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《武汉理工大学》 2010年
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有机化蒙脱土改性沥青的制备、性能及其改性机理研究

李斌  
【摘要】:层状硅酸盐可以赋予聚合物良好的热稳定性、阻燃性、阻隔性、导电性和可控的热膨胀性等,已成为聚合物高性能化和功能化的主要手段。近些年来蒙脱土(MMT)改性沥青也已受到国内外的广泛关注,研究表明MMT对沥青的物理性能、流变性能和抗老化性能有良好的改善效果。为提高MMT改性沥青的性能,一般均采用有机蒙脱土(OMMT)。OMMT是将有机阳离子作为插层剂与MMT层间的吸附水合阳离子置换,将有机阳离子引入到MMT的层间,以改善MMT与沥青的相容性,并使MMT的层间距增大。显然采用不同插层剂制备的OMMT对沥青的改性效果将有显著差异。然而,关于插层剂对OMMT改性沥青性能的影响尚未见相关研究,对OMMT改性沥青的机理也缺乏系统深入的研究。 本文采用不同结构类型的插层剂,制备了不同种类的OMMT,研究了不同种类的OMMT对沥青物理力学性能和热氧、光氧老化性能的影响,采用X-射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、化学组分分析和原子力显微镜(AFM)等测试手段等对OMMT及其改性沥青的化学结构和微观结构进行了表征,探讨了OMMT与沥青相互作用机理。主要研究结论如下: (1)插层剂分子结构对OMMT的结构影响很大。带有双烷基链的插层剂的插层效果要远远优于单烷基分子链的插层剂,层间距相比增大了2.65-3.67nm。而分子链中带有苄基的插层剂,对不同MMT进行有机化处理,所获得的OMMT层间距表现出较大的差异性。 (2)XRD分析表明,不同种类插层剂制备的OMMT对沥青改性后,分别形成了插层型纳米复合结构和剥离型纳米复合结构,对沥青性能的改善也表现出明显的差异性,其中含有苄基基团的插层剂制备的OMMT与沥青形成了剥离型的纳米复合结构,对沥青的改性效果最优。 (3)对不同掺量的OMMT改性沥青的结构分析发现,低掺量时OMMT改性沥青形成了剥离型纳米复合结构,而随着OMMT用量的增加,改性沥青的结构为插层结构。 (4)不同种类的OMMT改性沥青,其物理性能的变化趋势是软化点和粘度增大,而针入度和15℃延度有一定程度的降低,但是OMMT的加入提高了沥青10℃延度,尤其是沥青10℃时的力延度均有不同程度的提高,表现为最大拉力(Fmax)、最大延度值(Dmax)和拉伸功(W)明显增大,表明OMMT可改善沥青的抗变形能力、延伸性和粘韧性。其中形成剥离型纳米复合结构的改性沥青的力延度性能改善更为显著。 (5)对不同种类OMMT改性沥青的薄膜烘箱老化(TFOT)和压力老化箱(PAV)老化试验均表明,相比于普通沥青,OMMT改性沥青老化后的延度保留率显著增大,软化点增量和粘度变化指数显著减小,反映出OMMT有效改善了沥青的耐热氧老化性能。紫外(UV)老化试验也表明,OMMT改性沥青的软化点增量和粘度老化指数较未改性沥青有不同程度的降低,表明OMMT的加入改善了沥青的抗紫外老化性能。与插层型纳米复合结构相比,沥青与OMMT形成剥离型纳米复合结构对于改善沥青的抗热氧和紫外老化性能更为显著。插层剂中含有的苄基基团显著增强了沥青对OMMT片层的吸附作用,使得剥离型OMMT改性沥青的抗热氧和紫外老化性能得到了进一步提高。 (6) FTIR分析表明,OMMT改性沥青中Al-OH的伸缩振动和弯曲振动谱带以及Si-O的弯曲振动谱带都出现了漂移,而表面Si-O的伸缩振动谱带甚至达到了63 cm-1的漂移,这表明沥青分子与OMMT层间不仅仅与铝氧八面体边缘的羟基产生了一定的相互作用,而且对硅氧四面体表面环境产生了一定程度的改变。 (7)沥青化学组分分析表明,OMMT的加入引起了饱和分、芳香分和胶质的变化,而对沥青质的影响较小。对于普通沥青,热氧和光氧老化之后,沥青质都有不同程度的增加,光氧老化之后沥青质的增加量更大,表明光氧老化对沥青性能的破坏更大。然而,OMMT改性沥青热氧和光氧老化之后沥青质的增加量较未改性沥青都要低,这表明OMMT的加入可以显著抑制沥青在热、光和氧作用下的老化,提高沥青的抗老化性能。 (8)AFM对老化机理分析表明,对于普通沥青,热氧和光氧老化过程中,沥青中的分散相表现出明显的缔合作用,导致了沥青的硬化,从而使得沥青的性能劣化,即软化点和粘度的增加以及针入度和延度的降低。而对于OMMT改性沥青,沥青质在沥青中的分布更加均匀,在老化过程中分散相的缔合作用得到了有效的抑制,老化后的OMMT改性沥青中仍然存在明显的两相,沥青的抗热氧和光氧老化性能得到明显改善。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TE626.86

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