详情

原文传递有机插层LDHs改性沥青的制备、性能及其改性机理研究

论文题名：	有机插层LDHs改性沥青的制备、性能及其改性机理研究
关键词：	沥青;有机插层;LDHs改性;离子交换法;结构重建法;抗老化性能;改性机理;路用性能
摘要：	沥青材料以其优良的路用性能在公路建设中得到广泛应用。然而沥青在紫外光、热、氧等作用下会发生老化，导致沥青路面使用寿命大大缩短，因此，提高沥青的耐老化性能对延长沥青路面使用寿命具有重要的意义。基于层状双羟基复合金属氢氧化物（LDHs）对紫外线具有优良的物理阻隔作用，近年来LDHs已被用于改善沥青耐老化性能，但LDHs属于无机材料，亲水性强，与沥青材料的相容性较差，在沥青中难以均匀分散，且在改性沥青热储存和运输过程中易发生离析、团聚，从而会影响其对紫外线屏蔽功能的发挥，严重降低其对沥青耐老化性能的改善效果。为改善LDHs与沥青的相容性，本文利用LDHs具有的离子可交换性和结构记忆效应，将有机阴离子插入到 LDHs层间，改善LDHs与沥青的相容性，以进一步提高LDHs改性沥青的抗老化性能。　　本文首先研究了LDHs掺量对沥青性能的影响，确定了LDHs的适宜用量；然后分别采用离子交换法和结构重建法将十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基硫酸钠（SDS）和十二烷基磺酸钠（SDSO）三种有机阴离子型化合物与邻羟基苯甲酸（HBA）和2-羟基-4-甲氧基-5-磺酸基二苯丙酮（HMBSA）两种阴离子型紫外吸收剂插入到LDHs层间，制备出了层间具有不同有机阴离子客体的插层 LDHs，并采用 X-射线衍射仪（XRD）、红外光谱仪（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、紫外-可见分光光度计（UV-vis）和热重-差示扫描量热同步热分析仪（TG–DSC）对其进行了表征；进而采用熔融共混法制备了有机插层LDHs改性沥青，研究了有机插层改性LDHs与沥青的相容性，并研究了有机插层LDHs对沥青物理性能、流变性能、耐热氧和紫外光氧老化性能的影响；最后采用棒状薄层色谱-氢火焰离子检测器（TLC-FID）、FTIR、XRD等测试手段对有机插层 LDHs改性沥青老化前后的四组分、化学结构和晶体结构进行了表征，探讨了有机插层LDHs对沥青耐老化性能改善机理。主要研究结论如下：　　（1）LDHs改性使沥青的软化点、粘度和复数模量增大，相位角减小，提高了沥青的抗高温变形能力，有效改善了沥青的耐热氧和紫外光氧老化性能。但随着LDHs掺量的增加，LDHs改性沥青的离析越来越严重，LDHs与沥青的相容稳定性明显下降。　　（2）离子交换法和结构重建法均可使有机阴离子取代LDHs层间CO32-，形成有机插层 LDHs，其中SDBS、SDS、SDSO在 LDHs层间形成了垂直于主体层板的单层客体，而HBA和HMBSA在LDHs层间以一定的倾斜角度、分子苯环相互重叠的方式平行排列，有机插层LDHs的层间距取决于插层阴离子的大小及其在LDHs层间的排列方式。　　（3）紫外-可见光谱分析表明有机化改性的LDHs仍具有很好的紫外光反射能力，其中阴离子型紫外吸收剂插层改性显著提高了LDHs的紫外吸收能力；TG-DSC测试发现，阴离子型紫外吸收剂的热稳定性也因受LDHs主体层板的保护而显著增强。　　（4）通过离子交换法和结构重建法制备的有机插层LDHs与沥青的相容性得到显著提高，有机插层LDHs能均匀地分散在沥青中，并明显减少了热储存过程中离析的发生。有机插层LDHs与沥青的相容稳定性与有机阴离子种类有关，有机阴离子与沥青分子相互作用力越强、有机插层LDHs的层间距越大，有机插层LDHs与沥青的相容稳定性越好。　　（5）相比于LDHs，有机插层LDHs明显提高了沥青的抗高温变形能力，赋予沥青更好的低温性能，这归因于有机插层提高了LDHs与沥青之间的相容性。　　（6）有机插层LDHs改性沥青表现出更好的耐热氧和紫外老化性能。有机插层LDHs与沥青的相容稳定性越高，其对沥青耐老化性能改善效果越明显。相比于其它有机阴离子插层LDHs改性沥青，阴离子型紫外吸收剂插层LDHs改性沥青具有更为突出的耐紫外老化性能。　　（7）LDHs大的长径比使其具有阻隔沥青轻质组分的挥发和氧气向沥青内部的扩散，从而提高沥青的抗热氧老化性能。但普通LDHs在沥青中分散性差，且易发生团聚，导致这种阻隔作用难以发挥，而有机插层LDHs在沥青中优良的分散稳定性，可更好地发挥LDHs的阻隔作用，有效改善沥青耐热氧老化能力。　　（8）沥青组分分析、FTIR、XRD等研究表明：有机插层LDHs通过屏蔽紫外光和阻隔氧气向沥青内部渗透，显著减缓了沥青光氧老化反应的发生，抑制了沥青组分的转变、极性含氧官能团和稠环芳香薄片单元的生成，减轻了沥青组分之间的缔合作用，阻止了稠环芳香薄片向沥青质表面迁移和堆砌，从而改善了沥青耐紫外老化性能。
作者：	徐松
专业：	材料科学与工程
导师：	余剑英
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文