CN105385176A - 一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料及其制备方法。该复合改性沥青材料由基质沥青、废胶粉、糠醛抽出油和膨胀蛭石组成，各组分所占质量份数为：基质沥青100份；废胶粉5~20份；糠醛抽出油1~5份；膨胀蛭石2~8份。本发明选用膨胀蛭石和废胶粉作为沥青的改性剂，采用熔融共混法，具体制备过程包括加热熔融和剪切混合。所制得的复合改性沥青材料具有优越的高温力学性能、抗车辙性能，膨胀蛭石的加入可有效提高材料的储存稳定性和抗老化性。本发明不仅工艺简单，而且为废旧轮胎的后续处理提供了一种经济、环保的解决方式。本发明材料可用于高等级路面如桥梁及机场的铺设、建筑等领域。

Description

一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及沥青材料领域，具体涉及一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料及其制备方法。

背景技术

沥青由于其良好的粘弹性能，作为粘结剂而广泛应用于道路和建筑。但是沥青对温度敏感，普通的沥青路面在高温条件下易流淌，使沥青中的油分与树脂渐渐失去，从而产生疲劳和老化；在低温条件下则流动性减弱，易发脆开裂。近年来，随着交通道路需求的增加，人们对沥青路面的要求也越来越高，急需寻找能够满足现代快节奏、重负荷以及环境气候条件多变的路面要求的沥青来服役。

与此同时，随着人们生活水平提高，以及物流业高速发展，我国汽车的拥有量普遍提升，汽车的轮胎消耗也日益增长，而替换下来的废旧轮胎数量也越来越多。传统的废旧轮胎处理方法诸如填埋和焚烧等将带来很多安全隐患和环境污染问题。为了解决废旧轮胎带来的黑色污染，合理的回收再利用这些废旧轮胎已成为当前我国急需解决的问题。将废旧轮胎加工成不同粒径的废胶粉并用于沥青改性，为废旧轮胎的后续处理提供了一种重要的再利用途径。专利CN103589174A公开了一种利用废旧轮胎粉制备道路沥青的方法：利用马来酸酐和甲基丙烯酸-2-羟基乙酯对胶粉进行预处理，得到表面改性胶粉，再与基质沥青混合搅拌后得到改性沥青，发现改性沥青比基质沥青具有更好的稳定性和低温抗裂性，存储稳定性也有所提高。但是在实际制备改性沥青的过程中，单一的废胶粉改性沥青极易出现改性剂离析沉降，造成改性沥青的储存稳定性不好，抗车辙、抗疲劳等性能等级下降。

纳米层状硅酸盐具有独特的二维层状纳米结构和巨大的比表面积，掺入沥青中可以在纳米尺度上改善沥青性能。膨胀蛭石作为纳米层状硅酸盐的一种，由于其巨大的宽高比，热稳定性和阻隔性比其他的硅酸盐好，能更好地提高沥青材料的热稳定性、抗老化性。专利CN103146208A公开了一种膨胀蛭石/氢氧化铝协同阻燃沥青及其制备方法，利用膨胀蛭石/氢氧化铝的协同作用来改善沥青的阻燃性能，与单独使用氢氧化铝阻燃剂相比，膨胀蛭石/氢氧化铝协同阻燃沥青的阻燃性能有显著提高，能大大减少氢氧化铝的用量，成本大幅度降低。

在当前存在的众多的沥青改性剂及改性工艺中，选择何种改性剂制备出性能优良且储存稳定的改性沥青及采用适宜的制备工艺仍然是沥青研究工作者力求攻克的技术难点。专利CN102408731A公开了一种改性胶粉的制备方法、一种胶粉改性沥青和混合料及其制备方法：通过将聚合物与沥青共混制备性能均一稳定的改性沥青后，将其均匀涂覆于胶粉表面，让胶粉能够进行充分的预溶胀，同时通过隔离剂将胶粉颗粒分离开来，保持胶粉的粉体形态，从而起到提高分散的目的，将改性胶粉用于改性沥青领域，可同时应用于改善湿法的加工工艺和干法的产品性能，但此工艺较为繁琐，不利于大规模生产。本发明选用价廉易得的废胶粉和膨胀蛭石为复合改性剂，充分发挥废胶粉的优良柔韧性和膨胀蛭石的阻隔性，是一种高效、环保、经济的沥青改性方式。同时采用剪切乳化机对改性剂进行高速分散，有效确保了改性剂在沥青中均匀的分散，为改性剂优良性能的充分发挥提供了保障。

发明内容

本发明的目的是为高等级路面如桥梁及机场的铺设、建筑等领域提供一种性能良好，储存稳定的改性沥青材料及其制备方法。通过加入膨胀蛭石、废胶粉等改性剂提高沥青的高温物理性能、抗车辙和抗疲劳开裂等性能，采用熔融共混法制备出存储稳定、性能优越的复合改性沥青材料。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，该复合改性沥青材料由基质沥青、废胶粉、糠醛抽出油和膨胀蛭石组成；各组分所占质量份数为：基质沥青100份；废胶粉5～20份；糠醛抽出油1～5份；膨胀蛭石2～8份。

进一步地，所述的基质沥青为石油沥青、煤沥青或湖沥青。

进一步地，所述的废胶粉为废旧轮胎粉碎后的胶粉颗粒。

进一步地，所述胶粉颗粒的细度为40～200目，含水量小于5％。

进一步地，所述的糠醛抽出油中芳烃含量大于90％，相对于水的密度为1.01。

进一步地，所述的膨胀蛭石为普通的无机膨胀蛭石或经过有机化改性处理的有机膨胀蛭石；所述膨胀蛭石的细度为200～400目。

进一步地，所述的有机膨胀蛭石是季铵盐阳离子与无机膨胀蛭石层间阳离子通过交换反应得到。

进一步地，所述的季铵盐阳离子为十六烷基三甲基铵离子、十二烷基三甲基铵离子、二十八烷基二甲基铵离子、四甲基铵离子、苯基三甲基铵离子、苄基三甲基铵离子、三乙基苯基铵离子和十六烷基吡啶离子中的一种或一种以上。

进一步地，所述的有机膨胀蛭石由以下步骤制备得到：

(1)按各组分质量份数计为：水100份；无机膨胀蛭石5～15份；季铵盐阳离子4～8份；

(2)将水、无机膨胀蛭石、季铵盐阳离子混合后升温至75～85℃，以500～800r/min的速率搅拌反应4～6h，过滤后用水洗涤滤物6～8次，滤物干燥后得到有机膨胀蛭石。

以上所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料的制备方法，该方法选用膨胀蛭石和

废胶粉作为沥青的改性剂，采用熔融共混法，具体制备步骤如下：

(1)按各组分所占质量份数为：基质沥青100份；废胶粉5～20份；糠醛抽出油1～5份；膨胀蛭石2～8份，选取基质沥青、废胶粉、糠醛抽出油和膨胀蛭石，备用；

(2)加热熔融：将基质沥青加热至150～180℃，使基质沥青充分熔融；

(3)剪切混合：向基质沥青中加入废胶粉和糠醛抽出油，以3000～5000r/min的速率剪切乳化搅拌30～60min；然后，分3～5次加入膨胀蛭石，以3000～5000r/min的速率继续剪切混合60～90min，最终制得膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、选用废胶粉作为沥青改性剂，不仅提升了基质沥青的路用性能，而且为废旧轮胎的后续处理提供了一种低碳、环保、高效的方法，能产生较大的经济价值和社会效益。

2、选用膨胀蛭石作为沥青改性剂，在熔融共混过程中沥青分子链和废胶粉分子链能有效插入膨胀蛭石层间，使其层间距扩大直至剥离，从而均匀分散于复合改性沥青体系中，从纳米尺度上改善沥青内部结构，使沥青性能稳步提升。

3、制备所得的复合改性沥青材料具有良好的物理性能和热储存稳定性，有效地改善了基质沥青的温度敏感性，延长了其使用寿命。

4、制备的复合改性沥青材料具有制备工艺简单、性能优良和成本低廉等特点，具有较强的市场竞争力，可大批量生产推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例中所用无机膨胀蛭石的FT-IR谱图。

图2为本发明实施例中所用季铵盐阳离子改性后的有机膨胀蛭石的FT-IR谱图。

具体实施方式

本发明选用膨胀蛭石和废胶粉为复合改性剂，采用熔融共混法，制得膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。具体制备步骤如下：

(1)加热熔融：将盛装基质沥青不锈钢罐置于150～180℃恒温油浴锅中加热，使基质沥青充分熔融。

(2)剪切混合：待基质沥青充分熔融，缓慢向基质沥青中加入5％～20％(相对于基质沥青质量，下同)的废胶粉及1％～5％糠醛抽出油，以3000～5000r/min的速率剪切混合30～60min。然后，分3～5次加入2％～8％的膨胀蛭石，以3000r/min～5000r/min的速率继续剪切混合60～90min，最终制得膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。

下面借助于具体的实施例对本发明做进一步说明，但所列的实施例均不是对本发明的限制。

【实施例1】

将盛装100g基质沥青(茂名石化AH90^#)的不锈钢罐置于150℃恒温油浴锅中加热，使基质沥青充分熔融。待基质沥青完全熔融，掺入15g废胶粉(细度为200目，含水量为1％)及5g糠醛抽出油(芳烃含量为95％)，以4000r/min的速率剪切混合60min。然后，分5次掺入8g无机膨胀蛭石(细度为200目)，以4000r/min的速率继续剪切混合90min，最终制得无机膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。

【实施例2】

将盛装100g基质沥青(美国壳牌70^#)的不锈钢罐置于180℃恒温油浴锅中加热，使基质沥青充分熔融。待基质沥青完全熔融，掺入10g废胶粉(细度为100目，含水量为3％)及3g糠醛抽出油(芳烃含量为96％)，以4000r/min的速率剪切混合30min。然后，分4次掺入8g无机膨胀蛭石(细度为400目)，以4000r/min的速率继续剪切混合60min，最终制得无机膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。

【实施例3】

将100g水、10g无机膨胀蛭石和6g十六烷基三甲基溴化铵(分子式为C₁₉H₄₂NBr)混合后置于80℃水浴锅中，以700r/min的速率搅拌反应6h，过滤后用水洗涤滤物7次至无Br离子，滤物干燥后得到有机膨胀蛭石A。

将盛装100g基质沥青(茂名石化AH90^#)的不锈钢罐置于160℃恒温油浴锅中加热，使基质沥青充分熔融。待基质沥青完全熔融，掺入15g废胶粉(细度为40目，含水量为4％)及4g糠醛抽出油(芳烃含量为92％)，以5000r/min的速率剪切混合45min。然后，分5次掺入8g有机膨胀蛭石A(细度为300目)，以4000r/min的速率继续剪切混合75min，最终制得有机膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。

【实施例4】

将100g水、5g无机膨胀蛭石和4g十二烷基三甲基氯化铵(分子式为C₁₅H₃₄ClN)混合后置于75℃水浴锅中，以800r/min的速率搅拌反应4h，过滤后用水洗涤滤物8次至无Cl离子，滤物干燥后得到有机膨胀蛭石B。

将盛装100g70^#煤沥青(山西恒德化工有限公司)的不锈钢罐置于170℃恒温油浴锅中加热，使煤沥青充分熔融。待煤沥青完全熔融，掺入20g废胶粉(细度为100目，含水量为2％)及5g糠醛抽出油(芳烃含量为98％)，以5000r/min的速率剪切混合30min。然后，分4次掺入6g有机膨胀蛭石B(细度为200目)，以5000r/min的速率继续剪切混合60min，最终制得有机膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。

【实施例5】

将100g水、15g无机膨胀蛭石和8g苄基三甲基氯化铵(分子式为C₁₀H₁₆NCl)混合后置于80℃水浴锅中，以800r/min的速率搅拌反应6h，过滤后用水洗涤滤物8次至无Cl离子，滤物干燥后得到有机膨胀蛭石C。

将盛装100g基质沥青(韩国SK90^#)的不锈钢罐置于150℃恒温油浴锅中加热使基质沥青充分熔融。待基质沥青完全熔融，掺入5g废胶粉(细度为200目，含水量为1％)及1g糠醛抽出油(芳烃含量为94％)，以4000r/min的速率剪切混合45min。然后，分3次掺入2g有机膨胀蛭石C(细度为300目)，以4000r/min的速率继续剪切混合60min，最终制得有机膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。

【实施例6】

将100g水、10g无机膨胀蛭石和6g苯基三乙基氯化铵(分子式为C₁₂H₂₀NCl)混合后置于80℃水浴锅中，以800r/min的速率搅拌反应5h，过滤后用水洗涤滤物6次至无Cl离子，滤物干燥后得到有机膨胀蛭石D。

将盛装100g基质沥青(美国壳牌70^#)的不锈钢罐置于160℃恒温油浴锅中加热，使基质沥青充分熔融。待基质沥青完全熔融，掺入15g废胶粉(细度为40目，含水量为4％)及5g糠醛抽出油(芳烃含量为91％)，以5000r/min的速率剪切混合60min。然后，分3次掺入4g有机膨胀蛭石D(细度为200目)，以5000r/min的速率继续剪切混合60min，最终制得有机膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。

分别按照ASTMD36，ASTMD5和ASTMD5892的标准对制备的改性沥青材料进行软化点、针入度和高温储存稳定性测试。具体结果如表1和表2所示，其中针入度指数PI是分析沥青的温度敏感性的一个指数，可以通过测量针入度和软化点来计算，其计算式如下式：

$PI=\frac{1952-500lg\left({\mathrm{Pen}}_{25}\right)-20SP}{50\lg \left({\mathrm{Pen}}_{25}\right)-SP-120}---\left(1\right)$

其中，Pen₂₅是试样的25℃下针入度数值，0.1mm；SP是试样的软化点数值，单位为℃。PI值越高，温度敏感性越小。

表1为以上各实施例制得的膨胀蛭石/废胶粉复合沥青材料的物理性能；表2为各实施例制得的膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青的高温储存稳定性。

表1

表2

通过研究得出：

以膨胀蛭石和废胶粉为改性剂，采用熔融共混法成功制备了无机膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料及有机膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。由表1可知，与基质沥青相比，所制得的复合改性沥青材料软化点升高、针入度减小，具有良好的抗车辙疲劳性能。这主要归因于：一方面，在剪切乳化机剪切力的作用下，膨胀蛭石均匀分散在沥青中，其独特的纳米层状结构从纳米尺度上改良了复合体系的内部结构，充分发挥出层状结构良好的阻隔性能；另一方面，纳米材料膨胀蛭石的掺入，使得复合体系中的废胶粉颗粒在剪切力的作用下剪切得更细小、分散得更为均匀，充分发挥废胶粉优越的柔韧性。

由表2可知，制备得到的膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，上下离析软化点差值均小于2.5℃，说明其具有良好的高温储存稳定性。这主要归因于：一方面，废胶粉颗粒在剪切力的作用下变得细小，分散均匀，而纳米层状结构的膨胀蛭石具有良好的阻隔性能，有效减缓了废胶粉颗粒的沉降过程；另一方面，膨胀蛭石的比表面积大、表面自由能高，在高速剪切乳化作用下，复合沥青材料中膨胀蛭石容易与细小的废胶粉颗粒相互吸附，降低了体系的表面自由能，提高复合体系界面的结合力，改善体系的储存稳定性。

本发明实施例中所采用无机膨胀蛭石的FT-IR谱图如图1所示，季铵盐阳离子改性后的有机膨胀蛭石的FT-IR谱图如图2所示，对比图1和图2可以看到，经季铵盐阳离子改性后的有机膨胀蛭石在2920cm^-1、2850cm^-1和1485cm^-1处出现了三个新的吸收峰，分别对应C-H的非对称伸缩振动、C-H的对称伸缩振动和季铵盐阳离子中C-N的弯曲振动，说明季铵盐阳离子对无机膨胀蛭石的改性成功，形成有机膨胀蛭石，其有机成分含量增大，与沥青的相容性提高，有利于改性沥青的性能提升。

Claims (10)

1.一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：该复合改性沥青材料由基质沥青、废胶粉、糠醛抽出油和膨胀蛭石组成；各组分所占质量份数为：基质沥青100份；废胶粉5~20份；糠醛抽出油1~5份；膨胀蛭石2~8份。

2.根据权利要求1所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：所述的基质沥青为石油沥青、煤沥青或湖沥青。

3.根据权利要求1所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：所述的废胶粉为废旧轮胎粉碎后的胶粉颗粒。

4.根据权利要求3所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：所述胶粉颗粒的细度为40~200目，含水量小于5%。

5.根据权利要求1所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：所述的糠醛抽出油中芳烃含量大于90%，相对于水的密度为1.01。

6.根据权利要求1所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：所述的膨胀蛭石为普通的无机膨胀蛭石或经过有机化改性处理的有机膨胀蛭石；所述膨胀蛭石的细度为200~400目。

7.根据权利要求6所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：所述的有机膨胀蛭石是季铵盐阳离子与无机膨胀蛭石层间阳离子通过交换反应得到。

8.根据权利要求7所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：所述的季铵盐阳离子为十六烷基三甲基铵离子、十二烷基三甲基铵离子、二十八烷基二甲基铵离子、四甲基铵离子、苯基三甲基铵离子、苄基三甲基铵离子、三乙基苯基铵离子和十六烷基吡啶离子中的一种或一种以上。

9.根据权利要求6所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料，其特征在于：所述的有机膨胀蛭石由以下步骤制备得到：

（1）按各组分质量份数计为：水100份；无机膨胀蛭石5~15份；季铵盐阳离子4~8份；

（2）将水、无机膨胀蛭石、季铵盐阳离子混合后升温至75~85℃，以500~800r/min的速率搅拌反应4~6h，过滤后用水洗涤滤物6~8次，滤物干燥后得到有机膨胀蛭石。

10.制备权利要求1所述的一种膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料的方法，其特征在于，该方法选用膨胀蛭石和废胶粉作为沥青的改性剂，采用熔融共混法，具体制备步骤如下：

（1）按各组分所占质量份数为：基质沥青100份；废胶粉5~20份；糠醛抽出油1~5份；膨胀蛭石2~8份，选取基质沥青、废胶粉、糠醛抽出油和膨胀蛭石，备用；

（2）加热熔融：将基质沥青加热至150~180℃，使基质沥青充分熔融；

（3）剪切混合：向基质沥青中加入废胶粉和糠醛抽出油，以3000~5000r/min的速率剪切乳化搅拌30~60min；然后，分3~5次加入膨胀蛭石，以3000~5000r/min的速率继续剪切混合60~90min，最终制得膨胀蛭石/废胶粉复合改性沥青材料。