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摘 要： 功能材料
《耐紫外線老化改性瀝青材料的制備與性能研究》論文發表期刊：《功能材料》；發表周期：2021年03期
《耐紫外線老化改性瀝青材料的制備與性能研究》論文作者信息：王逸波 （１９９１—），男，江蘇常州人，講師，主要從事道路工程結構與新材料研究。
摘要：制備了環氧樹脂改性瀝青和摻雜納米SiO2的環氧樹脂改性瀝青，研究了基體瀝青、環氧樹脂改性瀝青、摻雜納米SiO2的環氧樹脂改性瀝青的耐紫外線老化性能。采用物化指標測試、FT-IR和SEM等方法，研究了添加1%，2%和5%(質量分數)納米SiO2對環氧樹脂改性瀝青耐紫外線老化性能的影響。結果表明，加入納米Si02后，改性瀝青的軟化點和粘度增加;基體瀝青、PA-5%EP，PA-EP-1%SiO2，PA-EP-3%Si02和PA-EP5%Si02的FT-IR光譜幾乎在所有峰的位置都是相同的，改性瀝青與基體瀝青相比，結構沒有明顯變化;當加入納米Si02含量為5%(質量分數)時，改性瀝青的粘附力顯著提高，此時，納米SiO2顆粒較為均勻地分散到基體瀝青的宏觀分子網絡中，形成了穩定的結構;納米SiO2的加入能很好地改善瀝青的耐紫外線老化效果，PA-EP-5%
Si02樣品的耐紫外線老化性能最優。
關鍵詞：改性瀝青;環氧樹脂;納米Si02;耐紫外線老化
0引言
瀝青是一種歷史悠久的傳統路面材料，可通過添加聚合物改性劑進行增強改性[-)，為了提高瀝青的耐久性，可以通過添加抗老化添加劑對瀝青進行改性[-，Turley RS等[3)發現炭黑可以保護瀝青免受紫外線照射引起的光降解。Pamplona TF等t2報道.
由于納米粘土的引入，熱氧化老化對改性瀝青物理性能和動態流變行為的影響受到抑制。此外，研究證明聚乙烯(PE)、乙烯基醋酸酯(EVA)、橡膠和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段共聚物均為非常有效的瀝青改性劑[-3]。純聚合物改性劑的主要缺點是大多數聚合物與瀝青熱力學不相容，而且聚合物與瀝青之間密度、極性、分子量和溶解度差別較大，導致復合材料在熱儲過程中容易脫層，雖然外觀變化不明顯，但會對建筑材料產生不利影響[10。
納米材料的摻入在提高聚合物改性瀝青的性能方面起到積極的作用[1)，Pamplona等研究了用苯乙烯(SBS)、蛭石(OVMT)和蒙脫土(OMMT)改性瀝青的儲熱性能[12-]。在鋪設路面時使用SBS的主要障礙是發生相分離，OVMT的存在提高了SBS改性瀝青的存儲穩定性。Alhamali D1等[13)考察了納米硅聚合物改性瀝青的貯存穩定性，結果表明，加入6%(質量分數)的納米SiO2能穩定高溫條件下的粘結劑。此外，納米Si02顯著提高了粘結劑的耐車轍性和疲勞性能。王瓊[1]研究了納米粘土改善瀝青和聚合物(乙烯醋酸乙烯酯)之間的相容性的機理，粘土和聚合物之間的高相容性導致聚合物在瀝青中能更好地分散，從而影響粘合劑的最終流變性能。類似地，Galooyak ss等[1]
報告了納米粘土加入SBS瀝青混合物中時，能提高儲存穩定性。Goh s w等[13)制備了納米粘土和碳微纖維改性瀝青，改善了瀝青混合料的機械性能和耐水性。
Bhat FS等[13]研究了納米Si02改性瀝青，發現納米SiO2能提高瀝青高溫時的耐車轍性能，同時提高了中間溫度的抗疲勞性能;還發現了高溫貯存后納米Si02改性瀝青的穩定形式。根據閔召輝[2]的研究，環氧樹脂改性瀝青的儲存穩定性主要依賴于環氧樹脂的含量。然而，分析流變參數可知，環氧樹脂提高了高溫時粘結劑的剛度和彈性性能。加入環氧樹脂可以降低高溫下粘結劑的車轍，同時改善中低溫下的疲勞性能。此外，與未改性的基體瀝青相比，環氧樹脂改性熱拌瀝青不容易受潮破壞。
本文制備了5%(質量分數)環氧樹脂改性瀝青和摻雜納米SiO2的環氧樹脂改性瀝青(選用1%，3%和5%(質量分數)含量的納米SiO2作為添加劑對瀝青進行改性，分別標記為PA-EP-1%Si02，PA-EP-3%Si02和PA-EP-5%SiO2)。對比研究了基體瀝青、環氧樹脂改性瀝青、摻雜納米SiO2的環氧樹脂改性瀝青的物理性能和耐紫外線老化性能。價了粘結劑的常規性能
(軟化點、粘度、粘結力)，使用FT-IR分析瀝青材料的物相結構，使用SEM確定瀝青材料的微觀結構，使用殘留針入度比(RPR)、軟化點增量(SPI)對瀝青老化程度進行評價。
1實驗
1.1 實驗材料
瀝青80/100：中海36-1 90#瀝青，滲透25 ℃滲透值為83，軟化點為44.5℃，比重為1.03，80 ℃粘度為12.6 Pa.s，25 ℃延展性>100 cm，延展速率為5cm/min，秦州市明磊經貿有限公司;環氧樹脂：環氧值為0.52~0.54，抗拉強度為6.1 MPa，延展率為225%，25 ℃主劑密度和粘度分別為1.163 g/cm12.6 cps，25 ℃固化劑密度和粘度分別為0.829 g/cm3、46cps，南亞昆山公司，混合之前均過20目篩網;納米Si02：堆密度為47.5 g/L，純度>99%，APS值約為80 nm，舟山明日納米材料有限公司。
圖1為納米SiO2的表面形貌圖，從圖1可以看出，納米Si02顆粒呈現球形，顆粒直徑較大，結構較為致密，分散較差，明顯可以看出存在團聚現象，但整體結構較為松散，可以使用機械方法對其進行分散。
1.2 改性瀝青的制備
改性瀝青的制備分為3個階段。首先，使用超聲破碎儀/250超聲均質器(美國)，將納米Si02顆粒分散在100 ml.亞甲基中超聲5 min，防止團聚;使用壓電超聲換能器進行超聲波處理，頻率為20 kHz，超聲波處理器為中等強度，圓柱形超聲頭直徑為19 mm，長度為10.5 cm。該裝置可容納25~500 ml.
的物質，以最大振幅的50%進行操作，以1900~2100 J/min的速率將能量傳遞給樣品，能量以2s為一個周期，以防止懸浮液過熱。其次，使用德國IKA T25數顯型TURRAX高速剪切攪拌機制備粘結劑，分散元件編號為S25，溫度為(160±1)℃，在8 000 r/min的轉速下分散1 h.當溫度穩定在(160±1)℃時，將5%(質量分數)的環氧樹脂與基體瀝青混合，得到環氧樹脂改性瀝青。最后，將處理后均勻分散在亞甲基中的納米SiO2顆粒倒入環氧樹脂改性瀝青中，在高速剪切攪拌機中勻速攪拌30 min，然后在恒定速度下逐步添加溶液，避免起泡，得到摻雜納米Si02的環氧樹脂改性瀝青。
1.3性能測試及表征
采用物化指標測試、粘度試驗(Brookfield Model DV-I11)和粘附力試驗等對基體瀝青和改性瀝青進行常規物理性能測試;傅立葉紅外光譜測試(FT-IR)：采用日本島津公司400 PerkinElmer型傅里葉變換紅外光譜儀，在室溫下KBr壓片制樣，掃描范圍4000~
650 cm-1，分辨率2cm-1;掃描電鏡分析(SEM)：采用日本日立公司S4800型掃描電鏡，觀察不同摻雜量納米Si02制備的改性瀝青的形貌和微觀結構;利用自主研發的智能室內紫外光老化模擬裝置分析改性瀝青的耐紫外線老化性能，按照JTJ-052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程進行了殘留針入度比、軟化點增量等試驗分析。
2結果與討論
2.1 常規物理性能分
通過物化指標測試，可以得到瀝青材料的常規物理性能。表1為基體瀝青、5%(質量分數)環氧樹脂改性瀝青(PA-5%EP)和摻雜不同含量納米SiO2的環氧樹脂改性瀝青(PA-EP-1%SiO2，PA-EP-3%Si02和PA-EP-5%Si02)的基本物理參數。
從表1可以看出，加入納米SiO2后，瀝青材料的軟化點增加，相當于硬度或剛度增加;基體瀝青粘度最低，隨著納米SiO2含量的增加，瀝青材料的粘度增大，這是由于納米Si02，對瀝青的流動產生更大的內摩擦阻力。此外，添加1%.3%和5%(質量分數)納米SiO2后瀝青材料的粘度均小于3.00 Pa.s(BA 100 ℃)的最大值，表明在增加測試溫度的情況下，摻雜納米Si02改性仍然可以降低瀝青材料的粘度。
表2為不同類型瀝青材料的粘附力。從表2可以看出，隨著納米SiO2含量的增加，瀝青材料的粘附力增大，且當加入5%(質量分數)納米Si02后，瀝青材料的粘附力顯著提高。與基體瀝青和PA-5%EP相比，納米Si02改性后的瀝青具有明顯的高附著力，表明改性瀝青混合料中骨料間粘附性好。因此，就濕度誘導的損害而言，摻雜納米Si02的環氧樹脂改性瀝青在抗濕性方面具有良好的潛力。
2.2 SEM分析
采用掃描電鏡對PA-5%EP和PA-EP-5%SiO2的顯微結構進行了分析。圖2為PA-5%EP和PA EP-5%Si02的SEM圖。從圖2(a)可以看出，當PA與EP混合后，混合物基體表面光滑，無顆粒狀聚集，塑性良好。從圖2(b)可以看出，當加入5%(質量分數)納米Si02后，納米SiO2顆粒較為均勻地分散到基體瀝青的宏觀分子網絡中，無大型團聚出現，形成了穩定的結構，納米Si02的摻入，改善了瀝青材料的物理性能。這可能是由于納米Si02與環氧樹脂之間的高相容性，使得環氧樹脂在瀝青中更好地分散，從而優化了改性瀝青的顯微結構及物理性能。
2.3 FT-IR分析
圖3為不同類型瀝青樣品的FT-IR光譜。從圖3可以看出，在波數> 3 000 cm-時，沒有出現與0-H官能團有關的峰，可以確定所有樣品中不存在水。對于基體瀝青，在2 850.47~2 919.48 cm-處觀測到兩大寬峰，可歸因于樣品中脂肪鏈的C-H拉伸振動;在1601.83 cm-1處有吸收較弱的峰，歸因于芳香族化合物的C-C拉伸振動;在1 376.20~1 456.74 cm-1處出現較小的峰，歸因于-CH2端基的C-H拉伸振動;在1 032.59 cm-1處出現更微弱的峰，歸因于S-O拉伸振動;此外，在720-865 cm-1處的峰值與苯中的C-H環鍵有關。由圖3可知，基體瀝青、PA-5%EP，PA-EP-1%Si0，PA-EP-3%Si02和PA-EP-5%Si02 的 FT-IR光譜幾乎在所有峰的位置都是相同的，說明改性瀝青與基體瀝青相比，結構沒有明顯變化;但PA-5%EP，PA-EP-1%SiO2，PA-EP-3%SiO2 和 PA-EP-5%Si02的峰值強度較基體瀝青有所下降，說明改性瀝青的物理性質有所改善。
2.4 耐紫外線老化性能分析
采用殘留針入度比(RPR)、軟化點增量(SPI)對瀝青老化程度進行評價[21]，RPR 值 越 高 或 SPI值 越 小，說明老化程度越輕，抗老化能力越強。紫 外 線 老 化 時間對不同類型瀝青樣品的 RPR 和 SPI值的 影 響 如 表3所示。
從表3可以看出，瀝青樣品的RPR值隨著老化時間的增長而減小，當老化時間為9 d時，基體瀝青、PA5%EP，PA-EP-1%Si02，PA-EP-3%SiO2和PA-EP5%Si0，相對于od時，RPR值分別減小了42%，35%，32%，29%和28%，PA-EP-5%Si02的RPR值降低最少;而在同一老化時間下(3，6和9d)，幾種瀝青樣品的RPR值大小依次為：基體瀝青PA-5%EP> PA-EP-1%Si02>PA-EP-3%SiO2 >PA-EP-5%SiO2，同樣說明在一定含量范圍內，改性瀝青材料的耐紫外線老化性能隨著納米SiO2含量的增加而提高。由此可知，隨著紫外光老化時間的延長，幾種瀝青樣品的RPR值逐漸減小，而SPI值逐漸增大，這是由于持續接收紫外照射時間越長，樣品紫外線吸收和反射能力發揮得越充分;隨著納米Si02含量的增加，在相同的老化時間內，幾種瀝青樣品的RPR值逐漸增大，而SPI值逐漸減小，共同說明改性瀝青的紫外阻隔作用逐漸增強。綜合RPR和SPI值對改性瀝青老化程度的評價均可以看出，納米SiO2的摻入能很好地改善瀝青的耐紫外線老化效果，當納米SiO2的摻入量為5%(質量分數)時，PA-EP-5%Si02樣品的耐紫外線老化性能最優。
3結論
對基體瀝青、環氧樹脂改性瀝青、摻雜納米SiO2的環氧樹脂改性瀝青的制備和耐紫外線老化性能進行了研究。采用物化指標測試、FT-IR和SEM等測試方法，研究了添加1%，2%和5%(質量分數)納米SiO2對環氧樹脂改性瀝青耐紫外線老化性能的影響，得出以下結論：
(1)物化指標測試結果顯示，加入納米Si02后，瀝青材料的軟化點和粘度增加，當加入5%(質量分數)
納米SiO2后，瀝青材料的粘附力顯著提高，摻雜納米Si02的環氧樹脂改性瀝青在抗濕性方面具有良好的潛力。
(2)SEM分析表明，加入5%(質量分數)納米SiO2后，納米SiO2顆粒較為均勻地分散到基體瀝青的宏觀分子網絡中，形成了穩定的結構。
(3)FT-IR分析表明，基體瀝青、PA-5%EP、PA-EP-1%Si02，PA-EP-3%Si02 和PA-EP-5%Si02的紅外光譜幾乎在所有峰的位置都是相同的，改性瀝青與基體瀝青相比，結構沒有明顯變化。
(4)耐紫外線老化性能測試結果表明，在一定含量范圍內，改性瀝青材料的耐紫外線老化性能隨著納米Si02含量的增加而提高，納米Si02的摻入能很好地改善瀝青的耐紫外線老化效果，當納米Si02的摻入量為5%(質量分數)時，PA-EP-5%SiO2樣品的耐紫外線老化性能最優。
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