石蠟烯對瀝青的改性研究

許 川，彭慶華

(濱州學院 化工與安全學院，山東 濱州 256603)

目前改性瀝青[2]的方法很多，有物理改性和化學改性兩大類。物理改性瀝青，把改性劑與瀝青的混合之后，結果卻沒有改變瀝青的化學成分和化學與結構，瀝青性能改變的不徹底。不能在短期內制備且現用，會使聚合物與瀝青的產生分離。在瀝青制備時，混合用時較長瀝青的結構發生了氧化，資源利用率較低，因此如果采用化學改性瀝青方法會凸顯很多優勢。化學改性方法就是采用瀝青中活性官能團，讓其與改性物之間發生化學反應，幾者之間發生融合。通過化學改性，進而提高瀝青的高溫低溫功能，感溫性和和抗疲勞性得到提高。

瀝青的性能評價有軟化點、針入度、延度三個指標。軟化點是瀝青的高溫性能指標之一，其實質代表瀝青的粘度。 針入度是能把瀝青進行分級，且針入度反映了瀝青在特定區域范圍內(一定壓力，特定時間，合適溫度)的抵抗形變能力。而且瀝青的稠度也需用針入度表示。延度反映了瀝青的延展性能。

通過研究，發現瀝青結構和成分相當復雜，所以用于瀝青改性的改性劑很難選擇。然而，如果在改性劑中存在不飽和鍵，則瀝青改性時，瀝青的改性作用就會得到很大提高。用短鏈的聚烯烴物質，對瀝青進行改性，這些方面的探究目前還比較欠缺。本研究針對這種現狀，特別用石蠟烯[3]這種含有短鏈的聚烯烴物質，然后對瀝青進行改性，同時與其它幾種改性劑進行對比，最終說明石蠟烯在改性瀝青方面所存在的明顯優勢。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及藥品

瀝青軟化點[4]測定儀，甘油、大鋼球、支架臺。針入度測試儀、標準測試針、溫度計(型號1400)、延度測試儀、冰塊、超恒溫水浴裝置、電動機。電子天平、分析天平、電熱恒溫鼓風干燥箱、封閉可調式電爐、剪切機、水銀溫度計、大燒杯、鏟刀。氯化聚丙烯、氯化石蠟、三氯化鐵、甘油、滑石粉、石蠟烯。

1.2 改性瀝青制備

1.2.1 樣品制備

1)先打開分析天平，然后稱取一定重量的改性物，待用；

2)對瀝青進行加熱，將瀝青放135℃的烘廂中，加熱到瀝青完全變稀狀態為止；

3)再稱量一定重量的瀝青，倒于不銹鋼的容器中；

4)瀝青放在電爐上，進行加熱，同時迅速將剪切機剪切頭正好能浸入瀝青中。然后打開剪切機，讓瀝青整體受熱均勻；

5)把水銀溫度計放置在合理的位置，并將水銀溫度計與不銹鋼容器的內壁能達到良好接觸；

6)然后再加入改性物，計時，調節電爐溫度，應將瀝青溫度控制在145℃；

7)加熱時，不斷使用玻璃棒對容器中的聚合物攪拌，切記攪拌均勻；

8)對瀝青加熱，然后計時，當剪切機工作40min后就停止化學反應,把電爐電源開關關閉,先取出剪切機，再取出溫度計,徹底清洗剪切機，把溫度計放置好。

1.2.2 模型制作

1)稱量規定質量的甘油，然后把甘油加入到滑石粉里面，攪拌均勻，看起來會形成粘稠物質，這時就可以停止攪拌，此時隔離劑已經制作完成；

2)清洗模具，并把他們放在烘箱中加熱45 min；

3)把隔離劑涂在模具相應位置，而且玻璃板表面也應涂上，把模具放在玻璃板的上面，靜置10min；

4)打開烘箱門，把準備好的放置在里面，調節溫度為130℃,加熱45min，把瀝青加熱到完全變稀為止；

5)把變稀的瀝青傾倒與模具內，瀝青剛好沒過針入度金屬平地皿最佳；

6)把所有的模具放置于室溫下即可，時間為2 h，把針入度金屬平地皿放置在27 ℃的恒溫水槽里，浸泡時間為2h，然后開始測定；

7)接下來把電爐打開，把鏟刀加熱一下，把黃銅環瀝青外邊緣線的部分切除掉，把他們放在 6℃的恒溫水槽中浸泡。特別注意，軟化點金屬環，必須浸泡1h之后才能進行測量。

1.3 軟化點測定

(1)拿出浸泡在保溫槽中的黃銅環，把它放置在支架的圓孔里面，把鋼球定位器卡主，再在上面放上大鋼球；

(2)把6℃左右的水(或32℃的甘油)加入到向500 mL的燒杯中，把燒杯放在軟化點測試儀的加熱板上，此時再把支架放在燒杯中；

(3)把熱電偶插入里面。把測試儀電源開關打開，啟動操作程序，按一下“start”開關，儀器會自動執行升溫功能，若鋼球墜入到下層板時，測量儀將停止工作，記錄讀數；

(4)關閉儀器，取出支架，迅速放入冷水中冷卻，過15min后，清洗軟化點測試儀，并放置好。

1.4 針入度測試

(1)把26℃的水加入到平底玻璃槽中，使水能完全的沒過金屬平地皿15 mm；

(2)把平地皿從恒溫水浴中取出，小心放置于盛水的平底玻璃槽里面；

(3)打開針入度計，，把標準測試針安裝好，此時再把玻璃槽放在針入度計的平臺上面，把刻度盤上的指標調整好；

(4)調試一下標準測試針，應該讓針尖剛好與瀝青的表面完好接觸，打開連桿下降功能的開關，針入度計即將工作， 10s之后，連桿會停止下降，快速讀出刻度盤上的數字(針入度值)，記錄下來;

(5)樣品的測量次數不應低于5次，應保證最大的針入度值與最小針入度值兩者之間不應超過6，若差值超過6，需要重新測定.

1.5 延度的測定

(1)使延度計的水浴槽溫度處于6℃左右，時間應約1h以上，調節延度計的刻度，讓指針處于歸零狀態；

(2)把浸泡在6℃水浴里面的延具拿出來，放置在延度計滑動板上面，為了穩定必須卡好。

(3)然后再把電動機打開，讓滑動板移動，保持速度為3cm/s，在模具中的試樣被拉長，試樣斷裂的那一刻，記錄指針所在刻度；

(4)必須保證一個樣品做3次實驗數據，再進行平行測量。

2 結果與討論

2.1 氯化聚丙烯對瀝青改性的影響

2.1.1 氯化聚丙烯對軟化點的影響

圖1 氯化聚丙烯對軟化點的影響

向一定質量的瀝青中，加入的氯化聚丙烯質量不同，再電加熱并保持攪拌狀態。此過程進行中，發現瀝青中的氣泡量比較少。且容器上方仔細觀察，會發現有白色煙霧生成。瀝青軟化點的結果如圖1所示。由圖可以得出，隨著氯化聚丙烯含量的增加，軟化點逐漸緩慢遞增，瀝青的高溫性就會得到提升。

2.1.2 氯化聚丙烯對針入度的影響

由圖2得出,伴隨著氯化聚丙稀加入含量的增多,針入度呈下降[5]的趨勢，瀝青的抗車轍能力就會得到提高。

圖2 氯化聚丙烯對針入度的影響

2.1.3 氯化聚丙烯對延度的影響

圖3 氯化聚丙烯對延度的影響

由圖3可知,當加入少量氯化聚丙稀時,延度就迅速下降,原因是通過實驗測量發現在氯化聚丙烯當中存在大量的氯元素。若把氯化聚丙稀置于較高溫度下，氯化聚丙稀會分解產生氯化氫氣體。而且發現在改性瀝青中會逐漸形成一些細小的氣泡。根據瀝青性能的測試所采用的方法,細小氣泡的存在對瀝青的延度有非常致命的影響。因為通過研究發現，細小氣泡的存在,使瀝青拉斷變得容易,從而瀝青的延度會發生迅速下降現象。因此,通過實驗瀝青的實際延度在理論上比測試的結果稍微好了一點。當氯化聚丙稀含量一直在增加時,雖然影響了瀝青的高溫性能,但在實際工程中,這樣的瀝青使用范圍將會受到極大的限制。因為延度太小,結果瀝青會馬上變得很脆,非常容易在低溫下發生壓裂的現象。

2.2 三氯化鐵對瀝青改性的影響

2.2.1 三氯化鐵對瀝青軟化點的影響

圖4 三氯化鐵對瀝青軟化點的影響

若在瀝青中添加金屬，則會對瀝青的性能有明顯的影響，用三氯化鐵對瀝青進行改性。通過圖4可以得出：隨著三氯化鐵用量的增加，瀝青的軟化點呈逐漸上升的趨勢。

2.2.2 三氯化鐵對針入度的影響

圖5 三氯化鐵對針入度的影響

由圖5可以得出，三氯化鐵對瀝青的針入度有明顯的影響。隨著三氯化鐵用量的增加，瀝青的針入度明顯下降。這是因為：瀝青針入度代表了瀝青的硬度。

2.2.3 三氯化鐵對延度的影響

圖6 三氯化鐵對延度的影響

由圖6可知,當瀝青中一旦加入到三氯化鐵時,對瀝青延度就會有明顯的影響。隨著三氯化鐵用量的繼續增加，瀝青延度會產生波動趨勢。因為三氯化鐵對瀝青有氧化作用。結果使瀝青質明顯增多，氫元素含量減少，出現碳化現象。同時制備[6]過程中產生的小氣泡會使延度迅速下降。

所以在制備過程中，三氯化鐵改性瀝青讓軟化點提升很高,即高溫性能較好,但瀝青的軟化點會變得太低,結果使瀝青變得很輕脆,低溫性能就會受到影響,事實上,這種瀝青工程應用的可能性非常小。

2.3 石蠟烯對瀝青改性的影晌

2.3.1石蠟烯對軟化點的影響

圖7 石蠟烯對軟化點的影響

由圖7可知：當摻雜含氯量為62.1%的石蠟烯時，隨著加入量的增加，軟化點升高速率變化的略顯快的趨勢。因為石蠟烯中含有雙鍵[7]，結果會讓瀝青質分子與石蠟烯中的直鏈較容易結合，形成含有側鏈的，大分子結構，結果使瀝青的整體分子量變得很大，很難被軟化;而氯含量僅有15.3%的石蠟烯，對于瀝青的軟化點影響不是很明顯。

2.3.2 石蠟烯對針入度的影響

圖8 石蠟烯對針入度的影響

由圖8可知，含62.1%石蠟烯針入度下降得更快，甚至超過了氯化石蠟，即抗車轍能力更強。而含氯量為15.3%的石蠟烯，下降程度非常不明顯。這是因為氯原子的存在，對于瀝青高溫性能，有著積極作用。

2.3.3 石蠟烯對延度的影響

圖9 石蠟烯對延度的影響

由圖9可知，石蠟烯對瀝青的延度由明顯的影響作用。隨著三種氯含量的石蠟的加入，最后瀝青的延度達到了相同的結果。這是因為石蠟烯中存在雙鍵，使瀝青分子更易形成大分子結構。且氯含量下降時，分解產生的氯化氫氣體，也隨之減少，有利于瀝青，在低溫下的拉伸[8]。

3 結論

通過上述實驗，發現加入氯化聚丙烯、三氯化鐵，這些均能使瀝青的軟化點升高，而針入度降低，但同時，瀝青的延度卻發生了不斷下降的現象。在一定操作范圍內，犧牲一定的延度，進而提高瀝青的高溫性能雖然是有利的，但延度太低的話，會使瀝青更容易發生脆裂現象，在工程上應用空間具有一定的難度。

當用不同氯含量的石蠟烯，對瀝青進行改性研究時，發現隨著氯含量的上升，瀝青高溫性能得到了有效提升，但低溫性能卻變化不是很明顯。總體得出，石蠟烯對改性瀝青之后，延度仍能達到40cm。石蠟烯作為改性劑時，使瀝青的軟化點、針入度、延度等綜合方面都得到了較好的體現。所以石蠟烯在瀝青改性中是較好的改性劑。