

图2 所示为不同级配砂对颗粒增强热固性树脂压缩性能和密度的影响。

图2 级配对压缩性能和密度的影响

由图2 可知，不同级配的压缩强度和密度均呈先增大后缓慢减小的趋势。石英砂级配中，大粒径石英砂的空隙由中粒径和小粒径的石英砂填充，随着间隙的填充变化，颗粒增强热固性树脂的密度和压缩强度呈提高趋势变化。当大粒径石英砂间隙已经被中粒径和小粒径石英砂填满并溢出，颗粒增强热固性树脂的密度和压缩强度呈缓慢降低趋势变化。

2.2 助剂对压缩性能的影响

表4 为添加0.8%分散剂、0.6%湿润剂、0.4%消泡剂、1.0%偶联剂（其中各项中的分数值均为各项的质量配比，下同）及对比样的压缩试样的制备配方和压缩性能的测试记录。

表4 添加不同助剂的压缩试样制备和测试记录表

图3 为添加不同助剂对颗粒增强热固性树脂压缩性能的影响对比图。

由图3 可知，添加分散剂、湿润剂、消泡剂对其压缩强度影响不大，但添加1%的偶联剂，其压缩强度有大幅度增强。经制样过程和结果分析，分散剂、湿润剂、消泡剂起到优化工艺性能的作用，增加树脂的分散作用，减少试样中存在细小气泡、孔洞等缺陷。偶联剂将石英砂和树脂结合起来，起到一个桥梁作用，实现无机物与有机物之间良好的界面结合。试样由原来的树脂和石英砂界面破坏转变为石英砂破坏为主。

2.3 偶联剂含量对压缩性能的影响

表5 为添加质量分数为0.0%、0.4%、0.7%、1.0%、1.3%的偶联剂的压缩试样的制备配方和压缩性能的测试记录。

表5 添加不同含量偶联剂的压缩试样制备和测试记录表

图4 所示为添加不同含量偶联剂对颗粒增强热固性树脂压缩性能的影响。

图4 不同偶联剂含量对压缩性能的影响

由图4 可知，不添加偶联剂时，压缩强度较低，只有76.1 MPa。因为没有偶联剂作用下的颗粒增强热固性树脂，受压缩时，破坏界面主要是树脂和石英砂的结合面破坏。随着添加偶联剂含量的增加，受压缩时，树脂和石英砂结合面结合能力逐渐增强，破坏界面转变为石英砂的破坏。当偶联剂添加量（质量配比）达到0.7%时，其压缩强度达到最大103.4 MPa。当继续增加偶联剂的添加量，其压缩强度不再增加，反而出现了缓慢下降趋势。

2.4 级配砂组成对含偶联剂试样压缩性能的影响

表6 为加有0.7%偶联剂条件下，不同级配的压缩试样的制备配方和压缩性能的测试记录。

表6 不同级配的压缩试样制备和测试记录表

图5 所示为加有0.7%偶联剂条件下，不同级配砂对颗粒增强热固性树脂压缩性能的影响。

图5 级配对压缩性能的影响

由图5 可知，在加有0.7%偶联剂条件下，不同级配的压缩强度均能达到90 MPa 以上。从级配1 到级配5 的转变上看，随着大粒径石英砂的减少，中粒径和小粒径的石英砂增多，大粒径石英砂间隙由中粒径和小粒径石英砂填充，级配结构改善了，密实度提高了，压缩强度提高了。当大粒径石英砂继续减少，中粒径和小粒径的石英砂继续增多，大粒径石英砂间隙已经被中粒径和小粒径石英砂填满并溢出，密实度初步下降，而压缩强度出现了大幅度下降。经推断是由于偶联剂加到树脂中与小粒径石英砂结合效果有限，需进行后续研究以提高结合能力。

3 结论

1）颗粒增强热固性树脂的最佳级配是级配3；

2）添加偶联剂可有效提高颗粒增强热固性树脂的压缩性能，添加分散剂、湿润剂、消泡剂可以提高产品的工艺性能；

3）颗粒增强热固性树脂添加偶联剂的最佳量（质量配比）是0.7%；

4）当添加偶联剂时，颗粒增强热固性树脂的最佳级配是有效的，在实际应用中应采用可以是级配3，避免级配2 和级配4 落在临界点。

颗粒增强热固性树脂质轻高强、耐腐蚀性能具有较高的研究和应用前景，但应用到工业化生产中还需解决许多问题，需不断优化。