CN106398648A - 一种融雪抑冰微胶囊及其制备方法 - Google Patents

一种融雪抑冰微胶囊及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种融雪抑冰微胶囊，包括囊芯和囊壁，囊芯为氯化钙和氢氧化钠，囊壁采用笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，其中笼型聚倍半硅氧烷优选含氟聚倍半硅氧烷。其制备原料氯化钙与氢氧化钠混合物、笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯混合物、偶联剂和有机溶剂的添加量按质量比为1～2:1～3:0.2～0.4:100～200。本发明融雪抑冰微胶囊最大可降低路表冰点至‑20℃，融雪抑冰效果显著；具有良好的热稳定性和力学性能，对沥青有一定改性增强效果，可提高沥青混合料路用性能，囊壁材引入笼型聚倍半硅氧烷提高了聚甲基丙烯酸甲酯疏水性，使得在常温下外界水分难以渗透进入微胶囊内部，因此防潮性能好，易于长期存储。

Description

一种融雪抑冰微胶囊及其制备方法
技术领域
本发明属于道路工程路面材料融雪除冰技术领域，具体涉及一种融雪抑冰微胶囊及其制备方法。
背景技术
路面主动融雪技术有地热管融雪技术、导电混凝土融雪技术和盐化物铺装技术等。地热管融雪技术利用在施工过程中埋设在路面内部的地热管传递热量，使路表积雪融化，但该技术存在增加路面材料施工难度，且工程车辆容易造成损坏，而损坏后无法修复等缺点。导电混凝土利用在路面铺筑时混入的钢纤维，提高路面导电率，在路表积雪时将电能转化为热量，使积雪融化，但该技术成本较高，且雪季时电能消耗高，难以推广应用，传统的粉体盐化物都是氯化钠型的，具有较长的使用寿命；但氯化钠型盐化物铺装路面对于低于零下十度的降雪和除冰无能为力。
采用氯化钙型的盐化物，可以有效降低除冰融雪的温度，但是传统氯化钙型的盐化物都是外掺大粒径(1-5毫米)的形式掺入路面材料，会影响沥青混凝土混合料的强度，且伴随盐化物析出，沥青混凝土路面空隙有增大趋势，增加了水损坏趋势；同时，盐化物易吸水受潮，在混合料生产时易引起水泡，影响沥青与集料的粘附，制约了其大面积应用。另外，传统的氯化钙型盐化物缓释性能差，在夏季高温多雨季节，易造成盐化物流失严重，缩短了融雪抑冰服务年限。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种集路面抑冰、性能改善为一体的融雪抑冰微胶囊及其制备方法，提高沥青路面表面化冰能力，改善沥青混凝土混合料力学性能和路用性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种融雪抑冰微胶囊，融雪抑冰微胶囊包括囊芯和囊壁，囊芯为氯化钙和氢氧化钠，融雪抑冰微胶囊的囊壁采用笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。
笼型聚倍半硅氧烷优选含氟聚倍半硅氧烷。
一种融雪抑冰微胶囊的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，将氯化钙与氢氧化钠进行粉碎，并预混；
步骤二，将笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯预混；
步骤三，将步骤一制得的氯化钙与氢氧化钠混合物和步骤二制得的笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯混合物，以及偶联剂和有机溶剂一起球磨，获得粒度小于100微米的均匀料浆；
步骤四，将步骤三所获料浆，经喷雾干燥获得融雪抑冰微胶囊。
氯化钙与氢氧化钠添加量按质量比为4～5:1～2。
笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯添加量按质量比1～1.5:98.5～99。
氯化钙与氢氧化钠混合物、笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯混合物、偶联剂和有机溶剂的添加量按质量比为1～2:1～3:0.2～0.4:100～200。
偶联剂为KH550、KH570或钛酸酯。
有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯或二甲苯。
融雪抑冰微胶囊粒径小于100μm。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
1)本发明融雪抑冰微胶囊最大可降低路表冰点至-19℃，抑冰效果显著；
2)本发明融雪抑冰微胶囊对沥青有一定改性增强效果，可提高沥青混合料路用性能，添加本发明融雪抑冰微胶囊的沥青混凝土具有良好的力学性能；
3)本发明融雪抑冰微胶囊壁材引入笼型聚倍半硅氧烷，提高了聚甲基丙烯酸甲酯疏水性，使得在常温下外界水分难以渗透进入融雪抑冰微胶囊内部，因此防潮性能好，易于长期存储。
附图说明
图1为本发明实施例1融雪抑冰微胶囊抑冰效果图。
具体实施方式
笼型低聚倍半硅氧烷，是一种具有三维笼状结构的有机/无机杂化分子，本发明融雪抑冰微胶囊所使用的壁材为笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯聚合物，与一般使用聚合物壁材相比，壁材中含有分子级大小(1～3nm)的笼型聚倍半硅氧烷化合物。
含氟聚倍半硅氧烷兼具有机硅材料和有机氟材料的特点，将其引入聚甲基丙烯酸甲酯聚合物对其进行改性，可以显著改善聚合物的表面性能特别是疏水性。
融雪抑冰微胶囊囊芯材料CaCl2具有很强的吸湿能力和放热特性，而NaOH具有水解放热和促进CaCl2分散的作用。当CaCl2和NaOH由毛细孔析出后，在沥青路面空隙中遇水溶解放热，在路面毛细孔和轮胎泵吸作用下，CaCl2逐渐向路表面扩散迁移，在表层形成CaCl2和NaOH混合溶液，该溶液会融化与表层接触的降雪；融化的雪水混入CaCl2和NaOH混合溶液后冰点降低，实现抑制冰晶生成，从而实现除冰。
融雪抑冰微胶囊在制备过程中由于有机溶剂的挥发在微胶囊上形成了很多毛细孔，当温度较高时，由于沥青和聚合物微膨胀，毛细孔有轻微缩小趋势，可以阻止囊芯材料向外渗透；而在低温时，由于收缩作用，毛细孔扩大，囊芯材料可以借助毛细孔外渗，但当没有水为介质，析出过程进行得很缓慢，因而具有良好的缓释效果。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本发明融雪抑冰微胶囊的囊芯采用氯化钙和氢氧化钠，但不限于这两种，还可以是氯化钠、氯化镁、氯化钾、醋酸钙镁、醋酸钾、乙烯二醇和多元醇类,所述含氟聚倍半硅氧烷为三氟丙基三甲氧基硅烷在碱性下水解合成。
实施例1：
本实施例给出一种融雪抑冰微胶囊，其中，融雪抑冰微胶囊囊芯材料氯化钙与氢氧化钠添加量按质量比为4:1，囊壁材料含氟聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯添加量按质量比为1:99，融雪抑冰微胶囊制备时氯化钙与氢氧化钠混合物、笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯混合物、偶联剂和有机溶剂的添加量按质量比为1:1:0.2:100。
基于本实施例的原料配方，本实施例融雪抑冰微胶囊的具体制备过程如下所述：
步骤一，将氯化钙80g与氢氧化钠20g粉碎并预混均匀；
步骤二，将含氟聚倍半硅氧烷1g与聚甲基丙烯酸甲酯99g预混均匀；
步骤三，将步骤一制得的混合物和步骤二制得的混合物，以及钛酸酯20g和二氯甲烷10000g加入到球磨机中球磨2h，获得粒度小于100微米的均匀料浆；
步骤四，将步骤三所获料浆，在100～150℃下喷雾干燥获得融雪抑冰微胶囊。
对实施例1制备的融雪抑冰微胶囊进行冰点降低实验：
针对上述实施例制备的试样按照沥青：矿料：融雪抑冰微胶囊＝4.8:100:5制备AC-13沥青混凝土马歇尔试件(其中沥青使用90号A级道路石油沥青，各项指标均满足规范要求，集料采用玄武岩，矿粉采用石灰岩磨制矿粉，级配采用工程典型应用级配)。采用全溶法间接评价冰点降低率，首先将制备好的试件放入器皿中，试件底部用垫快垫起使距器皿底1cm，然后加入550ml蒸馏水，自由溶析48h后测定溶液电导率，再根据电导率推算溶液质量浓度，进一步计算冰点下降值，结果见表1。
对实施例1制备的融雪抑冰微胶囊进行抑冰实验：
针对上述实施例制备的试样按照沥青：矿料：融雪抑冰微胶囊＝4.8:100:5制备AC-13沥青混凝土车辙试板(其中沥青使用90号A级道路石油沥青，各项指标均满足规范要求，集料采用玄武岩，矿粉采用石灰岩磨制矿粉，级配采用工程典型应用级配)。采用自制的抑冰模拟试验仪评价抑冰效果，首先将成型好的试板放置在-10℃环境箱中保温4h，然后将试板放入试验底座中，在表面均匀喷洒20g蒸馏水，启动机器使试验轮模拟路面上轮胎对路面碾压作用，1h后停止试验，取出试板观察表面冰层形成情况，如图1所示，试验结果表明，在试验轮轮迹处无明显冰层。
将融雪抑冰微胶囊加入到沥青混凝土中后，进行沥青混凝土力学性能和路用性能测试：
针对上述实施例制备的试样按照沥青：矿料：融雪抑冰微胶囊＝4.8:100:5制备AC-13沥青混凝土试件(其中沥青使用90号A级道路石油沥青，各项指标均满足规范要求，集料采用玄武岩，矿粉采用石灰岩磨制矿粉，级配采用工程典型应用级配)。采用高温稳定性试验(车辙试验)、小梁弯曲试验和浸水马歇尔试验评价其路用性能，结果见表2。
实施例2：
本实施例给出一种融雪抑冰微胶囊，其中，融雪抑冰微胶囊囊芯材料氯化钙与氢氧化钠添加量按质量比为5:2，囊壁材料含氟聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯添加量按质量比为1.5:98.5，融雪抑冰微胶囊制备时氯化钙与氢氧化钠混合物、笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯混合物、偶联剂和有机溶剂的添加量按质量比为2:3:0.4:200。
本实施例中对原料的要求和融雪抑冰微胶囊的制备方法均与实施例1相同。
本实施例的测试方法与实施例1相同，测试结果如表1和表2所示。
对比例1：
本对比例给出一种AC13沥青混凝土，其制备原料按重量百分比为：沥青：矿料＝4.8:100，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0702-2011成型标准马歇尔试件和T0703-2011成型车辙板试件。
本对比例的沥青混凝土的测试方法与实施例1相同，测试结果如表1和表2所示。
对比例2
本对比例给出一种微胶囊，制备方法为：
步骤一，将氯化钙80g与氢氧化钠20g预混均匀；
步骤二，将步骤一制得的混合物和聚甲基丙烯酸甲酯100g，以及钛酸酯20g和二氯甲烷10000g加入到球磨机中球磨2h，获得粒度小于100微米的均匀料浆；
步骤三，将步骤三所获料浆，在100～150℃下喷雾干燥获得微胶囊。
本实施例中对原料的要求和融雪抑冰微胶囊均与实施例1相同，所不同的是，其中微胶囊囊壁只是聚甲基丙烯酸甲酯聚合物，没有添加笼型倍半硅氧烷。
本对比例测试方法与实施例1相同，测试结果如表1和表2所示。
效果分析：
表1路面冰点降低实验结果
实施例1 实施例2 对比例1 对比例2
路表冰点(℃) -19.8 -19.6 0 -16.5
模拟冻结实验后表面情况 未形成连续冰层 未形成连续冰层 整层冰层 有少量分散冰晶
表1表明，掺融雪抑冰微胶囊沥青混凝土相比普通沥青混凝土在全溶性试验中冰点降低明显，同时在低温下具有明显的抑制形成冰膜层的效果；而壁材中掺加笼形聚倍半硅氧烷的微胶囊相比单一聚甲基丙烯酸甲酯融雪抑冰效果更好。
表2表明，掺融雪抑冰微胶囊沥青混凝土相比普通沥青混凝土动稳定度和最大弯拉应变略有提高，而残留稳定度略微降低；而壁材中掺加笼形聚倍半硅氧烷的微胶囊相比采用单一聚甲基丙烯酸甲酯作为壁材的沥青混凝土动稳定、残留稳定度和最大弯拉应变有一定提高。
表2路用性能测试结果
路用性能 实施例1 实施例2 对比例1 对比例2
动稳定度(次/mm) 2215 2368 1980 2015
残留稳定度(％) 90.5 89.0 91.0 88.0
最大弯拉应变(με) 2980 2850 2675 2730

Claims (8)

1.一种融雪抑冰微胶囊，所述融雪抑冰微胶囊包括囊芯和囊壁，所述囊芯包括氯化钙和氢氧化钠，其特征在于，所述融雪抑冰微胶囊的囊壁采用含氟聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。
2.权利要求1所述融雪抑冰微胶囊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将氯化钙与氢氧化钠进行粉碎，并预混；
步骤二，将笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯预混；
步骤三，将步骤一制得的氯化钙与氢氧化钠混合物和步骤二制得的笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯混合物，以及偶联剂和有机溶剂一起球磨，获得粒度小于100微米的均匀料浆；
步骤四，将步骤三所获料浆，经喷雾干燥获得融雪抑冰微胶囊。
3.如权利要求2所述融雪抑冰微胶囊的制备方法，其特征在于，所述氯化钙与氢氧化钠添加量按质量比为4～5:1～2。
4.如权利要求2所述融雪抑冰微胶囊的制备方法，其特征在于，所述笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯添加量按质量比为1～1.5:98.5～99。
5.如权利要求2所述融雪抑冰微胶囊的制备方法，其特征在于，所述氯化钙与氢氧化钠混合物、笼型聚倍半硅氧烷与聚甲基丙烯酸甲酯混合物、偶联剂和有机溶剂的添加量按质量比为1～2:1～3:0.2～0.4:100～200。
6.如权利要求2所述融雪抑冰微胶囊的制备方法，其特征在于，所述偶联剂为KH550、KH570或钛酸酯。
7.如权利要求2所述融雪抑冰微胶囊的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯或二甲苯。
8.如权利要求2所述融雪抑冰微胶囊的制备方法，其特征在于，所述融雪抑冰微胶囊粒径小于100μm。
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