石蠟烯對(duì)瀝青的改性研究

許 川，彭慶華

(濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256603)

目前改性瀝青[2]的方法很多，有物理改性和化學(xué)改性?xún)纱箢?lèi)。物理改性瀝青，把改性劑與瀝青的混合之后，結(jié)果卻沒(méi)有改變?yōu)r青的化學(xué)成分和化學(xué)與結(jié)構(gòu)，瀝青性能改變的不徹底。不能在短期內(nèi)制備且現(xiàn)用，會(huì)使聚合物與瀝青的產(chǎn)生分離。在瀝青制備時(shí)，混合用時(shí)較長(zhǎng)瀝青的結(jié)構(gòu)發(fā)生了氧化，資源利用率較低，因此如果采用化學(xué)改性瀝青方法會(huì)凸顯很多優(yōu)勢(shì)?；瘜W(xué)改性方法就是采用瀝青中活性官能團(tuán)，讓其與改性物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，幾者之間發(fā)生融合。通過(guò)化學(xué)改性，進(jìn)而提高瀝青的高溫低溫功能，感溫性和和抗疲勞性得到提高。

瀝青的性能評(píng)價(jià)有軟化點(diǎn)、針入度、延度三個(gè)指標(biāo)。軟化點(diǎn)是瀝青的高溫性能指標(biāo)之一，其實(shí)質(zhì)代表瀝青的粘度。 針入度是能把瀝青進(jìn)行分級(jí)，且針入度反映了瀝青在特定區(qū)域范圍內(nèi)(一定壓力，特定時(shí)間，合適溫度)的抵抗形變能力。而且瀝青的稠度也需用針入度表示。延度反映了瀝青的延展性能。

通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)瀝青結(jié)構(gòu)和成分相當(dāng)復(fù)雜，所以用于瀝青改性的改性劑很難選擇。然而，如果在改性劑中存在不飽和鍵，則瀝青改性時(shí)，瀝青的改性作用就會(huì)得到很大提高。用短鏈的聚烯烴物質(zhì)，對(duì)瀝青進(jìn)行改性，這些方面的探究目前還比較欠缺。本研究針對(duì)這種現(xiàn)狀，特別用石蠟烯[3]這種含有短鏈的聚烯烴物質(zhì)，然后對(duì)瀝青進(jìn)行改性，同時(shí)與其它幾種改性劑進(jìn)行對(duì)比，最終說(shuō)明石蠟烯在改性瀝青方面所存在的明顯優(yōu)勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

瀝青軟化點(diǎn)[4]測(cè)定儀，甘油、大鋼球、支架臺(tái)。針入度測(cè)試儀、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試針、溫度計(jì)(型號(hào)1400)、延度測(cè)試儀、冰塊、超恒溫水浴裝置、電動(dòng)機(jī)。電子天平、分析天平、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、封閉可調(diào)式電爐、剪切機(jī)、水銀溫度計(jì)、大燒杯、鏟刀。氯化聚丙烯、氯化石蠟、三氯化鐵、甘油、滑石粉、石蠟烯。

1.2 改性瀝青制備

1.2.1 樣品制備

1)先打開(kāi)分析天平，然后稱(chēng)取一定重量的改性物，待用；

2)對(duì)瀝青進(jìn)行加熱，將瀝青放135℃的烘廂中，加熱到瀝青完全變稀狀態(tài)為止；

3)再稱(chēng)量一定重量的瀝青，倒于不銹鋼的容器中；

4)瀝青放在電爐上，進(jìn)行加熱，同時(shí)迅速將剪切機(jī)剪切頭正好能浸入瀝青中。然后打開(kāi)剪切機(jī)，讓瀝青整體受熱均勻；

5)把水銀溫度計(jì)放置在合理的位置，并將水銀溫度計(jì)與不銹鋼容器的內(nèi)壁能達(dá)到良好接觸；

6)然后再加入改性物，計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)電爐溫度，應(yīng)將瀝青溫度控制在145℃；

7)加熱時(shí)，不斷使用玻璃棒對(duì)容器中的聚合物攪拌，切記攪拌均勻；

8)對(duì)瀝青加熱，然后計(jì)時(shí)，當(dāng)剪切機(jī)工作40min后就停止化學(xué)反應(yīng),把電爐電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉,先取出剪切機(jī)，再取出溫度計(jì),徹底清洗剪切機(jī)，把溫度計(jì)放置好。

1.2.2 模型制作

1)稱(chēng)量規(guī)定質(zhì)量的甘油，然后把甘油加入到滑石粉里面，攪拌均勻，看起來(lái)會(huì)形成粘稠物質(zhì)，這時(shí)就可以停止攪拌，此時(shí)隔離劑已經(jīng)制作完成；

2)清洗模具，并把他們放在烘箱中加熱45 min；

3)把隔離劑涂在模具相應(yīng)位置，而且玻璃板表面也應(yīng)涂上，把模具放在玻璃板的上面，靜置10min；

4)打開(kāi)烘箱門(mén)，把準(zhǔn)備好的放置在里面，調(diào)節(jié)溫度為130℃,加熱45min，把瀝青加熱到完全變稀為止；

5)把變稀的瀝青傾倒與模具內(nèi)，瀝青剛好沒(méi)過(guò)針入度金屬平地皿最佳；

6)把所有的模具放置于室溫下即可，時(shí)間為2 h，把針入度金屬平地皿放置在27 ℃的恒溫水槽里，浸泡時(shí)間為2h，然后開(kāi)始測(cè)定；

7)接下來(lái)把電爐打開(kāi)，把鏟刀加熱一下，把黃銅環(huán)瀝青外邊緣線的部分切除掉，把他們放在 6℃的恒溫水槽中浸泡。特別注意，軟化點(diǎn)金屬環(huán)，必須浸泡1h之后才能進(jìn)行測(cè)量。

1.3 軟化點(diǎn)測(cè)定

(1)拿出浸泡在保溫槽中的黃銅環(huán)，把它放置在支架的圓孔里面，把鋼球定位器卡主，再在上面放上大鋼球；

(2)把6℃左右的水(或32℃的甘油)加入到向500 mL的燒杯中，把燒杯放在軟化點(diǎn)測(cè)試儀的加熱板上，此時(shí)再把支架放在燒杯中；

(3)把熱電偶插入里面。把測(cè)試儀電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，啟動(dòng)操作程序，按一下“start”開(kāi)關(guān)，儀器會(huì)自動(dòng)執(zhí)行升溫功能，若鋼球墜入到下層板時(shí)，測(cè)量?jī)x將停止工作，記錄讀數(shù)；

(4)關(guān)閉儀器，取出支架，迅速放入冷水中冷卻，過(guò)15min后，清洗軟化點(diǎn)測(cè)試儀，并放置好。

1.4 針入度測(cè)試

(1)把26℃的水加入到平底玻璃槽中，使水能完全的沒(méi)過(guò)金屬平地皿15 mm；

(2)把平地皿從恒溫水浴中取出，小心放置于盛水的平底玻璃槽里面；

(3)打開(kāi)針入度計(jì)，，把標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試針安裝好，此時(shí)再把玻璃槽放在針入度計(jì)的平臺(tái)上面，把刻度盤(pán)上的指標(biāo)調(diào)整好；

(4)調(diào)試一下標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試針，應(yīng)該讓針尖剛好與瀝青的表面完好接觸，打開(kāi)連桿下降功能的開(kāi)關(guān)，針入度計(jì)即將工作， 10s之后，連桿會(huì)停止下降，快速讀出刻度盤(pán)上的數(shù)字(針入度值)，記錄下來(lái);

(5)樣品的測(cè)量次數(shù)不應(yīng)低于5次，應(yīng)保證最大的針入度值與最小針入度值兩者之間不應(yīng)超過(guò)6，若差值超過(guò)6，需要重新測(cè)定.

1.5 延度的測(cè)定

(1)使延度計(jì)的水浴槽溫度處于6℃左右，時(shí)間應(yīng)約1h以上，調(diào)節(jié)延度計(jì)的刻度，讓指針處于歸零狀態(tài)；

(2)把浸泡在6℃水浴里面的延具拿出來(lái)，放置在延度計(jì)滑動(dòng)板上面，為了穩(wěn)定必須卡好。

(3)然后再把電動(dòng)機(jī)打開(kāi)，讓滑動(dòng)板移動(dòng)，保持速度為3cm/s，在模具中的試樣被拉長(zhǎng)，試樣斷裂的那一刻，記錄指針?biāo)诳潭龋?/p>

(4)必須保證一個(gè)樣品做3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再進(jìn)行平行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 氯化聚丙烯對(duì)瀝青改性的影響

2.1.1 氯化聚丙烯對(duì)軟化點(diǎn)的影響

圖1 氯化聚丙烯對(duì)軟化點(diǎn)的影響

向一定質(zhì)量的瀝青中，加入的氯化聚丙烯質(zhì)量不同，再電加熱并保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)。此過(guò)程進(jìn)行中，發(fā)現(xiàn)瀝青中的氣泡量比較少。且容器上方仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)有白色煙霧生成。瀝青軟化點(diǎn)的結(jié)果如圖1所示。由圖可以得出，隨著氯化聚丙烯含量的增加，軟化點(diǎn)逐漸緩慢遞增，瀝青的高溫性就會(huì)得到提升。

2.1.2 氯化聚丙烯對(duì)針入度的影響

由圖2得出,伴隨著氯化聚丙稀加入含量的增多,針入度呈下降[5]的趨勢(shì)，瀝青的抗車(chē)轍能力就會(huì)得到提高。

圖2 氯化聚丙烯對(duì)針入度的影響

2.1.3 氯化聚丙烯對(duì)延度的影響

圖3 氯化聚丙烯對(duì)延度的影響

由圖3可知,當(dāng)加入少量氯化聚丙稀時(shí),延度就迅速下降,原因是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)在氯化聚丙烯當(dāng)中存在大量的氯元素。若把氯化聚丙稀置于較高溫度下，氯化聚丙稀會(huì)分解產(chǎn)生氯化氫氣體。而且發(fā)現(xiàn)在改性瀝青中會(huì)逐漸形成一些細(xì)小的氣泡。根據(jù)瀝青性能的測(cè)試所采用的方法,細(xì)小氣泡的存在對(duì)瀝青的延度有非常致命的影響。因?yàn)橥ㄟ^(guò)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)小氣泡的存在,使瀝青拉斷變得容易,從而瀝青的延度會(huì)發(fā)生迅速下降現(xiàn)象。因此,通過(guò)實(shí)驗(yàn)瀝青的實(shí)際延度在理論上比測(cè)試的結(jié)果稍微好了一點(diǎn)。當(dāng)氯化聚丙稀含量一直在增加時(shí),雖然影響了瀝青的高溫性能,但在實(shí)際工程中,這樣的瀝青使用范圍將會(huì)受到極大的限制。因?yàn)檠佣忍?結(jié)果瀝青會(huì)馬上變得很脆,非常容易在低溫下發(fā)生壓裂的現(xiàn)象。

2.2 三氯化鐵對(duì)瀝青改性的影響

2.2.1 三氯化鐵對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

圖4 三氯化鐵對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

若在瀝青中添加金屬，則會(huì)對(duì)瀝青的性能有明顯的影響，用三氯化鐵對(duì)瀝青進(jìn)行改性。通過(guò)圖4可以得出：隨著三氯化鐵用量的增加，瀝青的軟化點(diǎn)呈逐漸上升的趨勢(shì)。

2.2.2 三氯化鐵對(duì)針入度的影響

圖5 三氯化鐵對(duì)針入度的影響

由圖5可以得出，三氯化鐵對(duì)瀝青的針入度有明顯的影響。隨著三氯化鐵用量的增加，瀝青的針入度明顯下降。這是因?yàn)椋簽r青針入度代表了瀝青的硬度。

2.2.3 三氯化鐵對(duì)延度的影響

圖6 三氯化鐵對(duì)延度的影響

由圖6可知,當(dāng)瀝青中一旦加入到三氯化鐵時(shí),對(duì)瀝青延度就會(huì)有明顯的影響。隨著三氯化鐵用量的繼續(xù)增加，瀝青延度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)趨勢(shì)。因?yàn)槿然F對(duì)瀝青有氧化作用。結(jié)果使瀝青質(zhì)明顯增多，氫元素含量減少，出現(xiàn)碳化現(xiàn)象。同時(shí)制備[6]過(guò)程中產(chǎn)生的小氣泡會(huì)使延度迅速下降。

所以在制備過(guò)程中，三氯化鐵改性瀝青讓軟化點(diǎn)提升很高,即高溫性能較好,但瀝青的軟化點(diǎn)會(huì)變得太低,結(jié)果使瀝青變得很輕脆,低溫性能就會(huì)受到影響,事實(shí)上,這種瀝青工程應(yīng)用的可能性非常小。

2.3 石蠟烯對(duì)瀝青改性的影晌

2.3.1石蠟烯對(duì)軟化點(diǎn)的影響

圖7 石蠟烯對(duì)軟化點(diǎn)的影響

由圖7可知：當(dāng)摻雜含氯量為62.1%的石蠟烯時(shí)，隨著加入量的增加，軟化點(diǎn)升高速率變化的略顯快的趨勢(shì)。因?yàn)槭炏┲泻须p鍵[7]，結(jié)果會(huì)讓瀝青質(zhì)分子與石蠟烯中的直鏈較容易結(jié)合，形成含有側(cè)鏈的，大分子結(jié)構(gòu)，結(jié)果使瀝青的整體分子量變得很大，很難被軟化;而氯含量?jī)H有15.3%的石蠟烯，對(duì)于瀝青的軟化點(diǎn)影響不是很明顯。

2.3.2 石蠟烯對(duì)針入度的影響

圖8 石蠟烯對(duì)針入度的影響

由圖8可知，含62.1%石蠟烯針入度下降得更快，甚至超過(guò)了氯化石蠟，即抗車(chē)轍能力更強(qiáng)。而含氯量為15.3%的石蠟烯，下降程度非常不明顯。這是因?yàn)槁仍拥拇嬖?，?duì)于瀝青高溫性能，有著積極作用。

2.3.3 石蠟烯對(duì)延度的影響

圖9 石蠟烯對(duì)延度的影響

由圖9可知，石蠟烯對(duì)瀝青的延度由明顯的影響作用。隨著三種氯含量的石蠟的加入，最后瀝青的延度達(dá)到了相同的結(jié)果。這是因?yàn)槭炏┲写嬖陔p鍵，使瀝青分子更易形成大分子結(jié)構(gòu)。且氯含量下降時(shí)，分解產(chǎn)生的氯化氫氣體，也隨之減少，有利于瀝青，在低溫下的拉伸[8]。

3 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入氯化聚丙烯、三氯化鐵，這些均能使瀝青的軟化點(diǎn)升高，而針入度降低，但同時(shí)，瀝青的延度卻發(fā)生了不斷下降的現(xiàn)象。在一定操作范圍內(nèi)，犧牲一定的延度，進(jìn)而提高瀝青的高溫性能雖然是有利的，但延度太低的話(huà)，會(huì)使瀝青更容易發(fā)生脆裂現(xiàn)象，在工程上應(yīng)用空間具有一定的難度。

當(dāng)用不同氯含量的石蠟烯，對(duì)瀝青進(jìn)行改性研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著氯含量的上升，瀝青高溫性能得到了有效提升，但低溫性能卻變化不是很明顯?？傮w得出，石蠟烯對(duì)改性瀝青之后，延度仍能達(dá)到40cm。石蠟烯作為改性劑時(shí)，使瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度等綜合方面都得到了較好的體現(xiàn)。所以石蠟烯在瀝青改性中是較好的改性劑。