CN109320982A - 一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，由如下重量份的组分组成：基质沥青71～89份，碳纳米管1～4份，岩沥青10～25份。本发明还公开了一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法。本发明通过采用碳纳米管和岩沥青作为改性剂对基质沥青进行复合改性，能够综合岩沥青改性剂改善基质沥青高温、低温性能及碳纳米管改性剂改善基质沥青强度、弹性、抗疲劳性及各向同性的优势，全面综合改善基质沥青使用性能。复合改性沥青性质稳定、材质均匀、性能突出，具有良好的技术经济前景。本发明的复合改性沥青成本低廉，制备工艺简单，具有良好的经济效益。

Description

一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种改性沥青及其制备方法，具体涉及一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青及其制备方法，属于改性沥青技术领域。
背景技术
随着我国公路建设的迅猛发展，沥青路面以其优越性能在全国范围内得到了广泛应用。然而随着道路交通量日益增多，车辆轴载不断加重，对沥青的路用性能要求也不断增高。通常在沥青中掺加各种性能优良、价格适中的改性剂，是提高沥青性能比较有效的方法。然而，每种改性剂往往只能使沥青的部分一项性能得到改善，若想全面改善沥青的使用性能，采用多种改性剂对沥青复合改性是一种行之有效的方法。
羧基化多壁碳纳米管是一种具备优良力学性能的纳米材料，将其作为改性剂对基质沥青进行改性，可使改性沥青表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，对沥青的性能带来极大的改善；同时，对碳纳米管羧基化可使碳纳米管与基质沥青具备较好的相容性，改性沥青性质均匀。
岩沥青是石油在岩石夹缝中经过长达亿万年的沉积、变化，在热、压力、氧化、触媒、微生物和水的综合作用下生成的沥青类物质。由于与自然环境长期共存，所以岩沥青性质非常稳定，将其作为改性剂制备改性沥青，可显著提高沥青的高温和低温性能。然而改性沥青制备过程需高温搅拌使岩沥青熔融，导致岩沥青对基质沥青的耐久性能不具备明显的改善效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够全面改善沥青使用性能的碳纳米管与岩沥青复合改性沥青。
本发明是这样实现的：
一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，由如下重量份的组分组成：基质沥青71～89份，碳纳米管1～4份，岩沥青10～25份。
更进一步的方案是：
所述的岩沥青为阿尔巴尼亚岩沥青。
采用的阿尔巴尼亚岩沥青与基质沥青具有良好的相容性。通过岩沥青与基质沥青相互作用，沥青胶团极性得到增强，导致胶体结构从溶胶型转变为溶凝胶型及凝胶型，有利于改善沥青高温及低温性能。
更进一步的方案是：
所述的碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管，其与基质沥青具有良好的相容性。碳纳米管具有优良的力学性能，作为改性剂掺入基质沥青中可使改性沥青表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性。
本发明通过碳纳米管和岩沥青对基质沥青进行改性，在碳纳米管和岩沥青的共同作用下，基质沥青的各项力学性能显著提高。
本发明还提供了一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将块状岩沥青加入粉碎机中粉碎后过筛，制得岩沥青改性剂。
步骤二、将多壁碳纳米管羧基化，制得羧基化多壁碳纳米管改性剂。
步骤三、将步骤一、步骤二所得岩沥青改性剂、羧基化多壁碳纳米管改性剂与基质沥青按预定的掺配比例在175～190℃下混合，然后放入175～190℃的烘箱中，发育50～80min之后取出，
步骤四、将步骤三所得混合物采用高速剪切仪在175～190℃的温度范围内以3000～
4500r/min的速度剪切50～80min，直至沥青均匀稳定，冷却后呈表面光滑时，制得复合改性沥青。
更进一步的方案是：
步骤三中，预定的掺配比例，是指按重量份比例：基质沥青71～89份，碳纳米管1～4份，岩沥青10～25份。
更进一步的方案是：
步骤一中过筛是指粉碎后的岩沥青过100～170目筛。
更进一步的方案是：
步骤二中多壁碳纳米管羧基化是指将1～4份多壁碳纳米管粉料掺入1000～4000份硫酸与硝酸混合溶液(硫酸与硝酸体积比为1：2)中，在180～195℃下油浴加热并高速搅拌1～2.5h。随后冷却到室温，用离子水对其洗涤，置于烘箱中干燥1～4h至质量恒定，制得羧基化多壁碳纳米管改性剂改性剂。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过采用碳纳米管和岩沥青作为改性剂对基质沥青进行复合改性，能够综合岩沥青改性剂改善基质沥青高温、低温性能及碳纳米管改性剂改善基质沥青强度、弹性、抗疲劳性及各向同性的优势，全面综合改善基质沥青使用性能。复合改性沥青性质稳定、材质均匀、性能突出，具有良好的技术经济前景；
(2)本发明提出了一种简单易行、便于推广的碳纳米管与岩沥青复合改性沥青制备方法；制备方法中提出的岩沥青改性剂粉碎过筛和多壁碳纳米管羧基化两项技术，提高了两种改性剂与基质沥青相容性，改善了改性剂对基质沥青的改性效果；
(3)本发明的复合改性沥青成本低廉，制备工艺简单，具有良好的经济效益。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，由如下重量份的组分组成：基质沥青89份，碳纳米管1份，岩沥青10份。所选岩沥青为阿尔巴尼亚岩沥青，碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管。
该碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法如下：
步骤一、将块状岩沥青加入粉碎机中粉碎后过筛过100目筛盘，制得岩沥青改性剂。
步骤二、将1份多壁碳纳米管粉料掺入1000份硫酸与硝酸混合溶液(硫酸与硝酸体积比为1：2)中，在180℃下油浴加热并高速搅拌1h。随后冷却到室温，用离子水对其洗涤，置于烘箱中干燥1h至质量恒定，制得羧基化多壁碳纳米管改性剂。
步骤三、将步骤一、步骤二所得岩沥青改性剂、羧基化多壁碳纳米管改性剂与基质沥青按预定的掺配比例在175℃下混合，然后放入175℃的烘箱中，发育50min之后取出，
步骤四、将步骤三所得混合物采用高速剪切仪在175℃的温度范围内以3000r/min的速度剪切50min，直至沥青均匀稳定，冷却后呈表面光滑时，制得复合改性沥青。
实施例2
一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，由如下重量份的组分组成：基质沥青83份，碳纳米管2份，岩沥青15份。所选岩沥青为阿尔巴尼亚岩沥青，碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管。
该碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法如下：
步骤一、将块状岩沥青加入粉碎机中粉碎后过筛过120目筛盘，制得岩沥青改性剂。
步骤二、将2份多壁碳纳米管粉料掺入2000份硫酸与硝酸混合溶液(硫酸与硝酸体积比为1：2)中，在185℃下油浴加热并高速搅拌1.5h。随后冷却到室温，用离子水对其洗涤，置于烘箱中干燥2h至质量恒定，制得羧基化多壁碳纳米管改性剂。
步骤三、将步骤一、步骤二所得岩沥青改性剂、羧基化多壁碳纳米管改性剂与基质沥青按预定的掺配比例在180℃下混合，然后放入180℃的烘箱中，发育60min之后取出，
步骤四、将步骤三所得混合物采用高速剪切仪在180℃的温度范围内以3500r/min的速度剪切60min，直至沥青均匀稳定，冷却后呈表面光滑时，制得复合改性沥青。
实施例3
一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，由如下重量份的组分组成：基质沥青77份，碳纳米管3份，岩沥青20份。所选岩沥青为阿尔巴尼亚岩沥青，碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管。
该碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法如下：
步骤一、将块状岩沥青加入粉碎机中粉碎后过筛过140目筛盘，制得岩沥青改性剂。
步骤二、将3份多壁碳纳米管粉料掺入3000份硫酸与硝酸混合溶液(硫酸与硝酸体积比为1：2)中，在190℃下油浴加热并高速搅拌2h。随后冷却到室温，用离子水对其洗涤，置于烘箱中干燥3h至质量恒定，制得羧基化多壁碳纳米管改性剂。
步骤三、将步骤一、步骤二所得岩沥青改性剂、羧基化多壁碳纳米管改性剂与基质沥青按预定的掺配比例在185℃下混合，然后放入185℃的烘箱中，发育70min之后取出，
步骤四、将步骤三所得混合物采用高速剪切仪在185℃的温度范围内以4000r/min的速度剪切70min，直至沥青均匀稳定，冷却后呈表面光滑时，制得复合改性沥青。
实施例4
一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，由如下重量份的组分组成：基质沥青71份，碳纳米管4份，岩沥青25份。所选岩沥青为阿尔巴尼亚岩沥青，碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管。
该碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法如下：
步骤一、将块状岩沥青加入粉碎机中粉碎后过筛过170目筛盘，制得岩沥青改性剂。
步骤二、将4份多壁碳纳米管粉料掺入4000份硫酸与硝酸混合溶液(硫酸与硝酸体积比为1：2)中，在195℃下油浴加热并高速搅拌2.5h。随后冷却到室温，用离子水对其洗涤，置于烘箱中干燥4h至质量恒定，制得羧基化多壁碳纳米管改性剂。
步骤三、将步骤一、步骤二所得岩沥青改性剂、羧基化多壁碳纳米管改性剂与基质沥青按预定的掺配比例在190℃下混合，然后放入190℃的烘箱中，发育80min之后取出，
步骤四、将步骤三所得混合物采用高速剪切仪在190℃的温度范围内以4500r/min的速度剪切70min，直至沥青均匀稳定，冷却后呈表面光滑时，制得复合改性沥青。
为验证本发明中复合改性沥青的使用性能，以基质沥青为对照组，本发明制备的实施例为实验组，进行相关项目的试验，试验结果如下表所示：
上表中当量软化点、当量脆点、针入度比、老化指数根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20–2011)所述的计算方法计算，沥青等级(PG)高温、低温连续分级温度根据《测定性能分级(PG)沥青结合料的连续分级温度和连续分级的标准操作规程》(ASTMD7643–10)所述的计算方法计算。
上表中当量软化点及沥青等级(PG)高温连续分级温度为沥青高温性能指标；当量软化点及沥青等级(PG)高温连续分级温度越高，沥青高温性能越好。当量脆点及沥青等级(PG)低温连续分级温度为沥青低温性能指标；当量脆点及沥青等级(PG)低温连续分级温度越低，沥青低温性能越好。针入度比及老化指数为沥青耐久性能指标；针入度比越高，老化指数越低越低，沥青耐久性能越好。
由上表中数据可知，实施例1～实施例4中所制备的复合改性沥青相较于基质沥青具有更好的使用性能，且制备工艺简单，原材料价格低廉，具有广阔的应用前景。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，其特征在于：由如下重量份的组分组成：基质沥青71～89份，碳纳米管1～4份，岩沥青10～25份。
2.根据权利要求1所述碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，其特征在于：
所述的岩沥青为阿尔巴尼亚岩沥青。
3.根据权利要求1所述碳纳米管与岩沥青复合改性沥青，其特征在于：
所述的碳纳米管为羧基化多壁碳纳米管。
4.权利要求1至3任一权利要求所述碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、将块状岩沥青加入粉碎机中粉碎后过筛，制得岩沥青改性剂；
步骤二、将多壁碳纳米管羧基化，制得羧基化多壁碳纳米管改性剂；
步骤三、将步骤一、步骤二所得岩沥青改性剂、羧基化多壁碳纳米管改性剂与基质沥青按预定的掺配比例在175～190℃下混合，然后放入175～190℃的烘箱中，发育50～80min之后取出，
步骤四、将步骤三所得混合物采用高速剪切仪在175～190℃的温度范围内以3000～4500r/min的速度剪切50～80min，直至沥青均匀稳定，冷却后呈表面光滑时，制得复合改性沥青。
5.根据权利要求4所述碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法，其特征在于：
步骤三中，预定的掺配比例，是指按重量份比例：基质沥青71～89份，碳纳米管1～4份，岩沥青10～25份。
6.根据权利要求4所述碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法，其特征在于：
步骤一中过筛是指粉碎后的岩沥青过100～170目筛。
7.根据权利要求4所述碳纳米管与岩沥青复合改性沥青的制备方法，其特征在于：
步骤二中多壁碳纳米管羧基化是指将1～4份多壁碳纳米管粉料掺入1000～4000份硫酸与硝酸混合溶液中，其中硫酸与硝酸体积比为1：2，在180～195℃下油浴加热并高速搅拌1～2.5h；随后冷却到室温，用离子水对其洗涤，置于烘箱中干燥1～4h至质量恒定，制得羧基化多壁碳纳米管改性剂改性剂。
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