一种介孔分子筛改性抗车辙剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗车辙剂及其制备方法,特别涉及一种介孔分子筛改性抗车辙剂及其制备方法。
背景技术
随着高等级公路交通流量的不断增加,以及运输车辆的日益重载化和交通流的渠化,车辙成为造成路面损坏的主要形式,严重影响路面行车的舒适性和道路使用寿命。高性能改性沥青的研究与应用已成为当前路面建设的迫切要求。
目前,通过提高沥青混合料劲度模量的方法来防止车辙,是一种行之有效的手段。此项技术采用的工艺主要有使用高粘度的硬质沥青胶结料,以及向沥青混合料中掺加天然沥青或聚烯烃添加剂等几种方法。由于掺加聚烯烃添加剂具有施工工艺简单、使用方便、对混合料的高温性能改善显著等优点,近年来在公路路面基层和底层的应用中持续稳定增长。但其存在一定的局限性,主要表现在(1)聚合物对氧、臭氧和紫外光的耐老化性较差;(2)在改善沥青混合料高温性能的同时,降低了其低温性能。
CN101357835A公开了一种高模量沥青混凝土添加剂,其包括聚乙烯PE 20~70%、聚酯PES 0.9~10%、聚丙烯PP 15~60%、聚氯乙烯PVC 20~50%、氯化聚丙烯PP-C 5~10%、橡胶 3~5%、沥青 1~6%、纤维素 1~4.5%、助剂 0.1~0.5%。聚合温度为T,130℃≤T≤190℃,产品颗粒大小规格为1MM≤D≤6MM呈颗粒状(90%的该类产品)。所制备高模量添加剂主要以废旧聚合物为原料,该添加剂能够明显提高沥青混凝土的高温抗车辙性能,但却没有考虑其抗老化性,影响使用寿命。
CN102964525A公开了一种道路沥青混合料抗车辙添加剂及其制备方法,其制备方法包括:将各原料混合后,通过熔融挤出、切粒、干燥制备而成,原料组成及各原料所占重量份为:聚烯烃100份,废橡胶粉3~30份,马来酸酐0.5~2份,过氧化二异丙苯0.05~0.2份。该方法所制备的添加剂能显著提高沥青混凝土的抗车辙性能,但在一定程度上削弱了沥青混合料的低温性能,同时也存在抗老化性不足的问题。
CN103102707A公开了一种高模量沥青改性剂,由以下组分按照质量百分比制备而成:废旧塑料80%~94%,活化剂0~14%,抗氧剂0.2%~0.4%,润滑剂A 0.5%~1.0%,润滑剂B5%~10%,余量为色粉,废旧塑料为二级料的废弃利用物,主要为低密度的聚乙烯,包括聚乙烯A或聚乙烯B或其混合物。但该抗氧剂只是简单地与废旧塑料等混合,造成抗氧剂易于挥发、迁移等问题,影响了其抗老化性能的发挥。
综上,现有技术虽然可在一定程度上改善沥青混凝土的抗车辙性能,但存在降低沥青混凝土的低温性能,以及抗老化性能不足的问题。有的技术虽然添加了抗氧化剂,但只是简单地将抗老化剂与抗车辙剂混合,这样会导致抗老化剂发生物理迁移和挥发问题,致使抗老化性能有限。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种介孔分子筛改性抗车辙剂及其制备方法。本发明抗车辙剂不仅显著提高了沥青混凝土的抗车辙性能和低温性能,而且具有非常优异的抗老化性能,从而延长道路的使用寿命,并且抗老化剂不会发生物理迁移和挥发。
本发明提供了一种介孔分子筛改性抗车辙剂,按重量份计包括以下原料组分:
高密度聚乙烯:45~55份;
低密度聚乙烯:45~55份;
丁苯橡胶:10~30份;
聚丙烯:10~30份;
改性介孔分子筛:5~8份;
其中,所述改性介孔分子筛为氨基硅烷、巯基硅烷和受阻酚型抗氧剂改性的介孔分子筛,所述受阻酚型抗氧剂为含有羧基基团的受阻酚型抗氧剂。
在所述改性介孔分子筛中,所述氨基硅烷、巯基硅烷分别接枝于介孔分子筛的表面,受阻酚型抗氧剂与氨基硅烷反应,从而将受阻酚型抗氧剂连接到所述介孔分子筛上。
所述受阻酚型抗氧剂为3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸、3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙烯酸、3-(3,5-二甲基-4-羟基苯基)丙烯酸、3-(3,5-二甲氧基-4-羟基苯基)丙烯酸和3-(3-甲氧基-4-羟基苯基)丙烯酸中的一种或几种。其中,3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸,可以由下述化学式表示:
式(Ⅰ)。
所述介孔分子筛、氨基硅烷、巯基硅烷、受阻酚型抗氧剂的质量比为100:(3~20):(2~10):(5~25)。
所述氨基硅烷为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种或几种。
所述巯基硅烷为γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-巯丙基三乙氧基硅烷、γ-巯丙基甲基二乙氧基硅烷中的一种或几种。
所述介孔分子筛为MCM-41、MCM-22、MCM-48、SBA-15、SBA-16、HMS分子筛中的一种或几种,优选为MCM-41、SBA-15和SBA-16分子筛中的一种或几种。
所述介孔分子筛的比表面积为600m2/g~1250m2/g。
所述高密度聚乙烯可以为回收废旧料,熔体流动指数为0.5~35 g/10 min。
所述低密度聚乙烯可以为回收废旧料,熔体流动指数为2~30 g/10 min。
所述聚丙烯可以为回收废旧料,熔体流动指数为10~30 g/10 min。
所述丁苯橡胶为工业产品,分子量为2×105~8×105。
本发明还提供了一种上述的介孔分子筛改性抗车辙剂的制备方法,其包括如下步骤:
(1)将介孔分子筛、氨基硅烷和巯基硅烷加入到第一有机溶剂中,在加热回流条件下进行表面修饰反应,冷却后再经过滤、洗涤、第一干燥,得到接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛;
(2)在惰性气氛下,将受阻酚型抗氧剂和氯化亚砜加入到第二有机溶剂中,加热反应,然后蒸馏,得到酰氯化的受阻酚型抗氧剂;
(3)将接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛、酰氯化的受阻酚型抗氧剂加入到第三有机溶剂中,再加入三乙胺,在惰性气氛条件下搅拌反应,再经过滤、洗涤、第二干燥,得到改性介孔分子筛;
(4)将高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、丁苯橡胶、聚丙烯、改性介孔分子筛混合均匀后,经挤出机共混挤出、造粒,即得到所述的介孔分子筛改性抗车辙剂。
在步骤(1)中,所述表面修饰反应的温度为100℃~120℃,时间为1~3h。
在步骤(1)中,所述介孔分子筛与第一有机溶剂的重量比例为1:(10~30)。
所述第一有机溶剂为二甲苯、甲苯、环己酮、氯苯和吡啶中的一种或几种。
在步骤(1)中,所述的过滤、洗涤、干燥均可以为常规技术。洗涤可以用乙醇、氯仿、丙酮等溶剂进行洗涤,干燥使溶剂挥发掉即可。所述第一干燥的温度可以为80℃~120℃,时间为0.5~5h。
在步骤(2)中,所述加热反应的温度为40℃~60℃,时间为6~8h。
在步骤(2)中,所述受阻酚型抗氧剂、氯化亚砜和第二有机溶剂的重量比例为1:(1.0~1.8):(10~50),优选为1:(1.2~1.5):(15~30)。
在步骤(2)中,所述第二有机溶剂为三氯甲烷、四氯化碳、丙酮、乙醇、环己烷、苯、甲苯、二甲苯和环己酮中的一种或几种。
在步骤(3)中,所述搅拌反应的温度为15~50℃,时间为15~20h。
在步骤(3)中,所述接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛、酰氯化的受阻酚型抗氧剂、三乙胺、第三有机溶剂的重量比例为1:(0.07~0.3):(1.0~2.5):(10~50),优选为1:(0.07~0.21):(1.2~1.8):(10~30)。
在步骤(3)中,所述第三有机溶剂为三氯甲烷、四氯化碳、丙酮、乙醇、环己烷、苯、甲苯、二甲苯和环己酮中的一种或几种。
在步骤(3)中,所述的过滤、洗涤、干燥均可以为常规技术。洗涤可以用乙醇、甲苯等溶剂进行洗涤,干燥使溶剂挥发掉即可,所述第二干燥的温度可以为80℃~120℃,时间为3~8h。
在步骤(4)中,所述挤出机可以采用常规使用的挤出机,优选为螺杆挤出机,挤出温度为130~160℃,螺杆转速为30~150 r/min。进一步优选为双螺杆挤出机,两根螺杆在机筒内相互平行,机筒内的温度可以采用多段控制,如挤出机的机筒可分为八个温度段,具体操作条件如下:一段130~150℃;二段135~155℃;三段140~160℃;四段140~160℃;五段150~160℃;六段150~160℃;七段145~160℃;八段150~160℃。
步骤(1)、(2)和(3)反应过程,以3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸为例,如下流程所示。
与现有技术相比,本发明的介孔分子筛改性抗车辙剂及其制备方法具有如下优点:
(1)本发明首先将氨基硅烷接枝至介孔分子筛,再通过受阻酚型抗氧剂中的羧基与氨基硅烷中的氨基基团的反应将抗氧剂嫁接至分子筛,使抗氧剂固定于分子筛表面,减少了挥发、物理迁移等造成的损失,具有更好的稳固性,而介孔分子筛较大的比表面积,使得抗氧剂具有很好的分散性,有利于提高抗氧化效率,这样使得改性抗车辙剂不仅显著提高了沥青混凝土的抗车辙性能和低温性能,同时具有较好的抗老化性。因此,夏天不易出现车辙,冬天不易冻裂。
(2)本发明改性介孔分子筛中的巯基可作为辅助抗氧剂来分解氢过氧化物,并转化为无自由基、稳定的产物,从而避免氢过氧化物生成的自由基进一步引发的自由基链的反应,而改性介孔分子筛中的受阻酚型抗氧剂能够消除沥青中存在有机物的自由基,避免自由基链式反应,这样巯基与主抗氧剂(受阻酚型抗氧化剂)产生协同作用,主辅抗氧剂的作用互相补充,大幅度地提高了抗老化性能。
(3)本发明利用氨基硅烷、巯基硅烷和抗氧剂对介孔分子筛进行表面改性,在提高抗老化性的同时,有利于抗车辙剂与沥青的相容性。
(4)本发明改性介孔分子筛呈颗粒(或粉末)状,使用方便,便于储存和运输。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明的技术特点,但这些实施例不能限制本发明,涉及的wt%为质量分数。
实施例1
(1)将1重量份MCM-41介孔分子筛(比表面积为1000 m2/g)、占MCM-41介孔分子筛15wt%的3-氨丙基三甲氧基硅烷和占MCM-41介孔分子筛4wt%的γ-巯丙基三甲氧基硅烷加入到20重量份甲苯中。在110℃下恒温,持续搅拌,加热回流3h,冷却后过滤、用大量乙醇洗涤,100℃干燥5h,得到接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛。
(2)氮气保护下,将1重量份3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙烯酸和1.4重量份氯化亚砜加入到30重量份三氯甲烷中,50℃加热反应8h,减压蒸馏,得到3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙烯酰氯。
(3)将1重量份接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛、0.2重量份3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙烯酰氯加入到30重量份甲苯中,再逐滴加入1.8重量份三乙胺,25℃,氮气保护条件下不断搅拌20h,再经过滤、大量乙醇洗涤,100℃干燥8h,得到改性介孔分子筛。
(4)将50重量份高密度聚乙烯(熔体流动指数为25 g/10 min)、50重量份低密度聚乙烯(熔体流动指数为20 g/10 min)、30重量份聚丙烯(熔体流动指数为10 g/10 min)、30重量份丁苯橡胶(分子量8×105)、8重量份改性介孔分子筛混合均匀后,经双螺杆挤出机共混挤出、造粒,得到介孔分子筛改性抗车辙剂。挤出机操作条件为:一段为150℃;二段为155℃;三段为160℃;四段为160℃;五段为160℃;六段为160℃;七段为160℃;八段为160℃,螺杆转速为120 r/min。
实施例2
(1)将1重量份SBA-15介孔分子筛(比表面积为1100 m2/g)、占SBA-15介孔分子筛10wt%的3-氨丙基三乙氧基硅烷和占SBA-15介孔分子筛6wt%的γ-巯丙基三乙氧基硅烷加入到20重量份甲苯中。在110℃下恒温,持续搅拌,加热回流3h,冷却后过滤、用大量乙醇洗涤,100℃干燥5h,得到接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛。
(2)氮气保护下,将1重量份3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸和1.3重量份氯化亚砜加入到25重量份三氯甲烷中,50℃加热反应8h,减压蒸馏,得到3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酰氯。
(3)将1重量份接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛、0.15重量份3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酰氯加入到30重量份甲苯中,再逐滴加入1.5重量份三乙胺,30℃,氮气保护条件下不断搅拌18h,再经过滤、大量乙醇洗涤,100℃干燥8h,得到改性介孔分子筛。
(4)将50重量份高密度聚乙烯(熔体流动指数为15 g/10 min)、50重量份低密度聚乙烯(熔体流动指数为10 g/10 min)、20重量份聚丙烯(熔体流动指数为15 g/10 min)、20重量份丁苯橡胶(分子量6×105)、7重量份改性介孔分子筛混合均匀后,经双螺杆挤出机共混挤出、造粒,得到介孔分子筛改性抗车辙剂。挤出机操作条件为:一段为140℃;二段为145℃;三段为150℃;四段为150℃;五段为155℃;六段为155℃;七段为155℃;八段为155℃,螺杆转速为80 r/min。
实施例3
(1)将1.5重量份SBA-16介孔分子筛(比表面积为900 m2/g)、占SBA-16介孔分子筛5wt%的γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷和占SBA-16介孔分子筛10wt%的γ-巯丙基甲基二乙氧基硅烷加入到20重量份甲苯中。在110℃下恒温,持续搅拌,加热回流3h,冷却后过滤、用大量乙醇洗涤,100℃干燥5h,得到接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛。
(2)氮气保护下,将1重量份3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸和1.2重量份氯化亚砜加入到25重量份三氯甲烷中,50℃加热反应7h,减压蒸馏,得到3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰氯。
(3)将1.5重量份接枝有氨基硅烷和巯基硅烷的介孔分子筛、0.1重量份3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰氯加入到30重量份甲苯中,再逐滴加入1.2重量份三乙胺,35℃,氮气保护条件下不断搅拌20h,再经过滤、大量乙醇洗涤,100℃干燥8h,得到改性介孔分子筛。
(4)将50重量份高密度聚乙烯(熔体流动指数为10 g/10 min)、50重量份低密度聚乙烯(熔体流动指数为5 g/10 min)、10重量份聚丙烯(熔体流动指数为10 g/10 min)、10重量份丁苯橡胶(分子量2×105)、5重量份改性介孔分子筛混合均匀后,经双螺杆挤出机共混挤出、造粒,得到介孔分子筛改性抗车辙剂。挤出机操作条件为:一段为130℃;二段为135℃;三段为140℃;四段为140℃;五段为150℃;六段为150℃;七段为145℃;八段为150℃,螺杆转速为50 r/min。
对比例1
将50重量份高密度聚乙烯(熔体流动指数为10 g/10 min)、50重量份低密度聚乙烯(熔体流动指数为5 g/10 min)、10重量份聚丙烯(熔体流动指数为10 g/10 min)、10重量份丁苯橡胶(分子量2×105)、4重量份未经过改性的SBA-16介孔分子筛(比表面积为900 m2/g)、0.2重量份γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、0.4重量份γ-巯丙基甲基二乙氧基硅烷、0.1重量份3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰氯混合均匀后,经双螺杆挤出机共混挤出、造粒,得到表面未修饰的介孔分子筛改性抗车辙剂。挤出机操作条件为:一段为130℃;二段为135℃;三段为140℃;四段为140℃;五段为150℃;六段为150℃;七段145℃;八段为150℃,螺杆转速为50 r/min。
对比例2
将50重量份高密度聚乙烯(熔体流动指数为10 g/10 min)、50重量份低密度聚乙烯(熔体流动指数为5 g/10 min)、10重量份聚丙烯(熔体流动指数为10 g/10 min)、10重量份丁苯橡胶(分子量2×105)、0.1重量份3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰氯混合均匀后,经双螺杆挤出机共混挤出、造粒,得到无介孔分子筛改性抗车辙剂。挤出机操作条件为:一段为130℃;二段为135℃;三段为140℃;四段为140℃;五段为150℃;六段为150℃;七段为145℃;八段为150℃,螺杆转速为50 r/min。
测试例
采用东海70号沥青,AC-16石料集配,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》制备沥青混凝土试样,其中抗车辙剂加入量为沥青混凝土总重量的0.4%。沥青混凝土的老化试验,参考SHRP方法,先将沥青混凝土散料在135℃的强制通风烘箱中,老化4h,然后制成试件在85℃的强制通风烘箱中,持续老化120h。对实施例1-3和对比例1-2中抗车辙剂所制备的沥青混凝土试样进行测试,其结果见表1。
表1 沥青混凝土试样性能测试结果
|
基质沥青 |
实施例1 |
实施例2 |
实施例3 |
对比例1 |
对比例2 |
车辙动稳定度(次/mm) |
875 |
3523 |
3217 |
2835 |
2796 |
2702 |
低温弯曲破坏应变(με) |
2316 |
2690 |
2606 |
2587 |
2565 |
2513 |
老化试验后的车辙动稳定度(次/mm) |
1662 |
3805 |
3540 |
3141 |
3160 |
3653 |
老化试验后的低温弯曲破坏应变(με) |
1862 |
2558 |
2443 |
2394 |
2327 |
2098 |
由表1中可见,实施例与基质沥青相比,所制备介孔分子筛改性抗车辙剂可显著提高沥青混凝土的抗车辙性能,同时可以改善沥青混凝土的低温性能。
实施例1~3中,车辙动稳定度升高了8%~11%,低温弯曲破坏应变降低了4.9%~7.5%。对比例2中,车辙动稳定度升高了35%,低温弯曲破坏应变降低了16.5%。由对比可以看出,本发明所制备介孔分子筛改性抗车辙剂可有效提高沥青混凝土的抗老化性能。
对比例1抗老化效果不如实施例3,主要原因在于:氨基硅烷、巯基硅烷和主抗氧剂未反应嫁接至介孔分子筛,存在挥发、物理迁移以及热分解,造成损失,因此其抗老化效果不如本发明的表面修饰介孔分子筛。