发布时间：2021-07-21所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 功能材料
《耐紫外线老化改性沥青材料的制备与性能研究》论文发表期刊：《功能材料》；发表周期：2021年03期
《耐紫外线老化改性沥青材料的制备与性能研究》论文作者信息：王逸波 （１９９１—），男，江苏常州人，讲师，主要从事道路工程结构与新材料研究。
摘要：制备了环氧树脂改性沥青和掺杂纳米SiO2的环氧树脂改性沥青，研究了基体沥青、环氧树脂改性沥青、掺杂纳米SiO2的环氧树脂改性沥青的耐紫外线老化性能。采用物化指标测试、FT-IR和SEM等方法，研究了添加1%，2%和5%(质量分数)纳米SiO2对环氧树脂改性沥青耐紫外线老化性能的影响。结果表明，加入纳米Si02后，改性沥青的软化点和粘度增加;基体沥青、PA-5%EP，PA-EP-1%SiO2，PA-EP-3%Si02和PA-EP5%Si02的FT-IR光谱几乎在所有峰的位置都是相同的，改性沥青与基体沥青相比，结构没有明显变化;当加入纳米Si02含量为5%(质量分数)时，改性沥青的粘附力显著提高，此时，纳米SiO2颗粒较为均匀地分散到基体沥青的宏观分子网络中，形成了稳定的结构;纳米SiO2的加入能很好地改善沥青的耐紫外线老化效果，PA-EP-5%
Si02样品的耐紫外线老化性能最优。
关键词：改性沥青;环氧树脂;纳米Si02;耐紫外线老化
0引言
沥青是一种历史悠久的传统路面材料，可通过添加聚合物改性剂进行增强改性[-)，为了提高沥青的耐久性，可以通过添加抗老化添加剂对沥青进行改性[-，Turley RS等[3)发现炭黑可以保护沥青免受紫外线照射引起的光降解。Pamplona TF等t2报道.
由于纳米粘土的引入，热氧化老化对改性沥青物理性能和动态流变行为的影响受到抑制。此外，研究证明聚乙烯(PE)、乙烯基醋酸酯(EVA)、橡胶和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段共聚物均为非常有效的沥青改性剂[-3]。纯聚合物改性剂的主要缺点是大多数聚合物与沥青热力学不相容，而且聚合物与沥青之间密度、极性、分子量和溶解度差别较大，导致复合材料在热储过程中容易脱层，虽然外观变化不明显，但会对建筑材料产生不利影响[10。
纳米材料的掺入在提高聚合物改性沥青的性能方面起到积极的作用[1)，Pamplona等研究了用苯乙烯(SBS)、蛭石(OVMT)和蒙脱土(OMMT)改性沥青的储热性能[12-]。在铺设路面时使用SBS的主要障碍是发生相分离，OVMT的存在提高了SBS改性沥青的存储稳定性。Alhamali D1等[13)考察了纳米硅聚合物改性沥青的贮存稳定性，结果表明，加入6%(质量分数)的纳米SiO2能稳定高温条件下的粘结剂。此外，纳米Si02显著提高了粘结剂的耐车辙性和疲劳性能。王琼[1]研究了纳米粘土改善沥青和聚合物(乙烯醋酸乙烯酯)之间的相容性的机理，粘土和聚合物之间的高相容性导致聚合物在沥青中能更好地分散，从而影响粘合剂的最终流变性能。类似地，Galooyak ss等[1]
报告了纳米粘土加入SBS沥青混合物中时，能提高储存稳定性。Goh s w等[13)制备了纳米粘土和碳微纤维改性沥青，改善了沥青混合料的机械性能和耐水性。
Bhat FS等[13]研究了纳米Si02改性沥青，发现纳米SiO2能提高沥青高温时的耐车辙性能，同时提高了中间温度的抗疲劳性能;还发现了高温贮存后纳米Si02改性沥青的稳定形式。根据闵召辉[2]的研究，环氧树脂改性沥青的储存稳定性主要依赖于环氧树脂的含量。然而，分析流变参数可知，环氧树脂提高了高温时粘结剂的刚度和弹性性能。加入环氧树脂可以降低高温下粘结剂的车辙，同时改善中低温下的疲劳性能。此外，与未改性的基体沥青相比，环氧树脂改性热拌沥青不容易受潮破坏。
本文制备了5%(质量分数)环氧树脂改性沥青和掺杂纳米SiO2的环氧树脂改性沥青(选用1%，3%和5%(质量分数)含量的纳米SiO2作为添加剂对沥青进行改性，分别标记为PA-EP-1%Si02，PA-EP-3%Si02和PA-EP-5%SiO2)。对比研究了基体沥青、环氧树脂改性沥青、掺杂纳米SiO2的环氧树脂改性沥青的物理性能和耐紫外线老化性能。价了粘结剂的常规性能
(软化点、粘度、粘结力)，使用FT-IR分析沥青材料的物相结构，使用SEM确定沥青材料的微观结构，使用残留针入度比(RPR)、软化点增量(SPI)对沥青老化程度进行评价。
1实验
1.1 实验材料
沥青80/100：中海36-1 90#沥青，渗透25 ℃渗透值为83，软化点为44.5℃，比重为1.03，80 ℃粘度为12.6 Pa.s，25 ℃延展性>100 cm，延展速率为5cm/min，秦州市明磊经贸有限公司;环氧树脂：环氧值为0.52~0.54，抗拉强度为6.1 MPa，延展率为225%，25 ℃主剂密度和粘度分别为1.163 g/cm12.6 cps，25 ℃固化剂密度和粘度分别为0.829 g/cm3、46cps，南亚昆山公司，混合之前均过20目筛网;纳米Si02：堆密度为47.5 g/L，纯度>99%，APS值约为80 nm，舟山明日纳米材料有限公司。
图1为纳米SiO2的表面形貌图，从图1可以看出，纳米Si02颗粒呈现球形，颗粒直径较大，结构较为致密，分散较差，明显可以看出存在团聚现象，但整体结构较为松散，可以使用机械方法对其进行分散。
1.2 改性沥青的制备
改性沥青的制备分为3个阶段。首先，使用超声破碎仪/250超声均质器(美国)，将纳米Si02颗粒分散在100 ml.亚甲基中超声5 min，防止团聚;使用压电超声换能器进行超声波处理，频率为20 kHz，超声波处理器为中等强度，圆柱形超声头直径为19 mm，长度为10.5 cm。该装置可容纳25~500 ml.
的物质，以最大振幅的50%进行操作，以1900~2100 J/min的速率将能量传递给样品，能量以2s为一个周期，以防止悬浮液过热。其次，使用德国IKA T25数显型TURRAX高速剪切搅拌机制备粘结剂，分散元件编号为S25，温度为(160±1)℃，在8 000 r/min的转速下分散1 h.当温度稳定在(160±1)℃时，将5%(质量分数)的环氧树脂与基体沥青混合，得到环氧树脂改性沥青。最后，将处理后均匀分散在亚甲基中的纳米SiO2颗粒倒入环氧树脂改性沥青中，在高速剪切搅拌机中匀速搅拌30 min，然后在恒定速度下逐步添加溶液，避免起泡，得到掺杂纳米Si02的环氧树脂改性沥青。
1.3性能测试及表征
采用物化指标测试、粘度试验(Brookfield Model DV-I11)和粘附力试验等对基体沥青和改性沥青进行常规物理性能测试;傅立叶红外光谱测试(FT-IR)：采用日本岛津公司400 PerkinElmer型傅里叶变换红外光谱仪，在室温下KBr压片制样，扫描范围4000~
650 cm-1，分辨率2cm-1;扫描电镜分析(SEM)：采用日本日立公司S4800型扫描电镜，观察不同掺杂量纳米Si02制备的改性沥青的形貌和微观结构;利用自主研发的智能室内紫外光老化模拟装置分析改性沥青的耐紫外线老化性能，按照JTJ-052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行了残留针入度比、软化点增量等试验分析。
2结果与讨论
2.1 常规物理性能分
通过物化指标测试，可以得到沥青材料的常规物理性能。表1为基体沥青、5%(质量分数)环氧树脂改性沥青(PA-5%EP)和掺杂不同含量纳米SiO2的环氧树脂改性沥青(PA-EP-1%SiO2，PA-EP-3%Si02和PA-EP-5%Si02)的基本物理参数。
从表1可以看出，加入纳米SiO2后，沥青材料的软化点增加，相当于硬度或刚度增加;基体沥青粘度最低，随着纳米SiO2含量的增加，沥青材料的粘度增大，这是由于纳米Si02，对沥青的流动产生更大的内摩擦阻力。此外，添加1%.3%和5%(质量分数)纳米SiO2后沥青材料的粘度均小于3.00 Pa.s(BA 100 ℃)的最大值，表明在增加测试温度的情况下，掺杂纳米Si02改性仍然可以降低沥青材料的粘度。
表2为不同类型沥青材料的粘附力。从表2可以看出，随着纳米SiO2含量的增加，沥青材料的粘附力增大，且当加入5%(质量分数)纳米Si02后，沥青材料的粘附力显著提高。与基体沥青和PA-5%EP相比，纳米Si02改性后的沥青具有明显的高附着力，表明改性沥青混合料中骨料间粘附性好。因此，就湿度诱导的损害而言，掺杂纳米Si02的环氧树脂改性沥青在抗湿性方面具有良好的潜力。
2.2 SEM分析
采用扫描电镜对PA-5%EP和PA-EP-5%SiO2的显微结构进行了分析。图2为PA-5%EP和PA EP-5%Si02的SEM图。从图2(a)可以看出，当PA与EP混合后，混合物基体表面光滑，无颗粒状聚集，塑性良好。从图2(b)可以看出，当加入5%(质量分数)纳米Si02后，纳米SiO2颗粒较为均匀地分散到基体沥青的宏观分子网络中，无大型团聚出现，形成了稳定的结构，纳米Si02的掺入，改善了沥青材料的物理性能。这可能是由于纳米Si02与环氧树脂之间的高相容性，使得环氧树脂在沥青中更好地分散，从而优化了改性沥青的显微结构及物理性能。
2.3 FT-IR分析
图3为不同类型沥青样品的FT-IR光谱。从图3可以看出，在波数> 3 000 cm-时，没有出现与0-H官能团有关的峰，可以确定所有样品中不存在水。对于基体沥青，在2 850.47~2 919.48 cm-处观测到两大宽峰，可归因于样品中脂肪链的C-H拉伸振动;在1601.83 cm-1处有吸收较弱的峰，归因于芳香族化合物的C-C拉伸振动;在1 376.20~1 456.74 cm-1处出现较小的峰，归因于-CH2端基的C-H拉伸振动;在1 032.59 cm-1处出现更微弱的峰，归因于S-O拉伸振动;此外，在720-865 cm-1处的峰值与苯中的C-H环键有关。由图3可知，基体沥青、PA-5%EP，PA-EP-1%Si0，PA-EP-3%Si02和PA-EP-5%Si02 的 FT-IR光谱几乎在所有峰的位置都是相同的，说明改性沥青与基体沥青相比，结构没有明显变化;但PA-5%EP，PA-EP-1%SiO2，PA-EP-3%SiO2 和 PA-EP-5%Si02的峰值强度较基体沥青有所下降，说明改性沥青的物理性质有所改善。
2.4 耐紫外线老化性能分析
采用残留针入度比(RPR)、软化点增量(SPI)对沥青老化程度进行评价[21]，RPR 值 越 高 或 SPI值 越 小，说明老化程度越轻，抗老化能力越强。紫 外 线 老 化 时间对不同类型沥青样品的 RPR 和 SPI值的 影 响 如 表3所示。
从表3可以看出，沥青样品的RPR值随着老化时间的增长而减小，当老化时间为9 d时，基体沥青、PA5%EP，PA-EP-1%Si02，PA-EP-3%SiO2和PA-EP5%Si0，相对于od时，RPR值分别减小了42%，35%，32%，29%和28%，PA-EP-5%Si02的RPR值降低最少;而在同一老化时间下(3，6和9d)，几种沥青样品的RPR值大小依次为：基体沥青PA-5%EP> PA-EP-1%Si02>PA-EP-3%SiO2 >PA-EP-5%SiO2，同样说明在一定含量范围内，改性沥青材料的耐紫外线老化性能随着纳米SiO2含量的增加而提高。由此可知，随着紫外光老化时间的延长，几种沥青样品的RPR值逐渐减小，而SPI值逐渐增大，这是由于持续接收紫外照射时间越长，样品紫外线吸收和反射能力发挥得越充分;随着纳米Si02含量的增加，在相同的老化时间内，几种沥青样品的RPR值逐渐增大，而SPI值逐渐减小，共同说明改性沥青的紫外阻隔作用逐渐增强。综合RPR和SPI值对改性沥青老化程度的评价均可以看出，纳米SiO2的掺入能很好地改善沥青的耐紫外线老化效果，当纳米SiO2的掺入量为5%(质量分数)时，PA-EP-5%Si02样品的耐紫外线老化性能最优。
3结论
对基体沥青、环氧树脂改性沥青、掺杂纳米SiO2的环氧树脂改性沥青的制备和耐紫外线老化性能进行了研究。采用物化指标测试、FT-IR和SEM等测试方法，研究了添加1%，2%和5%(质量分数)纳米SiO2对环氧树脂改性沥青耐紫外线老化性能的影响，得出以下结论：
(1)物化指标测试结果显示，加入纳米Si02后，沥青材料的软化点和粘度增加，当加入5%(质量分数)
纳米SiO2后，沥青材料的粘附力显著提高，掺杂纳米Si02的环氧树脂改性沥青在抗湿性方面具有良好的潜力。
(2)SEM分析表明，加入5%(质量分数)纳米SiO2后，纳米SiO2颗粒较为均匀地分散到基体沥青的宏观分子网络中，形成了稳定的结构。
(3)FT-IR分析表明，基体沥青、PA-5%EP、PA-EP-1%Si02，PA-EP-3%Si02 和PA-EP-5%Si02的红外光谱几乎在所有峰的位置都是相同的，改性沥青与基体沥青相比，结构没有明显变化。
(4)耐紫外线老化性能测试结果表明，在一定含量范围内，改性沥青材料的耐紫外线老化性能随着纳米Si02含量的增加而提高，纳米Si02的掺入能很好地改善沥青的耐紫外线老化效果，当纳米Si02的掺入量为5%(质量分数)时，PA-EP-5%SiO2样品的耐紫外线老化性能最优。
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