一种抗紫外沥青及其制备方法和应用与流程

文档序号:26645693发布日期:2021-09-15 03:07
一种抗紫外沥青及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及公路沥青技术领域,尤其涉及一种抗紫外沥青及其制备方法和应用。


背景技术:

2.沥青的老化通常分为由高温引起的热老化和由太阳光中包含的紫外线照射引起的紫外老化。光氧老化是沥青道路长期老化的主要原因。紫外线能量超过c

c,c

h键断裂键能,沥青分子内部较弱的化学键断裂,发生化学反应,从而导致分子结构发生改变,致使性能下降。沥青中大量的稠环化合物,sbs改性剂等紫外线吸收能力强,发生光解反应,导致老化,影响使用性能和路用寿命。沥青混合物为黑色材料,通常橡塑制品中常用的抗紫外吸收剂,二氧化铈,二氧化钛,二氧化锌,炭黑等抗紫外吸收剂效果并不明显。我国新疆,西藏等西部地区,海拔高,空气稀薄,紫外吸收辐射尤为强烈,这种紫外线老化现象会导致沥青路面的抗温度裂缝和疲劳破坏能力下降,路面容易出现裂缝、坑槽等病害,使沥青路面的使用寿命缩短。
3.因此,现有沥青有待进一步改进。


技术实现要素:

4.针对现有沥青抗紫外能力弱,容易发生紫外老化,降低沥青路面的抗温度裂缝和疲劳破坏能力,导致缩短沥青路面使用寿命的问题,本发明实施例提供了一种新型的抗紫外沥青及其制备方法和应用,抗紫外沥青中添加的改性材料与沥青相容性好,分散均匀成连续相防护层,通过双层无机光遮盖层可反射、散射紫外线,降低紫外线对路面的损害,而且该沥青对红外线吸收小,可将吸收的紫外线部分转化为热能,使路面具有储能功能。本发明的方案具体如下:
5.第一方面,本发明提供一种抗紫外沥青,由以下重量份的组分制备而成:沥青75

85份、改性剂3

5份、“三明治”结构的光屏蔽剂3

5份、辅助光屏蔽剂3

5份、抗氧剂1

3份、防老剂1

3份、紫外线吸收剂1.5

1.7份、自由基捕捉剂1

3份、光稳定剂0.3

0.5份。
6.其中,上述抗紫外沥青,一方面基于“三明治”结构的光屏蔽剂与辅助光屏蔽剂形成的上下双层无机光遮盖层对紫外线的反射、散射作用,使辐射的大部分紫外线难以穿透到材料内部,发挥光遮蔽作用;
7.另一方面,由于当应用于紫外线强度高的高海拔地区时,仍有少部分紫外线穿过光掩盖层进入到防紫外沥青层,此时抗紫外沥青内部的其他成分协同发挥作用,具体为:其一,光遮盖层表面存在的羟基、酚羟基、醌基、内酯可吸收穿透自由基;其二,存在于插层中的有机环状含氮环状结构和氨基结构可将吸收的自由基电子进行传递;其三,散布在材料中的光捕捉剂具有立体效应,可捕捉传递的自由基,分解过氧化物;其四,抗氧剂消除新产生的自由基,或者促使氢过氧化物的分解;其五,紫外吸收剂分子吸收uv光能量,分子内氢键断裂,螯合环破坏,形成亚稳态离子结构,离子结构分解,释放能后再形成分子内氢键,构成循环反应,持续发挥吸收紫外线的作用,而紫外吸收剂分子发生能级越迁,达到激发态,
当回复到初始态时,部分能量以光能和热能到形式释放,从而也能起到储热的作用。
8.通过上述光捕捉剂、抗氧剂和紫外吸收剂的协同配合,可将进入到沥青材料内的自由基进行捕捉并消除,有效避免材料内部发生氧化反应,降低吸收的uv光能量对沥青材料的损害,尽可能最大限度延缓沥青材料的紫外老化过程。在上述基础上,加入的改性材料与沥青相容性好,分散均匀成连续相防护层,对红外线吸收小,吸收紫外线部分转化为热能,使路面具有储能功能。
9.优选地,所述“三明治”结构的光屏蔽剂为发明人自制,其由以下质量份数的各成分制备而成:
10.85~95份的层状无机物、1~3份的钛酸酯偶联剂、1~3份三聚氯氰、质量份数为1~3份的三聚氰胺、1~3份的三辛基胺、1~3份质量份数的聚乙烯蜡。
11.具体地,所述层状无机物为蒙脱土、高岭土、水滑石、人造锂皂石、白云石、累托石、片状硫酸铝中的一种或几种。
12.所述“三明治”结构的光屏蔽剂的制备方法具体为:
13.(1)将质量份数为85~95份的层状无机物、1~3份的钛酸酯偶联剂、1~3份三聚氯氰在3000rpm转速下高速搅拌研磨15分钟进行插层;
14.(2)再加入质量份数为1~3份的三聚氰胺、1~3份的三辛基胺,3000rpm高速搅拌研磨15分钟进行扩层处理,得到复合粉体;
15.(3)最后,加入1~3份质量份数的聚乙烯蜡对复合粉体进行包覆,再经干燥、球磨和过筛后,获得“三明治”结构的光屏蔽剂。
16.优选地,所述“三明治”结构的光屏蔽剂采用5000目。
17.上述“三明治”结构的光屏蔽剂的作用原理为:层状无机物的分子空间具有较大空隙,其是由硅氧多面体和其他离子掺杂的硅氧多面体组成,颗粒较细,具有较大的比表面积,同时由于层间作用力比较弱,在插层剂的作用下可以剥离,膨胀,分离成更薄的单晶片。利用插层材料(层状无机物、钛酸酯偶联剂和三聚氯氰)具有可交换离子的性能,可以插入有机氨基离子和多氮类杂环结构,形成稳定插层和比较大的层间距,使分离的单晶片成稳定二维连续排布,具有更好的光屏蔽作用。同时,部分uv吸收剂,光稳定剂,光捕捉剂等分子在氨基、富电子结构等范德华力作用下,吸附于插层中,发挥作用;其中,部分未被光遮盖层屏蔽掉的紫外线进入到防紫外沥青层内部时,紫外吸收剂等发挥作用,吸收紫外线,发生能级越迁,达到激发态,当回复到初始态时,部分能量以光能和热能到形式释放。
18.为与上述“三明治”结构的光屏蔽剂相配合,提高其光屏蔽效果,抗紫外沥青中添加辅助光屏蔽剂,辅助光屏蔽剂采用炭黑、纳米氧化锌、纳米氧化钛、纳米氧化铝、纳米二氧化硅中的一种或多种。所述辅助光屏蔽剂具有强烈反射紫外光或吸收紫外光的作用,与“三明治”结构的光屏蔽剂协同配合,形成上下双层无机光遮盖层,进一步提高沥青的抗紫外能力。
19.优选地,上述抗紫外沥青中,所述改性剂为sbs(苯乙烯系热塑性弹性体)、sis(苯乙烯一异戊二烯一苯乙烯)、sebs(以聚苯乙烯为末端段,以聚丁二烯加氢得到的乙烯

丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物)、sbr(丁苯橡胶)或pe(聚乙烯)。
20.优选地,所述沥青为110沥青、90沥青或70号沥青。由于该抗紫外沥青主要应用于高原和高海拔地区,应用环境的温度较低,对沥青的高温性能要求不高,更注重低温性能。
这三种沥青,特别是110和90号是使用量比较大的沥青产品中低温性能比较好的,更适用于本发明的抗紫外沥青。
21.优选地,上述抗紫外沥青中,抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂bht、抗氧剂ca、抗氧剂164、抗氧剂dltp、抗氧剂tnp、抗氧剂tpp、抗氧剂mb中的一种或几种的混合物。
22.优选地,上述抗紫外沥青中,所述防老剂为防老剂cppd、防老剂ippd、防老剂dppd、4,4'一双(2,2

二甲基苄基)二苯胺、防老剂aw中的一种。
23.优选地,上述抗紫外沥青中,所述紫外线吸收剂为邻羟基苯甲酸苯酯、紫外线吸收剂uv

o、紫外线吸收剂uv

9、紫外线吸收剂uv

531、紫外线吸收剂uv

327、紫外线吸收剂rmb中的一种。
24.优选地,自由基捕捉剂为2,2

二苯基
‑1‑
三硝基苯肼(dpph)、对苯醌、四甲基苯醌、2

甲基
‑2‑
亚硝基甲烷、苯基

n

叔丁基硝酮中的一种。
25.优选地,上述抗紫外沥青中,光稳定剂为光稳定剂am

101(2,2
’‑
硫代双(4

叔辛基酚氧基)镍)、光稳定剂gw

540(三(1,2,2,6,6

五甲哌啶基)亚磷酸酯)、光稳定剂744(4

苯甲酰氧基

2,2,6,6

四甲基哌啶)、2,4,6

三(2’正丁氧基苯基)

1,3,5

三嗪、光稳定剂hpt(六甲基磷酰三胺)中的一种。
26.第二方面,本发明提供上述抗紫外沥青的制备方法,其包括以下步骤:
27.步骤一,将相应重量份数的改性剂、“三明治”结构的光屏蔽剂、辅助光屏蔽剂放入搅拌机中,在常温下搅拌30

60min,得到混合料1;
28.步骤二,将相应重量份数的基质沥青预热至180

190℃,然后把相应重量份数的抗氧剂、防老剂、紫外线吸收剂、自由基捕捉剂、光稳定剂加入配料罐,持续剪切状态下加入上述混合料1,在3000

4000rpm的条件下充分剪切2

3h,得到抗紫外沥青。
29.第三方面,本发明还提供抗紫外沥青在沥青路面中的应用。
30.本发明提供的抗紫外沥青具有以下有益效果:
31.1、所述抗紫外沥青,通过“三明治”结构的光屏蔽剂和辅助光屏蔽剂的配合,在沥青表面形成双层无机光遮盖层;双层无机光遮盖层可通过反射、散射紫外线,使沥青表面接收到的大部分紫外线难以穿透到沥青内部,发挥光遮蔽作用。
32.针对少部分穿过光掩盖层进入到防紫外沥青层的紫外线,抗紫外沥青内部的其他成分协同发挥作用:光遮盖层表面存在的羟基、酚羟基、醌基、内酯可吸收穿透自由基,存在于插层中的有机环状含氮环状结构和氨基结构可将吸收的自由基电子进行传递,散布在材料中的光捕捉剂具有立体效应,可捕捉传递的自由基,分解过氧化物,抗氧剂消除新产生的自由基,或者促使氢过氧化物的分解;紫外吸收剂发挥吸收紫外线的作用,分子发生能级越迁,达到激发态,当回复到初始态时,部分能量以光能和热能到形式释放,从而也能起到储热的作用。
33.通过上述光捕捉剂、抗氧剂和紫外吸收剂的协同配合,可将进入到沥青材料内的自由基进行捕捉并消除,有效避免材料内部发生氧化反应,降低吸收的uv光能量对沥青材料的损害,尽可能最大限度延缓沥青材料的紫外老化过程。
34.2、抗紫外沥青中的改性材料与沥青相容性好,分散均匀成连续相防护层,对红外线吸收小,吸收紫外线部分转化为热能,使路面具有储能功能。
35.3、所述抗紫外沥青的配方简单,易制备,可广泛应用于各地区的沥青路面,尤其适
用于紫外线强度高的高海拔地区,可大幅度地延长路面的吱哇老化,提高沥青路面的抗温度裂缝和疲劳破坏能力,降低路面病害的发生,延长路面的使用寿命。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
37.除非另有定义,本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
38.实施例1
39.1、本实施例提供一种抗紫外沥青,其由以下重量份数的组分制备而成:
40.沥青110 75份、改性剂5份、“三明治”结构的光屏蔽剂5份、辅助光屏蔽剂5份、抗氧剂3份、防老剂3份、紫外线吸收剂1.7份、自由基捕捉剂2份、光稳定剂0.3份。
41.其中,改性剂为sbs,辅助光屏蔽剂为炭黑、抗氧剂为抗氧剂1010、防老剂为防老剂cppd、紫外线吸收剂为紫外线吸收剂uv

531、自由基捕捉剂为dpph、光稳定剂为光稳定剂gw

540。
42.上述“三明治”结构的光屏蔽剂的制备方法为:
43.(1)将质量份数为95份的层状无机物、1份的钛酸酯偶联剂、1份三聚氯氰在3000rpm转速下高速搅拌研磨15分钟进行插层;
44.(2)再加入质量份数为1份的三聚氰胺、1份的三辛基胺,3000rpm高速搅拌研磨15分钟进行扩层处理,得到复合粉体;
45.(3)最后,加入1份质量份数的聚乙烯蜡对复合粉体进行包覆,再经干燥、球磨和过筛后,获得“三明治”结构的光屏蔽剂。
46.2、上述的抗紫外沥青的制备方法为:
47.步骤一,将5份的改性剂、5份的“三明治”结构的光屏蔽剂、5份的辅助光屏蔽剂放入搅拌机中,在常温下搅拌30min,得到混合料1;
48.步骤二,将相应重量份数的基质沥青预热至185℃,然后把相应重量份数的3份的抗氧剂、3份的防老剂、1.7份的紫外线吸收剂、2份的自由基捕捉剂、0.3份的光稳定剂加入配料罐,持续剪切状态下加入上述混合料1,在3000rpm的条件下充分剪切3h,得到抗紫外沥青。
49.实施例2
50.1、本实施例提供一种抗紫外沥青,其由以下重量份数的组分制备而成:
51.沥青90 85份、改性剂3份、“三明治”结构的光屏蔽剂4份、辅助光屏蔽剂3份、抗氧剂1份、防老剂1份、紫外线吸收剂1.5份、自由基捕捉剂1份、光稳定剂0.5份。
52.其中,改性剂为sebs,辅助光屏蔽剂为纳米二氧化硅、抗氧剂为抗氧剂1076、防老
剂为防老剂ippd、紫外线吸收剂为紫外线吸收剂uv

0、自由基捕捉剂为对苯醌、光稳定剂为光稳定剂744。上述“三明治”结构的光屏蔽剂的制备方法与实施例1相同。
53.2、上述的抗紫外沥青的具体制备方法如下:
54.步骤一,将3份的改性剂、4份的“三明治”结构的光屏蔽剂、3份的辅助光屏蔽剂放入搅拌机中,在常温下搅拌60min,得到混合料1;
55.步骤二,将相应重量份数的基质沥青预热至180℃,然后把相应重量份数的1份的抗氧剂、1份的防老剂、1.5份的紫外线吸收剂、1份的自由基捕捉剂、0.5份的光稳定剂加入配料罐,持续剪切状态下加入上述混合料1,在3500rpm的条件下充分剪切2.5h,得到抗紫外沥青。
56.实施例3
57.1、本实施例提供一种抗紫外沥青,其由以下重量份数的组分制备而成:
58.沥青70 80份、改性剂4份、“三明治”结构的光屏蔽剂3份、辅助光屏蔽剂4份、抗氧剂2份、防老剂2份、紫外线吸收剂1.6份、自由基捕捉剂3份、光稳定剂0.4份。
59.其中,改性剂为sbr,辅助光屏蔽剂为纳米氧化锌、抗氧剂为抗氧剂bht、防老剂为防老剂dppd、紫外线吸收剂为紫外线吸收剂uv

9、自由基捕捉剂为四甲基苯醌、光稳定剂为光稳定剂am

101。上述“三明治”结构的光屏蔽剂的制备方法与实施例1相同。
60.2、上述的抗紫外沥青的具体制备方法如下:
61.步骤一,将4份的改性剂、3份的“三明治”结构的光屏蔽剂、4份的辅助光屏蔽剂放入搅拌机中,在常温下搅拌45min,得到混合料1;
62.步骤二,将相应重量份数的基质沥青预热至190℃,然后把相应重量份数的2份的抗氧剂、2份的防老剂、1.6份的紫外线吸收剂、3份的自由基捕捉剂、0.4份的光稳定剂加入配料罐,持续剪切状态下加入上述混合料1,在4000rpm的条件下充分剪切2h,得到抗紫外沥青。
63.实施例4
64.本实施例提供的抗紫外沥青的配方和制备方法与实施例1相同,不同之处仅在于采用不同的“三明治”结构的光屏蔽剂,该实施例的光屏蔽剂的制备方法为:
65.(1)将质量份数为85份的层状无机物、2份的钛酸酯偶联剂、2份三聚氯氰在3000rpm转速下高速搅拌研磨15分钟进行插层;
66.(2)再加入质量份数为2份的三聚氰胺、2份的三辛基胺,3000rpm高速搅拌研磨15分钟进行扩层处理,得到复合粉体;
67.(3)最后,加入2份质量份数的聚乙烯蜡对复合粉体进行包覆,再经干燥、球磨和过筛后,获得“三明治”结构的光屏蔽剂。
68.该实施例制备的抗紫外沥青的性能与实施例1的抗紫外沥青的性能指标相似,在后续性能测试实施例中不再阐述。
69.对比例1
70.本对比例提供的具有抗紫外功能的沥青是在实施例1的抗紫外沥青基础上,省去了“三明治”结构的光屏蔽剂,其他组分与实施例1相同,制备方法也参考实施例1。
71.对比例2
72.本对比例采用现有常用的是sbr改性沥青,其中抗老化剂的掺量为5%。
73.抗紫外沥青的性能测试实施例
74.1、测试方法为:具体参照jtg e20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的方法对各实施例和对比例的抗紫外沥青进行性能测试,其中,检测tfot残留物是采用薄膜烘箱试验,具体实验方法如下:
75.将沥青试样分别注入内径140mm
±
1mm,壁厚0.7

1.0mm,深9.5

10mm的盛样器皿,50
±
0.5g,并使其形成厚度均匀的薄膜,将薄膜加热烘箱保持在163
±
0.5℃,将盛样器皿放入烘箱内的转盘上,打开旋转开关,使转盘以5.5r/min的速度旋转,在上述环境下保持5h即完成薄膜烘箱试验,再测定并计算出实验前后的沥青试样的tfot残留物的质量、针入度等的变化。检测结果具体见下表1。
76.表1各实施例的抗紫外沥青的性能测试
[0077][0078]
从上述表1的实验结果可知,与对比例1

2相比,实施例1

3的沥青试样的综合性能都得到提高;而薄膜烘箱试验的结果显示,相对于对比例1

2,实施例1

3的沥青试样的tfot残留物的质量变化降低,针入度比得到显著提高,延度和软化点保持相对稳定,即:在实验前后,实施例1

3的沥青试样的综合性能较为稳定。上述结果说明:本发明提供的抗紫外沥
青的综合性能得到提高,其抗高温老化性能也显著提升。
[0079]
2、紫外老化试验
[0080]
采用马歇尔试验法,以0.5%为间隔,用击实法将实施例1

3以及对比例1

2的抗紫外沥青与石子制作成油石比5%的马歇尔试件,试件尺寸切割为25.0cm
×
3.0cm
×
3.5cm。为模拟沥青路面的室外紫外老化,试验采用自制的紫外老化试验箱进行模拟,老化灯具采用400w的高压汞灯,加装铝反射灯罩,可以将90%以上的紫外线反射在试件上。此外,由于紫外线照射在试件上会产生大量的热,防止对试验结果产生干扰,因此,采用100w的鼓风机往试验箱中鼓人冷空气,通过控制风速来间接控制试验箱内部温度稳定在30℃
±
2℃。然后将实施例1

3以及对比例1

2的马歇尔试件置于紫外老化试验箱进行紫外老化试验,高压汞灯照射时间为72h。
[0081]
接着,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtg e20—2011)中的t0715

2011沥青混合料弯曲试验步骤对各组的马歇尔试件进行三点弯曲试验,试验结果见下表2:
[0082]
表2各沥青混合料的紫外老化试验结果
[0083][0084]
从上表2的结果可知,采用对比例1和2的沥青制备的沥青混合料,其紫外老化试验后,其最大弯拉应变、抗弯拉强度值进行了大幅度的降低,弯曲劲度模量显著提高,反映出对比例1和2的沥青的抗紫外老化性能差,抗弯拉性能降低极大。而与对比例1

2相比,实施例1

3的抗紫外沥青在老化实验后其性能较为稳定,抗弯拉强度值仅下降不到10%,而对比例1下降了仅35%,对比例2下降了近52%。显然,本发明的抗紫外沥青的抗紫外老化性能得到大幅度地提升,而“三明治”结构的光屏蔽剂是其配方中不可缺少的关键组分。
[0085]
可以理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变,而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
再多了解一些
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