CN112778777A - 一种碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青及其制备方法，由基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液制备而成,该沥青的高低温性能，耐老化性能及抗疲劳性能优异，且制备方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种改性沥青及其制备方法，具体涉及一种碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青及其制备方法。
背景技术
沥青路面是采用沥青作为结合料来粘结矿料修筑面层及各类基层和垫层所组成的路面结构类型。沥青路面与水泥混凝土路面相比，具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、施工期短且便于维修等诸多优点，得到广泛应用。截止到2019年，我国公路总里程达到484.65万公里，其中高等级公路中绝大多数都是沥青路面。但是对于沥青路面，尤其是高等级沥青路面，长期暴露在自然环境下，承受自然环境和交通荷载的综合作用，容易出现裂缝、车辙、松散、剥落和表面磨光等病害，影响沥青路面的使用性能。沥青路面是由沥青结合料和矿质混合料按照一定的级配设计原则经拌和摊铺碾压而成的。虽然沥青结合料在沥青混合料中所占比例很小，但是沥青对于沥青混合料的性能起着关键的作用。因此，沥青结合料的性能对沥青路面的路用性能至关重要。f
由于现代道路的交通流量的快速增长，货车轴载的增加、超载现象的日益加剧以及渠化交通等因素的影响，对沥青路面的高温抗车辙能力、低温抗裂缝能力和抗水损害能力等路用性能提出了更高的要求。因此也对沥青材料提出了更高的要求。通过对沥青材料的改性，是提高沥青结合料的路用性能的关键方法。从广义上讲，凡是可以改善沥青材料路用性能的材料，例如聚合物、纤维、填料等都可以成为沥青改性剂。各类改性剂的功能各异，一般认为，树脂类改性剂能改善沥青的高温抗车辙能力，对沥青的低温抗裂能力无明显的改善作用；橡胶类改性剂能改善沥青的低温抗裂性能和黏附性；热塑性弹性体聚合物，比如苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)能提高沥青的高低温性能，降低温度敏感性，但是聚合物改性剂在热氧光照条件下易分解，耐老化性能有待提高。因此，寻求一种优良的沥青改性剂，对沥青的性能进行全面的增强，成为现在道路工程领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青及其制备方法,该沥青的高低温性能，耐老化性能及抗疲劳性能优异，且制备方法简单。
为达到上述目的，本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青由基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液制备而成。
按照质量份数由100份的基质沥青、0.5-2.0份的碳纳米管、10-18份的废旧橡胶粉、50-200份的浓硫酸溶液及150-600份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为40-60目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
浓硫酸与浓硝酸的质量份数之比为1：3。
一种纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为70℃-80℃，超声分散时间为5h-10h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌10-20min后保温至120-150℃，加入碳纳米管，再搅拌5-15min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为2000-3000rpm，剪切时间为30-50min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至150-180℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为15-25min，剪切过程中剪切机的转速为3000-5000rpm，剪切时间为50-80min。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青及其制备方法在具体操作时，采用碳纳米管及废旧橡胶粉改善基质沥青的高低温性能、耐老化性能及抗疲劳性能，并且碳纳米管表面大量的共轭π键和环状结构，与沥青有着良好的相容性，建立了沥青和废旧橡胶粉之间潜在桥梁，同时能够消耗大量的废旧橡胶轮胎，有利于废物利用、环境保护以及可持续发展。另外，本发明在制备时，基本上采用混合、搅拌、加热及剪切，制备方法较为简单。
进一步，本发明采用直接氧化法，利用混酸溶液对碳纳米管进行化学氧化处理，使碳纳米管表面产生羟基、羧基等极性官能团，降低碳纳米管的缠绕程度，提高碳纳米管在沥青中的稳定性，同时，增加碳纳米管与聚合物基体的界面粘结能力和浸润性，从而提高碳纳米管与基质沥青的相容性。
进一步，本发明利用SK90号基质沥青，相较于针入度小的基质沥青其轻质组分含量更多，更加有利于废旧橡胶粉的溶胀，使得橡胶粉在基质沥青中充分溶胀分解，更有利于复合改性沥青的性能改善和施工和易性的提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例一
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青按照质量份数由100份的基质沥青、0.5份的碳纳米管、10份的废旧橡胶粉、50份的浓硫酸溶液及150份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为40目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
本发明所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为70℃，超声分散时间为5h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌10min后保温至120℃，加入碳纳米管，再搅拌5min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为2000rpm，剪切时间为30min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至150℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为15min，剪切过程中剪切机的转速为3000rpm，剪切时间为50min。
实施例二
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青按照质量份数由100份的基质沥青、2.0份的碳纳米管、18份的废旧橡胶粉、200份的浓硫酸溶液及600份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为60目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
本发明所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为80℃，超声分散时间为10h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌20min后保温至150℃，加入碳纳米管，再搅拌15min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为3000rpm，剪切时间为50min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至180℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为25min，剪切过程中剪切机的转速为5000rpm，剪切时间为80min。
实施例三
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青按照质量份数由100份的基质沥青、1份的碳纳米管、14份的废旧橡胶粉、130份的浓硫酸溶液及390份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为50目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
本发明所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为75℃，超声分散时间为7h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌15min后保温至135℃，加入碳纳米管，再搅拌10min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为2500rpm，剪切时间为40min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至165℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为20min，剪切过程中剪切机的转速为4000rpm，剪切时间为65min。
实施例四
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青按照质量份数由100份的基质沥青、0.7份的碳纳米管、11份的废旧橡胶粉、60份的浓硫酸溶液及180份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为45目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
本发明所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为72℃，超声分散时间为6h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌11min后保温至130℃，加入碳纳米管，再搅拌6min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为2200rpm，剪切时间为32min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至155℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为18min，剪切过程中剪切机的转速为3500rpm，剪切时间为55min。
实施例五
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青按照质量份数由100份的基质沥青、1.8份的碳纳米管、17份的废旧橡胶粉、180份的浓硫酸溶液及500份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为55目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
本发明所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为77℃，超声分散时间为9h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌18min后保温至145℃，加入碳纳米管，再搅拌14min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为2800rpm，剪切时间为45min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至170℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为23min，剪切过程中剪切机的转速为4500rpm，剪切时间为75min。
实施例六
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青按照质量份数由100份的基质沥青、1.2份的碳纳米管、14份的废旧橡胶粉、120份的浓硫酸溶液及300份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为28目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
本发明所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为78℃，超声分散时间为6h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌14min后保温至130℃，加入碳纳米管，再搅拌12min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为2200rpm，剪切时间为38min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至165℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为23min，剪切过程中剪切机的转速为4000rpm，剪切时间为75min。
实施例七
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青按照质量份数由100份的基质沥青、1份的碳纳米管、18份的废旧橡胶粉、50份的浓硫酸溶液及600份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为40目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
本发明所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为70℃，超声分散时间为10h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌10-20min后保温至120℃，加入碳纳米管，再搅拌15min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为3000rpm，剪切时间为30min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至150℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为25min，剪切过程中剪切机的转速为5000rpm，剪切时间为50min。
实施例八
本发明所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青按照质量份数由100份的基质沥青、0.5份的碳纳米管、18份的废旧橡胶粉、50份的浓硫酸溶液及600份的浓硝酸溶液制备而成。
碳纳米管为多壁碳纳米管。
废旧橡胶粉的粒径为60目。
基质沥青为SK90号基质沥青。
本发明所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
超声分散的温度为70℃，超声分散时间为10h。
步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌10min后保温至120℃，加入碳纳米管，再搅拌5min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为2000rpm，剪切时间为50min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至180℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为25min，剪切过程中剪切机的转速为3000rpm，剪切时间为80min。
以上实施例仅为实施方法的部分描述和示出，并非全部实施方法，也并非是对本发明作其他形式的限制，任何本领域的技术人员未脱离本发明的原理和技术方案内容的情况下对实施例进行变化、修改、替换和变形均为本发明的有效实施例，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青，其特征在于，由基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液制备而成。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青，其特征在于，按照质量份数由100份的基质沥青、0.5-2.0份的碳纳米管、10-18份的废旧橡胶粉、50-200份的浓硫酸溶液及150-600份的浓硝酸溶液制备而成。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青，其特征在于，碳纳米管为多壁碳纳米管。
4.根据权利要求1中所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青，其特征在于，废旧橡胶粉的粒径为40-60目。
5.根据权利要求1中所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青，其特征在于，基质沥青为SK90号基质沥青。
6.根据权利要求1中所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青，其特征在于，浓硫酸与浓硝酸的质量份数之比为1：3。
7.一种权利要求1所述碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)称取基质沥青、碳纳米管、废旧橡胶粉、浓硫酸溶液及浓硝酸溶液；
2)对碳纳米管进行预处理
3)将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌后保温，加入碳纳米管，再搅拌后进行剪切，得碳纳米管改性沥青；
4)将碳纳米管改性沥青加热后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，得碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青。
8.根据权利要求1所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法，其特征在于，碳纳米管进行预处理的具体过程为：
将碳纳米管加入到三口烧瓶中，再加入预处理溶液，搅拌后进行超声分散，再清洗至中性，然后放入电热干燥箱内干燥值恒重。
9.根据权利要求8所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法，其特征在于，超声分散的温度为70℃-80℃，超声分散时间为5h-10h。
10.根据权利要求7所述的碳纳米管和橡胶粉复合改性沥青的制备方法，其特征在于，步骤3)中，将基质沥青加热至熔融状态，并搅拌10-20min后保温至120-150℃，加入碳纳米管，再搅拌5-15min后进行剪切，其中剪切过程中，剪切机的转速为2000-3000rpm，剪切时间为30-50min；
步骤4)中，将碳纳米管改性沥青加热至150-180℃后加入废旧橡胶粉，再进行搅拌及剪切，其中搅拌时间为15-25min，剪切过程中剪切机的转速为3000-5000rpm，剪切时间为50-80min。
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