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新型石材防护剂在石材表面成膜的研究

    一种新型的无机材料,可通过表面成膜对石材进行改性,达到防护石材、改进其物理性能的目的;此技术工艺简单、操作方便、且成本低,有广阔的应用前景。

    1引言

    自古以来,天然石材在建筑装饰上都有较高的应用价值,为人类环境增添了许多壮丽的景观。然而石材的病变却是一个不容回避的问题,在对青岛市做的调查中发现,用石材做外墙装饰的建筑物中有80%在使用了3~18个月后出现不同程度的病变。石材病变影响了石材的美观和价值。因此,机械加工石材后对其表面进行防护剂处理十分必要。

    石材防护剂在国外发展已经有30多年的历史,中国、日本、欧美等一些国家的石材防护研究处于世界领先水平,已经逐渐从溶剂型产品过渡到水性产品——即环保型产品。石材防护剂有涂膜型和渗透固结型两种,国内采用较多的是涂蜡保护法。由于蜡是一种不透气材料,极可能阻塞石材毛细孔而导致石材的病变,从而缩短石材的使用寿命,而渗透性防护剂不只限于表面保护,而是进人石材表层进行深层防护,这样不仅能够很好的保护石材的天然质感,而且还能保持石材的透气性。因此,渗透性防护剂更具有优势。

    SG、ET是两种综合使用的无机渗透性防护剂,可以深人渗透石材表层。石材经此防护剂处理后,一方面能够很好的保持其天然质感、色彩和透气性;另一方面能够显著提高其光泽度、抗压强度、硬度等性能指标,而且能够改善其防水、防酸碱、防老化性能。作者重点以大理岩类中的白云岩为实验对象,获得了较理想的效果。

    2实验部分

    2.1防护剂的配制

    室温下,用水作溶剂,将原料以不同比例的用量配置溶液,通过正交实验,得到最佳原料配比。

    2.2实验原理及工艺

    根据表面界面原理,防护剂SE、ET中的有效物质渗透进人石材表层,其中的硅酸盐成分在一定条件下转化成正硅酸填充于岩石晶体缝隙内,和表层晶体结合,最后逐渐转化成二氧化硅晶体,由此在石材表面形成一层坚韧透明的晶体防护膜,从而使得石材结构致密。改性后,在保护石材正常的透气性的基础上,一方面提高了石材的物理性能,另一方面不仅可以阻止外来的污染渗人,也可以防止石材内部及底层的污染渗出。其具体工艺操作如下:

    (1)、预处理石样。用清水洗净,用5%的OP一10表面活性基溶液涂刷,使其表层浸润。

    (2)、SG改性。在常温常压下,将石样浸于SG溶液中使其迅速渗透或在石样表面均匀涂刷(可根据对象改性要求的不同而灵活选择渗透操作方式及操作时间),取出石样,用清水洗净。

    (3)、ET改性。再将石样浸于ET溶液中或者在石样表面均匀涂刷(不同的样品渗透时间不同,可采取不同的操作方式)。

    (4)、取出石样,常温下放置5小时。3仪器分析及性能测试

    用光泽度仪(KGZ一1A)检测石材改性前后光泽度的变化;用肖氏硬度计检测石材改性后硬度的变化;用液压式万能试验机(WE一 50X)检测石材改性后抗压强度的提高;用偏光显微镜(OLMPUSB×60)观察改性后石材的微观组织,计算确定其渗透程度;用红光谱仪(IR一 400)测定改性前后石材的化学成分变化。
    
     3.1切面微观形态分析

    室温下,将天然白云石用表面活性剂OP一10预处理,再分别用SG溶液浸泡6h,ET溶液浸泡1h,自然放置5h。然后将改性后的白云岩石样制作成岩石薄片,在显微镜下观察改性石材的切面微观组织,确定防护剂的渗透性情况。观察此种白云岩的天然微观形貌,其结构非常松散,无纹理,极易碎裂,即使岩石表面经过机械抛光,除了光泽度得到一定改善外,其他各项物理性能均不能得到广泛的提高。然而,当我们对岩石表层经过防护剂处理以后,再对比观察其微观形貌,则发现了条理清晰深刻的且规则的岩石纹路;这说明物质结构变得更加致密。又经过一系列测试后,证明其某些物理性能确实得到大幅度提高,从而能够达到改性目的。从图1一C、d可以清晰观察到防护剂的渗透改性情况,防护剂从石材表面向内渗透,改性界面分明、效果明显。经过抛光的平面,其结构相对致密,渗透较浅,厚度约达1—2.5ram;未经抛光的平面,其结构相对疏松,易于渗透,厚度约达3-6mm。

    3.2性能测试

    测试不同工艺条件下改性白云石的抗压强度、硬度、光泽度,对比其改性效果。结果表明:在不同的工艺操作下,其改性程度也会存在一定差异;但对比空白矿石而言,几乎所有的改性工艺都能使白云石的硬度、光泽度、抗压强度分别得到不同程度的提高。

    3.3红外光谱

    图2是一组白云石的红外光谱对照图。白云石的特征吸收峰在改性后基本没有发生变化;说明改性只改变了白云石的物理性质,并没有使白云石的化学成分发生改变

    3.4工艺讨论

    3.4.1渗透顺序

    渗透的质量决定改性的效果,两种试剂sG和ET的渗透顺序是一个关键问题,它决定着渗透的质量。由于在两种试剂中,ET是小分子溶液,渗透性好;SG为大分子溶液,渗透难度大;这就决定了两种试剂的渗透顺序为先SG后ET;并且其中的主要问题是解决SG溶液的渗透。

    3.4.2渗透方式

    不同种类的岩石有着不同的渗透性能,一般来说,石材的质地越坚硬,其渗透越困难,需要的渗透方式也就越复杂;反之,石材的质地越疏松,则渗透越容易,需要的渗透方式也就越简单。根据不同的石材性质以及不同的改性要求,可以选择不同的渗透方式,包括涂刷、浸泡、真空渗透等。首先,对于本质坚硬只需修饰外表的石材选择涂刷方式即可,例如某些花岗岩类,其天然硬度已经很高,改性目的主要为了改善其对外界环境的防酸碱腐蚀能力和提高光泽度,那么选择涂刷的方式操作,既简便快捷,又效果明显;改性后,其光泽度一般能够提高8—25光泽单位。其次,对于本质非常疏松的石材,应重点加强渗透力度,改善其硬度,使用浸泡或者真空渗透;两者的区别在于浸泡不需要辅助设备,成本低、时间长、原料耗费大,而且效果没有真空渗透好;例如,作者用疏松白云石试验,在低浓度SG防护液中浸泡8h,在ET溶液中浸泡2h,渗透厚度约为46mm,而真空渗透SG溶液15rain、ET溶液5rain即可达到约3—7ram效果,改性后测试其硬度提高为10—30HSD,抗压强度提高为515MPa,光泽度提高为l030光泽单位。

    
     3.4.3时间选择
    
     以涂刷方式进行改性的石材,由于对渗透的要求不高,不需要长时间操作,一般来说,两种防护剂分别涂刷1020次都会有明显的光泽度改变;光泽度能够提高约815光泽单位。若以自然浸泡或者真空渗透的方式改性,就要分别讨论两种溶液的渗透。首先,讨论ET溶液,由于ET为小分子溶液,相对来说渗透性较好,在真空条件下10rain即可充分渗透;即使自然浸泡也完全可以根据改性的需要使时间控制在5h之内。其次,再来讨论SG溶液,对于SG溶液,自然浸泡的时间不宜太长,因为硅酸盐分子为大分子,渗透性差,时间越长渗透性越差,容易固结,而妨碍后面ET溶液的渗透,使之不能充分反应。例如,在表3 中,4号石样经过48h自然浸泡后,其改性效果并未比3号样品好;这表明过长的浸泡时间反而降低改性效果。因此,白云石的浸泡时间应控制在48h内。真空渗透也存在此问题,即渗透到一定程度后就难以继续;用白云石试验,时间超过30min后,物理性能基本不变。

    4结论

    岩石材料经过处理后,有效成分渗人石材表层形成阻水层,显著增强了石材抗折、抗压、硬度、光泽度等性能,同时也提高了耐候性和耐污性,且表面不留残液,保护了石材透气性和天然质感,在一定程度上达到了渗透性防护剂的要求。用此技术对多种类别的岩石进行试验,效果明显。

    此项工艺操作简单、安全,对人体无毒害,对环境污染小,成本低,不需要复杂设备。研究推广此项技术对于石材和建筑市场以及其他领域均有重要的意义。

    4.1可以作为室内墙面、柱面、栏杆、花饰雕刻的改性防护材料,也可发展为用作纪念性建筑、大型商业建筑的外观保护材料。

    4.2可以用作石材改性防护材料,用简单低成本的工艺修饰高档石材,延长其使用寿命,并可用于开发利用原本舍弃的低质石材。
 

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