碳納米管提高SBS改性瀝青性能的研究

孫 凌，于文勇，張春平

(黑龍江工程學院，哈爾濱150050)

SBS改性瀝青由于同時兼顧高溫穩定性和低溫抗裂性，已經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查，其路用性能遠遠優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，出現不同程度的損壞。

近幾年來，納米技術正在逐漸滲透到交通材料領域，納米改性瀝青即其一種。納米改性瀝青是一種瀝青納米復合材料。納米添加劑材料 (分散相)與瀝青基質材料 (分散介質)的相容性和分散穩定性，是納米改性瀝青優異性能得以發揮和體現的關鍵因素。

碳納米管是一維納米結構，具有零維納米點不具備的性質，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鍵和環狀結構，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構也是瀝青和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，穩定劑為上海群康瀝青科技有限公司生產的路菲特穩定劑。碳納米管采用中國科學院成都有機化學有限公司生產的多壁碳納米管，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+基質瀝青180℃溫度下剪切，加入穩定劑在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改性瀝青按現行試驗規程，測定三大指標，首先在基質瀝青中直接加入碳納米管對其進行改性，改性結果見表1，碳納米管－SBS改性瀝青的改性結果見表2表5。

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

對表1數據進行分析:只加碳納米管的改性瀝青與基質瀝青相比，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果Tab.5 Experiment results of modified asphalt with 4%carbon nanotubes

從表中數據可以看出，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展，并且隨SBS摻量的增加，改性效果更好。但在室內試驗時發現，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的樣品的數據，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，將數據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，可以發現，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，并且經改性后，其針入度指數P I都在－1+1之間，其高、低溫性能得到一定的改善，性能優于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。

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