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原文传递基于分子模拟的植物油脚沥青再生剂研发与性能验证

论文题名：	基于分子模拟的植物油脚沥青再生剂研发与性能验证
关键词：	沥青再生剂;植物油脚;分子模拟;酯化反应;流变性能试验
摘要：	我国高速公路发展迅猛，但已逐步由快速新建期转为养护和再生期。因此，如何合理利用原有老化路面材料成为重点攻坚方向，而再生剂依靠小分子的柔化作用，则可较好的解决沥青老化导致旧料性能不足这一问题。另一方面，植物油脚是制油过程中产生的残余废弃物，现阶段的处置方法较为原始，常被当做饲料进行处理，但其中含有的大量小分子化合物具有开发成再生剂的潜能，资源被严重浪费。结合基建和农业这两大问题，进行固废资源再利用化，将植物油脚中具有可重复利用价值的成分进行回收，经深加工制作为植物油脚沥青再生剂，对我国可持续发展理念具有重要意义。　　首先，针对再生剂的作用机理，应先通过化学仪器联用对植物油脚中的成分进行检测分析，得到植物油脚中所含有化合物的种类与含量，结合对植物油脚的高温和水稳性能进行分析，发现磷脂的理化性能不稳定，加热会发生体积膨胀产生刺激性气味，且易与水形成稳定性较好的乳浊液，同时也是诱发植物油脚发生生物变质的重要原因。而植物油脚中的脂肪酸具有含量相对较高、化学成分相对稳定、无毒无害、分子量较小等特点，最为适宜作为再生剂的原材料。因此，这一论证也明确了再生剂研发的目标和方向，即去除其中的磷脂和水并极大程度的保留脂肪酸。　　其次，老化沥青中不含有羧基而脂肪酸中含有大量的羧基，从官能团的极性角度认为羧基的分子极性高于酯基、扩散性能劣于酯基。但若将羧基转变为酯基，必然要采取酯化反应导致分子链长增加，而链长也是制约分子扩散的关键因素之一。因此，基于分子模拟从微观角度建立老化沥青-再生剂双层模型，对比分析脂肪酸和脂肪酸甲酯在老化沥青中的扩散行为。通过所得到的扩散系数和相对浓度，认为脂肪酸甲酯的扩散性能更优。　　基于上述两方面的分析，不仅对植物油脚有了深层次的认知，也从理论上明确了再生剂的生产方向。通过预实验认为丙酮和乙酸乙酯萃取效果相对较好，针对两种不同溶剂萃取过程进一步分析，乙酸乙酯制取的再生剂产出效率相对较高、稳定性相对较好、去磷脂效果更优，因此最后选定乙酸乙酯作为萃取溶剂。通过磷脂和脂肪酸在乙酸乙酯中的溶解性差异过滤去除磷脂，再用3A分子筛吸收混合液中的水，以萃取分液蒸馏等一系列工业化生产方式得到初代再生剂。以甲醇为原料，甲醇钠为催化剂，基于酯化反应原理，设计正交试验对得到的再生剂进行深度优化。并根据酯化反应特点，采用乙醇代替甲醇，KOH和NaOH分别代替甲醇钠进行对比试验，共制取得到12种再生剂。　　最后，将得到的再生剂与PAV老化沥青进行混合制备再生沥青。基于传统的三大指标和粘度试验，结合表面能、BBR试验、频率扫描、LAS试验以及MSCR试验从多角度分析再生剂的相对最佳掺量，并判定当再生剂掺量为9%时，能够较为均衡的满足各项指标相应要求。在9%掺量下，通过BBR、频率扫描、LAS和MSCR试验，分别对再生沥青的低温、疲劳和高温性能进行分析，由此提出了适用于不同条件下的再生剂推荐选择。
作者：	张崇康
专业：	交通运输工程
导师：	冯德成
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021