基于響應(yīng)面法的廢口罩纖維改性瀝青制備工藝研究

杜思怡，聶憶華，張廣進(jìn)，李心怡，杜泓毅

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

聚丙烯（PP）是醫(yī)用外科口罩中的一種成分，由于其具有優(yōu)良的耐熱性、穩(wěn)定的物理化學(xué)性能、低廉的價(jià)格等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)用口罩生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著2020 年初全球新冠疫情的爆發(fā)，醫(yī)用口罩生產(chǎn)使用量劇增，全面普及使用，產(chǎn)生了大量的致廢棄口罩。環(huán)保組織Oceans Asia 公布的一份報(bào)告顯示[2]，2020 年世界上至少有16 億個(gè)口罩流入海洋，而大量被遺棄于環(huán)境中的廢棄口罩要經(jīng)過(guò)400～500 a 才能被降解，因廢棄口罩材料在分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更小的微塑料顆粒，微塑料侵入動(dòng)植物棲息地后，不僅會(huì)污染生物生存環(huán)境，還會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，最終影響人類健康和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，故尋找妥善回收和處置廢舊口罩的方法刻不容緩。

Kilmartin-Lynch 等人[3]首先在混凝土中引入醫(yī)用口罩，研究發(fā)現(xiàn)摻加少量的一次性醫(yī)用口罩可以提高混凝土的力學(xué)性能。馬立綱等[4]把一次性醫(yī)用口罩作為瀝青的改性劑，其主要化學(xué)成分為聚丙烯材料，能改善瀝青的剛度與彈性，提高其高溫抗變形能力并延緩老化。程培峰等人[5]選擇正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法對(duì)MBF改性瀝青的最佳制備工藝和特性進(jìn)行了探索研究，發(fā)現(xiàn)廢舊口罩熔噴布處理后可有效提高瀝青的高溫抗變形能力。

響應(yīng)面法將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，以尋求最可解性的優(yōu)化方法，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[6-8]。響應(yīng)面法克服了正交實(shí)驗(yàn)無(wú)法準(zhǔn)確確定各因素最優(yōu)值這一難題，且能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效而準(zhǔn)確的處理，并能通過(guò)3D 圖將處理結(jié)果表達(dá)出來(lái)[9-11]。本文采用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，構(gòu)建響應(yīng)面模型，以剪切時(shí)間、剪切速率、剪切溫度為響應(yīng)變量，廢口罩纖維改性瀝青軟化點(diǎn)、延度、針入度3 項(xiàng)指標(biāo)為響應(yīng)值。通過(guò)響應(yīng)面模型分析各種因素對(duì)性能的影響，得到最佳制備工藝。基于瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)，對(duì)最佳制備工藝下的廢口罩纖維改性瀝青進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 基質(zhì)瀝青

瀝青選用70 號(hào)基質(zhì)瀝青，基本性能試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行測(cè)試，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 70A 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 廢口罩纖維的加工及改性瀝青的制備

首先對(duì)回收的廢舊口罩放入乙醇消毒液中進(jìn)行浸泡消毒，待消毒結(jié)束后，去掉口罩鼻夾、耳帶，人工將剩余主體部分剪裁至直徑5 mm 的碎片備用；其次，把基質(zhì)瀝青放入150 ℃烘箱中加熱，使其達(dá)到熔融狀態(tài)；然后，在熔融基質(zhì)瀝青中加入口罩碎片進(jìn)行人工攪拌；最后，將初步攪拌的廢口罩與瀝青混合液放置在具有保溫功能的電熱板上進(jìn)行高速剪切，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，完成廢口罩纖維改性瀝青的制備，靜置半小時(shí)后用于其它性能試驗(yàn)。加工制備流程見(jiàn)圖1。

圖1 廢口罩纖維改性瀝青制備工藝

1.3 試驗(yàn)儀器及方法

軟化點(diǎn)儀采用2SYD-806E 型，針入度儀采用SYD-2801E 型，延度儀采用SYD-4508C 型。

本論文采用響應(yīng)面法中的分析軟件Design-Expert 13、Box-Behnken 設(shè)計(jì)方法得到廢口罩纖維改性瀝青的最佳制備工藝。最后對(duì)最佳制備工藝下得到的改性瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)、針入度、延度3 大指標(biāo)性能試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 響應(yīng)面法試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

本文根據(jù)響應(yīng)面法中Box-Behnken 設(shè)計(jì)方法，采用分析軟件Design-Expert 13，對(duì)廢口罩纖維改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。選用改性瀝青制備工藝中的剪切時(shí)間、剪切速率、剪切溫度作為響應(yīng)變量，設(shè)計(jì)了3 因素3 水平優(yōu)化試驗(yàn)，選取軟化點(diǎn)、延度、針入度作為響應(yīng)值，建立數(shù)學(xué)回歸模型。

設(shè)計(jì)3 水平3 因素試驗(yàn)，一共17 組，其中對(duì)中間值重復(fù)試驗(yàn)5 次。根據(jù)瀝青軟化點(diǎn)可以得到廢口罩纖維對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性能的影響，根據(jù)針入度可以得到廢口罩纖維對(duì)瀝青粘滯性的影響，根據(jù)延度可以得到廢口罩纖維對(duì)瀝青塑性的影響。響應(yīng)面Box-Behnken優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 響應(yīng)面Box-Behnken 優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2 響應(yīng)值

2.2.1 回歸模型的方差分析

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，以A（剪切時(shí)間）、B（剪切速率）和C（剪切溫度）為響應(yīng)面變量，通過(guò)軟件Design-Expert 13 建立軟化點(diǎn)、延度、針入度的響應(yīng)面模型分別為方程式（1）、（2）、（3）：

軟化點(diǎn)、延度、針入度的回歸模型方差分析結(jié)果見(jiàn)表3，模型項(xiàng)的顯著性由P 值決定，如果P 值小于0.05，則意味著模型項(xiàng)對(duì)響應(yīng)有重大影響[10]。

表3 軟化點(diǎn)、延度、針入度為響應(yīng)值的回歸模型方差分析表

由表3 可知：數(shù)學(xué)模型（1）（2）（3）的F 值分別為65.93、33.97、168.01，顯著性均高（P＜0.000 1），表明試驗(yàn)所采取的模型可信度較好，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，在試驗(yàn)所取的水平范圍內(nèi)，各因素的P 值均小于0.05，表明剪切時(shí)間、剪切速率、剪切溫度對(duì)軟化點(diǎn)、延度、針入度均具有顯著性影響，其顯著性順序?yàn)椋杭羟袝r(shí)間＞剪切速率＞剪切溫度；失擬誤差P 值分別為0.129 5、0.067 3、0.051 均大于0.05，對(duì)模式是有利的，無(wú)失擬因素存在。圖2 給出了響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的分布情況，可見(jiàn)，實(shí)測(cè)值分布在模型預(yù)測(cè)直線的兩側(cè)，偏離均較小，表明這三個(gè)模型均能很好反映出實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值的關(guān)系。

圖2 響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的分布情況

2 各因素交互作用分析

圖3～圖5 給出了軟化點(diǎn)、延度和針入度隨各因素變化的響應(yīng)曲面圖。等高線為響應(yīng)曲面圖在水平面上的投影，當(dāng)響應(yīng)曲面圖擬合曲面坡度越大、等高線越密集時(shí)，該因素對(duì)這一指標(biāo)的影響越明顯[8-11]。

圖3 三種工藝因素對(duì)軟化點(diǎn)的響應(yīng)面圖

圖3（a）的擬合曲面坡度較陡峭，等高線密集（等高距為2 ℃）說(shuō)明A（剪切時(shí)間）和B（剪切速率）的交互作用對(duì)瀝青的軟化點(diǎn)影響明顯。在C（剪切溫度）為160 ℃時(shí)，軟化點(diǎn)隨A（剪切時(shí)間）和B（剪切速率）的增加而升高，其中A（剪切時(shí)間）對(duì)軟化點(diǎn)的影響較為顯著。圖3（b）的擬合曲面坡度陡峭，等高線密集（等高距為2 ℃）說(shuō)明A（剪切時(shí)間）和C（剪切溫度）的交互作用率對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響明顯。在剪切速率為4 000 r/min，且當(dāng)A（剪切時(shí)間）和C（剪切溫度）取最大值時(shí)，瀝青軟化點(diǎn)可以取得最大值。圖3（c）的擬合曲面坡度較平緩，等高線稀疏（等高距為1 ℃），說(shuō)明B（剪切速率）和C（剪切溫度）的交互作用對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的結(jié)果影響較小，軟化點(diǎn)隨剪切速率的增加而升高。

綜上，軟化點(diǎn)響應(yīng)曲面3D 模型的分析結(jié)論與回歸模型（1）中方差分析結(jié)論一致。剪切時(shí)間對(duì)軟化點(diǎn)的影響最大，剪切速率和剪切溫度對(duì)軟化點(diǎn)的影響次之，3 因素的增大對(duì)軟化點(diǎn)都有積極作用。

圖4（a）的擬合曲面坡度較陡峭，等高線較密集，說(shuō)明A（剪切時(shí)間）和B（剪切速率）的交互作用對(duì)延度影響較明顯。當(dāng)C（剪切溫度）為160 ℃時(shí)，延度隨著A（剪切時(shí)間）和B（剪切速率）的增加而減小，A（剪切時(shí)間）15～45 min 范圍對(duì)延度影響更明顯。圖4（b）的擬合曲面坡度陡峭，等高線密集，說(shuō)明A（剪切時(shí)間）和C（剪切溫度）的交互作用對(duì)瀝青延度影響明顯。當(dāng)B（剪切速率）為4 000 r/min 時(shí)，延度隨C（剪切溫度）和A（剪切時(shí)間）的增加而減小，其中A（剪切時(shí)間）對(duì)延度的影響更為顯著。圖4（c）的擬合曲面坡度相對(duì)平緩，等高線較稀疏，說(shuō)明B（剪切速率）和C（剪切溫度）的交互作用對(duì)延度的結(jié)果影響較小，延度隨著B(niǎo)（剪切速率）和C（剪切溫度）的增加而減小，其中B（剪切速率）對(duì)瀝青延度影響較為顯著。

圖4 三種工藝因素對(duì)延度的響應(yīng)面圖

綜上，延度響應(yīng)曲面3D 模型的分析結(jié)論與回歸模型（2）分析結(jié)論一致。瀝青延度對(duì)3 因素都具有明顯的響應(yīng)，其中剪切時(shí)間對(duì)瀝青延度的影響顯著，在本試驗(yàn)的范圍內(nèi)瀝青延度隨各因素的增加而減小。

圖5（a）的擬合曲面坡度陡峭，等高線密集，說(shuō)明A（剪切時(shí)間）和B（剪切速率）的交互作用對(duì)針入度的影響明顯。當(dāng)C（剪切溫度）為160 ℃時(shí)，隨著A（剪切時(shí)間）和B（剪切速率）的增加，針入度都有減小的趨勢(shì)，且A（剪切時(shí)間）15～45 min 范圍對(duì)延度影響更明顯。圖5（b）的擬合曲面坡度較陡峭等高線較密集，說(shuō)明A（剪切時(shí)間）和C（剪切溫度）的交互作用對(duì)針入度的影響較明顯。當(dāng)B（剪切速率）為4 000 r/min，A（剪切時(shí)間）較長(zhǎng)時(shí)，隨著C（剪切溫度）的增加，針入度有減小的趨勢(shì)，而當(dāng)A（剪切時(shí)間）較小時(shí)，隨著C（剪切溫度）的增加，針入度有先減小后增加的趨勢(shì)。當(dāng)C（剪切溫度）固定時(shí)，隨A（剪切時(shí)間）的增加，針入度有下降的趨勢(shì)，且較為明顯。圖5（c）的擬合曲面坡度較為平緩，等高線較稀疏，說(shuō)明B（剪切速率）和C（剪切溫度）的交互作用對(duì)針入度的影響較小。當(dāng)A（剪切時(shí)間）為30 min 時(shí)，B（剪切速率）較大時(shí)，隨C（剪切溫度）的增加，針入度有減小的趨勢(shì)，B（剪切速率）較小時(shí)，針入度隨C（剪切溫度）的增加先減小后增加的趨勢(shì)。當(dāng)C（剪切溫度）固定時(shí)，隨B（剪切速率）的增加，針入度有減小的趨勢(shì)。

圖5 三種工藝因素對(duì)針入度的響應(yīng)面圖

綜上，針入度響應(yīng)曲面3D 模型的分析結(jié)論與回歸模型（3）分析結(jié)論一致。三因素中，針入度對(duì)剪切時(shí)間最敏感，其次是剪切速率。

2.3 綜合預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

2.3.1 綜合預(yù)測(cè)結(jié)果

瀝青軟化點(diǎn)的高低能反映瀝青高溫穩(wěn)定性能的好壞，為了可以較好的確保瀝青路面在高溫時(shí)期反復(fù)承受交通荷載時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)諸如打滑，車(chē)轍，擁包等問(wèn)題，瀝青路面應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)定性能，軟化點(diǎn)應(yīng)盡可能高。本研究設(shè)置軟化點(diǎn)最大值為最優(yōu)目標(biāo)，具體約束條件見(jiàn)表4。

表4 綜合預(yù)測(cè)的約束條件表

通過(guò)響應(yīng)面優(yōu)化分析軟件得到廢口罩纖維改性瀝青的最佳制備工藝為：剪切時(shí)間45 min、剪切速率4 145 r/min、剪切溫度167 ℃；預(yù)測(cè)在最佳制備工藝下，改性瀝青軟化點(diǎn)為62.7 ℃、延度為5.6 cm、針入度為28.2（0.1 mm），預(yù)測(cè)結(jié)果的合意性為0.958。

2.3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果試驗(yàn)驗(yàn)證

在口罩摻量為3% 時(shí)，按預(yù)測(cè)的最佳制備工藝組合對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，開(kāi)展軟化點(diǎn)試驗(yàn)、15 ℃延度試驗(yàn)和25 ℃針入度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5 可知，總體上預(yù)測(cè)模型與實(shí)測(cè)值差值很小、基本一致，可用來(lái)預(yù)測(cè)廢口罩纖維改性瀝青最佳制備工藝組合。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)廢口罩纖維對(duì)基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)有明顯作用，符合本研究目標(biāo)要求。

表5 實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值驗(yàn)證結(jié)果

由表5 可知，在最佳制備工藝和摻量下，廢口罩纖維改性瀝青的軟化點(diǎn)明顯升高，表明高溫性能增加；延度和針入度下降，表明稠度增加塑性下降，試驗(yàn)結(jié)論與文獻(xiàn)［4，5］具有一致性。

3 結(jié)論

3.1 建立了軟化點(diǎn)、延度、針入度的響應(yīng)面模型，分析得到選定范圍內(nèi)剪切時(shí)間、剪切速率、剪切溫度的升高均能提高基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)，顯著性順序?yàn)椋杭羟袝r(shí)間＞剪切速率＞剪切溫度，且剪切時(shí)間和剪切速率的交互作用對(duì)廢口罩纖維改性瀝青的軟化點(diǎn)影響最顯著。

3.2 響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)得到廢口罩纖維改性瀝青最佳制備工藝為剪切時(shí)間45 min、剪切速率4 145 r/min、剪切溫度167 ℃。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差低，模型有效。廢口罩纖維改性瀝青較基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)顯著升高，延度和針入度下降。