CN108863171A - 一种用于压电自发电沥青路面混凝土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压电发电材料领域，公开了一种用于压电自发电沥青路面混凝土及制备方法。包括如下制备过程：（1）将压电陶瓷粉碎过筛制成粉末；（2）将压电陶瓷粉末先后微孔化处理和活化处理；（3）与加热后的基础沥青混合并高速剪切，制得混合物,进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；（4）将集料加热干拌，与碎片、导电材料、矿粉、90#重交沥青混合，制得用于压电自发电沥青路面混凝土。本发明通过将压电陶瓷粉末进行微孔化处理，改善了压电陶瓷粉末与沥青相容性，进一步通过活化处理并借助沥青片状化，制得的沥青混凝土中，压电陶瓷形变明显。

Description

一种用于压电自发电沥青路面混凝土及制备方法

技术领域

本发明涉及压电发电材料领域，公开了一种用于压电自发电沥青路面混凝土及制备方法。

背景技术

近年来，我国能源消费水平逐年增长，尽管能源结构不断优化，但能耗整体水平仍然 偏高，能源结构有待进一步改善。与此同时，我国能源资源有限，能源对外依赖度较高，能源 瓶颈制约愈加突出。目前我国的能源主要来自于石油、煤炭等不可再生资源。当车辆行驶经过路面时，通过压电陶瓷路面材料将动能转变为可利用的电能。其除了在公路上使用，同样也用于铁路、机场和车流量大的停车场，甚至人流量大的广场上。

压电材料掺入路面材料中，制作成压电型路面材料，在满足交通功能的基础上进行发电，并可以收集到可观的电量，用于路面附属设施用电和电车的充电。利用路面的振动和变形可以实现高效、清洁能源的生产，还可以减小路面的振动和变形，延长路面的使用功能和寿命。此外，压电式振动发电是一种绿色环保技术，能够满足环境自适应供电的要求，具有长寿命、免维护等优点，应用前景广阔。

目前，沥青混凝土路面以其表面平整度好、连接无接缝、形成平稳舒适震动影响小等有点，易被全世界广泛采用。由于沥青混凝土路面在设计试用期内，路面要承受几百万次以上的车辆轴载的反腐作用，从而产生形变和振动，与此同时，路面将形成荷载所做的共转变为应变能和动能，最终转换的热能好散在周围环境中，因此，将压电材料埋入沥青混凝土中，使之转换为电能，成为近年来的研究热点。

中国发明专利申请号201310660929.2公开了一种压电沥青混凝土，以重量份数计，由以下原料组成：集料83~90份，矿粉4~6份，压电材料2~4份，导电材料1~2份，沥青3~5份，原料份数总和为100份；该发明还提供了两种基于压电沥青混凝土的发电路面结构，该路面结构采用压电沥青混凝土与棒状电极或者金属网电极配合实现电能的收集。本发明的压电沥青混凝土层经济性良好，适合大规模推广应用。

中国发明专利申请号201710033479.2公开了一种可收集压电能量的沥青混凝土路面层，包括沥青混凝土和设置于其内部的多组堆叠式压电换能器，堆叠式压电换能器包含堆叠而成的压电陶瓷片。其制备方法包括以下步骤：首先制备堆叠式压电换能器；然后将加热后的沥青加入加热后的集料中，均匀搅拌，再加入矿粉，均匀搅拌，碾压成型，最后在沥青混凝土上开凿凹陷处，并将所述埋置堆叠式压电换能器埋置于所述凹陷处，填料，碾压，即得。

根据上述，现有方案中用于路面的压电材料，特别是沥青混凝土路面的压电材料，存在压电材料与沥青兼容性差，易导致路面的开裂和损坏等问题，本发明提出了一种用于压电自发电沥青路面混凝土及制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

目前应用较广的压电自发电的沥青混凝土技术中，压电材料与沥青兼容性差，发电效果不理想，并且易导致路面的开裂和损坏，限制了自发电沥青混凝土路面的发展和应用。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，制备的具体过程为：

（1）将压电陶瓷进行机械粉碎，然后过100目筛，制得压电陶瓷粉末；

（2）先将步骤（1）压电陶瓷粉末进行微孔化处理后均匀平铺，然后进行经低温等离子体活化处理，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍1~2h，烘干固化后收集，制得活化微孔压电陶瓷粉末；

（3）将基础沥青加热到155~165℃，转入沥青改性设备，并加入步骤（2）制得的活化微孔压电陶瓷粉末，进行高速剪切，制得基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物；进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；

（4）将集料加热到170~180℃并称重干拌，喷入步骤（3）制得的基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末固化碎片，接着加入导电材料与矿粉、90#重交沥青混合，出料，制得用于压电自发电沥青路面混凝土。

优选的，步骤（1）所述压电陶瓷为钛酸钡系压电陶瓷、锆钛酸铅二元系压电陶瓷、偏铌酸盐系压电陶瓷中的一种。

优选的，步骤（2）所述低温等离子体活化处理过程中，温度为100~150℃，功率为300~320W，放电频率为8~12kHz，反应物为甲烷、氧气和氮气，活化处理时间为30~50min。

优选的，步骤（2）所述硅烷偶联剂水溶液中，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、γ―氨丙基三甲氧基硅烷中的至少一种，溶液质量浓度为2~5%。

优选的，步骤（3）所述基础沥青为煤焦沥青、石油沥青、天然沥青、改性沥青中的至少一种。

优选的，步骤（4）所述集料包括碎石和机制砂，碎石的粒径为5~30mm，机制砂的粒径为1~4mm，按原料重量份计，其中：碎石82~86份、机制砂14~18份。

优选的，步骤（4）所述导电材料为铜粉、铝粉、镍粉、铁粉、炭黑、石墨中的至少一种。

优选的，步骤（4）所述干拌的转速为200~300r/min，时间为15~20s；所述湿拌的转速为300~400r/min，时间为35~40s。

优选的，所述自发电沥青路面混凝土中，按原料重量份计，其中：基础沥青4~6份、活化微孔压电陶瓷粉末5~8份、集料74~84份、导电材料3~5份、矿粉4~7份、90#重交沥青20-25份。矿粉选用粉煤灰。

由上述方法制备得到的一种用于压电自发电沥青路面混凝土，将压电陶瓷粉末粉碎过筛，在进行微孔化处理后均匀平铺，经低温等离子体活化处理后，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍，然后在烘干固化，得到活化微孔压电陶瓷粉末。将基础沥青加热后导入沥青改性设备中，并加入活化微孔压电陶瓷粉末，高速剪切后制备得到基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物,进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；将加热后的集料称重干拌后，喷入基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末混合物进行湿拌；在将导电材料同矿粉拌和均匀后，与基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末混合物，同时加入到集料中90#重交沥青混合，制得产品。通过将压电陶瓷粉于现在沥青中压延成片并预烧固化,赋予陶瓷良好的形变特性,而且与沥青道路材料分散性好。用于道路时，其受外界压力能够产生良好的形变并产生微电，微规模化推广压电发道路提供了可靠地技术在支撑。

本发明提供了一种用于压电自发电沥青路面混凝土及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：

1、提出了将压电陶瓷粉末进行微孔化和活化处理制备用于压电自发电沥青路面混凝土的方法。

2、通过将压电陶瓷粉末进行微孔化处理，改善了压电陶瓷粉末与沥青相容性。

3、通过将压电陶瓷粉先经低温等离子体处理，再经硅烷偶联剂活化，改善了压电陶瓷粉的孔径和表面官能团，降低了压电陶瓷粉的表面能，增强了压电陶瓷粉与基质沥青的相容性。

4、本发明的沥青混凝土，压电陶瓷粉末在基质沥青中分散均匀，解决了压电材料与沥青的相容性差的问题，可广泛用于压电自发电沥青路面中。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。

实施例1

（1）将压电陶瓷进行机械粉碎，然后过100目筛，制得压电陶瓷粉末；压电陶瓷为钛酸钡系压电陶瓷；

（2）先将步骤（1）压电陶瓷粉末进行微孔化处理后均匀平铺，然后进行经低温等离子体活化处理，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍1.5h，烘干固化后收集，制得活化微孔压电陶瓷粉末；低温等离子体活化处理过程中，温度为130℃，功率为310W，放电频率为9kHz，反应物为甲烷、氧气和氮气，活化处理时间为42min；硅烷偶联剂水溶液中，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷，溶液质量浓度为3%；

（3）将基础沥青加热到160℃，转入沥青改性设备，并加入步骤（2）制得的活化微孔压电陶瓷粉末，进行高速剪切，制得基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物；进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；基础沥青为煤焦沥青；

（4）将集料加热到175℃并称重干拌，喷入步骤（3）制得的基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末固化的碎片，接着加入导电材料与矿粉、90#重交沥青混合，出料，制得用于压电自发电沥青路面混凝土；集料包括碎石和机制砂，碎石的平均粒径为10mm，机制平均砂粒径为3mm，按原料重量份计，其中：碎石83份、机制砂17份；导电材料为铜粉；干拌的转速为260r/min，时间为18s；湿拌的转速为360r/min，时间为38s；

自发电沥青路面混凝土中，按原料重量份计，其中：基础沥青5份、活化微孔压电陶瓷粉末7份、集料79份、导电材料4份、矿粉5份、90#重交沥青20份。

实施例2

（1）将压电陶瓷进行机械粉碎，然后过100目筛，制得压电陶瓷粉末；压电陶瓷为锆钛酸铅二元系压电陶瓷；

（2）先将步骤（1）压电陶瓷粉末进行微孔化处理后均匀平铺，然后进行经低温等离子体活化处理，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍1h，烘干固化后收集，制得活化微孔压电陶瓷粉末；低温等离子体活化处理过程中，温度为110℃，功率为305W，放电频率为9kHz，反应物为甲烷、氧气和氮气，活化处理时间为35min；硅烷偶联剂水溶液中，硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷，溶液质量浓度为3%；

（3）将基础沥青加热到158℃，转入沥青改性设备，并加入步骤（2）制得的活化微孔压电陶瓷粉末，进行高速剪切，制得基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物；进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；基础沥青为石油沥青；

（4）将集料加热到172℃并称重干拌，喷入步骤（3）制得的碎片，接着加入导电材料与矿粉、90#重交沥青混合，出料，制得用于压电自发电沥青路面混凝土；集料包括碎石和机制砂，碎石的平均粒径为12mm，机制砂平均粒径为2mm，按原料重量份计，其中：碎石84份、机制砂16份；导电材料为铝粉；干拌的转速为220r/min，时间为18s；所述湿拌的转速为320r/min，时间为38；

自发电沥青路面混凝土中，按原料重量份计，其中：基础沥青4份、活化微孔压电陶瓷粉末6份、集料81份、导电材料4份、矿粉5份、90#重交沥青25份。

实施例3

（1）将压电陶瓷进行机械粉碎，然后过100目筛，制得压电陶瓷粉末；压电陶瓷为偏铌酸盐系压电陶瓷；

（2）先将步骤（1）压电陶瓷粉末进行微孔化处理后均匀平铺，然后进行经低温等离子体活化处理，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍2h，烘干固化后收集，制得活化微孔压电陶瓷粉末；低温等离子体活化处理过程中，温度为140℃，功率为300~32015W，放电频率为11kHz，反应物为甲烷、氧气和氮气，活化处理时间为45min；硅烷偶联剂水溶液中，硅烷偶联剂为乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷，溶液质量浓度为4%；

（3）将基础沥青加热到162℃，转入沥青改性设备，并加入步骤（2）制得的活化微孔压电陶瓷粉末，进行高速剪切，制得基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物；进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；基础沥青为天然沥青；

（4）将集料加热到177℃并称重干拌，喷入步骤（3）制得的碎片，接着加入导电材料与矿粉、90#重交沥青混合，出料，制得用于压电自发电沥青路面混凝土；集料包括碎石和机制砂，碎石的平均粒径为25mm，机制平均砂粒径为3mm，按原料重量份计，其中：碎石85份、活机制砂15份；导电材料为镍粉；干拌的转速为280r/min，时间为16s；所述湿拌的转速为380r/min，时间为36s；

自发电沥青路面混凝土中，按原料重量份计，其中：基础沥青6份、活化微孔压电陶瓷粉末7份、集料76份、导电材料5份、矿粉6份、90#重交沥青20份。

实施例4

（1）将压电陶瓷进行机械粉碎，然后过100目筛，制得压电陶瓷粉末；压电陶瓷为钛酸钡系压电陶瓷；

（2）先将步骤（1）压电陶瓷粉末进行微孔化处理后均匀平铺，然后进行经低温等离子体活化处理，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍1h，烘干固化后收集，制得活化微孔压电陶瓷粉末；低温等离子体活化处理过程中，温度为100℃，功率为300W，放电频率为8kHz，反应物为甲烷、氧气和氮气，活化处理时间为30min；硅烷偶联剂水溶液中，硅烷偶联剂为γ―氨丙基三甲氧基硅烷，溶液质量浓度为2%；

（3）将基础沥青加热到155℃，转入沥青改性设备，并加入步骤（2）制得的活化微孔压电陶瓷粉末，进行高速剪切，制得基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物；进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；基础沥青为改性沥青；

（4）将集料加热到170℃并称重干拌，喷入步骤（3）制得的碎片，接着加入导电材料与矿粉、90#重交沥青混合，出料，制得用于压电自发电沥青路面混凝土；集料包括碎石和机制砂，碎石的平均粒径为5mm，机制砂平均粒径为1mm，按原料重量份计，其中：碎石82份、活机制砂18份；导电材料为铁粉；干拌的转速为200r/min，时间为20s；所述湿拌的转速为300r/min，时间为40s；

自发电沥青路面混凝土中，按原料重量份计，其中：基础沥青4份、活化微孔压电陶瓷粉末5份、集料84份、导电材料3份、矿粉4份、90#重交沥青25份。

实施例5

（1）将压电陶瓷进行机械粉碎，然后过100目筛，制得压电陶瓷粉末；压电陶瓷为锆钛酸铅二元系压电陶瓷；

（2）先将步骤（1）压电陶瓷粉末进行微孔化处理后均匀平铺，然后进行经低温等离子体活化处理，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍2h，烘干固化后收集，制得活化微孔压电陶瓷粉末；低温等离子体活化处理过程中，温度为150℃，功率为320W，放电频率为12kHz，反应物为甲烷、氧气和氮气，活化处理时间为50min；硅烷偶联剂水溶液中，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷，溶液质量浓度为5%；

（3）将基础沥青加热到165℃，转入沥青改性设备，并加入步骤（2）制得的活化微孔压电陶瓷粉末，进行高速剪切，制得基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物；进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；基础沥青为煤焦沥青；

（4）将集料加热到180℃并称重干拌，喷入步骤（3）制得的碎片，接着加入导电材料与矿粉粉煤灰、90#重交沥青混合，出料，制得用于压电自发电沥青路面混凝土；集料包括碎石和机制砂，碎石的平均粒径为30mm，机制平均砂粒径为4mm，按原料重量份计，其中：碎石86份、活机制砂14份；导电材料为炭黑；干拌的转速为300r/min，时间为15s；湿拌的转速为400r/min，时间为35s；

自发电沥青路面混凝土中，按原料重量份计，其中：基础沥青6份、活化微孔压电陶瓷粉末8份、集料74份、导电材料5份、矿粉7份、90#重交沥青25份。

实施例6

（1）将压电陶瓷进行机械粉碎，然后过100目筛，制得压电陶瓷粉末；压电陶瓷为偏铌酸盐系压电陶瓷；

（2）先将步骤（1）压电陶瓷粉末进行微孔化处理后均匀平铺，然后进行经低温等离子体活化处理，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍1.5h，烘干固化后收集，制得活化微孔压电陶瓷粉末；低温等离子体活化处理过程中，温度为120℃，功率为310W，放电频率为10kHz，反应物为甲烷、氧气和氮气，活化处理时间为40min；硅烷偶联剂水溶液中，硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷，溶液质量浓度为4%；

（3）将基础沥青加热到160℃，转入沥青改性设备，并加入步骤（2）制得的活化微孔压电陶瓷粉末，进行高速剪切，制得基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物；进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；基础沥青为改性沥青；

（4）将集料加热到175℃并称重干拌，喷入步骤（3）制得的碎片，接着加入导电材料与矿粉粉煤灰、90#重交沥青混合，出料，制得用于压电自发电沥青路面混凝土；集料包括碎石和机制砂，碎石的平均粒径为20mm，机制平均砂粒径为2mm，按原料重量份计，其中：碎石84份、活机制砂16份；导电材料为铜石墨；干拌的转速为250r/min，时间为18s；所述湿拌的转速为350r/min，时间为38s；

自发电沥青路面混凝土中，按原料重量份计，其中：基础沥青5份、活化微孔压电陶瓷粉末6份、集料80份、导电材料4份、矿粉5份、90#重交沥青25份。

实施例6制得的压电自发电沥青混凝土，其压电陶瓷粉末分布特征及试件表面开裂情况如表1所示。

对比例1

对比例1未对压电陶瓷粉末进行微孔化处理，其余与实施例6 一致。

对比例2

对比例2未将压电陶瓷粉与沥青混合物压延固化粉碎为碎片，其余与实施例6 一致。

为了较佳的进行定性分析，实施例1-6、对比例1均将陶瓷沥青复合后压延并预烧固化、粉碎为厚度0.1-0.3mm，片径1-2cn的碎片。

将制得的沥青混凝土按照相关施工规范铺筑道路，待冷却后钻芯取样，采用SEM扫描电镜观察压电陶瓷和沥青固化碎片在沥青混凝土中的分布特征；然后将试样置于温度为30℃、相对湿度为55%的试验箱中，分别观察7d、15d、30d及60d时，试验表面是否出现开裂、损坏现象。

表1：

Claims (10)

1.一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于，制备的具体过程为：

（1）将压电陶瓷进行机械粉碎，然后过100目筛，制得压电陶瓷粉末；

（2）先将步骤（1）压电陶瓷粉末进行微孔化处理后均匀平铺，然后进行经低温等离子体活化处理，再用硅烷偶联剂水溶液浸渍1~2h，烘干固化后收集，制得活化微孔压电陶瓷粉末；

（3）将基础沥青加热到155~165℃，转入沥青改性设备，并加入步骤（2）制得的活化微孔压电陶瓷粉末，进行高速剪切，制得基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末的混合物；进一步压延成片,在400℃下预烧15min固化,粉碎形成碎片；

（4）将集料加热到170~180℃并称重干拌，喷入步骤（3）制得的基础沥青和活化微孔压电陶瓷粉末固化的碎片，接着加入导电材料与矿粉、90#重交沥青混合，出料，制得用于压电自发电沥青路面混凝土。

2.根据权利要求1所述一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述压电陶瓷为钛酸钡系压电陶瓷、锆钛酸铅二元系压电陶瓷、偏铌酸盐系压电陶瓷中的一种。

3.根据权利要求1所述一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述低温等离子体活化处理过程中，温度为100~150℃，功率为300~320W，放电频率为8~12kHz，反应物为甲烷、氧气和氮气，活化处理时间为30~50min。

4.根据权利要求1所述一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述硅烷偶联剂水溶液中，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷、γ―氨丙基三甲氧基硅烷中的至少一种，溶液质量浓度为2~5%。

5.根据权利要求1所述一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述基础沥青为煤焦沥青、石油沥青、天然沥青、改性沥青中的至少一种。

6.根据权利要求1所述一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述集料包括碎石和机制砂，碎石的粒径为5~30mm，机制砂的粒径为1~4mm，按原料重量份计，其中：碎石82~86份、机制砂14~18份。

7.根据权利要求1所述一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述导电材料为铜粉、铝粉、镍粉、铁粉、炭黑、石墨中的至少一种。

8.根据权利要求1所述一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述干拌的转速为200~300r/min，时间为15~20s；所述湿拌的转速为300~400r/min，时间为35~40s。

9.根据权利要求1所述一种用于压电自发电沥青路面混凝土的制备方法，其特征在于：所述自发电沥青路面混凝土中，原料按原料重量份计，其中：基础沥青4~6份、活化微孔压电陶瓷粉末5~8份、集料74~84份、导电材料3~5份、矿粉4~7份、90#重交沥青20-25份。

10.权利要求1~9任一项所述方法制备得到的一种用于压电自发电沥青路面混凝土。