CN112080984A - 基于纳米碳纤维吸波性能的沥青路面除雪融冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于纳米碳纤维吸波性能以实现沥青路面除雪融冰的方法，属于道路安全技术领域，解决目前人工撒布氯化物融雪剂导致沥青路面产生病害、腐蚀桥面板钢筋，以及磁感应加热技术在铺筑沥青路面时感应材料选用的局限性等问题。本发明首先利用液相还原法制得超细镍纤维，并将其作为催化剂，采用原位复合法制得纳米碳纤维，然后以纳米碳纤维作为改性剂制备混合料并成型车辙板试件，并在车辙板试件上铺厚度为1cm的雪，最后，利用微波加热设备对试件进行微波加热，通过比较不同纳米碳纤维掺量的试件上雪全部融化所需的时间，以确定纳米碳纤维的最佳掺量。本发明铺筑的纳米碳纤维改性沥青路面可用于提高沥青路面除雪融冰效率，提高人们出行安全。

Description

基于纳米碳纤维吸波性能的沥青路面除雪融冰方法

技术领域

本发明是一种基于纳米碳纤维吸波性能的沥青路面除雪融冰方法，属于道路安全技术领域。

背景技术

近年来，冬季我国多地遭遇强降雪，尤其是北方地区，积雪冰冻情况严重。冬季积雪时间长、路面冰冻将影响正常出行，车辆更是难以在高速匝道、长大纵坡的路段安全快速行驶，极易造成交通事故，导致重大人员伤亡和经济损失。据统计，我国北方寒冷冰冻地区冬季有30％的交通事故是由于道路积雪积结冰造成的。另外，积雪融化下渗也会对路面路基造成破坏，降低道路耐久性，带来严重经济损失。

过去数十年为了清理积雪，通常选择人工撒布氯化物融雪剂，但人工撒布效率低、损耗大，积雪融化后不仅路面结构易被含氯化物的污水破坏，而且氯化物溶液作为污水会污染道路两侧水体和土壤，对市政设施产生不利影响。针对这些缺点，近年来国内外学者提出运用磁感应加热技术来建设融雪路面结构，并选择多种材料进行了大量的研究。其中部分学者考虑向沥青混合料中添加钢纤维、纳米纤维、石墨等作为导电材料来进行导电加热，已取得一定成果。在沥青混合料中掺加导电材料后，裂缝附近会形成闭合回路，当有线圈放置在附近时，闭合回路中将产生与磁场相同频率的涡电流。由焦耳定律可知，在涡流作用下沥青混合料中的导电材料将产生热量，实现道路的除雪融冰。但研究磁感应加热的原理可以发现，通过磁感应加热来除雪融冰必须保证沥青混合料具备导电性，限制了改性剂的种类。

因此，如何更好地提高沥青混合料的除雪融冰性能已成为研究的重点问题之一。近年来人们发现对沥青混合料进行微波加热也是一种可行的除雪融冰方法。微波是指频率为300MHz～300GHz的电磁波，微波加热具有加热速度快、均匀性好、效率高、安全环保等特点，同时不要求混合料具备导电性。沥青混合料是复合非金属材料，具备复合电介质的性能，可在微波场中加热。微波加热时，材料通过自身产生介质损耗来实现加热，因此不同的介质材料引起的热量变化是不同的。已有研究表明，假如添加导电材料，沥青混合料升温速率更快，因此选择导电相材料来改性沥青混合料有助于除雪融冰。

当前的导电相材料主要有三类：粉末状导电相材料、纤维导电相材料、集料导电相材料。其中纤维导电相材料主要分为钢纤维和碳纤维，由于钢纤维容易产生锈蚀，碳纤维具有更好的应用前景，而纳米碳纤维更是其中的热门材料。纳米碳纤维长径比大，因此平行于轴线方向上导热性能优异，将纳米碳纤维适当排列后可获得各向异性热传导材料，提高路面除雪融冰能力。纳米碳纤维的存在还促进了微纤维之间的接触，使纤维在热流方向对齐，导热系数增加。此外，纳米碳纤维可发挥纳米特性与桥接作用的协同作用，因而在导热和吸波方面拥有独特的优势。由于小尺寸效应，纳米碳纤维的热阻有了很大的变化，具备了优异的导热性。由于量子效应，纳米材料具备优异的吸波性能，合理添加及排布纳米碳纤维有利于提高沥青混合料的吸波性能。纳米碳纤维是一维纳米结构，大的长径比使其更易产生桥接作用，形成导热网链结构，这样不仅能提高改性沥青混合料的热传导速率实现除雪融冰，而且在一定程度上增强了材料的力学性能。

近年来，为赋予纳米碳纤维更多的微波损耗机制，一些学者尝试将纳米碳纤维与四氧化三铁、镍等磁性纳米材料复合以提高微波吸收性能，此外，采用化学镀工艺对纳米碳纤维表面镀镍和磷，也能提高纳米碳纤维对雷达波的损耗能力。但无论何种制备方法所制得的纳米碳纤维仍存在或多或少的缺陷和杂质，如不定形碳、金属、非金属催化剂等，对纳米碳纤维的性能产生了不可忽视的影响。因此，选用这些方法都需对制得的纳米碳纤维进行纯化处理以去除杂质，但纯化处理操作复杂且成本昂贵，不利于材料的推广应用。

由于金属镍在合适的条件下可以催化生长纳米碳纤维，而且从吸波材料角度而言，催化剂镍本身也是一种很好的电磁波耗散材料，因此通过镍催化得到的纳米碳纤维可以不进行任何处理直接作为吸波材料使用。

因此，本发明首先利用液相还原法制备均匀的超细镍纤维作为催化剂然后以乙二胺为碳源，自制的镍纤维为催化剂，利用原位复合的方法制备得到纳米碳纤维，并将其作为改性剂制备纳米碳纤维改性沥青混合料，通过微波加热技术来实现沥青路面的除雪融冰。本发明提供的沥青道路的除雪融冰方法，不仅不会对环境和设施产生污染和破坏，具有较好的社会经济效益，而且材料性能优异，升温效率高，有利于改善设施的使用条件及冬季的行车环境。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种基于纳米碳纤维吸波性能的沥青路面除雪融冰方法。该方法以超细镍纤维为催化剂制得不需纯化的纳米碳纤维，并将其作为沥青混合料的改性剂，通过发挥其优异的电磁波损耗性能、纳米效应与桥接作用来实现沥青路面的除雪融冰，解决目前人工撒布氯化物融雪剂导致沥青路面产生病害、腐蚀桥面板钢筋，以及磁感应加热技术在铺筑沥青路面时感应材料选用的局限性等问题。

(2)技术方案

为了解决目前人工撒布氯化物融雪剂导致沥青路面产生一系列病害、腐蚀桥面板钢筋，同时解决磁感应加热技术的在沥青路面中感应材料选用的局限形等问题，本发明首先研究了各种除雪融冰技术的方案，选择微波加热技术来进行除雪融冰，并制备以镍纤维为催化剂的纳米碳纤维作为改性剂，利用纳米碳纤维的微波吸收性能、纳米效应及桥接作用来提高路面结构的吸波和导热性能，提供一种基于纳米碳纤维吸波性能的沥青路面除雪融冰方法。本发明技术方案如下：首先，利用液相还原法制备出均匀的超细镍纤维，并将其作为催化剂，采用原位复合法制得微波吸收性能优异的纳米碳纤维；然后对纳米碳纤维进行人工预分散，少量多次加入沥青中剪切并制备沥青混合料；接着将改性沥青混合料制作成成型的车辙板试件并在车辙板试件上在铺厚度为1cm的雪；最后，利用微波加热设备对试件进行微波加热，通过比较雪全部融化所需的时间，得到不同纳米碳纤维掺量的混合料除雪融冰的效率，以确定纳米碳纤维的最佳掺量，保证沥青道路既有较好的除雪融冰能力又有较好的路用性能，改善设施的使用条件及冬季的行车环境。

(3)有益效果

近几年冬季我国多地遭遇强降雪，积雪冰冻现象十分常见，在北方地区更是每年都出现积雪情况，道路积雪冰冻情况严重极易引起交通事故，影响群众的安全出行，同时造成经济损失。面对积雪冰冻情况，人们选择撒布氯化物融雪剂，但采用这个办法效率低投入大，雪水融化后还会含有氯离子，会对道路及市政设施产生破坏。近几年学者们发现可以利用磁感应技术加热来除雪融冰，但磁感应技术需要向沥青混合料中添加导电材料，具有局限性。但是微波加热技术对添加的材料没有导电要求，因此本发明利用微波加热技术，提供一种基于纳米碳纤维吸波性能以实现沥青路面除雪融冰的方法。为赋予纳米碳纤维更多的电磁波损耗机制，本发明选用超细镍纤维作为催化剂制得纳米碳纤维作为改性剂，并利用微波加热技术来实现沥青路面的除雪融冰，最后根据微波加热后的除雪融冰效率确定纳米碳纤维的最佳掺量。制备的纳米碳纤维改性沥青混合料可用于沥青路面，对提高除雪融冰的效率，改善冬季的行车环境，保证人民出行安全具有十分重要的现实意义。

具体实施方式

本发明提供一种基于纳米碳纤维吸波性能的沥青路面除雪融冰方法，具体实施步骤如下：

(1)将一定量氯化镍、氢氧化钠和浓度为80wt％的一水合肼溶于50mL乙二醇中，在室温下连续搅拌约30min，静置溶液，使溶液在70℃下反应至溶液中出现黑色、蓬松的固体产物，制备超细镍纤维；

(2)称取0.15g超细镍纤维均匀放于瓷舟中作为制备纳米碳纤维的催化剂，将瓷舟置于管式炉的石英管中部，以氩气作为保护气体，加热前通氩气1h排除管式炉中的空气，然后以10℃/min的升温速率升温至800℃，当温度升至150℃时，用蠕动泵将乙二胺滴加到石英管中的瓷舟里，150℃、550℃和800℃的滴加速度分别为3滴/min、20滴/min和50滴/min，滴加完毕后在800℃下保温30min，使管式炉在氩气氛围下自然降温冷却至室温，即制得纳米碳纤维；

(3)将一定量的纳米碳纤维少量多次加入155℃的沥青中，每加入一份纳米碳纤维用玻璃棒搅拌90s，加入最后一份后搅拌180s，再用高速剪切乳化机搅拌1h，制备纳米碳纤维改性沥青；

(4)将纳米碳纤维改性沥青与加热至180℃的矿物集料拌和均匀，成型车辙板试件，连同试模一起在常温条件下静置24h；

(5)在车辙板试件上铺厚度为1cm的雪，用微波加热设备模拟路面微波养护车对沥青路面的作用效果，记录雪全部融化所需的时间，得到不同纳米碳纤维掺量的沥青混合料除雪融冰的效率，以确定纳米碳纤维的最佳掺量，铺筑具有除雪融冰功能的沥青路面，提高行车安全性。

Claims (1)

1.一种基于纳米碳纤维吸波性能的沥青路面除雪融冰方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)将一定量氯化镍、氢氧化钠和浓度为80wt％的一水合肼溶于50mL乙二醇中，在室温下连续搅拌约30min，静置溶液，使溶液在70℃下反应至溶液中出现黑色、蓬松的固体产物，制备超细镍纤维；

(2)称取0.15g超细镍纤维均匀放于瓷舟中作为制备纳米碳纤维的催化剂，将瓷舟置于管式炉的石英管中部，以氩气作为保护气体，加热前通氩气1h排除管式炉中的空气，然后以10℃/min的升温速率升温至800℃，当温度升至150℃时，用蠕动泵将乙二胺滴加到石英管中的瓷舟里，150℃、550℃和800℃的滴加速度分别为3滴/min、20滴/min和50滴/min，滴加完毕后在800℃下保温30min，使管式炉在氩气氛围下自然降温冷却至室温，即制得纳米碳纤维；

(3)将一定量的纳米碳纤维少量多次加入155℃的沥青中，每加入一份纳米碳纤维用玻璃棒搅拌90s，加入最后一份后搅拌180s，再用高速剪切乳化机搅拌1h，制备纳米碳纤维改性沥青；

(4)将纳米碳纤维改性沥青与加热至180℃的矿物集料拌和均匀，成型车辙板试件，连同试模一起在常温条件下静置24h；

(5)在车辙板试件上铺厚度为1cm的雪，用微波加热设备模拟路面微波养护车对沥青路面的作用效果，记录雪全部融化所需的时间，得到不同纳米碳纤维掺量的沥青混合料除雪融冰的效率，以确定纳米碳纤维的最佳掺量，铺筑具有除雪融冰功能的沥青路面，提高行车安全性。