CN112179936A - 纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，属于沥青老化技术领域，解决目前多采用有机改性剂和零维或一维的无机改性剂，很少采用二维纳米氧化石墨烯改性沥青，且宏观性能评价方法难以揭示纳米氧化石墨烯与沥青界面作用状况的问题。本发明旨在从分子层面上介绍纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，首先制备纳米氧化石墨烯改性沥青并进行性能及微观结构表征，然后利用分子动力学模拟纳米氧化石墨烯与沥青之间的作用，从而揭示纳米氧化石墨烯对沥青抗老化性能的改性机制，确定纳米氧化石墨烯最佳掺量。本发明对于揭示纳米氧化石墨烯与沥青界面作用状况、提高沥青路面抗老化性能和使用寿命都具有现实意义。

Description

纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法

技术领域

本发明是纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，属于沥青老化技术领域。

背景技术

沥青是由碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑色到暗褐色的固态或半固态粘稠状物质，以天然形态存在于自然界或由石油炼制过程制得。沥青以其优异的粘结性能和防水、防潮特性主要应用于道路铺筑和建筑防水。随着交通运输事业的发展，沥青路面已经成为高等级公路铺筑的主要形式，道路沥青的使用占到了全部沥青产品的80％左右，沥青材料在公路建设领域已成为不可替代的产品。

但是，国民经济的快速发展使得交通量的迅速增加，导致沥青路面车辙、开裂等破坏类型时有发生。此外，自然界中的热氧、光、雨水等因素不可避免长期作用于沥青路面，加快沥青老化，减少了沥青路面的使用寿命。沥青老化的主要原因是氧化。老化后，沥青的分子量会增加或不可逆地通过吸氧缔合形成大分子，沥青的胶体结构因此发生改变，降低沥青的路面性能。氧不仅与沥青表面发生反应，产生羟基和含氧基团，而且逐渐扩散到沥青内部，使沥青内部持续老化。因此传统的普通沥青已经不能完全满足需要，人们开始尝试在沥青中添加各种添加剂对沥青进行改性，提高沥青的抗老化性能和使用寿命。

近年来，纳米材料与技术已渗透到建筑材料领域，人们开始将纳米技术应用于高性能沥青材料的研究和开发上。作为纳米材料的一个重要分支，碳纳米材料质量轻、性能优，一部分碳纳米材料还具有与沥青相似的分子结构，成为学者们探索沥青改性剂种类和推动纳米技术在道路材料中应用的重要突破口。在众多碳纳米材料中，纳米石墨烯和碳纳米管具有优异的力学性能和电热性能，还具有较高的比表面积，近年来成为了人们最关注的碳纳米材料改性剂，但由于制备成本很高，广泛利用碳纳米材料对沥青进行改性不具现实意义，因此碳纳米材料改性沥青的使用并不普遍。

纳米氧化石墨烯作为纳米石墨烯的氧化物，它保留了纳米石墨烯部分优异的物理性能，如阻隔性能，力学性能等，纳米氧化石墨烯的价格也比纳米石墨烯更便宜，经济效益更高。此外，纳米氧化石墨烯片层边缘有许多活跃的含氧官能团，赋予了无机和有机材料良好的兼容性能。也就是说，纳米氧化石墨烯不仅具有独特的层状纳米结构和优异的阻氧性能，而且与沥青具有良好的相容性，并且具有更高的经济效益。

尽管纳米氧化石墨烯具有众多优点，但当其掺入沥青中，在沥青中的结构形态，以及能否与沥青稳定地结合在一起，直接决定纳米氧化石墨烯能否将自身优良的特性赋予在沥青上。为了表征改性后的沥青微观结构，研究人员多用扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、X射线衍射等测试方法对不同的改性沥青进行微观结构表征。除此之外，研究人员还通过原子力显微镜，荧光显微镜等检测方法对沥青微观结构进行检测，但这些方法都只能观察到纳米氧化石墨烯在沥青中的分散状态和两者微观结构变化，或者是沥青组分及官能团的变化，不能呈现出纳米氧化石墨烯与沥青之间的两相结合状态，两者之间的界面和表面作用情况也无法说明，也就难以揭示纳米氧化石墨烯的气液阻挡层状结构对沥青抗老化性能的改性机理。

近年来，有学者采用分子动力学模拟的方法对沥青进行研究，以聚合物和纳米颗粒为改性剂，通过第一性原理计算解释了沥青不同组分与聚合物、纳米颗粒之间的表界面作用，并将纳米颗粒对聚合物改性沥青的影响做出了说明。但是，在分子动力学模拟中，输入结构正确的各个沥青组分分子是模拟计算的前提，由于沥青成分极其复杂，分子结构不确定性很大，要将沥青划为分子结构明确的各种组分存在困难。可见，目前多采用SBS、SBR等有机改性剂，也有采用零维颗粒状或一维矿物短纤维的无机改性剂，但是很少采用具有层状结构的二维纳米氧化石墨烯改性沥青，并提供其改性沥青的制备方法，且目前宏观性能评价方法难以揭示纳米氧化石墨烯与沥青之间界面作用状况。

本发明旨在从分子层面上介绍纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，首先通过熔融共混法制备出纳米氧化石墨烯改性沥青，再对其物理性能进行试验以及微观结构表征，然后利用分子动力学对纳米氧化石墨烯改性沥青材料进行模拟，并利用第一性原理对纳米氧化石墨烯与沥青之间的作用情况进行计算分析，揭示纳米氧化石墨烯与沥青之间的作用机制，提高沥青路面抗老化性能和使用寿命。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，该方法首先制备纳米氧化石墨烯改性沥青，再对其各项性能及微观结构表征，然后利用分子动力学对纳米氧化石墨烯与沥青之间作用进行模拟，揭示纳米氧化石墨烯对沥青抗老化性能的改性机制，从而解决目前多采用有机改性剂和零维颗粒状或一维矿物短纤维的无机改性剂，很少采用具有层状结构的二维纳米氧化石墨烯改性沥青，并提供其改性沥青的制备方法，且目前宏观性能评价方法难以揭示纳米氧化石墨烯与沥青之间界面作用状况的问题。

(2)技术方案

鉴于目前很少采用具有层状结构的二维纳米氧化石墨烯改性沥青，宏观评价方法难以揭示界面作用状况等技术难题。本发明从分子界面作用机理入手，提供一种纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，从而揭示纳米氧化石墨烯与沥青之间的作用机制。本发明技术方案如下：首先，采用熔融共混法制备纳米氧化石墨烯改性沥青复合材料；其次，采用旋转薄膜烘箱老化试验以及微观检测方法观察老化前后纳米氧化石墨烯在沥青中的分散状态、沥青组分及官能团的变化以及两者微观结构的变化；然后，以典型结构为基础，构建纳米氧化石墨烯、沥青以及纳米氧化石墨烯改性沥青复合材料的分子动力学模型，并选用最适合的模拟参数并且对模型的准确性进行检验；最后，通过第一性原理计算得出纳米氧化石墨烯与沥青分子间的相互作用能，探究不同掺量纳米氧化石墨烯对沥青不同组分抗老化性能的影响，确定纳米氧化石墨烯的最佳掺量，从而提高沥青抗老化性能和沥青路面的使用寿命。

(3)有益效果

随着我国交通量的增长和自然因素的作用，沥青路面的病害问题越发值得人们关注，其中沥青的老化问题对路面的使用寿命有着重要影响。本发明提供一种纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，该方法首先制备纳米氧化石墨烯改性沥青，再对其各项性能及微观结构表征，然后利用分子动力学对纳米氧化石墨烯与沥青之间作用进行模拟，揭示纳米氧化石墨烯对沥青抗老化性能的改性机制。根据本发明提供的专利技术，与相关企业开展积极合作，可以研发出具有自主知识产权的纳米氧化石墨烯改性沥青。现有技术多采用有机改性剂和零维颗粒状或一维矿物短纤维的无机改性剂，如果引入本发明专利技术，将会引入具有层状结构的二维纳米氧化石墨烯改性沥青，并提供其改性沥青的制备方法，可以得到更好的沥青改性效果，并且能够揭示纳米氧化石墨烯与沥青之间界面作用状况的问题，完善当前宏观性能评价方法，对提高沥青路面抗老化性能和使用寿命具有重要的现实意义。

具体实施方式

本发明提供一种纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，具体实施步骤如下：

(1)将纳米氧化石墨烯水分散液在超声波清洗器中超声分散30min，使团聚的纳米氧化石墨烯片层进一步相互剥离，制得纳米氧化石墨烯分散液，备用；

(2)将100g基质沥青置于烧杯中，加热至155℃使基质沥青熔化，将纳米氧化石墨烯分散液缓缓加入熔化的沥青中，不断用玻璃棒搅拌，避免沥青溅出和气泡产生，当熔化沥青的热量将分散液中的水分蒸发后，纳米氧化石墨烯则均匀地分散在沥青中；

(3)采用旋转薄膜烘箱老化试验方法来模拟沥青短期热氧老化，采用傅里叶变换红外光谱法、扫描电子显微镜、原子力显微镜和X射线衍射试验分析沥青短期热氧老化前后的纳米氧化石墨烯在沥青中的分散状态、沥青组分与官能团及微观结构的变化；

(4)以石墨烯典型结构为基础，构建纳米氧化石墨烯分子动力学模型，以饱和分、芳香分、树脂和沥青质这四个组分为基础建立沥青及纳米氧化石墨烯改性沥青的分子动力学模型，并通过模拟运算与结果分析，确定最适合的模拟参数，并且对纳米氧化石墨烯改性沥青的分子动力学模型的可靠性进行检验；

(5)探究不同纳米氧化石墨烯掺量对沥青不同组分抗老化性能的影响，通过第一性原理计算得出纳米氧化石墨烯与沥青分子间的相互作用能，研究纳米氧化石墨烯的阻挡层状结构在气相和液相分别对沥青抗老化性能的影响，确定纳米氧化石墨烯的最佳掺量，制备纳米氧化石墨烯改性沥青。

Claims (1)

1.一种纳米氧化石墨烯改性沥青制备及抗老化性能评价的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)将纳米氧化石墨烯水分散液在超声波清洗器中超声分散30min，使团聚的纳米氧化石墨烯片层进一步相互剥离，制得纳米氧化石墨烯分散液，备用；

(2)将100g基质沥青置于烧杯中，加热至155℃使基质沥青熔化，将纳米氧化石墨烯分散液缓缓加入熔化的沥青中，不断用玻璃棒搅拌，避免沥青溅出和气泡产生，当熔化沥青的热量将分散液中的水分蒸发后，纳米氧化石墨烯则均匀地分散在沥青中；

(3)采用旋转薄膜烘箱老化试验方法来模拟沥青短期热氧老化，采用傅里叶变换红外光谱法、扫描电子显微镜、原子力显微镜和X射线衍射试验分析沥青短期热氧老化前后的纳米氧化石墨烯在沥青中的分散状态、沥青组分与官能团及微观结构的变化；

(4)以石墨烯典型结构为基础，构建纳米氧化石墨烯分子动力学模型，以饱和分、芳香分、树脂和沥青质这四个组分为基础建立沥青及纳米氧化石墨烯改性沥青的分子动力学模型，并通过模拟运算与结果分析，确定最适合的模拟参数，并且对纳米氧化石墨烯改性沥青的分子动力学模型的可靠性进行检验；

(5)探究不同纳米氧化石墨烯掺量对沥青不同组分抗老化性能的影响，通过第一性原理计算得出纳米氧化石墨烯与沥青分子间的相互作用能，研究纳米氧化石墨烯的阻挡层状结构在气相和液相分别对沥青抗老化性能的影响，确定纳米氧化石墨烯的最佳掺量，制备纳米氧化石墨烯改性沥青。