CN112280322A - 一种MXene改性彩色沥青结合料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及道路工程技术领域，公开了一种MXene改性彩色沥青结合料及其制备方法。该MXene改性彩色沥青结合料包括：MXene和彩色沥青胶结料，以MXene和彩色沥青胶结料二者的重量百分比含量之和为100％计，MXene的重量百分比含量为0.001％‑0.01％，彩色沥青胶结料的重量百分比含量为99.99％‑99.999％。其制备方法包括步骤：按质量百分比分别称取MXene0.001％‑0.01％、彩色沥青胶结料99.99％‑99.999％；将彩色沥青胶结料加热至160℃‑185℃，加入MXene，第一次搅拌搅拌40min‑60min，160℃‑185℃下溶胀1h，使其充分溶胀；第二次搅拌40min‑60min，直至MXene在胶结料中分散均匀，即得到MXene改性彩色沥青胶结料。本发明MXene改性彩色沥青结合料，以MXene作为改性剂，能够显著彩色沥青胶结料的抗老化性能，明显提高彩色沥青路面的颜色耐久性。

Description

一种MXene改性彩色沥青结合料及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种MXene改性彩色沥青结合料及其制备方法。

背景技术

随着各地健身步道建设的开展，彩色沥青结合料迎来了大规模应用的契机，目前市场上的彩色沥青胶结料多是是芳香油、聚合物、树脂调和制成的混合物，为了使掺入彩色沥青混合料的无机颜料具有更好显色性，彩色结合料颜色一般要求为无色或浅色。该种合成的彩色沥青结合料缺乏石油沥青中的大分子物质，组成成分简单，整体性能与石油沥青比，具有较大差距，特别是耐老化性能方面；由于路面受阳光紫外线直射后，石油树脂等原材料易发生氧化反应，造成结合料发生短期严重老化现象，结合料颜色由浅色变为暗色，无机颜料的显色性受到影响，此时路面彩色颜色变暗色，美观度大打折扣。为此，研发人员常常通过添加抗氧化剂等减缓结合料的老化过程，专利CN103979834A公开了一种改性彩色沥青胶结料及其制备方法，由一种改性彩色沥青胶结料加入有机改性蒙脱土制得，与改性前相比，该发明的改性彩色沥青胶结料高温稳定性提高，抗老化性能增强，克服了现有彩色沥青胶结料耐老化性能较差等不足的缺点，使彩色沥青路面的使用性能和寿命显著提高。专利CN 105295402A公开了一种增强彩色沥青胶结料高温稳定性和抗老化性的辅料，是由纳米二氧化钛与偶联剂混合制得；然而，上述两种方法制备的彩色沥青胶结料耐老化性能仍然不是特别理想，路面通车较短时间内，仍存在较为严重的路面结合料老化现象。专利108659453A公开了一种耐寒抗老化彩色改性沥青及其制备方法，采用抗氧剂与耐候剂复配共同作用，改善了沥青的抗老化性能，其中抗氧剂为β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯与三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯的复合物，该专利在一定程度上改善了彩色胶结料的抗老化性能，但存在改性过程复杂，改性效果难以控制的缺点，对于工业化生产不利。

目前对彩色沥青的研究大多是使用聚合物作为改性剂，对胶结料性能的全面改善效果不显著，提升幅度有限。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种MXene改性彩色沥青结合料及其制备方法，解决聚合物作为改性剂，对彩色沥青胶结料抗老化性能改善效果不显著，提升幅度有限的问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种MXene改性彩色沥青结合料，包括：

MXene和彩色沥青胶结料，以MXene和彩色沥青胶结料二者的重量百分比含量之和为100％计，MXene的重量百分比含量为0.001％-0.01％，彩色沥青胶结料的重量百分比含量为99.99％-99.999％。

本技术方案中，MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物,具有类似石墨烯的二维片层状结构，同时兼具表面亲水性、金属导电性及优良的电化学性能等；以MXene作为改性剂改性彩色沥青胶结料，能够显著提高彩色沥青胶结料耐老化性能，大大提高彩色路面的色彩寿命。

进一步优选地，粒径小于3μm的MXene的比例为45％-55％，粒径小于6μm的MXene的比例为85％-95％。

进一步优选地，所述彩色沥青胶结料包含树脂、SBS和橡胶油。

本技术方案中，MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物,具有类似石墨烯的二维结构，常采用化学液相法蚀刻MAX制备MXene，掺入的MXene因其独特的纳米层状结构和较高的活性，以其超微细的特殊结构，表现出晶粒小尺寸效应、界面效应等诸多优异的性能，可以提高胶结料中SBS等组分形成的网状结构的整体性，并提高SBS和石油树脂材料的活性，优化胶结料各项性能指标。

进一步优选地，所述树脂为C5树脂，所述SBS为星型SBS，所述橡胶油为芳烃含量CA≥25％的橡胶油。

进一步优选地，所述彩色沥青胶结料的软化点为65-75℃。

进一步优选地，所述彩色沥青胶结料通过如下方法制备：橡胶油加热至160℃-180℃，开启搅拌装置，加入树脂，搅拌至树脂完全融化，加入SBS，边搅拌边溶胀，170℃-185℃溶胀1h-1.5h，开启高剪切，持续40min-60min，制备完成。

本发明提供的另一技术方案如下：

一种如上述中任意一项所述的MXene改性彩色沥青结合料的制备方法，包括步骤：

按质量百分比分别称取MXene0.001％-0.01％、彩色沥青胶结料99.99％-99.999％；将彩色沥青胶结料加热至160℃-185℃，加入MXene，第一次搅拌搅拌40min-60min，160℃-185℃下溶胀1h，使其充分溶胀；第二次搅拌40min-60min，直至MXene在胶结料中分散均匀，即得到MXene改性彩色沥青胶结料。

进一步优选地，所述第一次搅拌为机械搅拌。

进一步优选地，所述第二次搅拌为高速剪切机搅拌。

与现有技术相比，本发明的MXene改性彩色沥青结合料及其制备方法有益效果在于：

本发明的MXene改性彩色沥青胶结料，以MXene作为改性剂改性彩色沥青胶结料，能够显著提高彩色沥青胶结料耐老化性能，大大提高彩色路面的色彩寿命；通过配方所获得的彩色沥青胶结料的针入度指数PI大于0，老化后的5℃延度都超过20cm，具有良好耐老化性能，其各项指标符合行业标准《城市道路彩色沥青混凝土路面技术规程》(CJJ/T 218-2014)对特种彩色沥青胶结料的技术要求。总之，本发明MXene改性彩色沥青胶结料可满足不同等级胶结料的需求，且该胶结料的配方简单，制备方便。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本实施例MXene改性彩色沥青结合料的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用以解释本发明的各种组件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些组件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些组件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

作为一个具体实施例，本实施例提供了一种MXene改性彩色沥青结合料，包括：MXene和彩色沥青胶结料，以MXene和彩色沥青胶结料二者的重量百分比含量之和为100％计，MXene的重量百分比含量为0.001％-0.01％，彩色沥青胶结料的重量百分比含量为99.99％-99.999％。

本实施例中，MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物,具有类似石墨烯的二维片层状结构，同时兼具表面亲水性、金属导电性及优良的电化学性能等；以MXene作为改性剂改性彩色沥青胶结料，能够显著提高彩色沥青胶结料耐老化性能，大大提高彩色路面的色彩寿命。

在另一实施例中，在上述实施例的基础上，彩色沥青胶结料包含树脂、SBS和橡胶油。其中，树脂为C5树脂，SBS为星型SBS，橡胶油为芳烃含量CA≥25％的橡胶油；彩色沥青胶结料的软化点为65-75℃。彩色沥青胶结料通过如下方法制备：橡胶油加热至160℃-180℃，开启搅拌装置，加入树脂，搅拌至树脂完全融化，加入SBS，边搅拌边溶胀，170℃-185℃溶胀1h-1.5h，开启高剪切，持续40min-60min，制备完成。

进一步地，粒径小于3μm的MXene的比例为45％-55％，粒径小于6μm的MXene的比例为85％-95％。

优选地，粒径小于3μm的MXene的比例为50％，粒径小于6μm的MXene的比例为90％。

本实施例中，MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物,具有类似石墨烯的二维结构，常采用化学液相法蚀刻MAX制备MXene，掺入的MXene因其独特的纳米层状结构和较高的活性，以其超微细的特殊结构，表现出晶粒小尺寸效应、界面效应等诸多优异的性能，可以提高胶结料中SBS等组分形成的网状结构的整体性，并提高SBS和石油树脂材料的活性，优化胶结料各项性能指标。

参照聚合物改性彩色沥青胶结料性能指标，并从纳米材料的特殊效应和成本考虑，确定MXene的掺量为0.001％-0.01％。

值得说明的是，本实施例中的彩色沥青胶结料也可以是其它配比的彩色沥青胶结料，本实施例中的MXene也可以对其它配比的彩色沥青胶结料起到改性作用，可以对彩色沥青胶结料的配比不做要求，只要是以MXene作为改性剂改性彩色沥青胶结料及其实施方法均在本发明的保护范围内。

在另一实施例中，如图1所示，在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种MXene改性彩色沥青结合料的制备方法，包括步骤：按质量百分比分别称取MXene0.001％-0.01％、彩色沥青胶结料99.99％-99.999％；将彩色沥青胶结料加热至160℃-185℃，加入MXene，第一次搅拌搅拌40min-60min，160℃-185℃下溶胀1h，使其充分溶胀；第二次搅拌40min-60min，直至MXene在胶结料中分散均匀，即得到MXene改性彩色沥青胶结料。其中，第一次搅拌为机械搅拌，第二次搅拌为高速剪切机搅拌。

本实施例中，选用C5树脂、芳烃含量CA≥25％的橡胶油、中石化生产的星型SBS三者制备的普通彩色沥青胶结料，其软化点为70℃，针入度指数PI为-0.9，老化后5℃延度为0cm(脆断)。用于改性的MXene，其质量应符合：粒径范围为D50小于3μm，D90小于6μm。

以下结合具体的实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明不限于以下实施例，具体见表1所示。

表1实验所用改性体系配比组成

试样编号	MXene含量(％)	彩色沥青胶结料含量(％)
			对比例	0	100
实施例1	0.001	99.999
			实施例2	0.005	99.995
实施例3	0.01	99.99

性能表征

对比例和实施例制备的MXene改性彩色沥青胶结料实施针入度指数PI和老化延度测试，其结果见表2。

表2彩色沥青胶结料性能测试结果

采用对比例和实施例制备的彩色胶结料进行混合料拌和试验，并测试其抗车辙能力，结果见表3。

表3彩色沥青混合料检测结果

表2结果表明，采用MXene改性后，彩色沥青的高温性能得到显著提高，软化点都达到了80℃以上；同时，改性后，老化后5℃延度都超过15cm，且PI指数都大于0，这直接表明改性后彩色胶结料的耐老化性能得到显著改善。上述指标都符合行业标准《城市道路彩色沥青混凝土路面技术规程》(CJJ/T 218-2014)对特种彩色沥青的技术要求，而相比之下，对比例软化点指标、5℃延度指标和针入度指数指标，远不能满足规范规定的软化点80℃和老化后延度大于等于15cm的技术要求，以及《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中对聚合物改性沥青Ⅰ-D针入度指数不小于0的基本要求。

如表3所示，采用对比例沥青胶结料制备的混合料动稳定度只有2200次/mm，采用MXene改性彩色胶结料制备的混合料，其动稳定度数据均超过3000次/mm，最高达到6288次/mm。

表2和表3共同表明，本发明提供的MXene改性彩色沥青胶结料具有良好耐老化性能，以及高温性能，可大大提高彩色混合料的抗老化能力。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种MXene改性彩色沥青结合料，其特征在于，包括：

MXene和彩色沥青胶结料，以MXene和彩色沥青胶结料二者的重量百分比含量之和为100％计，MXene的重量百分比含量为0.001％-0.01％，彩色沥青胶结料的重量百分比含量为99.99％-99.999％。

2.根据权利要求1所述的MXene改性彩色沥青结合料，其特征在于：

粒径小于3μm的MXene的比例为45％-55％，粒径小于6μm的MXene的比例为85％-95％。

3.根据权利要求1所述的MXene改性彩色沥青结合料，其特征在于：

所述彩色沥青胶结料包含树脂、SBS和橡胶油。

4.根据权利要求3所述的MXene改性彩色沥青结合料，其特征在于：

所述树脂为C5树脂，所述SBS为星型SBS，所述橡胶油为芳烃含量CA≥25％的橡胶油。

5.根据权利要求3所述的MXene改性彩色沥青结合料，其特征在于：

所述彩色沥青胶结料的软化点为65-75℃。

6.根据权利要求1所述的MXene改性彩色沥青结合料，其特征在于：

所述彩色沥青胶结料通过如下方法制备：橡胶油加热至160℃-180℃，开启搅拌装置，加入树脂，搅拌至树脂完全融化，加入SBS，边搅拌边溶胀，170℃-185℃溶胀1h-1.5h，开启高剪切，持续40min-60min，制备完成。

7.一种如权利要求1-6中任意一项所述的MXene改性彩色沥青结合料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

按质量百分比分别称取MXene0.001％-0.01％、彩色沥青胶结料99.99％-99.999％；将彩色沥青胶结料加热至160℃-185℃，加入MXene，第一次搅拌搅拌40min-60min，160℃-185℃下溶胀1h，使其充分溶胀；第二次搅拌40min-60min，直至MXene在胶结料中分散均匀，即得到MXene改性彩色沥青胶结料。

8.根据权利要求7所述的MXene改性彩色沥青结合料的制备方法，其特征在于：

所述第一次搅拌为机械搅拌。

9.根据权利要求7所述的MXene改性彩色沥青结合料的制备方法，其特征在于：

所述第二次搅拌为高速剪切机搅拌。

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