CN111718558B - 一种高性能彩色胶结料及其制备方法 - Google Patents

一种高性能彩色胶结料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能彩色胶结料及其制备方法，属于彩色沥青技术领域。本发明通过松香树脂、自交联树脂和抗紫外纳米粒子与改性沥青混合复配，并通过调控松香树脂、自交联树脂和抗紫外纳米粒子的配比，获得高黏度、抗水分侵蚀、抗老化、高光热稳定性的彩色胶结料。本发明获得的胶结料用于彩色路面铺设，可得到一种性能优异，具有透水路面和彩色沥青路面共同优点的彩色沥青透水路面，具有非常好的应用前景。

Description

一种高性能彩色胶结料及其制备方法
技术领域
本发明属于彩色沥青技术领域，尤其涉及一种高性能彩色胶结料及其制备方法。
背景技术
经济的快速发展和城市化进程的加快促使城市道路硬化面积越来越多，其中在公园、自行车道、公交汽车专线、城市景观道路等路面更是使用彩色沥青进行铺筑。一方面，不同于普通沥青路面，彩色沥青路面使用的是由树脂类材料、基础油、高分子聚合物等为主要材料制备的彩色沥青胶结料，成本较低，色彩稳定，延展性、高温稳定性、低温抗裂性及耐久性更好；另一方面，彩色沥青路面具有与周围环境相协调、美化城市、减缓驾驶疲劳、促进行车安全等优点。
为了建设“海绵城市”，人们对道路建设使用提出了更高的要求，透水性沥青路面具备较高的科技含量，同时有着较好的环保型，是新型交通路面结构之一。透水沥青路面的表层所用的透水沥青混料是由单一级配粗骨料、少量细骨料、矿粉和沥青黏结剂组成，内部含有大量连通孔隙(孔隙率达20％)的复合材料。①透水沥青路面具有较高的结构稳定性，可以有效抵抗车辙变形；②路面的孔状结构使得路面在经受车辆磨耗过程中表面构造不衰减，保持良好的抗滑性能；③极大的孔隙率能迅速排出降雨期间的路表积水和结构内部积水，防打滑、防溅射；④较大的孔隙率对路面的吸音降噪也有一定的作用。
但是普通彩色沥青胶结料不能直接用于制备机动车道用彩色透水性沥青混合料，一方面，由于透水沥青混料的孔隙率达20％，集料间的结合点较少，所以必须采用高粘度改性沥青才能得到较高的路面强度，保持较高的孔隙率，而普通SBS改性沥青粘度较低，集料颗粒表面的沥青膜较薄，集料颗粒容易脱落，造成路面松散，不耐老化，抗水损害性差。此外，由松香树脂这种优良天然增粘剂制备改性沥青是一个不错的选择，但松香含有反应性的双键和羧基，对光、热、氧不稳定，表现出耐老化性不好、耐候性不佳，容易粉化和变色，在使用中需要克服这个缺陷。
因此，制备出一种高性能彩色胶结料并将其用在透水路面上，得到一种性能优异，具有透水路面和彩色沥青路面双重优点的彩色沥青透水路面非常重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种粘附力强、粘度高、耐久性好的高性能彩色胶结料的制备方法及其在透水路面的应用。
本发明的技术方案是这样实现的：一种高性能彩色胶结料，其特征在于，所用原料包括：改性沥青50-80份、松香树脂5-20份、自交联树脂4-10份、抗紫外纳米粒子0.1-2份。
其中，所述改性沥青是利用高分子改性剂进行改性。
在本发明的一种实施方式中，所述改性沥青的组分，按照重量份数配比，包括石油树脂20-120份、橡胶油20-100份、高分子改性剂3-15份。
在本发明的一种实施方式中，所述改性沥青的制备过程为：将橡胶油、石油树脂、高分子改性剂按照重量份配比依次加入反应釜中，在130-170℃混合均匀，直至熔融完全，得到改性沥青胶结料。
在本发明的一种实施方式中，所述石油树脂为C5或C9树脂中的至少一种；所述高分子改性剂为SBS、SBR、EVA中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中，所述自交联树脂为自交联聚丙烯酸树脂，自交联不饱和聚酯树脂，自交联有机硅树脂中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中，所述自交联丙烯酸树脂由单体甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、乙酸乙烯酯中的至少一种和单体甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油醚共聚而得；所述自交联不饱和聚酯树脂由单体衣康酸酐、顺丁烯二酸酐、马来酸酐中的至少一种和单体缩水甘油聚合而得；所述自交联有机硅树脂由二苯基二甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、含氢环体和双端乙烯基聚二甲基硅氧烷制得。
在本发明的一种实施方式中，所述抗紫外纳米粒子是在表面包覆了二氧化硅层的纳米二氧化钛或/和氧化锌的基础上，用硅烷偶联剂改性而得。
在本发明的一种实施方式中，所述抗紫外纳米粒子，是先在纳米二氧化钛或/和氧化锌(NP)外包覆SiO2层，得到NP@SiO2；然后使硅烷偶联剂与NP@SiO2反应得到硅烷偶联剂改性的纳米粒子(NP@SiO2-偶联剂)，即得抗紫外纳米粒子。其中，所述硅烷偶联剂为分子中含有氨基、环氧基、碳碳双键的硅烷偶联剂中的至少一种；
在本发明的一种实施方式中，所述彩色胶结料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照重量份数配比，将松香树脂、抗紫外纳米粒子、改性沥青胶结料混合，得到改性沥青胶结料；
(2)将所得改性沥青胶结料置于160-180℃下进行剪切或者研磨，然后加入自交联树脂，混匀，继续进行剪切或者研磨；
(3)将步骤(2)中剪切或者研磨好的胶结料置于160-180℃下进行发育，获得彩色胶结料。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中，先将改性沥青胶结料剪切或者研磨10-20min，然后加入自交联树脂，继续剪切或者研磨3-10min。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(3)中，发育的时间为10-20min。
在本发明的一种实施方式中，一种高性能彩色胶结料的制备方法具体包括如下步骤：
(1)将松香树脂、抗紫外纳米粒子按照重量份配比加入到改性沥青胶结料中，边搅边加，搅拌10-20min，得到高粘度改性沥青胶结料；
(2)将高粘度改性沥青胶结料升温至160-180℃，高速剪切或胶体磨研磨10-20min后加入自交联树脂，继续高速剪切或胶体磨3-10min；
(3)将剪切或研磨好的胶结料置于140-160℃发育罐中发育10-20min得到高性能彩色胶结料。
本发明的再一个目的是提供一种改善路面透水能力的方法，所述方法是利用上述胶结料作为原料组分。
本发明的再一个目的是将上述胶结应用于景观道路、警示路面、运动场、停车场、高等级公路、城市干道和机场跑道中。
本发明的有益效果体现在以下方面：
1、本发明通过松香树脂、自交联树脂和抗紫外纳米粒子与改性沥青混合复配，并通过调控松香树脂、自交联树脂和抗紫外纳米粒子的配比，获得高黏度、抗水分侵蚀、抗老化、高光热稳定性的彩色胶结料。本发明胶结料能够有效改善路面行车质量，延长路面使用寿命，具有非常好的应用前景。
2、本发明选用天然环保、廉价易得的松香树脂作为增粘剂，符合工业生产上的低碳环保理念。同时，为克服松香树脂固有的耐久性、耐候性不佳等问题，本发明一方面通过添加抗紫外纳米粒子，利用包覆在纳米粒子外硅烷偶联剂的反应性官能团与松香树脂的活性位点反应，确保抗紫外纳米粒子与松香树脂结合，不仅提升了纳米粒子在体系中的分散性能，防止粒子渗出，还消耗部分松香树脂上的活性基团，有效提升其在光热条件下的稳定性；另一方面，自交联树脂可以与松香发生反应，消耗部分反应性基团，进一步提高耐久性。
3、本发明通过引入自交联树脂，不仅可以在搅拌过程中起到润滑稀释作用，有效提高剪切效率；而且在施工后进行一定时间的陈化发育，自交联树脂发生自交联以及与松香树脂反应交联，形成三维交联互穿网络，有利于集料接触点间的结合以及交联后可以有效避免水分侵蚀集料，有效改善路面行车质量，延长路面使用寿命。
具体实施方式
尽管上述对本发明做了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。
下述实施例中涉及到的抗紫外纳米粒子(改性纳米二氧化钛粒子)的制备方法如下：
(1)首先将2g纳米二氧化钛和5g聚乙烯吡咯烷酮分散于100mL乙醇/去离子水(9:1)混合液中，控制体系pH在9.0，缓慢加入50mL正硅酸四乙酯乙醇溶液(50wt％)，室温条件下充分反应2h后分离得到包覆SiO2层的纳米粒子(NP@SiO2)；
(2)其次将硅烷偶联剂KH550水解在去离子水中得到均相溶液(0.2mol/L)，之后将步骤(1)所得的NP@SiO2纳米粒子加入该溶液中，在70℃下充分反应，最后分离得到硅烷偶联剂改性的纳米粒子(NP@SiO2-偶联剂)，其中硅烷偶联剂质量为NP@SiO2质量的2倍；
下述实施例中涉及到的改性纳米氧化锌粒子的制备方法不同之处在于将纳米二氧化钛粒子替换为纳米氧化锌粒子，其余步骤不变。
实施例1
(1)将40份橡胶油在合成罐中加热至130℃，保持30min后升温至150℃，加入50份C9石油树脂以800r/min的恒定速率持续搅拌30min，将温度升高至170℃，随后加入5份SBS改性剂并持续搅拌，直至熔融完全得到改性沥青胶结料。
(2)将5份松香树脂、0.5份改性纳米二氧化钛粒子加入到50份改性沥青胶结料中，边搅边加，搅拌20min得到高粘度改性沥青胶结料；
(3)将高粘度改性沥青胶结料升温至160℃，高速剪切或胶体磨研磨10min后加入4份自交联聚丙烯酸树脂，继续高速剪切或胶体磨研磨5min；
(4)将剪切或研磨好的胶结料置于150℃发育罐中发育10min得到高性能彩色胶结料。
实施例2
(1)将70份橡胶油在合成罐中加热至140℃，保持30min后升温至155℃，加入90份C9石油树脂以800r/min的恒定速率持续搅拌30min，将温度升高至170℃，随后加入8份SBR改性剂并持续搅拌，直至熔融完全得到改性沥青胶结料。
(2)将10份松香树脂、1份改性纳米二氧化钛粒子加入到60份改性沥青胶结料中，边搅边加，搅拌15min得到高粘度改性沥青胶结料；
(3)将高粘度改性沥青胶结料升温至170℃，高速剪切或胶体磨研磨15min后加入6份自交联不饱和聚酯树脂，继续高速剪切或胶体磨研磨8min；
(4)将剪切或研磨好的胶结料置于150℃发育罐中发育20min得到高性能彩色胶结料。
实施例3
(1)将100份橡胶油在合成罐中加热至150℃，保持30min后升温至160℃，加入80份C5石油树脂以800r/min的恒定速率持续搅拌30min，将温度升高至170℃，随后加入12份SBS改性剂并持续搅拌，直至熔融完全得到改性沥青胶结料。
(2)将15份松香树脂、1.5份改性纳米二氧化钛粒子加入到70份改性沥青胶结料中，边搅边加，搅拌10min得到高粘度改性沥青胶结料；
(3)将高粘度改性沥青胶结料升温至180℃，高速剪切或胶体磨研磨10min后加入8份自交联有机硅树脂，继续高速剪切或胶体磨研磨10min；
(4)将剪切或研磨好的胶结料置于160℃发育罐中发育15min得到高性能彩色胶结料。
实施例4
(1)将80份橡胶油在合成罐中加热至140℃，保持30min后升温至160℃，加入120份C9石油树脂以800r/min的恒定速率持续搅拌30min，将温度升高至170℃，随后加入15份SBS改性剂并持续搅拌，直至熔融完全得到改性沥青胶结料。
(2)将20份松香树脂、2份改性纳米二氧化钛粒子加入到80份改性沥青胶结料中，边搅边加，搅拌20min得到高粘度改性沥青胶结料；
(3)将高粘度改性沥青胶结料升温至170℃，高速剪切或胶体磨研磨15min后加入10份自交联有机硅树脂，继续高速剪切或胶体磨研磨3min；
(4)将剪切或研磨好的胶结料置于160℃发育罐中发育20min得到高性能彩色胶结料。
实施例5
(1)将90份橡胶油在合成罐中加热至140℃，保持30min后升温至160℃，加入120份C5石油树脂以800r/min的恒定速率持续搅拌30min，将温度升高至170℃，随后加入12份SBR改性剂并持续搅拌，直至熔融完全得到改性沥青胶结料。
(2)将18份松香树脂、1.5份改性纳米氧化锌粒子加入到80份改性沥青胶结料中，边搅边加，搅拌20min得到高粘度改性沥青胶结料；
(3)将高粘度改性沥青胶结料升温至170℃，高速剪切或胶体磨研磨15min后加入10份自交联有机硅树脂，继续高速剪切或胶体磨研磨3min；
(4)将剪切或研磨好的胶结料置于160℃发育罐中发育20min得到高性能彩色胶结料。
对比例1
与实施例4相比，未添加松香树脂，其它相同。
对比例2
与实施例4相比，未添加自交联有机硅树脂，其它相同，具体实施方法为：
(1)将80份橡胶油在合成罐中加热至130℃，保持30min后升温至150℃，加入120份C9石油树脂以800r/min的恒定速率持续搅拌30min，将温度升高至170℃，随后加入15份SBS改性剂并持续搅拌，直至熔融完全得到改性沥青胶结料。
(2)将20份松香树脂、2份改性纳米二氧化钛粒子加入到80份改性沥青胶结料中，边搅边加，搅拌20min得到高粘度改性沥青胶结料；
(3)将高粘度改性沥青胶结料升温至160℃，高速剪切或胶体磨研磨20min；
(4)将剪切或研磨好的胶结料置于150℃发育罐中发育20min得到高性能彩色胶结料。
对比例3
与实施例4相比，没有添加抗紫外纳米粒子，其它相同。
对比例4
与实施例4相比，所添加的抗紫外纳米粒子为纳米二氧化钛。
对比例5
与实施例4相比，所添加的抗紫外纳米粒子为NP@SiO2纳米粒子。
(一)彩色沥青胶结料性能指标：
按照《城市道路彩色沥青路面技术规程》CJJT 218-2014中对透水路面用彩色沥青标准，测试本发明实施例1-5及对比例1-5的高性能彩色胶结料各性能指标。其中，样品规格为40cm*40cm*0.5cm，为了加速实施例和对照例方法制备的高性能彩色胶结料的紫外老化，利用波长300-360nm的紫外灯在室温条件下光照96h对实施例1-5及对比例1-5所得样品进行紫外老化，其中样品距离紫外灯光源10cm。
测试结果如表1所示：
表1实施例1-5和对比例1-5所得胶结料的性能指标结果
Figure BDA0002609932650000061
Figure BDA0002609932650000071
根据《城市道路彩色沥青路面技术规程》CJJT218-2014中对透水路面用彩色沥青要求可以发现，实施例1-4所得彩色沥青胶结料满足要求，具有高、低温性能强，粘附性好，抗水损害和耐久性强的特点。(1)老化前：为了实现透水沥青路面的高强度，通常需要添加增粘剂以提高其粘度，以实施例4和对比例1作对比可以发现，在添加增粘剂松香树脂后，其针入度降低14％，软化点升高12％，延度降低16％，其中透水沥青的重要指标60℃动力粘度从未添加的36500Pa·s提高到55000Pa·s，满足透水彩色沥青要求。这说明增粘剂的添加可以极大程度提高普通沥青性能，从而达到透水彩色沥青性能要求，特别是松香树脂为天然松树松脂提取物，满足环保、可持续理念。(2)老化前后：①通过实施例1-4发现所得透水路面用彩色沥青胶结料在进行老化试验后性能降低较小，仍满足技术要求；②通过实施例4和对比例3对比发现，实施例4老化前后针入度降低6％，软化点升高4％，延度降低9％，动力粘度降低6％，而对比例3老化前后针入度降低18％，软化点升高8％，延度降低20％，动力粘度降低15％，对比例所得彩色沥青胶结料性能降低是由于未添加抗紫外纳米粒子而导致树脂在紫外光照射下发生光热降解。③通过实施例4和对比例3对比发现，对比例3老化后性能降低明显，这是由于在只添加纳米二氧化钛的条件下，金属离子会对树脂起降解作用。
可见，本发明中使用松香树脂作为增粘剂可以有效提高沥青粘度，达到透水沥青标准，而在其中加入自交联树脂一方面可以在搅拌过程中充当增塑剂，起到润滑稀释作用，有效提高剪切效率；另一方面，在施工后，通过一定时间的陈化发育，交联树脂发生自交联以及与松香树脂发生交联，形成致密的三维网络结构，有利于集料接触点间的结合。并且，交联后所成膜包覆集料，具有良好的疏水作用，可以有效避免雨水侵蚀集料。此外，自交联树脂可以消耗部分松香树脂反应性基团，形成交联结构，进一步提高沥青路面强度，并在一定程度上改善松香树脂在光热条件下易老化的问题。而改性抗紫外纳米粒子的加入进一步提高沥青料的耐久性和稳定性。基于此，可以获得具有高、低温性能强，粘附性好，抗水损害和耐久性强的透水路面用彩色沥青胶结料。
(二)高性能彩色胶结料用于透水路面性能指标：
取实施例3、4制备所得高性能彩色胶结料用以制备透水路面。其中，所选集料为粒径1-10mm碎石混合物，颜料选用氧化铁红。测试结果见表2。
表2不同方法制得的彩色胶结料的透水性能指标结果
Figure BDA0002609932650000081
综上，本发明所得高性能彩色胶结料高、低温性能强，粘附性好，抗水损害和耐久性强，基于此彩色沥青制备的透水路面孔隙率高，结构稳定，透水性能优良，满足《城市道路彩色沥青路面技术规程》CJJT 218-2014中对透水路面的技术要求。
实施例6探究松香树脂组分配比对胶结料性能的影响
参照实施例1，将松香树脂的添加量分别替换为2份，10份和25份，其他条件不变，得到相应的胶结料产品。
测试所得胶结料的性能指标，结果如表3所示：
表3不同松香树脂组分配比所得胶结料的性能指标结果
Figure BDA0002609932650000082
测试所得胶结料应用于透水路面性能指标，结果如表4：
表4不同松香树脂组分配比所得胶结料的透水路面性能指标结果
Figure BDA0002609932650000083
实施例7探究自交联树脂组分配比对胶结料性能的影响
参照实施例2，将自交联树脂的添加量分别替换为2份、8份和12份，其他条件不变，得到相应的胶结料产品。
测试所得胶结料的性能指标，结果如表5：
表5不同自交联树脂添加量所得胶结料的性能指标结果
Figure BDA0002609932650000091
测试所得胶结料应用于透水路面性能指标，结果如表6：
表6不同自交联树脂添加量所得胶结料的透水路面性能指标结果
Figure BDA0002609932650000092
实施例8探究抗紫外纳米粒子组分配比对胶结料性能的影响
参照实施例3，将抗紫外纳米粒子的添加量分别替换为0.05份、1份和2.5份，其他条件不变，得到相应的胶结料产品。
测试所得胶结料的性能指标，结果如表7：
表7不同抗紫外纳米粒子添加量所得胶结料的性能指标结果
Figure BDA0002609932650000093
Figure BDA0002609932650000101
测试所得胶结料应用于透水路面性能指标，结果如表8：
表8不同抗紫外纳米粒子脂添加量所得胶结料的透水路面性能指标结果
Figure BDA0002609932650000102
结合表3-8的结果可以看出：需要调控特定范围的松香树脂、自交联树脂和抗紫外纳米粒子的组分配比，才能更加有效的配合获得性能优异、可避免水分侵蚀集料的高品质胶结料产品。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种彩色胶结料，其特征在于，所用原料组分，按照重量分数配比，包括：改性胶结料50-80份、松香树脂5-20份、自交联树脂4-10份、抗紫外纳米粒子0.1-2份；所述改性胶结料是通过高分子改性剂进行改性获得；所述改性胶结料的组分，按照重量份数配比，包含石油树脂40-120份、橡胶油20-80份、高分子改性剂5-15份；所述抗紫外纳米粒子是在表面包覆了二氧化硅层的纳米二氧化钛或/和氧化锌的基础上，用硅烷偶联剂改性而得；所述自交联树脂为自交联聚丙烯酸树脂、自交联不饱和聚酯树脂、自交联有机硅树脂中的至少一种；所述自交联聚丙烯酸树脂由单体甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、乙酸乙酯中的至少一种和单体甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油醚共聚而得；所述自交联不饱和聚酯树脂由单体衣康酸酐、顺丁烯二酸酐、马来酸酐中的至少一种和单体缩水甘油聚合而得；所述自交联有机硅树脂由二苯基二甲氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、含氢环体和双端乙烯基聚二甲基硅氧烷制得。
2.根据权利要求1所述的彩色胶结料，其特征在于所述高分子改性剂为SBS、SBR、EVA中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的彩色胶结料，其特征在于，所述石油树脂为C5或C9树脂中的至少一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的彩色胶结料，其特征在于，所述改性沥青的制备过程为：将橡胶油、石油树脂、高分子改性剂在130-170℃混合均匀，直至熔融完全，得到改性沥青胶结料。
5.权利要求1-4任一项所述的彩色胶结料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照重量份数配比，将松香树脂、抗紫外纳米粒子、改性沥青胶结料混合，得到改性沥青胶结料；
(2)将所得改性沥青胶结料置于160-180℃下进行剪切或者研磨，然后加入自交联树脂，混匀，继续进行剪切或者研磨；
(3)将步骤(2)中剪切或者研磨好的胶结料置于160-180℃下进行发育，获得彩色胶结料。
6.一种改善路面透水能力的方法，其特征在于，所述方法是利用权利要求1-5任一项所述的彩色胶结料作为原料组分。
7.权利要求1-6任一项所述的彩色胶结料在景观道路、警示路面、运动场、停车场、高等级公路、城市干道和机场跑道中的应用。
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