公路路面抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的制備及性能研究

程俊博 何昊晅 于洋

摘要：采用氯化鈉一硅藻土制備抗凝冰劑，添加在硅橡膠中制成抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料，采用電子顯微鏡對氯化鈉一硅藻土制備抗凝冰劑、抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料進(jìn)行表征，并研究了抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的抗凝冰、耐久性，測定了路用相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，結(jié)果表明：氯化鈉一硅藻土復(fù)合抗凝冰劑的中硅元素的含量最高;當(dāng)抗凝冰劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，硅橡膠基復(fù)合材料的結(jié)冰溫度最低為-5.2。C，抗結(jié)冰效果耐久性較好，添加30%抗凝冰劑的硅橡膠基復(fù)合材料表面結(jié)構(gòu)逐漸粗糙化，抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料的表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數(shù)、塑性指數(shù)等滿足高速和一級公路路用技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：硅橡膠;硅藻土;氯化鈉;抗凝冰

中圖分類號：TQ127.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0034-04

環(huán)境溫度在零度以下時，遇到雨雪天氣會產(chǎn)生路面結(jié)冰的自然現(xiàn)象。路面出現(xiàn)結(jié)冰時會大大降低車輛與路面之間的摩擦作用，車體制動困難，出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，容易出現(xiàn)交通事故，提高了交通事故率，為人們的出行帶來安全隱患，因此，解決雨雪天氣造成的路面結(jié)冰問題十分必要。

當(dāng)前關(guān)于公路路面的防冰技術(shù)主要有2種，一種是主動除凝冰技術(shù)，另一種是被動除凝冰技術(shù)。被動除凝冰技術(shù)主要包括公路人工除凝冰法、機器路面除凝冰法等，主動除凝冰技術(shù)主要是在不影響公路正常交通的情況下，在公路表面添加混合鹽化物、應(yīng)用抗凝冰鋪裝技術(shù)等達(dá)到抗凝冰的效果[1-2]。添加混合鹽化物時由于氯元素的存在會對公路表面和環(huán)境產(chǎn)生不良影響，抗凝冰鋪裝技術(shù)分為橡膠路面鋪裝技術(shù)、粗糙路面鋪裝技術(shù)、鑲嵌式鋪裝技術(shù)，由于橡膠這種路面改性材料具有促進(jìn)瀝青結(jié)構(gòu)形成的作用，保證了瀝青強度，且低溫下不易變形，便于大面積使用，硅橡膠的具有耐高溫、耐低溫、耐候性、電氣性能、物理機械性能、生理惰性，具有良好的透氣性[3]，本研究以硅橡膠為例，制備公路路面防結(jié)冰硅橡膠基復(fù)合材料，并對其抗凝冰性能進(jìn)行研究。

1 實驗材料及儀器

1.1 主要實驗材料

長白硅藻土，石英粉（凱捷礦產(chǎn)、200目），氯化鈉（分析純、南京化學(xué)試劑股份有限公司），瀝青（鎮(zhèn)海煉化、10#），烷基酚聚氧乙烯醚（OP- 10、Macklin），鹽酸（分析純、南京化學(xué)試劑股份有限公司），納米填料（CAB-O-SIL M-5、CABOT），硅橡膠（分析純、Dow Corning Corporation），丙酮（分析純、國藥集團化學(xué)試劑有限公司），固化劑（化學(xué)純、浙江遠(yuǎn)方實業(yè)有限公司），二月桂酸二丁基錫（有效物質(zhì)含量18.5%、品牌KPL）。

1.2 主要實驗儀器

457A電子天平（HC），JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡（日本電子光學(xué)公司），10IA-2B電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海一恒科技有限公司），KQ-50型超聲波清洗儀（青島聚創(chuàng)環(huán)保集團有限公司），DF-101S恒溫加熱磁力攪拌器（鄭州長城科工貿(mào)有限公司），DHI-5402X-射線電子能譜儀（美國物理電子公司），TECI-12708半導(dǎo)體制冷片（海大高科）。

2 實驗方法

2.1 氯化鈉一硅藻土抗凝冰劑的制備

取1個250mL燒杯配置lOOmLNaCI飽和水溶液，在恒溫磁力攪拌器上加熱至60qC之后恒溫攪拌，在燒杯中滴加濃鹽酸直至pH值為1。再取一個容量為lOOOmL的燒杯，加入硅藻土9.275g、OP-10（聚氧乙烯辛基苯酚醚-10）49、丙酮400mL，超聲震蕩30min之后得到懸浮液，之后在超聲震蕩的條件下再逐滴加入飽和的NaCI水溶液，滴加完成后再加入29填料，超聲震蕩30min，將固體沉淀物進(jìn)行抽濾得到黃色物質(zhì)，連帶濾紙放人真空干燥箱中進(jìn)行干燥，干燥箱的溫度設(shè)置為150C，最后得到塊狀的氯化鈉一硅藻土固體，固體粉碎成粉末之后稱重，收集在磨口廣口瓶中[4]。

2.2 抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料制備

根據(jù)質(zhì)量比為4：1的比例將硅橡膠與固化劑混合之后，取6個250mL燒杯分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%、30%、40%、50%的氯化鈉一硅藻土抗凝冰劑，加入2%的催化劑二月桂酸二丁基錫進(jìn)行催化，攪拌5min之后，倒人磨砂紙反面上，自動成型，2h之后固化完成。

2.3 硅橡膠基復(fù)合材料抗凝冰實驗

抗結(jié)冰性能測試實驗裝置見圖1，制冷臺主要包括計算機、隔熱板、制冷片、電壓控制器、溫控裝置等，使用的半導(dǎo)體制冷片型號為TECl-12708，水冷裝置的水循環(huán)使制冷片表面溫度保持穩(wěn)定。冷卻液為一定濃度的CaC12水溶液，CaC12水溶液放入-20℃的冰箱中使其完全結(jié)冰。計算機控制電壓控制器的實際電壓輸出大小以此調(diào)節(jié)制冷片的輸出功率，溫控裝置對制冷臺中的制冷片的表面溫度進(jìn)行實時采集反饋到計算機上，通過調(diào)節(jié)電壓的大小，進(jìn)而控制樣品表面溫度。

添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%、30%、40%、50%的氯化鈉一硅藻土抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料固化完成之后，依次置于半導(dǎo)體制冷片上，將制冷片放置在CaCI2溶液冰桶內(nèi)，在硅橡膠基復(fù)合材料表面滴加水滴，記錄結(jié)冰溫度。

2.4 樣品的表征

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對抗凝冰劑氯化鈉一硅藻土顆粒、添加抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料進(jìn)行表面微觀結(jié)構(gòu)表征觀察。

2.5 抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料技術(shù)參數(shù)測定

通過試驗測試得出抗結(jié)冰性能效果最佳含量的樣品，作為技術(shù)參數(shù)測定的研究對象。為了保證抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的應(yīng)用效果，參照高速和一級公路技術(shù)指標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)方法對抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數(shù)、塑性指數(shù)等進(jìn)行檢測。

2.6 耐久性評價試驗

將效果最好的抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料樣品測試完抗結(jié)冰性能后，擦去表面的水滴，將其放人干燥箱中進(jìn)行干燥，完全干燥之后再繼續(xù)測定抗結(jié)冰效果，如此反復(fù)，直至抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的抗結(jié)冰效果完全消失，記錄相關(guān)的實驗次數(shù)和結(jié)冰溫度。

3 結(jié)果與討論

3.1 抗凝冰劑表面形貌與能譜（EDS）定量分析

抗凝冰劑氯化鈉一硅藻土顆粒的掃描電鏡圖和能譜圖見圖2和圖3，根據(jù)圖2可知，氯化鈉晶體的尺寸在幾微米至幾十微米之間，而硅藻土的比表面積非常大，氯化鈉晶體吸附在硅藻土顆粒的表面，從微觀結(jié)構(gòu)上來說，氯化鈉與硅藻土顆粒的大小均一，氯化鈉與硅藻土實現(xiàn)了物理鑲嵌結(jié)合，為與硅橡膠基的結(jié)合提供了基礎(chǔ)根據(jù)。在與硅橡膠材料混合之前應(yīng)反復(fù)碾磨均勻，使混合物具有良好的抗凝冰性能。根據(jù)圖3可知，氯化鈉一硅藻土復(fù)合抗凝冰劑的顆粒主要包括碳元素（含量14.68%）、氧元素（含量3.98%）、鈉元素（含量4.98%）、硅元素（含量64.71%）、氯元素（含量11.64%），其中硅元素的含量最高。

3.2 硅橡膠基復(fù)合材料抗凝冰實驗測試結(jié)果

為了研究硅橡膠基復(fù)合材料的抗凝冰性能，將氯化鈉一硅藻土抗凝冰劑不同含量的硅橡膠基復(fù)合材料放置于在圖1的制冷設(shè)備中，將硅橡膠材料設(shè)置為空白對照組，實驗結(jié)果見圖4，根據(jù)圖4可知，隨著抗凝冰劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硅橡膠基復(fù)合材料的結(jié)冰溫度不斷降低，當(dāng)抗凝冰劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，硅橡膠基復(fù)合材料的結(jié)冰溫度最低為-5.2℃，空白對照硅橡膠材料的結(jié)冰溫度為一1℃，由此可知硅橡膠基復(fù)合材料的抗凝冰能力較好，抗凝冰劑達(dá)到30%后，再繼續(xù)加入抗凝冰劑，抗凝冰能力不再提升，因此，可知，本研究中抗凝劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%抗凝冰效果最好。

3.3 抗凝冰硅橡膠材料表面微觀結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步分析加入凝冰劑的硅橡膠基復(fù)合材料與空白硅橡膠材料的抗凝冰能力的差異，采用1000倍掃描電子顯微鏡對添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料和空白硅橡膠的表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，空白實驗結(jié)果見圖5，添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料的表面結(jié)構(gòu)見圖6。添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料表面逐漸變得復(fù)雜，有顆粒狀物質(zhì)，逐漸粗糙化，這是由于在潮濕寒冷的環(huán)境中，抗凝冰劑遇到潮濕寒冷的環(huán)境，與樣品表面混合形成氯化鹽電解質(zhì)的水溶液，降低樣品表面的冰點，使其具有一定的抗凝冰能力。

3.4 抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料技術(shù)參數(shù)測定

為了保證抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的應(yīng)用效果，參照高速和一級公路技術(shù)指標(biāo)對添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料的表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數(shù)、塑性指數(shù)等進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。根據(jù)表1可知，制備的抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的各項指標(biāo)合格，滿足高速和一級公路路用技術(shù)指標(biāo)。

3.5 耐久性評價試驗

將效果最好的抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料樣品測試完抗結(jié)冰性能后，擦去表面的水滴，將其放人干燥箱中進(jìn)行干燥，完全干燥之后再繼續(xù)測定抗結(jié)冰效果，如此反復(fù)，直至抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的抗結(jié)冰效果完全消失，得出如下實驗結(jié)果：實驗重復(fù)第4次時，抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的結(jié)冰溫度為-4.7℃，與第一次實驗時的結(jié)冰溫度-5.2℃相比可知其抗凝冰性能降低幅度較小，第5次重復(fù)實驗時，抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料的結(jié)冰溫度為-4.5℃，第20次實驗時，抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料仍然具有抗結(jié)冰效果，說明抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料耐久性較好。

4 結(jié)語

應(yīng)用新型硅橡膠基復(fù)合材料可以減少路面結(jié)冰所造成的交通事故以及人員傷亡，并且添加的無機鹽類物質(zhì)較少，有利于環(huán)境的保護(hù)，還可以延長路面的使用年限。本文對對抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）氯化鈉一硅藻土復(fù)合抗凝冰劑的顆粒主要包括碳元素（含量14.68%）、氧元素（含量3.98%）、鈉元素（含量4.98%）、硅元素（含量64.71%）、氯元素（含量11.64%），其中硅元素的含量最高。

2）當(dāng)抗凝冰劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時，硅橡膠基復(fù)合材料的結(jié)冰溫度最低為-5.2℃。添加30%抗凝冰劑的硅橡膠基復(fù)合材料表面逐漸變得復(fù)雜，有顆粒狀物質(zhì)，結(jié)構(gòu)逐漸粗糙化。

3）添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復(fù)合材料的表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數(shù)、塑性指數(shù)等滿足高速和一級公路路用技術(shù)指標(biāo)。

4）抗凝冰硅橡膠基復(fù)合材料20次抗凝冰實驗之后仍然具有抗結(jié)冰效果，耐久性較好。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：程俊博（1984-），男，漢族，河南汝州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：交通工程。