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原文传递表面有机化LDHs/沥青复合材料的制备与性能研究

论文题名：	表面有机化LDHs/沥青复合材料的制备与性能研究
关键词：	沥青;双羟基复合金属氢氧化物;硅烷偶联剂;表面有机化;复合材料;老化性能
摘要：	沥青和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青以其优异的路用性能已经被广泛地应用在公路交通建设中，但与其它有机物类似，沥青和SBS在受到紫外光、热、氧等因素的影响会发生老化，导致沥青路面易发生各种病害，大大缩短了沥青路面的服役寿命。因此，提高沥青和SBS改性沥青的抗老化能力对延长沥青路面的服役寿命具有十分重要的意义。由于层状双羟基复合金属氢氧化物（LDHs）对紫外光具有优良的物理反射作用，而且还能在一定程度上阻隔氧和热，近些年来，LDHs已被用于提高沥青及SBS改性沥青的抗老化性能。但LDHs是一种具有较强的亲水疏油性的无机粉末，难以在沥青中均匀分散，且与沥青相容稳定性较差，易发生离析，严重影响了LDHs对沥青和SBS改性沥青抗老化性能的改善效果。本文采用硅烷偶联剂对LDHs进行表面有机化改性，提高LDHs在沥青中的分散性和稳定性，并将表面有机化LDHs与SBS混合形成复合改性剂，提高LDHs与SBS在沥青中的分散稳定性，以制备抗老化性能和储存稳定性优良的LDHs改性沥青及LDHs/SBS复合改性沥青材料。　　本文选用乙烯基三乙氧硅烷（TEVS）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）、γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷（KH560）等三种含有不同有机官能团的硅烷偶联剂对LDHs进行表面有机化改性，制备出了不同类型的表面有机化LDHs，并通过机械共混制备了不同有机化LDHs/SBS复合物，利用红外光谱仪（FTIR）、X-射线光电子能谱仪（XPS）、X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等对不同表面有机化LDHs和LDHs/SBS复合物的化学组成和结构进行表征；通过熔融共混分别制备了表面有机化LDHs和LDHs/SBS复合物改性沥青，研究了表面有机化LDHs和LDHs/SBS复合物在沥青中的相容稳定性及其对沥青物理流变性能、热氧和光氧老化性能的影响；并利用棒状薄层色谱-氢火焰离子探测器（TLC-FID）、FTIR以及原子力显微镜（AFM）等对改性前后和老化前后表面有机化LDHs和LDHs/SBS复合物改性沥青的组分、化学结构以及微观形貌进行表征，探讨了表面有机化LDHs和LDHs/SBS复合物对沥青抗老化性能改善的作用机理。主要研究结论如下：　　(1) FTIR、XPS分析证明三种硅烷偶联剂均通过化学键连接到LDHs层板表面；XRD和SEM测试表明硅烷偶联剂表面改性未影响LDHs的晶体结构，LDHs颗粒间团聚状态显著减弱；接触角测试显示表面有机化LDHs的亲水性明显降低；紫外-可见光谱（UV-Vis）分析表明，表面有机化改性明显提高了LDHs的紫外吸收能力，对其反射紫外光的能力也有不同程度的改善。　　(2)表面有机化LDHs改性沥青在热储存过程中均未发生明显的沉降，表现出优良的相容稳定性。三种表面有机化LDHs在沥青中的相容稳定性有一定的差异，硅烷偶联剂有机端分子链越长，有机官能团极性越小，表面有机化LDHs与沥青的相容稳定性越好。　　(3)相比LDHs，表面有机化LDHs提高了沥青抗热氧老化和紫外老化能力。表面有机化LDHs在沥青中相容稳定性越好，其对沥青抗热氧和光氧老化能力提升效果越明显，对沥青抗老化性能改善效果依次为：KH560表面有机化LDHs（KH560-LDHs）>TEVS表面有机化LDHs（TEVS-LDHs）>KH550表面有机化LDHs（KH550-LDHs）。FTIR分析表明表面有机化LDHs显著减少了沥青老化过程中含氧官能团的生成；TLC-FID测试显示表面有机化LDHs可抑制沥青中芳香分向胶质转变、胶质向沥青质转变，减弱了沥青体系中分散相的缔合，阻止了光氧老化后的沥青体系向单一相转变。　　(4) SEM观察表明表面有机化改性提高了LDHs在SBS中分散性。FTIR和XPS分析发现不同表面有机化LDHs与SBS之间分别以化学键合或物理缠结方式相互作用，其中 TEVS-LDHs和 KH550-LDHs可与 SBS分子链形成化学键接， KH560-LDHs则与SBS分子链形成物理缠结。　　(5)表面有机化LDHs与SBS复合后可同时增强LDHs和SBS在沥青中相容稳定性，有效避免了LDHs和SBS在沥青中的离析分离，提高了沥青中SBS网络结构稳定性，改善了沥青的低温抗裂和高温抗变形能力。　　(6)热氧和紫外光氧老化前后的物理和流变性能测试表明，表面有机化LDHs显著提高了SBS改性沥青的抗热氧和紫外光氧老化能力。FTIR分析表明，相比LDHs，表面有机化LDHs可更好地抑制SBS改性沥青在紫外老化过程中含氧官能团的增加和碳碳双键的减少。AFM显示，表面有机化LDHs/SBS复合物可有效抑制紫外老化过程中沥青由溶胶-凝胶结构（两相结构）向凝胶结构（单相结构）转变，提高了沥青的抗紫外老化能力。
作者：	章灿林
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：	2017
正文语种：	中文