CN116376301A - 一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法，属于道路材料耐久性及再生技术领域，解决目前纳米酶解木质素在沥青中抗老化性作用效果不明晰及在沥青中分散性低、易离析、再生效果不佳等问题。本发明技术方案如下：将纳米酶解木质素改性沥青通过短期和长期老化试验制得长期老化的纳米酶解木质素改性沥青，通过试验仪器分析纳米酶解木质素对沥青抗老化性提升机制；将木焦油和五种掺入剂按一定的质量比制得木焦油基再生剂；然后向装有老化的纳米酶解木质素改性沥青倒入一定量的木焦油基再生剂，制得再生沥青，最后通过各种试验仪器表征木焦油基再生剂对纳米酶解木质素改性沥青的作用机制，确定木焦油基再生剂的最佳掺量及制备工艺。

Description

一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法

技术领域

本发明是一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法，属于道路材料耐久性及再生技术领域。

背景技术

沥青是由不同分子量的碳氢化合物及非金属衍生物组成的具有高粘度固体、半固体或粘稠状的黑褐色复杂有机物，在工程领域中主要作为道路建设和防水防腐材料。然而，由于国内机械制造业的兴起和人民生活水平的不断提高带来交通量的迅速增加、车辆大型化、车辆重载以及温差等因素对沥青路面提出更高的要求。同时，沥青的老化现象导致沥青路面出现裂缝、沉陷、坑槽等病害，在交通荷载和自然环境因素的综合作用下，路面病害现象逐渐严重，直接影响路面路用性能和耐久性，降低路面的使用寿命。众所周知，在沥青老化过程中，芳香分和胶质含量逐渐减少，沥青质含量增加，沥青原有胶体结构逐渐凝胶化，使得沥青胶体稳定性降低以及相对分子量上升。因此，传统沥青已不满足道路需求，不得不考虑在沥青中掺入改性剂改善路用性能，提高改性沥青的抗老化性和道路使用寿命。

随着科学技术日益进步，纳米材料逐渐引入到交通道路领域。纳米酶解木质素由于粒径尺寸小、比表面积大、表面的原子数目多，从而表现出较高的活性，因此在沥青改性方面表现出优良的混融、增韧增强性能。纳米酶解木质素作为酶解木质素的处理物，它保留了酶解木质素本有的一些物化性能，比如较好保留酚羟基、苯环等丰富的官能团结构、具有良好的热稳定性和抗紫外老化性。与此同时，研究发现木质素与沥青具有相似的官能团结构，可以实现提高木质素改性沥青的相容性的目标，并且具有良好的经济效益和社会效益。

近些年来，一些道路研究人员研究发现，木质素具有较强的抗氧化性，这主要是由于木质素结构中拥有羟基、苯环等活性官能团，具有很强的氢原子转移能力和正的局部静电势，当氧气或者紫外线进入沥青当中时，木质素中的氢键先与氧产生氧化反应，同时，木质素的三维芳香网络结构进一步抑制紫外线渗透沥青内部，所以木质素本身具有优异的抗老化活性。但是，目前对纳米酶解木质素改性沥青的抗老化性能研究较少。相关文献表明，木质素改性沥青的高温性能提升明显，但是在低温性能方面表现不佳，疲劳寿命降低，尽管木质素本身具有优异的抗老化性，当木质素应用于沥青道路投入运营一段时间后，沥青道路在低温时易开裂，影响木质素在沥青道路的使用效果，产生大量的废弃沥青，造成极端污染和资源的浪费。

随着公路改造的发展，再生沥青路面已被用作新型路面施工中的再生材料，旧料的使用有助于减少原始沥青和不可再生矿物骨料的需求。目前，沥青再生的主要方法有混合沥青再生和再生剂再生两种方式，通过添加再生剂改变化学成分和胶体结构来恢复老化沥青性能的方法具有可行性。目前，木焦油是生物质热裂解的主要副产品，木焦油的成分非常复杂，主要包括脂肪烃、芳香烃和酚类化合物，具有来源广泛、废物利用、环保可再生的特点。近些年来，已有相关人员研究发现，木焦油作为沥青改性剂可有效改善沥青的低温性能和抗疲劳性能。然而，木焦油与基质沥青在分子结构、物理化学性质等方面存在一些差异，使用单一木焦油作为沥青的再生剂可能会影响改性沥青的储存稳定性，木焦油与老化沥青间的融合机制尚不清晰以及对老化沥青的再生恢复效果有限。

因此，本发明提供一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法。首先通过高温熔融共混方式制备出纳米酶解木质素改性沥青，接着通过短期和长期老化试验制得老化的酶解木质素改性沥青，采用试验仪器表征纳米酶解木质素对沥青的抗老化性效果，采用木焦油和五种掺入剂按一定比例制备木焦油基再生剂，对老化沥青进行再生，最后通过试验仪器从微观层面揭示木焦油基再生剂对老化沥青的再生作用机制，以此来确定木焦油基再生剂的最佳掺量，推动纳米酶解木质素和木焦油这两种生物质材料在道路领域的发展。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法，纳米酶解木质素尺寸均一，分子量低，在沥青中表现出优异的相似相溶性，这有助于提高沥青的路用性能，木焦油可作为沥青的再生剂，有助于对老化沥青性能的恢复，解决目前纳米酶解木质素在沥青中抗老化性机理尚不清晰以及木焦油在沥青中分散性低、易离析、再生效果不佳等问题。

(2)技术方案

为了解决目前纳米酶解木质素在沥青中抗老化性机理尚不清晰以及木焦油在沥青中分散性低、易离析、再生效果不佳等问题。本发明提供一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法。本发明技术方案如下：首先通过高温熔融共混方式制备出纳米酶解木质素改性沥青，接着通过短期和长期老化试验制得老化的酶解木质素改性沥青，采用红外光谱和凝胶渗透色谱表征纳米酶解木质素改性沥青的官能团变化和分子量大小及分布特征，采用木焦油和五种不同掺入剂按一定比例制备木焦油基再生剂，对老化沥青进行再生，采用扫描电镜、原子力显微镜试验表征木焦油基再生剂在老化的纳米酶解木质素改性沥青的分散效果，采用红外光谱仪和凝胶渗透色谱试验揭示纳米酶解木质素改性沥青在老化前后及再生的官能团变化和分子量大小及分布特征，采用差示扫描量热仪试验揭示木焦油基再生剂对老化的纳米酶解木质素改性沥青的热稳定性机制，以此来确定木焦油基再生剂的最佳掺量，推动纳米酶解木质素和木焦油这两种生物质材料在道路领域的发展。

(3)有益效果

由于国民经济不断发展和人民生活水平不断提高带来交通量的迅速增加、车辆大型化、车辆重载以及温差等因素对沥青路面提出更高的要求。同时，沥青的老化现象导致沥青路面出现裂缝、沉陷、坑槽等病害，在交通荷载和各种环境因素的综合作用下，路面病害现象逐渐严重，影响路面路用性能和耐久性，降低路面的使用寿命。纳米酶解木质素由于粒径尺寸小、比表面积大、表面的原子数目多，从而表现出较高的活性，因此在沥青改性方面表现出优良的混融、增韧增强性能。纳米酶解木质素作为酶解木质素的处理物，它保留了酶解木质素本有的一些物化性能，比如较好保留酚羟基、苯环等丰富的官能团结构、具有良好的热稳定性和抗紫外老化性。木焦油是生物质热裂解的主要副产品，主要包括脂肪烃、芳香烃和酚类化合物，具有来源广泛、废物利用、环保可再生的特点。但纳米酶解木质素在沥青中抗老化机理尚不清晰以及木焦油在沥青中分散性低、易离析、再生效果一般等问题。本发明提供一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法，通过相关设备揭示纳米酶解木质素对沥青的抗老化性作用机制，同时研发一种木焦油基再生剂，有利于减少木焦油在沥青生产或储存过程中离析现象，提升木焦油的再生效果。根据本发明，积极与有关生物科技企业合作，合理利用玉米秸秆酶解木质素和木焦油这种生物质材料，开发并工业化生产纳米酶解木质素和木焦油基再生剂产品，降低生产成本，保护生态环境，对于提高沥青路面的抗老化性以及合理开发生物质能源具有现实意义。

具体实施方式

本发明提供一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法，具体实施步骤如下：

(1)将400克基质沥青置于烧杯中，加热至165℃使基质沥青完全熔化，将烧杯置于高速剪切机下以5000转/分钟的剪切速度进行剪切搅拌，同时将32克的纳米酶解木质素粉末缓慢加入熔化的沥青中，剪切搅拌50分钟，再用玻璃棒继续搅拌至沥青中不再产生气泡为止，置于120℃的烘箱中发育50分钟，制得纳米酶解木质素改性沥青；

(2)按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中老化方法进行老化试验，先通过旋转薄膜烘箱老化试验对纳米酶解木质素改性沥青进行短期老化，老化时间为85分钟，烘箱温度为163℃，然后再通过压力老化试验对短期老化后的纳米酶解木质素改性沥青进行长期老化，气压为2.1MPa，温度控制为100℃，老化20小时，制得长期老化的纳米酶解木质素改性沥青，采用红外光谱和凝胶渗透色谱试验表征基质沥青和纳米酶解木质素改性沥青的官能团变化、分子量大小及其分布特征，分析纳米酶解木质素对沥青抗老化性能的提升作用；

(3)将烧杯置于温度为80℃的保温套上，将一定量的木焦油、邻苯二甲酸二辛脂、高分子树脂、相容剂、稳定剂、二乙基二硫代氨基甲酸锌缓慢倒入烧杯中，其中木焦油、邻苯二甲酸二辛脂、高分子树脂、相容剂、稳定剂、二乙基二硫代氨基甲酸锌的质量比为70∶5∶1∶5∶4∶15，并用玻璃棒搅拌至混合均匀，制得木焦油基再生剂；

(4)将装有长期老化沥青的烧杯置于145℃的保温套上，向烧杯中缓慢倒入一定量的木焦油基再生剂，并采用搅拌速度为1000转/分钟电动搅拌机进行搅拌10分钟，然后将烧杯放于120℃的烘箱里保温发育30分钟，制得木焦油基再生剂再生的老化纳米酶解木质素改性沥青；

(5)采用扫描电镜、原子力显微镜试验表征木焦油基再生剂在长期老化的纳米酶解木质素改性沥青中的分散效果，采用红外光谱仪和凝胶渗透色谱试验揭示纳米酶解木质素改性沥青在老化前后及再生后的官能团变化、分子量大小及其分布特征，采用差示扫描量热仪试验研究木焦油基再生剂对长期老化的纳米酶解木质素改性沥青的热稳定性；

(6)探究不同掺量的木焦油基再生剂对长期老化的纳米酶解木质素改性沥青各项路用性能的再生效果，揭示木焦油基再生剂对长期老化的纳米酶解木质素改性沥青的再生机制，确定木焦油基再生剂的最佳掺量，制备木焦油基再生剂再生纳米酶解木质素改性沥青，提高长期老化沥青的再生效果。

Claims (1)

1.一种纳米酶解木质素提升沥青抗老化性能及再生方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)将400克基质沥青置于烧杯中，加热至165℃使基质沥青完全熔化，将烧杯置于高速剪切机下以5000转/分钟的剪切速度进行剪切搅拌，同时将32克的纳米酶解木质素粉末缓慢加入熔化的沥青中，剪切搅拌50分钟，再用玻璃棒继续搅拌至沥青中不再产生气泡为止，置于120℃的烘箱中发育50分钟，制得纳米酶解木质素改性沥青；

(2)按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中老化方法进行老化试验，先通过旋转薄膜烘箱老化试验对纳米酶解木质素改性沥青进行短期老化，老化时间为85分钟，烘箱温度为163℃，然后再通过压力老化试验对短期老化后的纳米酶解木质素改性沥青进行长期老化，气压为2.1MPa，温度控制为100℃，老化20小时，制得长期老化的纳米酶解木质素改性沥青，采用红外光谱和凝胶渗透色谱试验表征基质沥青和纳米酶解木质素改性沥青的官能团变化、分子量大小及其分布特征，分析纳米酶解木质素对沥青抗老化性能的提升作用；

(3)将烧杯置于温度为80℃的保温套上，将一定量的木焦油、邻苯二甲酸二辛脂、高分子树脂、相容剂、稳定剂、二乙基二硫代氨基甲酸锌缓慢倒入烧杯中，其中木焦油、邻苯二甲酸二辛脂、高分子树脂、相容剂、稳定剂、二乙基二硫代氨基甲酸锌的质量比为70∶5∶1∶5∶4∶15，并用玻璃棒搅拌至混合均匀，制得木焦油基再生剂；

(4)将装有长期老化沥青的烧杯置于145℃的保温套上，向烧杯中缓慢倒入一定量的木焦油基再生剂，并采用搅拌速度为1000转/分钟电动搅拌机进行搅拌10分钟，然后将烧杯放于120℃的烘箱里保温发育30分钟，制得木焦油基再生剂再生的老化纳米酶解木质素改性沥青；

(5)采用扫描电镜、原子力显微镜试验表征木焦油基再生剂在长期老化的纳米酶解木质素改性沥青中的分散效果，采用红外光谱仪和凝胶渗透色谱试验揭示纳米酶解木质素改性沥青在老化前后及再生后的官能团变化、分子量大小及其分布特征，采用差示扫描量热仪试验研究木焦油基再生剂对长期老化的纳米酶解木质素改性沥青的热稳定性；

(6)探究不同掺量的木焦油基再生剂对长期老化的纳米酶解木质素改性沥青各项路用性能的再生效果，揭示木焦油基再生剂对长期老化的纳米酶解木质素改性沥青的再生机制，确定木焦油基再生剂的最佳掺量，制备木焦油基再生剂再生纳米酶解木质素改性沥青，提高长期老化沥青的再生效果。