CN112080314A - 一种改性生物沥青及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及道路铺装材料制备技术领域，具体公开了一种改性生物沥青及其制备方法，所述改性生物沥青的原料组成包括生物沥青、生物炭、橡胶粉及双氧水和醇的混合液，本发明通过特定配比的原料协同配合，降低生物沥青的黏度，提高生物沥青的高温稳定性及路用性能，提升生物沥青的综合品质，有利于生物沥青部分或完全替代路用石油沥青，降低对石油资源的依赖性，缓解石油资源紧缺带来的压力，同时，生物沥青属于可再生资源，可实现公路交通基础设施建设的可持续发展。

Description

一种改性生物沥青及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路铺装材料制备技术领域，具体涉及一种改性生物沥青及其制备方法。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展，公路交通运输作为基础设施的作用越来越明显，这也使得我国的高速公路建设在一个较长时间内都能保持较大的规模，而这些高速公路中大约有90％以上是沥青路面，同时，公路养护等后期工作也需消耗大量的沥青。传统的石油沥青多由进口原油炼制而成，而原油属于不可再生资源，随着原油的严重开采，原油储量迅速减少，石油沥青价格节节攀升，严重影响和妨碍我国沥青路面的建设养护等持续发展。此外，从环保等方面考虑，原油炼制过程中会产生大量的粉尘和温室气体污染物，造成城市雾霾、环境污染，影响人体健康。因此，寻求一种可以取代传统沥青材料的可再生资源或可反复利用的资源迫在眉睫。
生物沥青是一种由生物油中的重质组分经过分离和深加工、改性制得具有胶结料性能的高分子碳氢化合物及其非金属衍生物组成的混合物材料，具有可再生、清洁、经济环保等性能，其性质与道路用石油沥青很接近，利用生物沥青替代道路石油沥青相关技术，既可实现生物质重质油或者残渣的综合高效利用，使生物能源形成完整产业链，又可解决公路建养所用石油沥青的供给短缺和建设成本过高的问题，可以保障公路交通基础设施建设的可持续发展。然而，生物油一般为生物质原料通过快速热解方式得到，而该热解过程未达到热力学平衡，所以生物油以及其分离组分的物理化学性质通常不稳定，主要表现为随储存时间和温度改变，生物油会发生物理化学变化，黏度增加等，由该生物油制备的生物沥青也存在高温稳定性及路用性能差等问题，大大阻碍了生物沥青的使用。为此，现有技术公开了一种对生物质热解油催化加氢制备生物沥青的方法，通过该改性方法得到的生物沥青性能更加稳定，但该方法需要在铂系催化剂及200℃的高温条件下进行，增大了生物沥青的生产成本，同样不利于生物沥青的大范围使用。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种具有良好的稳定性和路用性能的改性生物沥青及其制备方法。
为此，本发明提供了一种改性生物沥青，包括如下重量份的原料：
生物沥青100份；生物炭5～10份；橡胶粉2～5份；25wt％的双氧水和醇的混合液3～7份；所述双氧水与所述醇的体积比为1：(7～10)。
进一步地，所述生物沥青由生物油经蒸馏工艺及萃取工艺得到。
进一步地，所述生物油为生物质经热解反应制得的液体油。
进一步地，所述生物质为农作物秸秆、橡木、柳枝稷、稻壳中的至少一种。
进一步地，生物炭为秸秆炭。
进一步地，橡胶粉由废旧轮胎粉碎得到，其粒径为50～100目。
进一步地，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的至少一种。
本发明还提供了一种制备上述改性生物沥青的方法，包括如下步骤：
(1)将所述生物沥青、所述生物炭、所述橡胶粉及所述双氧水与醇的混合液混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(2)将所述改性生物沥青的混合料在室温搅拌下与空气接触氧化至少1h。
进一步地，所述步骤(1)包括将所述生物沥青、所述生物炭及所述橡胶粉混合均匀后再加入所述双氧水与醇的混合液的步骤。
进一步地，所述步骤(2)还包括接触氧化1～4h后，匀速加热混合料至80～100℃并保温至少30min的步骤。
本发明的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的改性生物沥青，其原料组成包括生物沥青、生物炭、橡胶粉及双氧水和醇的混合液，通过在生物沥青中加入双氧水组分，使生物沥青中活性物质转化为非活性物质，大大提高了生物沥青的性能稳定性，采用醇与双氧水混合，一方面，醇作为双氧水的载体，有利于双氧水与生物质沥青充分接触氧化，另一方面，醇还可以作为阻聚剂，阻止双氧水对生物沥青的过度氧化。生物炭是生物质在限氧或绝氧条件下热解得到的碳质固体残余物，其与橡胶粉的配合使用，可提高生物沥青的高温稳定性及低温抗裂性。本发明的改性生物沥青通过特定配比的原料协同配合，降低生物沥青的黏度，提高生物沥青的高温稳定性及路用性能，提升生物沥青的综合品质，有利于生物沥青部分或完全替代路用石油沥青，降低对石油资源的依赖性，缓解石油资源紧缺带来的压力，同时，生物沥青属于可再生资源，可实现公路交通基础设施建设的可持续发展。
2.本发明提供的的改性生物沥青，其大部分原材料来源于价格低廉的生物质资源，利用生物质油中的重质组分加工生物沥青材料可充分利用生物质、生物质重油、废旧轮胎等废物资源，变废为宝，节约资源，降低生产成本。
3.本发明提供的改性生物沥青的制备方法，将组成所述改性生物沥青的各原料成分进行混合，即得所述改性生物沥青，原料来源广，工艺简单易行，可操作性强，适合大面积推广应用。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供了一种改性生物沥青，其原料组成为：生物沥青100g，生物炭5g，橡胶粉2g；25wt％的双氧水和丙醇的混合液3g，其中：生物炭为玉米秸秆炭，橡胶粉为粒径为100目的废旧轮胎粉，双氧水和丙醇的体积比为1:7。
采用上述原料制备所述改性生物沥青的方法，包括如下步骤：
(1)将玉米秸秆在450℃的限氧条件下热裂解反应2h，分离，得到生物炭及气体部分，冷却气体，得到生物油。减压蒸馏所述生物油，收集沸点大于100℃的重质油，将所述重质油与水混合，于5℃循环水浴中，搅拌30min，然后将混合液置于常温下静置1h，过滤，分离得到不溶组分，向不溶组分中加入占其质量20％的乙醇，搅拌均匀，过滤，浓缩滤液，即得所述生物沥青；
(2)将所述生物沥青、所述生物炭及所述橡胶粉混合均匀，加入所述双氧水与丙醇的混合液，再次混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(3)将所述改性生物沥青的混合料在室温搅拌下与空气接触氧化1h，再匀速加热混合料至100℃，并保温1.5h，即得所述改性生物沥青。
实施例2
本实施例提供了一种改性生物沥青，其原料组成为：生物沥青100g，生物炭10g，橡胶粉5g；25wt％的双氧水和丁醇的混合液7g，其中：生物炭为玉米秸秆炭，橡胶粉为粒径为50目的废旧轮胎粉，双氧水和丁醇的体积比为1:10。
采用上述原料制备所述改性生物沥青的方法，包括如下步骤：
(1)将橡木在450℃的限氧条件下热裂解反应2h，分离，得到生物炭及气体部分，冷却气体，得到生物油。减压蒸馏所述生物油，收集沸点大于100℃的重质油，将所述重质油与水混合，于5℃循环水浴中，搅拌30min，然后将混合液置于常温下静置1h，过滤，分离得到不溶组分，向不溶组分中加入占其质量10％的乙醇，搅拌均匀，过滤，浓缩滤液，即得所述生物沥青；
(2)将所述生物沥青、所述生物炭及所述橡胶粉混合均匀，加入所述双氧水与丁醇的混合液，再次混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(3)将所述改性生物沥青的混合料在室温搅拌下与空气接触氧化4h，再匀速加热混合料至80℃，并保温30min，即得所述改性生物沥青。
实施例3
本实施例提供了一种改性生物沥青，其原料组成为：生物沥青100g，生物炭8g，橡胶粉3.5g；25wt％的双氧水和乙醇的混合液5g，其中：生物炭为玉米秸秆炭，橡胶粉为粒径为80目的废旧轮胎粉，双氧水和乙醇的体积比为1:8。
采用上述原料制备所述改性生物沥青的方法，包括如下步骤：
(1)将稻壳在450℃的限氧条件下热裂解反应2h，分离，得到生物炭及气体部分，冷却气体，得到生物油。减压蒸馏所述生物油，收集沸点大于100℃的重质油，将所述重质油与水混合，于5℃循环水浴中，搅拌30min，然后将混合液置于常温下静置1h，过滤，分离得到不溶组分，向不溶组分中加入占其质量15％的乙醇，搅拌均匀，过滤，浓缩滤液，即得所述生物沥青；
(2)将所述生物沥青、所述生物炭及所述橡胶粉混合均匀，加入所述双氧水与醇的混合液，再次混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(3)将所述改性生物沥青的混合料在室温搅拌下与空气接触氧化2.5h，再匀速加热混合料至90℃，并保温1h，即得所述改性生物沥青。
实施例4
本实施例提供了一种改性生物沥青，其原料组成为：生物沥青100g，生物炭8g，橡胶粉3.5g；25wt％的双氧水和乙醇的混合液5g，其中：生物炭为玉米秸秆炭，橡胶粉为粒径为80目的废旧轮胎粉，双氧水和乙醇的体积比为1:8。
采用上述原料制备所述改性生物沥青的方法，包括如下步骤：
(1)将稻壳在450℃的限氧条件下热裂解反应2h，分离，得到生物炭及气体部分，冷却气体，得到生物油。减压蒸馏所述生物油，收集沸点大于100℃的重质油，将所述重质油与水混合，于5℃循环水浴中，搅拌30min，然后将混合液置于常温下静置1h，过滤，分离得到不溶组分，向不溶组分中加入占其质量15％的乙醇，搅拌均匀，过滤，浓缩滤液，即得所述生物沥青；
(2)将所述生物沥青、所述生物炭、所述橡胶粉及所述双氧水与乙醇的混合液混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(3)将所述改性生物沥青的混合料在室温搅拌下与空气接触氧化2.5h，再匀速加热混合料至90℃，即得所述改性生物沥青。
对比例1
本对比例提供了一种改性生物沥青，其原料组成为：生物沥青100g，生物炭8g，橡胶粉3.5g，其中：生物炭为小麦秸秆炭，橡胶粉为粒径为80目的废旧轮胎粉。
采用上述原料制备所述改性生物沥青的方法，包括如下步骤：
(1)将稻壳在450℃的限氧条件下热裂解反应2h，分离，得到生物炭及气体部分，冷却气体，得到生物油。减压蒸馏所述生物油，收集沸点大于100℃的重质油，将所述重质油与水混合，于5℃循环水浴中，搅拌30min，然后将混合液置于常温下静置1h，过滤，分离得到不溶组分，向不溶组分中加入占其质量15％的乙醇，搅拌均匀，过滤，浓缩滤液，即得所述生物沥青；
(2)将所述生物沥青、所述生物炭及所述橡胶粉混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(3)将所述改性生物沥青的混合料在室温搅拌下与空气接触氧化2.5h，再匀速加热混合料至90℃，并保温1h，即得所述改性生物沥青。
对比例2
本对比例提供了一种改性生物沥青，其原料组成为：生物沥青100g，25wt％的双氧水和乙醇的混合液5g，其中：双氧水和乙醇的体积比为1:8。
(1)将稻壳在450℃的限氧条件下热裂解反应2h，分离，得到生物炭及气体部分，冷却气体，得到生物油。减压蒸馏所述生物油，收集沸点大于100℃的重质油，将所述重质油与水混合，于5℃循环水浴中，搅拌30min，然后将混合液置于常温下静置1h，过滤，分离得到不溶组分，向不溶组分中加入占其质量15％的乙醇，搅拌均匀，过滤，浓缩滤液，即得所述生物沥青；
(2)将所述生物沥青与所述双氧水与醇的混合液混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(3)将所述改性生物沥青的混合料在室温搅拌下与空气接触氧化2.5h，再匀速加热混合料至90℃，并保温1h，即得所述改性生物沥青。
对比例3
本对比例提供了一种改性生物沥青，其原料组成为：生物沥青100g，生物炭8g，橡胶粉3.5g；25wt％的双氧水和乙醇的混合液5g，其中：生物炭为小麦秸秆炭，橡胶粉为粒径为80目的废旧轮胎粉，双氧水和乙醇的体积比为1:8。
采用上述原料制备所述改性生物沥青的方法，包括如下步骤：
(1)将稻壳在450℃的限氧条件下热裂解反应2h，分离，得到生物炭及气体部分，冷却气体，得到生物油。减压蒸馏所述生物油，收集沸点大于100℃的重质油，将所述重质油与水混合，于5℃循环水浴中，搅拌30min，然后将混合液置于常温下静置1h，过滤，分离得到不溶组分，向不溶组分中加入占其质量15％的乙醇，搅拌均匀，过滤，浓缩滤液，即得所述生物沥青；
(2)将所述生物沥青、所述生物炭及所述橡胶粉混合均匀，加入所述双氧水与醇的混合液，再次混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(3)将所述改性生物沥青的混合料在90℃搅拌下与空气接触氧化3.5h，即得所述改性生物沥青。
对比例4
本对比例提供一种改性生物沥青，其根据中国专利文献CN104388108A实施例1的方法制备得到。
实验例
对本发明实施例1-4及对比例1-4的改性生物沥青进行常规性能测试，并选取实施例3与对比例1-4进行不同保温时间生物沥青的布氏旋转黏度测试。测试方法和测试结果具体如下：
1.测试方法：按照沥青针入度试验T0604-2011，测定改性生物沥青的针入度；按照沥青延度试验T0605-2011，测定改性生物沥青的延度；按照沥青软化试验T0606-2011，测定改性生物沥青的软化点；按照沥青旋转黏度试验T0625-2011，测试改性生物沥青的在高温下的布氏旋转黏度。
2.测试结果见下表1-2。
表1改性生物沥青的路用性能
沥青种类 针入度(25℃，0.1mm) 延度(15℃，cm) 软化点(℃)
规范要求 80～100 ＞100 ＞44
基质沥青 91 ＞100 47.4
实施例1的沥青 100 99 45.7
实施例2的沥青 83 117 49.3
实施例3的沥青 91 101 48.1
实施例4的沥青 94 112 46.4
对比例1的沥青 126 68 24.6
对比例2的沥青 101 77 48.5
对比例3的沥青 128 79 72.1
对比例4的沥青 96 81 43
由上表1中的数据可知，本发明的改性生物沥青及路用性能与基质沥青接近，可部分或完全替代路用石油沥青。
表2 90℃布氏旋转黏度
Figure BDA0002095613410000101
Figure BDA0002095613410000111
由上表2中的数据对比可知，与对比例中的改性生物沥青相比，本发明的改性生物沥青黏度增长速率明显变小，性能更加稳定。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种改性生物沥青，其特征在于，包括如下重量份的原料：
生物沥青100份；生物炭5～10份；橡胶粉2～5份；25wt％的双氧水和醇的混合液3～7份；所述双氧水与所述醇的体积比为1：(7～10)。
2.根据权利要求1所述的改性生物沥青，其特征在于，所述生物沥青由生物油经蒸馏工艺及萃取工艺得到。
3.根据权利要求2所述的改性生物沥青，其特征在于，所述生物油为生物质经热解反应制得的液体油。
4.根据权利要求3所述的改性生物沥青，其特征在于，所述生物质为农作物秸秆、橡木、柳枝稷、稻壳中的至少一种。
5.根据权利要求1-4任一所述的改性生物沥青，其特征在于，生物炭为秸秆炭。
6.根据权利要求1-5任一所述的改性生物沥青，其特征在于，橡胶粉由废旧轮胎粉碎得到，其粒径为50～100目。
7.根据权利要求1-6任一所述的改性生物沥青，其特征在于，所述醇为甲醇、乙醇、丙醇或丁醇中的至少一种。
8.一种制备权利要求1-7任一所述改性生物沥青的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将所述生物沥青、所述生物炭、所述橡胶粉及所述双氧水与醇的混合液混合均匀，得到改性生物沥青的混合料；
(2)将所述改性生物沥青的混合料在室温搅拌下与空气接触氧化至少1h。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括将所述生物沥青、所述生物炭及所述橡胶粉混合均匀后再加入所述双氧水与醇的混合液的步骤。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括接触氧化1～4h后，匀速加热混合料至80～100℃并保温至少30min的步骤。
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