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CN107118575B - 氮化碳纳米片提高沥青抗老化性能的应用 - Google Patents

氮化碳纳米片提高沥青抗老化性能的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氮化碳纳米片在提高沥青抗老化性能中的应用，所述氮化碳纳米片的制备方法包括：将三聚氰胺，尿素或二聚二氰胺进行550℃～600℃，4h～5h高温热聚合反应，得到层状氮化碳粉体，研磨过200～500目筛后加入到稳定剂中，进行2h～4h、6000r/min～8000r/min高速剪切后离心、干燥得氮化碳纳米片。将氮化碳纳米片与熔融的基质沥青搅拌混合得到改性沥青。与现有技术相比，本发明所采用的氮化碳纳米片为二维纳米材料，成片状与沥青熔融，以氮化碳纳米片材料作为增强相制成沥青复合材料，可使沥青复合材料表现出良好的抗老化性能。

Description

氮化碳纳米片提高沥青抗老化性能的应用
技术领域
本发明属于道路材料领域，涉及改性沥青材料，具体涉及含氮化碳纳米片的改性沥青。
背景技术
采用无机纳米材料对沥青进行改性成为提高沥青材料性能的有效措施之一。现有技术中，研究者选择的无机纳米材料主要有氧化钛、氧化锌以及碳酸钙等。这些纳米材料粒径小，大多呈球形，易于团聚，在沥青中难以有效分散，从而无法发挥纳米材料的优势。例如，武汉理工大学余剑英、吴少鹏、曾旋等以有机层状硅酸盐为改性剂对沥青进行熔融插层改性，结果表明层状硅酸盐的加入，提高了高温复数模量和车辙因子，说明可以提高沥青的高温性能和抗车辙能力，但层状硅酸盐是由二层硅氧四面体夹一层铝镁氧八面体构成的2:1型含结晶水的硅酸盐矿物，由于无机材料的特性，与沥青相容性较差，所以在层状硅酸盐改性沥青中需要对其进行有机化处理才能使用，操作麻烦。因此寻找分散良好的纳米材料应用于沥青材料中对于无机纳米改性沥青具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种含氮化碳纳米片的改性沥青，显著提高沥青的抗老化性能。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
氮化碳纳米片在提高沥青抗老化性能中的应用，所述氮化碳纳米片片层厚度为1.5～3.5nm。所述氮化碳纳米片通过高速剪切层状氮化碳粉体得到；所述氮化碳粉体为石墨相氮化碳，粒径25～75μm。
所述氮化碳纳米片的制备方法包括：将三聚氰胺，尿素或二聚二氰胺进行550℃～600℃，4h～5h高温热聚合反应，得到层状氮化碳粉体，研磨过200～500筛后加入到稳定剂中，进行2h～4h、6000r/min～8000r/min高速剪切后离心、干燥得氮化碳纳米片。
所述稳定剂包括异丙醇、甲醇、乙醇或二甲基亚砜。
本发明还提供一种改性沥青，包括基质沥青和氮化碳纳米片。
所述氮化碳纳米片与基质沥青的质量百分比为5～20：80～95，氮化碳纳米片与基质沥青的质量百分数之和为100％。
所述改性沥青的制备方法包括：将氮化碳纳米片在温度120℃～140℃，3000r/min～5000r/min转速下，与熔融的基质沥青搅拌混合60～120min，得到改性沥青。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)与现有技术相比，本发明所采用的氮化碳纳米片为二维纳米材料，成片状与沥青熔融，以氮化碳纳米片材料作为增强相制成沥青复合材料，可使沥青复合材料表现出良好的抗老化特性，显著改善沥青复合材料的性能。
(2)本发明采用氮化碳纳米片，有C-N键构成，与沥青中的有机质有良好地相容性，与其它无机层状硅酸盐材料相比，氮化碳纳米片在沥青中可以分散均匀，从而更有利于氮化碳纳米片改性沥青性能的提高。
(3)本发明氮化碳纳米片可通过三聚氰胺热聚合反应制得，成本低廉，具有较高的性价比，同时制备工艺简单，不需借助其他分散设备，因此氮化碳纳米片改性沥青可作为一种新型的沥青路面材料。
附图说明
图1为氮化碳纳米片扫描电子显微图片。
图2为氮化碳纳米片的透射电子显微照片。
图3为沥青样品老化前后复数模量与温度关系图。
图4为沥青样品老化前后相位角与温度关系图。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
发明人研究发现，纳米粒子粒径小，比表面积大，使得它们自身很容易团聚，在沥青中很难分散均匀，这是目前无机纳米材料改性沥青遇到的最大障碍，石墨相氮化碳是由碳和氮两种元素组成的有机聚合物，它具有和石墨相似的层间结构，层间间距为0.326nm。具有优异的物理化学性能，高的热稳定性并能吸收紫外可见光。在电学、光学、催化等领域具有广泛地应用。层状石墨相氮化碳可以通过剥离形成纳米片结构，片层结构上的C-N键与其它聚合物有良好地相容性。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本发明涉及的基质沥青的牌号为70号道路石油沥青。
实施例1：本实施例给出一种改性沥青，制备方法包括：将三聚氰胺，尿素550℃进行高温热聚合反应4h，得到层状氮化碳粉体，研磨过200筛后加入到稳定剂乙醇中，进行2h、6000r/min高速剪切后离心、干燥得氮化碳纳米片如图1和图2所示，从图1可以看出，氮化碳呈现典型的片状结构；图2中氮化碳纳米片透明，片层厚度在2nm左右。将25克氮化碳纳米片加到475克熔融的70号重交道路沥青中，保持温度为140℃，在3000r/min的剪切速率下高速搅拌60min，使其混合均匀，即可得到改性沥青。
按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0610-2011沥青旋转薄膜加热试验标准制备试验样品，采用动态剪切流变仪(DSR)，测定沥青的复数模量和相位角随温度的变化情况，测试结果如图3和图4所示，沥青的短期老化试验、针入度试验、延度试验及软化点试验测试结果如表1所示。
实施例2：
本实施例给出一种改性沥青，制备方法同实施例1，不同点在于，将50克氮化碳纳米片加到450克熔融的70号重交道路沥青中，保持温度为120℃，在5000r/min的剪切速率下高速搅拌70min，使其混合均匀，即可得到改性沥青。
本实施例测试方法与实施例1相同，测试结果如图3、图4和表1所示。
实施例3：
本实施例给出一种改性沥青，制备方法同实施例1，不同点在于，将75克氮化碳纳米片加到425克熔融的70号重交道路沥青中，保持温度为140℃，在3000r/min的剪切速率下高速搅拌80min，使其混合均匀，即可得到改性沥青。
本实施例测试方法与实施例1相同，测试结果如图3、图4和表1所示。
实施例4：
本实施例给出一种改性沥青，制备方法同实施例1，不同点在于，将100克氮化碳纳米片加到400克熔融的70号重交道路沥青中，保持温度为130℃，在4000r/min的剪切速率下高速搅拌120min，使其混合均匀，即可得到改性沥青产品。
本实施例测试方法与实施例1相同，测试结果如图3、图4和表1所示。
对比例1：
本对比例给出一种沥青，为没有添加氮化碳纳米片的70号基质沥青。本对比例测试方法与实施例1相同，测试结果如图3、图4和表1所示。
对比例2：
本对比例给出一种沥青，为没有添加氮化碳纳米片的70号基质沥青经过沥青旋转薄膜实验得到的70号老化基质沥青。
本对比例测试方法与实施例1相同，测试结果如图3和图4所示。
效果分析：
采用动态剪切流变仪可以表征在不同温度下沥青的复数模量和相位角的变化，当沥青发生老化时，沥青的复数模量会变大，其相位角会减小。图3及图4表明：70号基质沥青发生老化后，复数模量数值增大，相位角变小，出现明显的老化特征；而添加不同比例的氮化碳改性沥青的复数模量增加幅度变小，相位角减小的幅度也明显变小，老化程度大大减缓。结果表明添加了氮化碳纳米片的沥青在老化过程中，阻止氧在沥青中的渗透，使得沥青组分保持相对地稳定，从而也极大地减缓了沥青老化的速度。
将实施例1-4所得到的氮化碳纳米片改性沥青，以及对比例1基质沥青采用旋转薄膜烘箱(RTFO)进行短期老化试验，实验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中第T0610-2011条规定进行，沥青针入度试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》第T0604-2011条规定进行，沥青延度试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》第T0605-2011条规定进行，沥青软化点试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》第T0606-2011条规定进行。试验结果如表1所示。
表1本发明制备的氮化碳纳米片改性沥青与基质沥青老化前后性能对比
通过表1可以发现，基质沥青与氮化碳纳米片改性沥青经过短期老化试验后，其针入度变小，软化点变大，延度减小。与基质沥青老化相比，氮化碳纳米片改性沥青的残留针入度有了较大的提高；软化点变化率在逐渐减小；残留延度变大。残留针入度越大，软化点变化率越小，残留延度越大，沥青的抗老化性能越好。实验结果表明氮化碳纳米片加入到沥青中，大大改善了基质沥青的抗老化性能。

Claims (10)

1.氮化碳纳米片提高沥青抗老化性能的应用。
2.如权利要求1所述应用，其特征在于，所述氮化碳纳米片的制备方法包括：将三聚氰胺和尿素进行高温热聚合反应，得到层状氮化碳粉体，研磨过筛后加入到稳定剂中，进行高速剪切后离心、干燥得氮化碳纳米片。
3.如权利要求2所述应用，其特征在于，所述高速剪切时间为2h～4h，速率为6000r/min～8000r/min。
4.如权利要求2所述应用，其特征在于，所述高温热聚合反应的反应温度为550℃～600℃，反应时间为4h～5h。
5.如权利要求2所述应用，其特征在于，所述过筛用200～500目筛子。
6.如权利要求2所述应用，其特征在于，所述稳定剂包括异丙醇、甲醇、乙醇或二甲基亚砜。
7.如权利要求2所述应用，其特征在于，所述氮化碳粉体为石墨相氮化碳，粒径为25μm～75μm。
8.一种改性沥青，其特征在于，所述改性沥青制备原料包括基质沥青和氮化碳纳米片。
9.如权利要求8所述改性沥青，其特征在于，所述氮化碳纳米片与基质沥青的质量百分比为5～20：80～95，氮化碳纳米片与基质沥青的质量百分数之和为100％。
10.如权利要求8所述改性沥青，其特征在于，所述改性沥青的制备方法包括：将氮化碳纳米片在温度120℃～140℃，3000r/min～5000r/min转速下，与熔融的基质沥青搅拌混合60min～120min，得到改性沥青。
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