园林景观造型用的改性木质纤维/石墨沥青瓦制备及性能测试

包 敏

(西安思源学院,陕西 西安 710038)

受到雨水侵蚀、暴晒等环境影响,乡村园林建筑材料不仅美观性下降,并且性能降低,制备性能较好的园林景观建筑材料成为一个研究热点[1]。以聚氯乙烯树脂和杨木粉,制备了一种用于园林景观的木塑复合材料,并对其性能进行研究。结果表明,该该材料具备较好的力学、热学性能,并且耐久性和疏水性良好[2]。通过添加阻燃剂等对木塑复合材料进行改性,并研究其性能。结果表明,603D相容剂和阻燃剂共同作用下,该材料的力学性能提高,耐老化耐候性较好[3]。除了木塑材料外,人造石也是园林景观中常用的环保材料,采用抗氧剂对人造石进行改性。结果表明,抗氧剂的添加,不仅可以保证人造石的力学性能,还可以增强人造石的尺寸稳定性以及耐变黄性能,提高耐久性[4]。考虑到中国乡村特色园林文化,沥青瓦因其建筑造型的多样性、防水性等优良特性,在园林景观造型中应用广泛[5]。基于此,本试验制备了一种木质纤维-石墨复合改性沥青瓦,并对其稳定性、耐久性等进行研究。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料:70#道路沥青(工业纯泰),安众诚伟业土工材料;10#石油沥青(工业纯),山东中佑化工;鳞片石墨(工业纯),河北率坤科技;木质纤维素毡(工业纯),郑州佳捷化工;滑石粉(工业纯),灵寿县汇茂矿产;阻燃剂(工业纯),深圳市绿泰环保;KH570硅烷偶联剂(工业纯),山东捷列夫新材料;盐酸(AR),济南新达化工;氢氧化钙(工业纯),石家庄本诺矿产。

主要设备:ES1020型电子天平(上海升徽电子);SY-DW型低温试验箱(东莞市博莱美精密仪器);ZS型电炉(东台市泽胜工业电炉);HH-WO型型数显恒温水浴锅(郑州赫名仪器设备);ZYLH-UVA340型紫外线老化试验机(中研立华仪器科技);SYD-0628型动态剪切流变仪( 上海格密仪器);SZR-5型针入度仪(北京奥峰路业试验);SYD-2806型软化点仪(北京奥峰路业试验);LB-LSRH-500型高速剪切机(常州励岸宝机械);YZM-T型沥青试验机(上海魅宇仪器)。

1.2 沥青瓦制备工艺

本试验以木质纤维和鳞片石墨为主要改性材料,对70#道路沥青进行改性,制备一种复合沥青瓦。

(1)用电子天平称取适量的70#道路沥青,并加热该沥青材料到熔融状态,然后添加质量分数5%木质纤维;

(2)使用高速剪切机对步骤(1)中的混合材料进行处理,拼接沥青胎体材料;

(3)用电子天平按25∶10∶25∶35∶5的质量分数比例,称取适量的10#石油沥青、70#道路沥青、阻燃剂、填料和助剂,混合制备阻燃沥青混合料,备用[6-7];

(4)将沥青浸渍,并用砂石撒布,然后覆膜处理,进行滚压;

(5)在恒温25 ℃环境下冷却,然后升高温度至50 ℃进行涂胶处理,并在木质纤维沥青瓦的表明喷涂鳞片石墨,厚度0.5 mm;

(6)再次冷却后,切割成型,分送并包装好,经过检验后,获得木质纤维-石墨复合改性沥青瓦,贮存备用。

1.3 性能测试

1.3.1低温抗裂性

采用沥青试验机,设置加载速度为1mm/min,在0 ℃环境下对试样进行劈裂拉伸测试,分析其低温抗裂性。

1.3.2高温稳定性

通过动态剪切流变仪对试样进行测试,分析材料的高温稳定性。其中,角速度为10 rad/s,并控制扫描温度为35～65 ℃,每360 s递增5 ℃[8]。

1.3.3抗老化性

在恒温140 ℃条件下,通过紫外加热老化试验机对试样进行老化,并采用针入度仪以及软化点仪对老化后的试样进行测试,分析其抗老化性能。

1.3.4化学稳定性

通过质量分数0.1%盐酸溶液和质量分数0.1%氢氧化钙溶液,对试样进行2 h酸碱腐蚀试验,并利用有限元软件分析腐蚀后试样表面的残留面积情况,分析试样的化学稳定性。

1.3.5热震稳定性

通过油浴锅和冰柜,对试样进行高低温反复加热、冷却,并通过沥青试验机测试试样的抗撕裂强度,分析其热震稳定性。

2 结果与分析

2.1 低温抗裂性

在低温环境下,经过木质纤维和石墨复合改性的沥青瓦劲度模量结果如图1所示。

图1 沥青瓦劲度模量

由图1可知,在低温环境下,随着作用力不断增加,普通沥青瓦和木质纤维-石墨沥青瓦的劲度模量均呈现不断增加的变化,且在相同作用力下,木质纤维-石墨沥青瓦的劲度模量优于普通沥青瓦。因此,本试验制备的木质纤维-石墨沥青瓦,具备优良的低温抗裂性。而对于未添加石墨、木质纤维复合改性的普通沥青瓦,其内部没有增强抗裂性的木质纤维,表层没有石墨层进行导热,因此,沥青瓦的整体温差较大,抗裂性也较差。综上,与普通沥青瓦相比,经过木质纤维和石墨复合改性的沥青瓦,低温抗裂性较好。

2.2 高温稳定性

根据1.3.2中的测试方法,本试验对普通沥青瓦和木质纤维-石墨沥青进行高温稳定性分析,结果如图2所示。

图2 沥青瓦稳定系数

由图2可知,随着试验温度增加,普通沥青瓦和木质纤维-石墨沥青瓦的稳定系数均呈现不断下降的现象。对于木质纤维-石墨沥青瓦,当试验温度为35 ℃时,其稳定系数为22.4;当试验温度升高至65 ℃时,其稳定系数(车辙因子)降低到8.3。对于普通沥青瓦,当试验温度为35 ℃时,其稳定系数仅为6.2;当试验温度升高至65 ℃时,其稳定系数几乎无法测得。这表明,与普通沥青瓦相比,木质纤维-石墨沥青瓦在高温环境下的稳定性较好。综合分析可知,本试验制备的木质纤维-石墨沥青瓦,具备较好的高温稳定性。

2.3 抗老化性

根据1.3.3中的测试方法,对普通沥青瓦和木质纤维-石墨沥青瓦进行测试,结果如图3所示。

图3 沥青瓦抗老化性

由图3可知,在针入度方面,木质纤维-石墨沥青瓦的针入度达到5.56 mm,比普通沥青瓦提高21.7%;在软化点方面,木质纤维-石墨沥青瓦的软化点为66.8 ℃,与普通沥青瓦相比,增幅达56.8%。这表明,木质纤维-石墨沥青瓦的抗紫外加热老化性明显优于普通沥青瓦。综合分析可知,相比于普通沥青瓦,在经过木质纤维和石墨改性后,沥青瓦的抗老化性提升。

2.4 化学稳定性

根据1.3.4中的试样方法,本试验对普通沥青瓦和木质纤维-石墨沥青瓦进行测试,结果如图4所示。

图4 沥青瓦耐酸碱腐蚀情况

由图4可知,在经过酸碱腐蚀后,木质纤维-石墨沥青瓦的残留比面积明显高于普通沥青瓦。在耐酸腐蚀试验中,木质纤维-石墨沥青瓦的残留比面积达到97%,比普通沥青瓦增加12.4%;在耐碱腐蚀试验中,木质纤维-石墨沥青瓦的残留比面积相对于耐酸腐蚀试验有所降低,为94%;但与普通沥青瓦相比,提高38.2%。这表明,碱性环境对沥青瓦的腐蚀性更强。综上,本试验制备的木质纤维-石墨沥青瓦在酸碱环境下的化学稳定性良好。

2.5 热震稳定性

根据1.3.5中的试样方法,本试验对普通沥青瓦和木质纤维-石墨沥青瓦进行测试,结果如图5所示。

图5 沥青瓦热震稳定性

由图5可知,随着高低温循环次数的增多,撕裂强度均呈现不断降低的趋势。对于木质纤维-石墨沥青瓦,当高低温循环次数从0次增至16次时,撕裂强度降低5.9%;对于普通沥青瓦,当高低温循环次数从0次增至16次时,撕裂强度降低19.6%;当高低温循环次数相同时,木质纤维-石墨沥青瓦的撕裂强度均高于普通沥青瓦。这表明,在经过高低温循环试验后,木质纤维-石墨沥青瓦的热震稳定性优于普通沥青瓦。综上,本试验制备的木质纤维-石墨沥青瓦具备良好的热震稳定性。

3 结语

(1)在低温相同作用力下,木质纤维-石墨沥青瓦的劲度模量较高,低温抗裂性良好;

(2)木质纤维-石墨沥青瓦在温度为35 ℃、65 ℃的稳定系数分别为22.4、8.3,高温稳定性较好;

(3)木质纤维-石墨沥青瓦的软化点为66.8 ℃,比普通沥青瓦增加56.8%,抗老化性较好;

(4)在耐酸碱腐蚀方面,木质纤维-石墨沥青瓦在酸性、碱性环境腐蚀下的残留比面积分别达到97%、94%,比普通沥青瓦分别提高12.4%、38.2%,化学稳定性良好;

(5)当高低温循环次数从0次增至16次时,木质纤维-石墨沥青瓦的撕裂强度仅降低5.9%,热震稳定性较好。