碳纳米管提高SBS改性沥青性能的研究

孙 凌，于文勇，张春平

(黑龙江工程学院，哈尔滨150050)

SBS改性沥青由于同时兼顾高温稳定性和低温抗裂性，已经逐渐成为最常用的改性沥青品种。通过对我省使用SBS改性沥青修筑的呼绥高速公路、哈尔滨机场高速公路等使用性能调查，其路用性能远远优于普通沥青修筑的路面。但由于SBS在沥青材料中的分散粒径偏大及分散不够均匀，其改性效果也有不尽人意的地方，导致SBS改性沥青路面在使用一段时间后，在行车荷载和自然因素作用下，出现不同程度的损坏。

近几年来，纳米技术正在逐渐渗透到交通材料领域，纳米改性沥青即其一种。纳米改性沥青是一种沥青纳米复合材料。纳米添加剂材料 (分散相)与沥青基质材料 (分散介质)的相容性和分散稳定性，是纳米改性沥青优异性能得以发挥和体现的关键因素。

碳纳米管是一维纳米结构，具有零维纳米点不具备的性质，如柔韧性等，而相对于高维度的纳米体系又更容易与沥青混合;碳纳米管有大量共轭π键和环状结构，和SBS以及沥青的相容性比其他无机纳米材料更好，这种提供大量电子的结构也是沥青和SBS高聚物之间潜在的桥梁;碳纳米管表面有很多位点可以修饰和改性，为化学方法改性纳米材料并提升性能提供了条件。本文通过在基质沥青中添加碳纳米管和SBS改性剂对沥青改性，同时进行一系列的室内试验，论述碳纳米管对SBS改性沥青性能的改善。

1 碳纳米管－SBS改性沥青的制备

1.1 试验用原材料

基质沥青采用盘锦110#沥青，SBS改性剂为线型1301型，分子量520万，形状如图1所示，稳定剂为上海群康沥青科技有限公司生产的路菲特稳定剂。碳纳米管采用中国科学院成都有机化学有限公司生产的多壁碳纳米管，主要指标为:外径815nm，OH含量3.70wt%，长度50μm，纯度 ＞95wt%。

1.2 制备方法

碳米管为黑色粉末状，而SBS为白色米粒大小颗粒，为使二者能更好地混合，首先使用机械搅拌机将SBS颗粒打碎 (如图2所示)，之后将碳纳米管与打碎的SBS机械拌和均匀，获得碳纳米管－SBS复合沥青改性剂。

图1 SBS改性剂Fig.1 SBSmodifier

图2 粉碎后SBS改性剂Fig.2 Crushed SBSmodifier

将不同剂量的碳纳米管+不同剂量的粉碎的SBS+基质沥青180℃温度下剪切，加入稳定剂在160℃温度下搅拌，制备碳纳米管－SBS改性沥青，其中碳纳米管的剂量按占SBS的百分含量计，SBS的剂量按占基质沥青百分含量计。

2 碳纳米管－SBS改性沥青性能试验

上述制备的碳纳米管－SBS改性沥青按现行试验规程，测定三大指标，首先在基质沥青中直接加入碳纳米管对其进行改性，改性结果见表1，碳纳米管－SBS改性沥青的改性结果见表2表5。

表1 0%SBS改性沥青中添加碳纳米管后指标试验结果Tab.1 Experiment results of modified asphalt with 0%carbon nanotubes

对表1数据进行分析:只加碳纳米管的改性沥青与基质沥青相比，除了针入度有一定下降外，其它性能并未有明显提高，这说明单纯的加入碳纳米管并不会对沥青有很好的改性。

表2 1%SBS改性沥青中添加碳纳米管后指标试验结果Tab.2 Experiment results of modified asphalt with 1%carbon nanotubes

表3 2%SBS改性沥青中添加碳纳米管后指标试验结果Tab.3 Experiment results of modified asphalt with 2%carbon nanotubes

表4 3%SBS改性沥青中添加碳纳米管后指标试验结果Tab.4 Experiment results of modified asphalt with 3%carbon nanotubes

表5 4%SBS改性沥青中添加碳纳米管后指标试验结果Tab.5 Experiment results of modified asphalt with 4%carbon nanotubes

从表中数据可以看出，不添加碳纳米管，只掺加SBS改性剂对沥青进行改性，针入度随SBS含量的增多而下降，低温延度和软化点均提高，说明SBS对沥青的改性，三大指标向好的方向发展，并且随SBS掺量的增加，改性效果更好。但在室内试验时发现，当SBS掺量超过5%和6%时，SBS改性沥青趋向于橡胶的性能，同时考虑成本的影响，本试验制备碳纳米管－SBS改性沥青时，SBS掺加量不超过4%。

观察同时加入碳纳米管和SBS的样品的数据，与只加入碳纳米管，或只加入SBS的改性沥青对比，可以明显地看到碳纳米管的加入对SBS沥青的性能有较大的影响，这说明，碳纳米管对沥青的作用，必须是需要与SBS协同作用才能达到。

为更方便地观察SBS剂量相同，不同碳纳米管的添加量对沥青改性的的变化趋势，将数据整理为图形进行分析，如图3所示。

图3 不同添加量碳纳米管－SBS改性沥青三大指标柱状图Fig.3 Histogram of three indicators with different amount of carbon nanotubes-SBSand asphalt

从图中可以看出，碳纳米管添加量不同的改性沥青，其性能变化规律:随碳纳米管添加量的增加，针入度降低，达到0.08%时又有提高;低温延度提高，达到0.08%时降低;软化点随着碳纳米管添加量的增加而提高，达0.08%时趋于不变。

图4 不同碳纳米管添加量的SBS改性沥青三大指标变化规律Fig.4 Variation of three indicators with different carbon nanotubes amount of SBSmodified asphalt

观察不同碳纳米管添加量，可以发现，碳纳米管的添加量对SBS改性沥青的性能改变也是一个决定性因素，将SBS剂量为4%的试验结果做成曲线分析，如图4所示。

对比可见，碳纳米管对沥青性能的影响，随着添加量的变化而变化，在0.02%之前影响较小，之后性能向好的方向发展，超过0.04%后性能开始下降，因此确定碳纳米管的添加量范围在0.02%0.08%之间。

3 结论

(1)采用碳纳米管－SBS对石油沥青进行改性，可使其针入度降低，低温延度、软化点提高，并且经改性后，其针入度指数P I都在－1+1之间，其高、低温性能得到一定的改善，性能优于SBS改性沥青。

(2)碳纳米管的加入对SBS沥青的性能有提高，碳纳米管对沥青的作用，必须是需要与SBS协同作用才能达到，并且确定碳纳米管的添加量范围在0.02%0.08%之间，最佳添加量有待于今后的进一步研究。

［1］Sun Ling，Guan Hui，Ge Qi.Research on the Performance of Asphalt Modified by SBS Rubber and Carbon Nanotube［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，99/100:1243 －1246.

［2］马 峰，张 超，傅 珍.纳米碳酸钙改性沥青的路用性能及机理研究［J］.武汉理工大学学报.2007(1):88 －91.

［3］张金升，高友宾，李明田，等.纳米 Fe3O4粒子对改性沥青三大指标的影响［J］.山东交通学院学报，2004(4):10－14.

［4］汤红梅，马竞涛.石化副产炭黑应用性能改进研究［J］.石油炼制与化工，2006，37(10):51 －55.

［5］肖 鹏，李雪峰.纳米 ZnO/SBS改性沥青微观结构与共混机理［J］.江苏大学学报，2006(6):548－551.

［6］曹晓岩，康 峰，王 莉.基于季冻区SMA改性沥青路面早期破损的研究［J］.森林工程，2010，26(3):41 －43.

［7］刘亚兰，潘珠玉.纳米TiO2与活性炭纤维复合降解空气中甲醛［J］.林业科技，2009，34(1):42 －45.