CN111423818B - 一种改性沥青及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改性沥青及其制备方法，其原料包括质量比为(0.01～99)：1的沥青和改性粉体材料，所述改性粉体材料由质量比为(2000～1)：1的粉体材料和低表面能化合物反应得到，所述低表面能化合物选自含硅聚合物、含氢硅油、羟基硅油、乙烯基硅油以及聚醚改性硅油、烷基改性硅油、环氧改性硅油、氨基改性硅油、硅烷化合物和脂肪酸等中任意一种或多种。本发明通过对粉体材料进行低表面能改性，在高固含量、有机溶剂使用量极少情况下使沥青具有优良的防水、防结冰性能，同时粘附性较高，制备方法简单、经济适用。

Description

一种改性沥青及其制备方法

技术领域

本发明属于工程材料技术领域，尤其涉及一种改性沥青及其制备方法。

背景技术

沥青材料作为一种重要的工程材料，因其具有优良的黏性、塑性、耐磨、耐腐蚀及一定的憎水性等特点，一直在房屋与道路桥梁等建筑工程领域有着巨大的应用市场。防水沥青常用于屋顶/室内防水、道路桥梁防水、管廊伸缩缝的防水等场合。虽然沥青自身具有一定的憎水性，但是未经过疏水化改性的沥青材料仍然在相当大的程度上是亲水的，无法自然实现防水防结冰的效果。

为使沥青材料具有较好的疏水效果，CN107083191A把氧化铝微粉(0.2μm～0.3μm粒径)、超细聚乙烯蜡微粉(10nm～50nm粒径)通过分散剂5040及石油磺酸钠所起的分散作用，高度分散于沥青漆中，分布率在97％以上，使沥青漆形成的漆膜形成具荷叶效应的超疏水自洁表面。CN102173656A在沥青中加入107有机硅橡胶、疏水气相二氧化硅、疏水硫酸钡、二月桂酸二丁基锡、正硅酸乙酯和γ-氨丙基三乙氧基硅烷对沥青进行改性得到改性沥青，再与矿粉、矿石集料混合制成沥青路面材料，利用107有机硅橡胶和疏水改性的集料和矿粉增强沥青对集料和矿粉的粘附性，降低水对路面的浸润，从而降低冰雪对路面的粘附力。在该方案中，107有机硅橡胶对于提高沥青材料防水性能至关重要，一般认为若省去107有机硅橡胶将无法实现其防水性能，且在对沥青进行改性过程中需要使用大量溶剂；且所制备的沥青路面材料以矿石集料和矿粉为主体，占体系质量比高达84～96％，改性沥青材料只占比20％左右。CN109627974A则通过在沥青路面表面依次设置粘结层、功能层以及分散于功能层中的抗磨填料，其中功能层的浆体由MHX-1107含氢硅油、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、二月桂酸二丁基锡、无水乙醇、氨水与去离子水配制而成。虽然CN109627974A使沥青路面具有一定的疏水、抗凝冰性能，不过该方案一方面粘结层和功能层将沥青材料表面覆盖，使得沥青的耐磨、耐腐蚀等本征性能无法发挥，而且制备方法需要分别调制各种浆料、依次进行刷涂，工艺复杂、耗材使用量大。

另外，目前市面上流行一种技术，直接利用疏水剂对沥青进行疏水改性，以提高沥青材料的防水效果。为使沥青充分改性，该技术需要大量使用有机溶剂使沥青与疏水剂进行充分接触，固含量低(约45％)，挥发缓慢，对环境和人员健康产生较大风险，并且由于挥发性成分高，导致其经济性较低；此外，由于有机溶剂使用量大，干燥过程持续时间过长(室外常温干燥需3～4天)，对施工产生不利影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改性沥青，在高固含量、有机溶剂使用量极少情况下使改性沥青具有优良的防水、防结冰性能。

本发明提供的改性沥青的原料包括质量比为(0.01～99)：1的沥青和改性粉体材料，所述改性粉体材料由质量比为(2000～1)：1的粉体材料和低表面能化合物反应得到，所述低表面能化合物选自含硅聚合物、含氢硅油、羟基硅油、乙烯基硅油以及聚醚改性硅油、烷基改性硅油、环氧改性硅油、氨基改性硅油、硅烷化合物和脂肪酸等中任意一种或多种。

在一些优选的实施例中，所述沥青与改性粉体材料的质量比为(0.25～4)：1；在一些更优选的实施例中，所述沥青与改性粉体材料的质量比为(0.33～3)：1；在一些更优选的实施例中，所述沥青与改性粉体材料的质量比为(0.67～1.5)：1。

在一些优选的实施例中，所述粉体材料与低表面能化合物的质量比为(1000～1)：1；在一些更优选的实施例中，所述沥青与改性粉体材料的质量比为(100～1)：1；在一些更优选的实施例中，所述沥青与改性粉体材料的质量比为10：1。

所述含硅聚合物选自分子量为50～550000的聚硅氧烷；在一些更优选的实施例中，所述含硅聚合物选自分子量为5000的聚硅氧烷；在一些更优选的实施例中，所述含硅聚合物选自分子量为1000的聚硅氧烷。

所述硅烷化合物选自链状的或支链状的R¹-[Si(R²)(R³)O]_n1-R⁴、[Si(R²)(R³)O]_n1和Si(R²)(R³)(R¹)₂中的至少一种；其中R¹为直链或支链烷基、环烷基、羟基、氢、芳香基及其衍生基团中的任意一种，或R¹为任意可水解缩合的官能团，包括但不限于卤素、烷氧基、烷酯基、芳香氧基、芳香酯基及其衍生物等；R²、R³为C1-C20直链或支链烷基、环烷基，C6-C12芳香基及其衍生基团；R⁴选自直链或支链烷基、环烷基、氢、芳香基及其衍生基团；n1为1～10。

所述粉体材料粒径为1nm～2mm。在一些优选的实施例中，所述粉体粒径为0.01～100μm；在一些更优选的实施例中，所述粉体粒径为0.1～10μm。

所述粉体材料选自无机粉体和/或聚合物粉体，所述无机粉体选自石英粉、二氧化硅、硅酸盐、高岭土、蒙脱土、粉煤灰、硅藻土、云母粉、白瑰粉、滑石粉、钛白粉、沸石粉、天然石墨、氧化铝、铝粉、氧化锆和氧化锌中的任意一种或多种，其中滑石粉选自纤维状滑石粉、含碳酸钙滑石粉、片状滑石粉中的任意一种或多种。

所述沥青选自乳化沥青、固态沥青和熔融沥青中的任意一种或多种，所述乳化沥青选自阳离子乳化沥青、阴离子乳化沥青、非离子乳化沥青和两性乳化沥青中的任意一种或多种。

本发明还提供上述改性沥青的制备方法，包括如下步骤：

(1)使低表面能化合物和粉体材料进行反应，得到改性粉体材料；

(2)将改性粉体材料与沥青混合均匀，得到改性沥青。

步骤(1)中，所述反应温度选择-20～350℃。

步骤(1)中，所述反应在催化剂的催化作用下进行，所述催化剂选自酸、碱或盐，所述酸为无机酸和有机酸，包括但不限于磷酸，硫酸、盐酸、硝酸、氢溴酸、氢碘酸、高氯酸、次氯酸、亚硫酸、亚硝酸、硼酸、丙酮酸、甲酸、丙烯酸、硬脂酸、三氯乙酸、乙酸、对甲基苯磺酸、草酸、苯甲酸、卤化磷和五氧化二磷中的任意一种或多种，所述碱为无机碱和有机碱，包括但不限于自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、醇钠、钛酸烷基酯、胺、氨水、三氟化硼和有机酰卤中的任意一种或多种，所述盐选自乙基己酸四甲基胍、乙基己酸正己胺盐、油酸异丁胺、月桂酸葵胺、乙酸特丁胺、苯甲酸双正己胺、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐和羧酸盐中的任意一种或多种。

在催化剂催化作用下，步骤(1)中，所述反应温度为-20～150℃，反应时间为1min～100h。

在催化剂催化作用下，步骤(1)中，所述反应过程中还加入溶剂，所述溶剂与粉体材料的比例为(0.01～10)ml：1g。

所述溶剂选自水、醇类、酮类、醚类、酯类、烷烃类、烯烃类、芳香烃中的任意一种或多种；在一些实施例中，所述溶剂选自汽油、轻柴油、煤油、甲苯、二硫化碳、石油醚、天拿水、正己烷、异丙醇、乙醇、丙酮、二甲苯、苯、四氯化碳、溶剂油、乙醚和四氢呋喃等中任意一种或多种。

步骤(1)中，所述反应不需要催化剂。在无催化剂催化情况下，步骤(1)中，所述反应温度为1～350℃，优选为50～200℃。

在无催化剂催化情况下，步骤(1)中，所述反应时间为1min～100h，更优选为1～5h。

相比现有技术中直接使用疏水剂和大量溶剂对沥青进行疏水改性，本发明通过先对粉体材料进行低表面能处理，再加入沥青中，成功降低了沥青的表面能，使其在高固含量、低有机溶剂用量下具有良好的疏水性，从而增强了沥青的防水、防结冰功能。改性粉体材料自身还可以充当结构增强填充料，减少降低沥青的用量，同时产生大量的内部粘结结构，提高沥青的粘结力，可有效地改善沥青的力学及老化性能，起到降低成本、提高材料功能及体系稳定性的作用。

附图说明

图1为未改性的乳化沥青(左)和实施例6的改性沥青(右)表面的水滴接触角；

图2表示不同粉体占比下所得改性沥青表面水滴接触角，其中a表示未改性的乳化沥青，b～g依次对应实施例1～6；

图3为实施例1的改性沥青干燥前(左)后(右)表面水流图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的方案作进一步的说明。

本发明提供的防水防结冰改性沥青的原料包括质量比为(0.01～99)：1的沥青和改性粉体材料，所述改性粉体材料由质量比为(2000～1)：1的粉体材料和低表面能化合物反应得到。具体原料选择、配比以及对粉体材料进行改性的条件见表1～4。

表1.实施例1～5改性沥青的原料选择、配比以及粉体材料改性条件

表2.实施例6～10改性沥青的原料选择、配比以及粉体材料改性条件

表3.实施例11～15改性沥青的原料选择、配比以及粉体材料改性条件

表4.实施例16～20改性沥青的原料选择、配比以及粉体材料改性条件

其中，实施例1～10的改性沥青的制备方法包括如下步骤：

(1)按照表1～2称取原料，将低表面能化合物和催化剂加入溶剂中，搅拌均匀后按粉体材料和低表面能化合物质量比为(50～100)：1的比例加入粉体材料，在室温下反应30min～12h得到改性粉体材料；

(2)按照表1～2中(0.5～4)：1的质量比将沥青和改性粉体材料混合均匀，即得改性沥青。

实施例11～20中改性沥青的制备方法包括如下步骤：

(1)根据表3～4，按粉体材料和低表面能化合物质量比为(50～100)：1的比例将粉体材料与低表面能化合物混合，在80～150℃下反应1～10h，得到改性粉体材料；

(2)向改性粉体材料加入溶剂，按照沥青和改性粉体材料(0.5～4)：1的质量比与沥青混合均匀，即得改性沥青。

经观察，实施例1～20的改性沥青干燥时间为1～2天，干燥速度快。

对各实施例的改性沥青进行检测，各实施例的改性沥青干燥前的固含量、表面水滴接触角、外观等如下表6所示，其中未改性的乳化沥青和实施例6的水滴接触角图如图1所示：

表6.改性沥青性能

根据表6和图1可知，本发明的改性沥青在56％～70％的高固含量下的表面水滴接触角在101°以上，最高可达～125°(实施例6，此时沥青与粉体材料之比为1：2，参见图1右)，相较改性前的乳化沥青提高了一倍左右(参见图1左)。

图2显示了改性沥青材料中粉体材料的占比与其表面水滴接触角之间的关系，其中a表示未改性乳化沥青，b～g依次对应实施例1～6。该数据清晰显示在改性沥青材料中，在一定的疏水化粉体的添加量范围内，改性沥青表面的水接触角均比未改性沥青材料有了明显提高，证实了改性沥青材料表面的疏水效果显著，同时可见疏水粉体材料的比例可在大幅度范围内发生变化，而改性沥青材料表面都显示了优良的疏水效果。

实施例1的改性沥青在干燥前后表面的水流图如图3所示，在干燥前，在水流冲击下，表面上的水流成一股流走；在室外干燥两天后，样品表面干燥，此时水流冲击表面时，表面上的水流沿着几条路径迅速流走。该试验证明经过改性的沥青表面在干燥前后均具有良好的疏水性能，能够对水流进行很好的疏导，具有良好的防水功能；由于水难以在改性沥青表面停留，则在低温下也将无法聚集结冰，因此本发明的改性沥青还具有优良的防结冰性能。

实验发现，通过调节配方，本发明的改性沥青呈现由稀液至粘稠的状态，不仅能在水平面施工，而且能在立面、阴角、阳角等复杂表面施工，还能在潮湿的基层上施工，因此本发明的改性沥青不仅适用于一般的房屋、道路、桥梁工程等，还特别适用于各种复杂、不规则物体表面的防水防结冰处理，且对各类材料表面均具有良好的适应性。

综上，本发明的改性沥青具有优异的防水、防结冰性能；无起泡现象，固含量较高，使用溶剂量少，干燥速度快，施工便利；具有良好的粘附性、防污、爽滑性和具有较好的耐久性；各组分良好配伍，充分混合，分散均匀、细腻；易于涂装，可用于混凝土、压型钢板、瓷砖、塑料以及各种砌体材料等基建材料表面，适用性广；耗材使用量小，成本经济，环境污染少，使用方法简单易行；体系兼容性好，可进一步与其他改性剂进行复配，能适应于不同的防水防结冰作业需要。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种改性沥青的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）使低表面能化合物和粉体材料进行反应，得到改性粉体材料；

（2）将改性粉体材料与沥青混合均匀，得到改性沥青，所述改性沥青在56％～70％的高固含量下的表面水滴接触角在101°以上，最高可达125°；

所述沥青和改性粉体材料的质量比为（0.25～4）：1，所述粉体材料和低表面能化合物的质量比为（100～1）：1；

所述低表面能化合物选自硅烷化合物和脂肪酸中的任意一种或多种；

所述硅烷化合物选自链状的或支链状的R¹-[Si(R²)(R³)O]_n1-R⁴、[Si(R²)(R³)O]_n1和Si(R²)(R³)(R¹)₂中的至少一种；其中R¹为直链或支链烷基、环烷基、羟基、氢、芳香基及其衍生基团中的任意一种，或R¹为任意可水解缩合的官能团；R²、R³为C1-C20直链或支链烷基、环烷基，C6-C12芳香基及其衍生基团；R⁴选自直链或支链烷基、环烷基、氢、芳香基及其衍生基团；n1为1～10；

所述粉体材料选自二氧化硅、粉煤灰、硅藻土、钛白粉、沸石粉、氧化铝、铝粉、氧化锆和氧化锌中的任意一种或多种；

所述沥青选自乳化沥青。

2.根据权利要求1所述改性沥青的制备方法，其特征在于：所述粉体材料粒径为1 nm～2 mm。

3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述反应温度为-20～350℃。

4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述反应在催化剂的催化作用下进行，所述催化剂选自酸，所述酸包括磷酸、硫酸、盐酸、硝酸、氢溴酸、氢碘酸、高氯酸、次氯酸、亚硫酸、亚硝酸、硼酸、丙酮酸、甲酸、丙烯酸、硬脂酸、三氯乙酸、乙酸、对甲基苯磺酸、草酸、苯甲酸、卤化磷和五氧化二磷中的任意一种或多种。

5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述反应温度为-20～150℃。

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