专利名称：纳米粒子改性沥青及其制备方法
技术领域：
本发明是一种新型纳米片状材料改性浙青及其制备工艺。属于公路路面材料制备 的技术领域。
背景技术：
浙青路面是我国高等级公路路面中占主要地位的路面结构。浙青路面的性能在很 大程度上取决于所采用的浙青混合料的使用品质。浙青混合料的质量不理想首先是材料质 量不理想，因而对浙青混合料中起粘结作用的浙青的研究成了道路研究者关注的焦点。然 而，虽然浙青生产厂家不断探索新的浙青生产工艺来改善浙青性能，道路设计部门也竭力 采用优质重交通道路浙青，但是，许多道路的使用仍不尽人意。这是由于浙青自身存在着 不可克服的特性，比如高温变软、低温变脆、加热易老化等，这就需要通过外加手段来弥补 浙青本身的不足，对浙青加以改性可以达到上述目的。用聚合物对浙青进行改性，在国内外已有多年的研究历史。SBS改性浙青具有良 好的耐高、低温性能和弹性恢复性能，是目前聚合物改性浙青中用量最大的品种之一。但由 于SBS价格比较昂贵，其结构中含有的C=C双键在氧气、紫外线的作用下易于老化分解，SBS 改性浙青性能并不是无懈可击。因此，SBS改性浙青的使用还是存在一定的局限性。纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(I-IOOnm)的材料，纳米材 料具有尺寸小，比表面积大，活性大等性质，在传统材料中加入纳米粉体可以大大改善其性 能，这已成为改善材料性能的一条重要途径。近年来，纳米技术也逐渐渗透到交通建筑材料 领域，道路工作者已开始尝试将纳米技术应用于改性浙青材料的研究和开发，以提高浙青 路面的路用性能。从纳米材料微观尺度的角度来说，目前在改性浙青领域已经被研究和使用主要是 零维纳米材料和二维纳米材料。零维纳米材料主要是指纳米粒子，比如纳米SiO2粒子、纳米碳酸钙粒子、纳米ZnO 等。长安大学的马峰和长沙交通学院的刘大梁分别研究了纳米碳酸钙粒子对浙青性能的影 响，陕西公路职业技术学院的叶超用纳米SiO2粒子改性浙青并研究其路用性能，都能使基 质浙青的性能有所改进，但是可以看到其改善的效果不是很明显。而扬州大学的李雪峰和 肖鹏将纳米ZnO和SBS对基质浙青进行复合改性后发现其路用性能得到了大幅提高，各项 性能指标均明显优于单独加入纳米ZnO粒子和单独加入SBS后的改性浙青。二维纳米材料又称之为片状纳米材料，主要是指层状硅酸盐粘土。层状硅酸盐粘 土是一种天然的纳米材料，层间距一般为Inm左右，它是由两层硅氧四面体片夹一层铝(镁) 氧(氢氧)八面体构成的2 ；1型含结晶水的硅酸盐矿物。荷兰Delft大学将蒙脱土纳米粘 土用于浙青改性，对所得改性浙青及浙青混合料的路用性能做了较为全面的测试，发现其 抗老化、抗车辙及力学性能都有所提高。吴少鹏等和黄维蓉也用蒙脱土纳米层状硅酸盐改 性浙青，分别发现浙青的老化性能、混合料的高温和水稳性能得到了提高。汪林将蒙脱土纳 米层状硅酸盐和SBS对基质浙青进行复合改性后发现相对于单独的层状硅酸盐改性浙青其性能又得到了显著提高。可以看出，单独加入某种改性剂只是使基质浙青某一种或某几种性能得到一定程 度的提高，而将多种改性剂按照合适的比例对基质浙青复合改性往往能使其性能得到更为 全面且显著的提高。复合改性浙青也是我国改性浙青今后发展的一大主要方向。
发明内容
技术问题本发明的目的在于提供一种以纳米片状材料即层状硅酸盐粘土为 主要改性剂，以SBS和纳米SiO2粒子为辅助改性剂的新型复合改性浙青。本发明的另一目的是提供生产上述复合改性浙青的制备方法。技术方案为实现上述目的纳米片状材料改性浙青采用如下技术方案
采用以质量计的层状硅酸盐粘土、SBS、纳米SiO2粒子和基质浙青，其中层状硅酸盐粘 土和纳米SiO2S子的重量比为1 0.05 0.2，层状硅酸盐粘土和SBS的重量比为1 (Tl，层状硅酸盐粘土和基质浙青的重量比为0. 01 0. 09:1。所述的层状硅酸盐粘土为纳米片状材料的主要改性剂，以SBS和纳米SiO2粒子为 辅助改性剂，其中层状硅酸盐粘土是膨润土、蒙脱石、高岭土及滑石中的一种或几种按任意 比例混合，所述纳米材料为气相纳米SiO2粒子。所用浙青为路用浙青，包括满足《公路浙青 路面施工技术规范(JTGF40-2004)》的浙青。纳米片状材料改性浙青的制备方法以纳米片状材料即层状硅酸盐粘土为主要改 性剂，以SBS和纳米SiO2粒子为辅助改性剂，采用高速剪切法，按下列步
骤制得
1)称取合适质量的层状硅酸盐粘土、SBS、纳米SiO2粒子和基质浙青，其中层状硅酸盐 粘土和纳米SiO2S子的重量比为1 0.05 0.2，层状硅酸盐粘土和SBS的重量比为1 0 1，层状硅酸盐粘土和基质浙青的重量比为0.01 0. 09:1。2)首先将SBS和纳米SiO2S子加入到熔融的基质浙青中，维持温度为100 200°C，并在1000 IOOOOrpm速度下采用高速剪切乳化机持续剪切搅拌0. 5 4小时。3)最后将层状硅酸盐粘土加入到剪切搅拌后的SBS/纳米SiO2改性浙青中，维持 温度为100 200°C，并在在1000 IOOOOrpm速度下持续剪切搅拌0. 5 4小时，即得所 要制备的复合改性浙青。先将纳米SiO2粒子和SBS加入到熔融的基质浙青中反应一段时间，再将层状硅酸 盐粘土加入充分高速剪切。有益效果本发明具有如下优点
其一本发明以层状硅酸盐粘土价格低廉，与单独使用SBS改性浙青相比，复合后的改 性浙青具有较大的成本优势。其二 采用零维和二维纳米材料，在对基质浙青的改性过程中可充分发挥多尺度 纳米材料的纳米效应。其三本发明所制备的复合改性浙青在浙青三大指标即针入度、软化点、低温延度 方面以及60°C布氏粘度指标均优于SBS改性浙青。其四本发明采用高速剪切乳化机提供高速剪切力，能使层状硅酸盐粘土与浙青 分子链较为彻底地剥离插层，能使纳米SiO2粒子充分分散在基质浙青中，并最终与SBS共同作用于基质浙青，形成复合改性浙青。其五本发明所述制备方法简便易行，有利于工业化生产。
具体实施例方式(1)称取合适质量的层状硅酸盐粘土、SBS、纳米SiO2粒子和基质浙青，其中层状 硅酸盐粘土、纳米SiO2粒子的重量比为1 0. 05 0. 2，层状硅酸盐粘土、SBS的重量比 为1 :0 1，层状硅酸盐粘土和基质浙青的重量百分比分别为0. 01 0. 09:1。(2)将SBS和纳米SiO2S子加入到熔融的基质浙青中，维持温度为100 200°C， 并在100(Tl0000rpm速度下采用高速剪切乳化机持续剪切搅拌0. 5 4小时。(3)最后将层状硅酸盐粘土加入到剪切搅拌后的SBS/纳米SiO2改性浙青中，维 持温度为100 200°C，并在在1000 IOOOOrpm速度下持续剪切搅拌0. 5 4小时，即得 所要制备的复合改性浙青。本发明所述纳米材料为气相纳米SiO2粒子。经BET法测试分析，纳米氧化硅比表 面积大；经红外光谱分析，纳米氧化硅表面存在大量的羟基和不饱和残键，并偏离了稳态的 硅氧结构；采用Cary — 5E分光光谱仪测试，纳米氧化硅对紫外光中、长波以及可见光有很 高的反射率；用OmnisorplOOCX比表面和孔隙率分析仪测得P型纳米氧化硅的表面含有许 多纳米级微孔，其孔隙率达0.611ml/g。本发明所述基质浙青为国产道路用基质浙青。本发明所述层状硅酸盐粘土是膨润土、蒙脱石、高岭土及滑石中的一种或几种按 任意比例混合，所用粘土为市售产品，可以是普通层状硅酸盐粘土，也可以是经过表面改性 处理的有机化层状硅酸盐粘土。一、主要设备
一台转速为500 IOOOOrpm的高速剪切乳化机。二、原料称取
分别称取25g层状硅酸盐粘土、25gSBS、5g纳米SiO2粒子和500g AH-70。以下通过实例来进一步说明本发明。三、制备工艺
(1)将称取的SBS和纳米SiO2粒子加入到熔融的基质浙青中，维持温度为100 200°C，并在1000 IOOOOrpm速度下采用高速剪切乳化机持续剪切搅拌0. 5 4小时。(2)将称取的层状硅酸盐粘土加入到剪切搅拌后的SBS/纳米SiO2改性浙青中， 维持温度为100 200°C，并在在1000 IOOOOrpm速度下持续剪切搅拌0. 5 4小时，即 得所要制备的复合改性浙青。四、复合改性浙青性能试验结果表
权利要求
一种纳米片状材料改性沥青，其特征是采用以质量计的层状硅酸盐粘土、SBS、纳米SiO2粒子和基质沥青，其中层状硅酸盐粘土和纳米SiO2粒子的重量比为1 0.05～0.2 ，层状硅酸盐粘土和SBS的重量比为10~1，层状硅酸盐粘土和基质沥青的重量比为0.01～0.09:1。
2.如权利要求1所述纳米片状材料改性浙青，其特征在于所述的层状硅酸盐粘土为 纳米片状材料的主要改性剂，以SBS和纳米SiO2粒子为辅助改性剂，其中层状硅酸盐粘土 是膨润土、蒙脱石、高岭土及滑石中的一种或几种按任意比例混合，所述纳米材料为气相纳 米SiO2粒子。
3.如权利要求1所述纳米片状材料改性浙青，其特征在于所用浙青为路用浙青，包括 满足《公路浙青路面施工技术规范(JTGF40-2004)》的浙青。
4.一种如权利要求1所述的纳米片状材料改性浙青的制备方法，其特征是以纳米片状 材料即层状硅酸盐粘土为主要改性剂，以SBS和纳米SiO2粒子为辅助改性剂，采用高速剪 切法，按下列步骤制得1)称取合适质量的层状硅酸盐粘土、SBS、纳米SiO2粒子和基质浙青，其中层状硅酸盐 粘土和纳米SiO2S子的重量比为1 0.05 0.2，层状硅酸盐粘土和SBS的重量比为1 0 1，层状硅酸盐粘土和基质浙青的重量比为0.01 0. 09:1 ；2)首先将SBS和纳米SiO2粒子加入到熔融的基质浙青中，维持温度为100 200°C， 并在1000 IOOOOrpm速度下采用高速剪切乳化机持续剪切搅拌0. 5 4小时；3)最后将层状硅酸盐粘土加入到剪切搅拌后的SBS/纳米SiO2改性浙青中，维持温度 为100 200°C，并在在1000 IOOOOrpm速度下持续剪切搅拌0. 5 4小时，即得所要制 备的复合改性浙青。
5.如权利4所述纳米片状材料改性浙青制备方法，其特征在于先将纳米SiO2粒子和 SBS加入到熔融的基质浙青中反应一段时间，再将层状硅酸盐粘土加入充分高速剪切。
全文摘要
纳米片状材料改性沥青及其制备方法。所述改性沥青由层状硅酸盐粘土、纳米SiO2粒子、SBS和基质沥青组成，其中层状硅酸盐粘土、SBS、纳米SiO2粒子的重量比分别为10.5～10.05～0.2，层状硅酸盐粘土和基质沥青的重量百分比分别为1～10，90～99。所述改性沥青的制备方法是首先将合适剂量的纳米SiO2粒子和SBS加入到熔融的基质沥青中并初步剪切搅拌，然后加入层状硅酸盐粘土，维持温度为100～200℃，并在500～10000rpm速度下持续剪切搅拌0.5～4小时，使各种改性剂在基质沥青中分散混合均匀而制得改性沥青。本发明所制得的改性沥青与基质沥青相比高温性能显著提高，抗车辙能力得以增强，温度敏感性也得到了改善。
文档编号C08K3/34GK101993600SQ20101058922
公开日2011年3月30日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者孙璐, 朱浩然, 辛宪涛 申请人:东南大学