CN103819915B - 一种氧化石墨烯改性沥青及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种氧化石墨烯改性沥青，按质量百分比其组成为：氧化石墨烯0.5%～15%和基质沥青85%～99.5%，以上组分质量百分比之和为100%。其制备方法：将基质沥青加热熔化，保持温度为120～200℃，加入氧化石墨烯，人工搅拌20～40min，剪切机搅拌20～120min，降温至100～150℃，放置20～50min，使其充分溶胀；将沥青混合料在剪切机上再次进行剪切80～100min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中即得。本发明氧化石墨烯改性沥青，以氧化石墨烯作为改性剂改性沥青，能够明显提高基质沥青的高温性能、抗变型能力，大大提高沥青路面抗车辙能力。

Description

一种氧化石墨烯改性沥青及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯改性沥青，本发明还涉及该氧化石墨烯改性沥青的制备方法。

背景技术

氧化石墨烯是石墨经过氧化而得到的一种功能化石墨烯，研究报道氧化石墨烯具有类似石墨烯的晶格形式，这是因为功能基团只是取代少部分的碳原子，并没有破坏整体的石墨烯的结晶单元格，所以氧化石墨烯仍保留着石墨烯的结晶性质，只是在二维基面上连有一些官能团。氧化石墨烯与石墨烯不同，在它的表面上依然存在大量含氧官能团，因此氧化石墨烯具有很强的参加化学反应的能力。

沥青被普遍视为一种包裹着具有稳定相胶质的沥青质胶团溶解或分散在油脂树脂媒介中形成的界面物质，具有胶体特性。然而，由于提取沥青的原油不同，炼油过程和沥青的服役过程中会出现老化，非常复杂且可变，所以沥青的化学成分是不能准确定义的。通常认为沥青由两个组分组成，沥青质和树脂，后者则是进一步细分为饱和烃，芳香烃和胶质，沥青质具有高的分子量和大的直径（大约10mm），与沥青中其他的组分不同，不容易与其他物质相容，沥青中各个组分的示意图如图1。有进一步的研究表明沥青是由脂肪族，芳香族，环碳氢化合物，少量有机酸，碱和含有氮、氧、硫的杂环组分以及一些金属原子组成的混合物，含有某些矿物质，并呈现黑色到暗褐色的固态或半固态的粘稠状物质。

随着高等级公路交通量增大、车速高、轴载日趋重型化以及国产普通沥青含蜡量高、粘结力差、延伸度低、温度敏感性大等性能缺点，导致高等级公路路面形成各种严重的病害。

首先是高温车辙及变形问题。在高温地区、大型车辆以及超载、重载路段，车辙已成为沥青路面潜在的最严重的破坏形式之一。

其次，沥青路面水损害破坏严重。所谓沥青路面水损害破坏，是沥青路面在油水分的条件下，经受交通载荷和温度胀缩的反复作用，一方面水分逐步侵入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力的作用，沥青层渐渐地从集料表面剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。由于这种破坏作用的存在，导致在春融、梅雨季节及雨季，好端端的路面逐渐出现麻面、松散、掉粒乃至坑槽，此种情况已经在许多公路以及某些高速公路上出现。

再次，寒冷地区沥青路面温缩裂缝普遍存在。在冬季气温骤降时，沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长，同时劲度急剧增大，超过混合料的极限强度或极限拉伸应变，便会产生开裂。

最后是高速公路的表面功能，尤其是抗湿滑性能不足，恶性交通事故时有发生。现今公众对道路交通安全和舒适性的期望越来越高，路面必须具有良好的抗滑性，并且在潮湿状态下没有水雾，没有眩光，噪声小。

因此，研究提高沥青混凝土路面使用性能的关键技术，即改性沥青技术，已成为公路建设的重要课题。

改性沥青是指沥青中掺加橡胶、树脂、高分子化合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂（改性剂），或采取对沥青轻度氧化加工，使沥青或沥青混合料的性能得以改善而制成的沥青结合料。经过改性的沥青，温度敏感性降低，软化点增高，当量脆点降低，从而改善了沥青和沥青混合料的路用性能。目前，改性沥青在高等级路面及机场路中得到了广泛的应用。

在此之前，有很多研究人员在沥青中添加聚合物、硫磺、橡胶以改善其性能，已经公开的与本申请相关的文献如下：

1.德国专利DE4329459，该专利公开了利用沥青加热溶解废塑料制成沥青改性剂。主要用被裁切的塑料废料直接加入沥青混合器，混合过程准备的塑料废料尺寸范围大约在10～60mm、在混合过程中加热温度为170～180℃、塑料废料重量份额在10～30%。

2.中国专利CN101250328A（申请号：200810035847.8，公开日：2008-08-27），该专利公开使用经“脱硫”的循环使用的胶粉作为改性剂，在少量硫化组分存在的条件下，与沥青在130℃～250℃反应制的了低成本及稳定性优良的改性沥青。克服了现有技术中存在着成本偏高和橡胶在沥青中分散稳定性差等缺陷。

3.英国专利GB2087921，该专利是利用废弃塑料如：PE、PVC、PS、PA或PC，在无氧条件下，经过400℃～800℃的干燥蒸馏提取出高温分解油加入到沥青块中，降低沥青突变温度、降低沥青的氧化性、弹性、展延性等性能。

目前对改性沥青的研究大多是使用聚合物作为改性剂，对沥青性能全面改善效果不明显，改善幅度有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化石墨烯改性沥青，解决了聚合物作为改性剂，对沥青性能全面改善效果不明显，改善幅度有限的问题。

本发明的另一个目的是提供一种氧化石墨烯改性沥青的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种氧化石墨烯改性沥青，以氧化石墨烯作为改性剂对沥青进行改性，按质量百分比，其组成为：氧化石墨烯0.5%～15%和基质沥青85%～99.5%，以上组分质量百分比之和为100%。

本发明所采用的另一个技术方案是，一种氧化石墨烯改性沥青的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取氧化石墨烯0.5%～15%和基质沥青85%～99.5%，以上组分质量百分比之和为100%；

步骤2，将基质沥青加热使之熔化，保持温度为120～200℃，加入氧化石墨烯，人工搅拌20～40min，剪切机搅拌20～120min，降温至100～150℃，放置20～50min，使其充分溶胀；

步骤3，将步骤2得到的沥青混合料在剪切机上再次进行剪切80～100min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得到氧化石墨烯改性沥青。

本发明的有益效果是，本发明氧化石墨烯改性沥青，以氧化石墨烯作为改性剂改性沥青，能够明显提高基质沥青的高温性能、抗变型能力，大大提高沥青路面抗车辙能力。

附图说明

图1是沥青中各个组分的示意图；

图2是本发明氧化石墨烯改性沥青与未改性沥青针入度变化对比图；

图3是本发明氧化石墨烯改性沥青与未改性沥青软化点变化对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明氧化石墨烯改性沥青，以氧化石墨烯作为改性剂对沥青进行改性，按质量百分比，其组成为：氧化石墨烯0.5%～15%和基质沥青85%～99.5%，以上组分质量百分比之和为100%。

氧化石墨烯属于纳米材料，纳米技术处于微观（分子、原子级水平）和宏观之间的所谓介观领域，因此纳米材料具有神奇的小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等优异性能。纳米改性沥青之所以不同于其他改性沥青，其根本原因在于纳米改性沥青是从微观结构上改变沥青性能。

为了使氧化石墨烯在沥青中均匀分散，全面改善沥青的性能，参照聚合物改性沥青的性能并从纳米材料的特殊效应和成本确定氧化石墨烯的含量为0.5%～15%。

上述氧化石墨烯改性沥青的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取氧化石墨烯0.5%～15%和基质沥青85%～99.5%，以上组分质量百分比之和为100%；

步骤2，将基质沥青加热使之熔化，保持温度为120～200℃，加入氧化石墨烯，人工搅拌20～40min，剪切机搅拌20～120min，降温至100～150℃，放置20～50min，使其充分溶胀；

步骤3，将步骤2得到的沥青混合料在剪切机上再次进行剪切80～100min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得到氧化石墨烯改性沥青。

取纯净、无风化、无有害杂质，具有良好碎片形状的基质沥青。本实验选用中海36-190#基质沥青，其25℃针入度为99.5（0.1mm）、软化点为36.8℃。用于改性沥青的氧化石墨烯，其质量应符合规定的技术要求。

以下是基质沥青以及采用本发明技术方案的复合改性沥青实施例的实验结果，具体的混合配比如表1所示：

表1实验所用改性体系配比

改性沥青的针入度按GB/T0604-2000进行测试，软化点按GB/T0606-2000进行测试。具体实验结果如下：

图2为沥青改性前后针入度的变化图，可以看出，1#～6#氧化石墨烯改性沥青的针入度降低，且降低幅度明显。也就是说，氧化石墨烯改性沥青后的抗变形能力得到明显改善。

图3为沥青改性前后软化点的变化图，可以看出，1#～6#氧化石墨烯改性沥青的软化点升高，也就是说，改性后，其高温性能得到明显改善。

结论：

1、经过氧化石墨烯改性后，基质沥青的高温性能得到了明显的改善，抗变形能力明显提高。

2、氧化石墨烯的含量对改性沥青的抗变形能力和高温性能的影响较大。

综上所述，利用本发明技术制备的改性沥青，以氧化石墨烯作为改性剂改性沥青，能够明显提高基质沥青的高温性能、抗变型能力，大大提高沥青路面抗车辙能力。

实施例1

取质量百分比94%的基质沥青加热熔化，保持温度在180℃，按质量百分比加入5%的氧化石墨烯，人工搅拌20min，剪切机搅拌80min，降温至150℃，放置50min，使其充分溶胀；将混合料在剪切机上再次进行剪切80min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得。

实施例1制备的氧化石墨烯改性沥青的软化点测试结果为73.4℃，针入度为63.4（0.1mm）。

实施例2

取质量百分比96%的基质沥青加热熔化，保持温度在180℃，按质量百分比加入4%的氧化石墨烯，人工搅拌20min，剪切机搅拌80min，降温至150℃，放置50min，使其充分溶胀；将混合料在剪切机上再次进行剪切80min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得。

实施例2制备的氧化石墨烯改性沥青软化点测试结果为66.3℃，针入度为76.8（0.1mm）。

实施例3

取质量百分比98%的基质沥青加热熔化，保持温度在180℃，按质量百分比加入2%的氧化石墨烯，人工搅拌20min，剪切机搅拌80min，降温至150℃，放置50min，使其充分溶胀；将混合料在剪切机上再次进行剪切80min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得。

实施例3制备的氧化石墨烯改性沥青软化点测试结果为67.3℃，针入度为68.4（0.1mm）。

实施例4

取质量百分比85%的基质沥青加热熔化，保持温度在120℃，按质量百分比加入15%的氧化石墨烯，人工搅拌40min，剪切机搅拌20min，降温至100℃，放置20min，使其充分溶胀；将混合料在剪切机上再次进行剪切90min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得。

实施例4制备的氧化石墨烯改性沥青软化点测试结果为83.2℃，针入度为58.3（0.1mm）。

实施例5

取质量百分比99.5%的基质沥青加热熔化，保持温度在200℃，按质量百分比加入0.5%的氧化石墨烯，人工搅拌30min，剪切机搅拌120min，降温至120℃，放置40min，使其充分溶胀；将混合料在剪切机上再次进行剪切100min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得。

实施例5制备的氧化石墨烯改性沥青软化点测试结果为35.6℃，针入度为98.5（0.1mm）。

Claims (2)

1.一种氧化石墨烯改性沥青，其特征在于，以氧化石墨烯作为改性剂对沥青进行改性，按质量百分比，其组成为：氧化石墨烯0.5％～15％和基质沥青85％～99.5％，以上组分质量百分比之和为100％；

将基质沥青加热使之熔化，保持温度为120～200℃，加入氧化石墨烯，人工搅拌20～40min，剪切机搅拌20～120min，降温至100～150℃，放置20～50min，使其充分溶胀；然后在剪切机上再次进行剪切80～100min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得。

2.一种氧化石墨烯改性沥青的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，按质量百分比分别称取氧化石墨烯0.5％～15％和基质沥青85％～99.5％，以上组分质量百分比之和为100％；

步骤2，将基质沥青加热使之熔化，保持温度为120～200℃，加入氧化石墨烯，人工搅拌20～40min，剪切机搅拌20～120min，降温至100～150℃，放置20～50min，使其充分溶胀；

步骤3，将步骤2得到的沥青混合料在剪切机上再次进行剪切80～100min，直至氧化石墨烯均匀分散于沥青中，即得到氧化石墨烯改性沥青。