碳納米管提高SBS改性瀝青性能的研究

孫 凌，于文勇，張春平

(黑龍江工程學(xué)院，哈爾濱150050)

SBS改性瀝青由于同時兼顧高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，已經(jīng)逐漸成為最常用的改性瀝青品種。通過對我省使用SBS改性瀝青修筑的呼綏高速公路、哈爾濱機場高速公路等使用性能調(diào)查，其路用性能遠遠優(yōu)于普通瀝青修筑的路面。但由于SBS在瀝青材料中的分散粒徑偏大及分散不夠均勻，其改性效果也有不盡人意的地方，導(dǎo)致SBS改性瀝青路面在使用一段時間后，在行車荷載和自然因素作用下，出現(xiàn)不同程度的損壞。

近幾年來，納米技術(shù)正在逐漸滲透到交通材料領(lǐng)域，納米改性瀝青即其一種。納米改性瀝青是一種瀝青納米復(fù)合材料。納米添加劑材料 (分散相)與瀝青基質(zhì)材料 (分散介質(zhì))的相容性和分散穩(wěn)定性，是納米改性瀝青優(yōu)異性能得以發(fā)揮和體現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

碳納米管是一維納米結(jié)構(gòu)，具有零維納米點不具備的性質(zhì)，如柔韌性等，而相對于高維度的納米體系又更容易與瀝青混合;碳納米管有大量共軛π鍵和環(huán)狀結(jié)構(gòu)，和SBS以及瀝青的相容性比其他無機納米材料更好，這種提供大量電子的結(jié)構(gòu)也是瀝青和SBS高聚物之間潛在的橋梁;碳納米管表面有很多位點可以修飾和改性，為化學(xué)方法改性納米材料并提升性能提供了條件。本文通過在基質(zhì)瀝青中添加碳納米管和SBS改性劑對瀝青改性，同時進行一系列的室內(nèi)試驗，論述碳納米管對SBS改性瀝青性能的改善。

1 碳納米管－SBS改性瀝青的制備

1.1 試驗用原材料

基質(zhì)瀝青采用盤錦110#瀝青，SBS改性劑為線型1301型，分子量520萬，形狀如圖1所示，穩(wěn)定劑為上海群康瀝青科技有限公司生產(chǎn)的路菲特穩(wěn)定劑。碳納米管采用中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司生產(chǎn)的多壁碳納米管，主要指標為:外徑815nm，OH含量3.70wt%，長度50μm，純度 ＞95wt%。

1.2 制備方法

碳米管為黑色粉末狀，而SBS為白色米粒大小顆粒，為使二者能更好地混合，首先使用機械攪拌機將SBS顆粒打碎 (如圖2所示)，之后將碳納米管與打碎的SBS機械拌和均勻，獲得碳納米管－SBS復(fù)合瀝青改性劑。

圖1 SBS改性劑Fig.1 SBSmodifier

圖2 粉碎后SBS改性劑Fig.2 Crushed SBSmodifier

將不同劑量的碳納米管+不同劑量的粉碎的SBS+基質(zhì)瀝青180℃溫度下剪切，加入穩(wěn)定劑在160℃溫度下攪拌，制備碳納米管－SBS改性瀝青，其中碳納米管的劑量按占SBS的百分含量計，SBS的劑量按占基質(zhì)瀝青百分含量計。

2 碳納米管－SBS改性瀝青性能試驗

上述制備的碳納米管－SBS改性瀝青按現(xiàn)行試驗規(guī)程，測定三大指標，首先在基質(zhì)瀝青中直接加入碳納米管對其進行改性，改性結(jié)果見表1，碳納米管－SBS改性瀝青的改性結(jié)果見表2表5。

表1 0%SBS改性瀝青中添加碳納米管后指標試驗結(jié)果Tab.1 Experiment results of modified asphalt with 0%carbon nanotubes

對表1數(shù)據(jù)進行分析:只加碳納米管的改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比，除了針入度有一定下降外，其它性能并未有明顯提高，這說明單純的加入碳納米管并不會對瀝青有很好的改性。

表2 1%SBS改性瀝青中添加碳納米管后指標試驗結(jié)果Tab.2 Experiment results of modified asphalt with 1%carbon nanotubes

表3 2%SBS改性瀝青中添加碳納米管后指標試驗結(jié)果Tab.3 Experiment results of modified asphalt with 2%carbon nanotubes

表4 3%SBS改性瀝青中添加碳納米管后指標試驗結(jié)果Tab.4 Experiment results of modified asphalt with 3%carbon nanotubes

表5 4%SBS改性瀝青中添加碳納米管后指標試驗結(jié)果Tab.5 Experiment results of modified asphalt with 4%carbon nanotubes

從表中數(shù)據(jù)可以看出，不添加碳納米管，只摻加SBS改性劑對瀝青進行改性，針入度隨SBS含量的增多而下降，低溫延度和軟化點均提高，說明SBS對瀝青的改性，三大指標向好的方向發(fā)展，并且隨SBS摻量的增加，改性效果更好。但在室內(nèi)試驗時發(fā)現(xiàn)，當SBS摻量超過5%和6%時，SBS改性瀝青趨向于橡膠的性能，同時考慮成本的影響，本試驗制備碳納米管－SBS改性瀝青時，SBS摻加量不超過4%。

觀察同時加入碳納米管和SBS的樣品的數(shù)據(jù)，與只加入碳納米管，或只加入SBS的改性瀝青對比，可以明顯地看到碳納米管的加入對SBS瀝青的性能有較大的影響，這說明，碳納米管對瀝青的作用，必須是需要與SBS協(xié)同作用才能達到。

為更方便地觀察SBS劑量相同，不同碳納米管的添加量對瀝青改性的的變化趨勢，將數(shù)據(jù)整理為圖形進行分析，如圖3所示。

圖3 不同添加量碳納米管－SBS改性瀝青三大指標柱狀圖Fig.3 Histogram of three indicators with different amount of carbon nanotubes-SBSand asphalt

從圖中可以看出，碳納米管添加量不同的改性瀝青，其性能變化規(guī)律:隨碳納米管添加量的增加，針入度降低，達到0.08%時又有提高;低溫延度提高，達到0.08%時降低;軟化點隨著碳納米管添加量的增加而提高，達0.08%時趨于不變。

圖4 不同碳納米管添加量的SBS改性瀝青三大指標變化規(guī)律Fig.4 Variation of three indicators with different carbon nanotubes amount of SBSmodified asphalt

觀察不同碳納米管添加量，可以發(fā)現(xiàn)，碳納米管的添加量對SBS改性瀝青的性能改變也是一個決定性因素，將SBS劑量為4%的試驗結(jié)果做成曲線分析，如圖4所示。

對比可見，碳納米管對瀝青性能的影響，隨著添加量的變化而變化，在0.02%之前影響較小，之后性能向好的方向發(fā)展，超過0.04%后性能開始下降，因此確定碳納米管的添加量范圍在0.02%0.08%之間。

3 結(jié)論

(1)采用碳納米管－SBS對石油瀝青進行改性，可使其針入度降低，低溫延度、軟化點提高，并且經(jīng)改性后，其針入度指數(shù)P I都在－1+1之間，其高、低溫性能得到一定的改善，性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

(2)碳納米管的加入對SBS瀝青的性能有提高，碳納米管對瀝青的作用，必須是需要與SBS協(xié)同作用才能達到，并且確定碳納米管的添加量范圍在0.02%0.08%之間，最佳添加量有待于今后的進一步研究。

［1］Sun Ling，Guan Hui，Ge Qi.Research on the Performance of Asphalt Modified by SBS Rubber and Carbon Nanotube［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，99/100:1243 －1246.

［2］馬 峰，張 超，傅 珍.納米碳酸鈣改性瀝青的路用性能及機理研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報.2007(1):88 －91.

［3］張金升，高友賓，李明田，等.納米 Fe3O4粒子對改性瀝青三大指標的影響［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2004(4):10－14.

［4］湯紅梅，馬競濤.石化副產(chǎn)炭黑應(yīng)用性能改進研究［J］.石油煉制與化工，2006，37(10):51 －55.

［5］肖 鵬，李雪峰.納米 ZnO/SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)與共混機理［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報，2006(6):548－551.

［6］曹曉巖，康 峰，王 莉.基于季凍區(qū)SMA改性瀝青路面早期破損的研究［J］.森林工程，2010，26(3):41 －43.

［7］劉亞蘭，潘珠玉.納米TiO2與活性炭纖維復(fù)合降解空氣中甲醛［J］.林業(yè)科技，2009，34(1):42 －45.