初探防止石英石產(chǎn)品開(kāi)裂及提高韌性的幾點(diǎn)方法研究

黃平

佛山市奇卡龍廚衛(wèi)有限公司 廣東 佛山 528000

引言

石英石是一種新型規(guī)格的石材，是由以92%石英砂粉為主要成分的骨料和8%樹(shù)脂、顏料以及其他輔料為主要黏合材料混合制成的，經(jīng)過(guò)真空加壓震動(dòng)等工序成型、拋光和固化等工藝制作而成。石英石之所以具有優(yōu)異的抗刮耐污性能，是因?yàn)樗拿芏群陀捕容^其他材質(zhì)相比都非常高，不易劃傷、不易滲透、不易沾染污漬、耐受腐蝕、能承受高溫等，同時(shí)也符合國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，可以安全地與食品直接接觸。從物理角度來(lái)看，石英石在微觀層面存在著微小的熱脹冷縮性能，同時(shí)也具有一定的力學(xué)性能，包括收縮應(yīng)力、沖擊韌性和斷裂伸長(zhǎng)率等。因此，當(dāng)材料受到過(guò)大的內(nèi)部應(yīng)力或嚴(yán)重的外部撞擊時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裂紋和斷裂現(xiàn)象。

1 石英石產(chǎn)品的背景

在國(guó)內(nèi)，人造石材是由不飽和聚酯樹(shù)脂和無(wú)機(jī)填料制造而成，通常被分為石英石、崗石、實(shí)體面材、玉石以及透光石等不同類型，盡管這些類型的表述方式截然不同，但其含義卻相似。不同種類的玉石所需的樹(shù)脂用量和成型方式各異，因此制造人造石的廠家常常會(huì)面臨制品變形、斷裂或開(kāi)裂等問(wèn)題，這些問(wèn)題的形成原因也各不相同。并且在樹(shù)脂固化轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，由于密度增大和體積收縮，樹(shù)脂內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致板材出現(xiàn)開(kāi)裂、斷裂、裂紋和翹曲變形等問(wèn)題。

2 石英石產(chǎn)品開(kāi)裂的原因及解決方案

2.1 不飽和聚酯樹(shù)脂的影響

樹(shù)脂型人造石英石的制作原理是：不飽和聚酯樹(shù)脂主要起粘接作用，而聚合引發(fā)劑則促使樹(shù)脂從液體狀態(tài)變成凝膠狀態(tài)，隨后再變成固體，最后制得板材。這一過(guò)程中，板材體積會(huì)發(fā)生收縮，產(chǎn)生巨大的內(nèi)應(yīng)力，這是板材內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的最基本原因。此外，由于聚合過(guò)程所產(chǎn)生的熱量，還會(huì)使樹(shù)脂溫度升高，導(dǎo)致板材的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)一步加劇內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。針對(duì)樹(shù)脂等原因而造成的產(chǎn)品斷裂情況，具體有以下幾點(diǎn)解決方法。

2.1.1 樹(shù)脂的材質(zhì)及用量。在制作板材時(shí)，選擇樹(shù)脂是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，需要考慮樹(shù)脂的活性、黏度和用量，以確保板材的質(zhì)量。

（1）樹(shù)脂的活性。做石材樹(shù)脂的活性要盡量保持適中，如果樹(shù)脂的反應(yīng)活性太高，雖然可以保證后期充分固化，但是卻會(huì)使固化后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力絕對(duì)值大大增加，嚴(yán)重影響石材的使用性能。因此，做石材的樹(shù)脂活性不宜過(guò)高，應(yīng)根據(jù)具體的工藝條件和石材的性能要求，對(duì)反應(yīng)活性和放熱峰值進(jìn)行精確控制，確保石材的質(zhì)量。

（2）樹(shù)脂的黏度。樹(shù)脂黏度是一種衡量樹(shù)脂性能的重要指標(biāo)，如果粘度過(guò)低，就會(huì)影響樹(shù)脂的使用性能。黏度較低的樹(shù)脂，多為苯乙烯含量偏高，因此在固化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生更大的收縮量，固化時(shí)放熱較快同時(shí)加大收縮。因此，在使用樹(shù)脂時(shí)，應(yīng)注意黏度的選擇，黏度太低的樹(shù)脂很可能會(huì)影響其使用性能。

（3）樹(shù)脂的用量。樹(shù)脂是一種重要的膠結(jié)材料，它具有良好的黏結(jié)性、耐腐蝕性和耐熱性等特點(diǎn)，在工程制造中有廣泛應(yīng)用。在實(shí)際操作時(shí)，樹(shù)脂用量應(yīng)盡量減少，因?yàn)闃?shù)脂量越大，收縮就越大，內(nèi)應(yīng)力的絕對(duì)值也會(huì)隨之增加。這樣會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致產(chǎn)品破壞，影響正常生產(chǎn)。因此，在使用樹(shù)脂時(shí)，一定要控制好樹(shù)脂的用量，使其盡可能地低，以達(dá)到預(yù)期的效果。

2.2 固化體系影響

2.2.1 常溫固化。

（1）對(duì)空氣的濕度和溫度有較高的敏感性，需要根據(jù)溫度和濕度的變化而調(diào)節(jié)用量。

（2）反應(yīng)速度難以掌控，放熱過(guò)于集中，通常會(huì)導(dǎo)致聚合速率加快，但在反應(yīng)后期樹(shù)脂在充分固化方面卻難以達(dá)到，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間和一定溫度的處理。

（3）樹(shù)脂在常溫下就可以進(jìn)行凝膠固化，因此操作時(shí)間更加靈活，在高溫下就難以把控固化時(shí)間。因此，建議采用OT固化劑，在OT固化劑溫度高于80℃時(shí)就可以釋放出活性的自由基，從而引起樹(shù)脂固化的反應(yīng)[1]。

2.2.2 在中高溫度固化的優(yōu)勢(shì)。

（1）在進(jìn)入壓機(jī)前，操作時(shí)間不受限制，所以可以讓操作者有足夠的時(shí)間準(zhǔn)備。另外，室溫下純的OT固化劑（65℃以下）不會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，從而保證了操作的安全性。因此，使用者可以放心地進(jìn)行壓機(jī)操作，不必?fù)?dān)心發(fā)生意外事故。

（2）對(duì)于樹(shù)脂的凝膠時(shí)間，大多數(shù)情況下不需要特別嚴(yán)格的要求，因?yàn)闃?shù)脂本身具有較高的貯存穩(wěn)定性，可以有效防止因溫度、濕度及光照等外界因素對(duì)其產(chǎn)品性能產(chǎn)生不良影響。因此，可以選擇凝膠時(shí)間略長(zhǎng)一些，以獲得更好的效果。另外，樹(shù)脂的穩(wěn)定性也有利于減少產(chǎn)品的失效率，可以在凝膠時(shí)間內(nèi)保持良好的產(chǎn)品性能，從而提高生產(chǎn)效率，降低成本。此外，樹(shù)脂凝膠時(shí)間也可以控制在一定范圍內(nèi)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，確保滿足客戶的要求。

（3）反應(yīng)速率的控制是非常重要的，而這也是固化劑的一個(gè)關(guān)鍵特性。此外，固化劑還能夠提高樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增強(qiáng)其耐熱、耐冷、耐腐蝕等性能，從而確保樹(shù)脂在惡劣環(huán)境中的使用時(shí)間。同時(shí)，固化劑還能有效抑制雜質(zhì)的沉淀，使樹(shù)脂的性能更加穩(wěn)定，給用戶帶來(lái)更多的便利。總之，反應(yīng)速率控制和固化劑的使用，都能夠有效地保證樹(shù)脂的后期固化充分。

但目前，依舊有較為落后的工藝制品使用室溫固化，而正規(guī)的生產(chǎn)工藝基本都采取中高溫固化體系，使產(chǎn)品更加具有穩(wěn)定性。

2.3 降溫過(guò)程的影響

板材在烘道內(nèi)經(jīng)過(guò)出口后，溫度逐漸降低，直到達(dá)到室溫，這個(gè)過(guò)程就是降溫過(guò)程。在這個(gè)階段，樹(shù)脂的后期固化已經(jīng)完成了大部分，因此，需要在特定的時(shí)間和溫度下進(jìn)行操作。通常情況下，當(dāng)樹(shù)脂開(kāi)始聚合并達(dá)到放熱峰后，整個(gè)板材會(huì)顯著放熱，無(wú)須再添加外部熱源，隨著時(shí)間的推移，在烤箱中逐漸降溫，直到出口處達(dá)到室溫。此時(shí)，板材仍然保持著大約60℃的溫度，但與室溫相差不大，可以被接受。

2.4 降溫后的固化反應(yīng)

2.4.1 固化是一種能夠釋放熱量的化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)能夠促進(jìn)板材的充分固化，但是如果溫度過(guò)高，就會(huì)導(dǎo)致熱量的集中釋放，從而導(dǎo)致板材收縮過(guò)度。因此，需要控制烘箱溫度，一般保持在60～80℃之間，以避免板材溫度過(guò)高，實(shí)際溫度可能會(huì)達(dá)到120℃，放熱峰值時(shí)甚至可能達(dá)到160℃。一般情況下，要讓保溫時(shí)間達(dá)到4h，最好讓它自然降溫到室溫。

2.4.2 盡可能控制烘道出口和板材的溫度，使其與室溫之間的溫差最小化，最好不超過(guò)50℃。如果溫度差異過(guò)大，就會(huì)給熱板材帶來(lái)類似于淬火處理的效果，使板材內(nèi)部的應(yīng)力增加并且應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，從而大大增加了板材開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，并同時(shí)存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，例如板材在受到外界力量的影響下容易發(fā)生變形、斷裂等風(fēng)險(xiǎn)。自動(dòng)化生產(chǎn)線的烘烤出口溫度應(yīng)該限制在60℃以下，以避免板材經(jīng)歷“急冷”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致板材內(nèi)部應(yīng)力集中，硬度增加，脆性急劇增加，特別是在冬季，當(dāng)車間溫度較低時(shí)，就更加大了出現(xiàn)問(wèn)題的概率。

2.4.3 熱板材不宜直接用水磨拋光，應(yīng)先通過(guò)夾具夾緊，讓板材冷卻，再進(jìn)行其他處理。接觸水后，板材會(huì)迅速降溫，而且表面可能出現(xiàn)發(fā)白和水紋的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響處理效果。因此，建議板材下線后，盡可能夾緊，然后靜置24～48h，以便讓板材徹底冷卻后，再進(jìn)行其他處理，可以達(dá)到最理想的效果[2]。

2.5 壓機(jī)的影響

2.5.1 保持壓機(jī)施力的均勻性。板材常常會(huì)出現(xiàn)壓力分布不均的問(wèn)題，導(dǎo)致角部區(qū)域因受到較小的壓力而樹(shù)脂含量增加、收縮量增大，從而引起翹曲和變形。

2.5.2 用料分布要均勻。只有在板材中各組分的分布均勻時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)密度的均勻分布。只有在實(shí)現(xiàn)密度均勻的情況下，內(nèi)部應(yīng)力才能得到適當(dāng)分散而不會(huì)出現(xiàn)集中，從而避免因收縮力不均勻而導(dǎo)致開(kāi)裂。

2.5.3 粉量分配合理。當(dāng)細(xì)粉的用量增加時(shí)，其表面積也會(huì)隨之增大，從而導(dǎo)致需要更多的樹(shù)脂，進(jìn)而使得收縮程度增大。因此如果細(xì)粉的量過(guò)大，其表面積也會(huì)變得越大，那么涂料所需的樹(shù)脂量也會(huì)隨之增加。由于樹(shù)脂量的增加，涂料的收縮也會(huì)變大。因此，為了避免涂料收縮的不正常變化，應(yīng)該在使用細(xì)粉時(shí)，尤其是在涂料的加工過(guò)程中，要控制好細(xì)粉的用量，以免出現(xiàn)收縮的異常情況。

2.6 偶聯(lián)劑的影響

偶聯(lián)劑是一種雙性質(zhì)物質(zhì)，可以在無(wú)機(jī)填料顆粒和有機(jī)樹(shù)脂基體之間構(gòu)建一層界面層，該層可以有效傳遞應(yīng)力，從而提高填料粒子和樹(shù)脂之間的力傳導(dǎo)，進(jìn)而提高板材制品的性能。界面狀態(tài)得到了同時(shí)的改善，防止了其他介質(zhì)滲透到界面層，這對(duì)于制品的老化、應(yīng)力和電絕緣性能都有益處。同時(shí)，偶聯(lián)劑對(duì)石英石的性能影響不容忽視，但往往有經(jīng)驗(yàn)不足的廠家會(huì)忽略或不重視這一點(diǎn)。因此，建議在生產(chǎn)中加入偶聯(lián)劑的量不低于1%，合理的比例在2%～4%之間[3]。

3 提高石英石韌性的方法

3.1 砂粉的合理搭配

粗砂粉可以有效地增加板材的孔隙度，從而增加板材的抗沖擊性，更能提高產(chǎn)品的耐久性。細(xì)砂粉可以增加板材的密實(shí)度，減少板材的氣孔和裂紋，從而減少板材的損傷。因此，合理的砂粉粗細(xì)搭配可以提升板材的密實(shí)度，增強(qiáng)板材的抗沖擊韌性，保障產(chǎn)品的使用安全性和穩(wěn)定性。

3.2 樹(shù)脂的用量

樹(shù)脂含量與制品的韌性成正比，樹(shù)脂含量越高，制品的韌性也越好。因此，在生產(chǎn)成本可以接受的情況下，樹(shù)脂用量方面可以適當(dāng)提高，從而有效提高制品的韌性。增加樹(shù)脂的使用，不僅可以有效提高制品的韌性，而且還可以節(jié)約更多的成本，使得制品的使用壽命更長(zhǎng)，給用戶帶來(lái)更多的實(shí)惠。

3.3 適量增加柔性樹(shù)脂

建議在制品中添加柔性樹(shù)脂，以顯著提高其韌性。可以通過(guò)測(cè)試不同比例添加量條件下的韌性數(shù)據(jù)，找出規(guī)律和趨勢(shì)，并調(diào)整添加量以達(dá)到滿意的效果，建議添加的比例為8%、10%或更高。

3.4 合理把控樹(shù)脂固化的速度

對(duì)于樹(shù)脂來(lái)說(shuō)，固化速度越快，制品的剛性也就越大，剛性越大，脆性也就越大，而韌性自然就會(huì)變差。因此，可以采取一些措施來(lái)降低初始的固化速度，以達(dá)到提高制品韌性的目的，比如減少固化劑的用量，保證固化效果，或者適當(dāng)降低固化溫度，讓聚合反應(yīng)能夠穩(wěn)定進(jìn)行，從而有效提高制品的韌性。

3.5 產(chǎn)品的后固化程度

為了使制品具有更高的韌性，后固化程度需要越完全越好，因此，可以適當(dāng)提高烘箱溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，使制品完全固化。這樣，制品的結(jié)構(gòu)和性能會(huì)得到更大的改善，其韌性也會(huì)明顯增強(qiáng)。此外，在進(jìn)行后固化處理時(shí)，要注意加熱均勻，避免出現(xiàn)溫度梯度過(guò)大的情況，以免造成制品的結(jié)構(gòu)不均勻，影響其韌性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，造成石英石產(chǎn)品開(kāi)裂的因素繁多，因此，采取正確的操作措施可以有效避免制品開(kāi)裂。首先，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)臉?shù)脂，并控制樹(shù)脂含量；其次，應(yīng)采取中高溫固化工藝，以降低應(yīng)力集中；再者，可以采用一些技術(shù)手段，使內(nèi)應(yīng)力分散均勻，減小內(nèi)應(yīng)力的絕對(duì)值；同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)采取平緩降溫的措施，以避免“急冷”；最后，還需要選擇適當(dāng)?shù)膲褐圃O(shè)備，并加入適量的偶聯(lián)劑，以保證制品的質(zhì)量，有效地防止板材制品開(kāi)裂。