風(fēng)化煤改性瀝青的制備與性能研究★

王有朋 伍家衛(wèi) 文 斌

0 引言

我國風(fēng)化煤資源分布廣、儲量大，但由于風(fēng)化煤含氧量高，發(fā)熱量低，已失去作動力燃料和煉焦煤的價值，一直未將風(fēng)化煤作為有益礦產(chǎn)資源充分利用［1］，風(fēng)化煤含有大量再生腐殖酸和多種含氧活性官能團，如羧基、酚羥基、醌基、醇羥基等，腐殖酸是一種內(nèi)表面積很大的高分子有機物，是天然的羥基羧酸，具有很強的吸附、絡(luò)合能力［2］。能將這一豐富的資源充分的利用起來，具有重要的現(xiàn)實意義。石油瀝青具有良好的粘結(jié)性、抗老化性和防水防腐能力，長期以來被廣泛的用作建筑、道路、防腐和密封材料。然而改性瀝青具有高溫流淌、低溫冷脆開裂、耐候性不佳等缺點［3］，因此改善改性瀝青材料的高溫性能、低溫性能和降低成本是該領(lǐng)域研究的重點。本研究將新疆風(fēng)化煤用于改性瀝青材料中，提高了瀝青材料的高溫性能和其他性能，降低了環(huán)境污染，并且未見有關(guān)文獻報道。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

儀器:高剪切混合乳化機(ME-100L)，電腦全自動瀝青針入度儀(HDLZ-IV)，數(shù)顯全自動瀝青軟化點測定儀(DF-4)，瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(85型)，低溫雙數(shù)顯瀝青延伸度儀(SY-2(B))，紅外光譜儀(Nicolet NEXUS 670 FT-IR)，透射電子顯微鏡(JEM-100SX)，掃描電子顯微鏡(S-450，HITACHI)，X射線衍射(D/MAX-ⅢC)。試劑:風(fēng)化煤(300目，新疆)，基質(zhì)瀝青(蘭煉90號，中石油蘭州煉油化工總廠)，丁苯橡膠SBR(中石油蘭州石化公司)。

1.2 改性瀝青的制備

將一定量的風(fēng)化煤和改性劑加入到熱融的瀝青中，在165℃～175℃的溫度下，經(jīng)高剪切機在4 000 rpm/min～5 000 rpm/min的轉(zhuǎn)速下剪切50 min，然后用篩子過濾除去混在改性瀝青材料中的較大顆粒物質(zhì)后，即得改性瀝青材料。

表1 風(fēng)化煤改性瀝青

2 改性瀝青性能測試和討論

2.1 風(fēng)化煤改性瀝青的性能

風(fēng)化煤以300目粒度未經(jīng)過處理直接加入，從表1可知，基質(zhì)瀝青軟化點為47℃，當(dāng)加入風(fēng)化煤后，改性瀝青的高溫性能大有改善，特別是含量3%時，軟化點達到58℃，能將軟化點提高10℃左右。說明風(fēng)化煤中的腐殖酸及其他成分能有效提高瀝青的高溫性能和抗氧化性能。繼續(xù)增大風(fēng)化煤的含量到6%時，軟化點反而下降，說明腐殖酸量增大的同時，其他雜質(zhì)的量也在增加，軟化點反而降低。為了提高改性瀝青低溫及其他性能，本研究以風(fēng)化煤復(fù)配粉末SBR進行探討。

2.2 風(fēng)化煤復(fù)配改性瀝青的性能

表2 風(fēng)化煤復(fù)配粉末SBR改性瀝青

從表2結(jié)果可知，隨著SBR量的增加，改性瀝青的耐低溫性能大大提高，瀝青的針入度指數(shù)有所減小，可能由于SBR本身分子量大和腐殖酸的絡(luò)合作用，分子間的作用力增強，粘度增大，提高改性瀝青高溫性能和耐低溫性能，降低了瀝青的溫度敏感性。

另外，本研究以粘韌性能對瀝青評價，因為SBR改性瀝青的粘韌性及韌性很難達到國家標準，由表3可知，風(fēng)化煤復(fù)配粉末SBR(4%)改性瀝青中，由于風(fēng)化煤中腐殖酸的吸附和絡(luò)合作用，在一定程度上增加了瀝青的粘韌性和韌性。

表3 風(fēng)化煤改性瀝青粘韌性測定結(jié)果 N·m

3 風(fēng)化煤改性瀝青的結(jié)果分析

3.1 紅外光譜分析(FT-IR)

從圖1可知，風(fēng)化煤在瀝青中有一定的化學(xué)效應(yīng)。風(fēng)化煤改性瀝青在1 216 cm－1出現(xiàn)一微弱吸收峰，認為COOH中C=O伸展振動，說明腐殖酸的表面羥基和瀝青中的羧酸根形成酯;在870 cm－1處出現(xiàn)了新的吸收峰，歸屬苯環(huán)內(nèi)δC－H面內(nèi)吸收峰，說明改性瀝青在某種程度上發(fā)生芳構(gòu)化，芳香酚增加。風(fēng)化煤復(fù)配粉末SBR改性瀝青時，除了上述特征峰外，在1 315 cm－1處出現(xiàn)新的吸收峰，歸屬為烯烴δC－H面內(nèi)彎曲振動，在967 cm－1處歸屬為芳環(huán)的δC－H面外彎曲振動，說明芳香酚增加并有利于增加改性劑與瀝青的相容性，提高改性效果。

圖1 風(fēng)化煤改性瀝青FT-IR譜圖

3.2 電子顯微鏡觀察

從掃描電鏡下可以看見，風(fēng)化煤的孔隙中均被瀝青所填充，這樣的分布和吸附，能提高改性瀝青的穩(wěn)定性。但還是有部分固體顆粒沒有被瀝青包裹住而暴露出來。它們與瀝青不相容。在透射掃描電鏡下，風(fēng)化煤顆粒均勻的分布在瀝青中，顆粒的最大粒徑為0.83 μm，最小粒徑為9 nm，風(fēng)化煤顆粒以近似納米分布在瀝青中，改性瀝青的一些性能提高［4，5］。本研究又從瀝青穩(wěn)定性實驗探討雜質(zhì)的影響，風(fēng)化煤改性瀝青達到技術(shù)要求，但在離析實驗結(jié)果中，下軟化點略高于上軟化點，說明改性瀝青材料穩(wěn)定，改性劑與瀝青沒有離析，可能由于雜質(zhì)密度大而沉降下來導(dǎo)致上述結(jié)果，雜質(zhì)包括無機鹽等成分。

3.3 風(fēng)化煤與改性瀝青相容性機理

瀝青是一種混合物，平均分子量500左右［6］。由于組成較多且性質(zhì)差別較大，造成了瀝青微觀上的不均勻，性質(zhì)相近，結(jié)構(gòu)類似的組分聚集在一起。風(fēng)化煤改性劑進入瀝青時，腐殖酸的平均分子量在300左右，所以風(fēng)化煤中的有機組分和瀝青有一定的相容性。當(dāng)風(fēng)化煤以幾乎納米的微粒均勻分散于瀝青中后，風(fēng)化煤中的腐殖酸具有一定的吸附、絡(luò)合功能，它與瀝青相混合便將瀝青吸附在風(fēng)化煤微粒的表面，這種作用包括物理吸附和化學(xué)絡(luò)合，風(fēng)化煤中的碳黑對瀝青的性能產(chǎn)生一定的影響，另外由于碳黑是由正六邊形網(wǎng)狀平面的層面構(gòu)成的，層面與層面之間連接著一個結(jié)合體，并通過范德華力產(chǎn)生相互凝聚的傾向，其層面邊緣上的氫原子、不配對電子和含氧基團的化學(xué)活性很大，可以和其他物質(zhì)發(fā)生物理吸附和化學(xué)結(jié)合反應(yīng)。因此可以改善瀝青的粘附性，耐久性，抗磨性，抗氧化性等［3］。

4 結(jié)語

1)本研究以風(fēng)化煤作為瀝青改性劑，提高了瀝青的高溫性能和其他一些重要性能指標，并與瀝青具有較好的相容性。表明風(fēng)化煤中的腐殖酸具有化學(xué)絡(luò)合和物理吸附作用，風(fēng)化煤中的碳黑能提高改性瀝青的粘附性，耐久性，抗磨性，抗氧化等。2)風(fēng)化煤改性瀝青具有價格低廉、性能優(yōu)異等特點，可用于建筑、道路、防腐和密封材料等領(lǐng)域，不僅減少了環(huán)境的污染，同時擴大了風(fēng)化煤的使用范圍。

［1］ 馬秀欣，趙宏波.我國泥炭、褐煤和風(fēng)化煤的資源優(yōu)勢及其應(yīng)用領(lǐng)域［J］.中國煤炭，2005(1):6-7.

［2］ 竇琇云.腐殖酸化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)分析［J］.腐殖酸，1995(4):4.

［3］ 沈金安.改性瀝青與SMA路面［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［4］ 徐國財，張立德.納米復(fù)合材料［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［5］ 張玉龍，李長德.納米技術(shù)與納米塑料［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2002.

［6］ 原健安.改性劑與瀝青的相互作用對改性瀝青性質(zhì)的影響［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2000(3):37-38.