公路路面抗凝冰硅橡胶基复合材料的制备及性能研究

程俊博 何昊晅 于洋

摘要：采用氯化钠一硅藻土制备抗凝冰剂，添加在硅橡胶中制成抗凝冰硅橡胶基复合材料，采用电子显微镜对氯化钠一硅藻土制备抗凝冰剂、抗凝冰硅橡胶基复合材料进行表征，并研究了抗凝冰硅橡胶基复合材料的抗凝冰、耐久性，测定了路用相关技术指标参数，结果表明：氯化钠一硅藻土复合抗凝冰剂的中硅元素的含量最高;当抗凝冰剂的质量分数为30%时，硅橡胶基复合材料的结冰温度最低为-5.2。C，抗结冰效果耐久性较好，添加30%抗凝冰剂的硅橡胶基复合材料表面结构逐渐粗糙化，抗凝冰剂硅橡胶基复合材料的表观密度、含水量、粒度范围、外观、亲水系数、塑性指数等满足高速和一级公路路用技术指标。

关键词：硅橡胶;硅藻土;氯化钠;抗凝冰

中图分类号：TQ127.2

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）06-0034-04

环境温度在零度以下时，遇到雨雪天气会产生路面结冰的自然现象。路面出现结冰时会大大降低车辆与路面之间的摩擦作用，车体制动困难，出现打滑的现象，容易出现交通事故，提高了交通事故率，为人们的出行带来安全隐患，因此，解决雨雪天气造成的路面结冰问题十分必要。

当前关于公路路面的防冰技术主要有2种，一种是主动除凝冰技术，另一种是被动除凝冰技术。被动除凝冰技术主要包括公路人工除凝冰法、机器路面除凝冰法等，主动除凝冰技术主要是在不影响公路正常交通的情况下，在公路表面添加混合盐化物、应用抗凝冰铺装技术等达到抗凝冰的效果[1-2]。添加混合盐化物时由于氯元素的存在会对公路表面和环境产生不良影响，抗凝冰铺装技术分为橡胶路面铺装技术、粗糙路面铺装技术、镶嵌式铺装技术，由于橡胶这种路面改性材料具有促进沥青结构形成的作用，保证了沥青强度，且低温下不易变形，便于大面积使用，硅橡胶的具有耐高温、耐低温、耐候性、電气性能、物理机械性能、生理惰性，具有良好的透气性[3]，本研究以硅橡胶为例，制备公路路面防结冰硅橡胶基复合材料，并对其抗凝冰性能进行研究。

1 实验材料及仪器

1.1 主要实验材料

长白硅藻土，石英粉（凯捷矿产、200目），氯化钠（分析纯、南京化学试剂股份有限公司），沥青（镇海炼化、10#），烷基酚聚氧乙烯醚（OP- 10、Macklin），盐酸（分析纯、南京化学试剂股份有限公司），纳米填料（CAB-O-SIL M-5、CABOT），硅橡胶（分析纯、Dow Corning Corporation），丙酮（分析纯、国药集团化学试剂有限公司），固化剂（化学纯、浙江远方实业有限公司），二月桂酸二丁基锡（有效物质含量18.5%、品牌KPL）。

1.2 主要实验仪器

457A电子天平（HC），JSM-5600LV型扫描电子显微镜（日本电子光学公司），10IA-2B电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司），KQ-50型超声波清洗仪（青岛聚创环保集团有限公司），DF-101S恒温加热磁力搅拌器（郑州长城科工贸有限公司），DHI-5402X-射线电子能谱仪（美国物理电子公司），TECI-12708半导体制冷片（海大高科）。

2 实验方法

2.1 氯化钠一硅藻土抗凝冰剂的制备

取1个250mL烧杯配置lOOmLNaCI饱和水溶液，在恒温磁力搅拌器上加热至60qC之后恒温搅拌，在烧杯中滴加浓盐酸直至pH值为1。再取一个容量为lOOOmL的烧杯，加入硅藻土9.275g、OP-10（聚氧乙烯辛基苯酚醚-10）49、丙酮400mL，超声震荡30min之后得到悬浮液，之后在超声震荡的条件下再逐滴加入饱和的NaCI水溶液，滴加完成后再加入29填料，超声震荡30min，将固体沉淀物进行抽滤得到黄色物质，连带滤纸放人真空干燥箱中进行干燥，干燥箱的温度设置为150C，最后得到块状的氯化钠一硅藻土固体，固体粉碎成粉末之后称重，收集在磨口广口瓶中[4]。

2.2 抗凝冰剂硅橡胶基复合材料制备

根据质量比为4：1的比例将硅橡胶与固化剂混合之后，取6个250mL烧杯分别加入质量分数为0%、10%、20%、30%、40%、50%的氯化钠一硅藻土抗凝冰剂，加入2%的催化剂二月桂酸二丁基锡进行催化，搅拌5min之后，倒人磨砂纸反面上，自动成型，2h之后固化完成。

2.3 硅橡胶基复合材料抗凝冰实验

抗结冰性能测试实验装置见图1，制冷台主要包括计算机、隔热板、制冷片、电压控制器、温控装置等，使用的半导体制冷片型号为TECl-12708，水冷装置的水循环使制冷片表面温度保持稳定。冷却液为一定浓度的CaC12水溶液，CaC12水溶液放入-20℃的冰箱中使其完全结冰。计算机控制电压控制器的实际电压输出大小以此调节制冷片的输出功率，温控装置对制冷台中的制冷片的表面温度进行实时采集反馈到计算机上，通过调节电压的大小，进而控制样品表面温度。

添加了质量分数为0%、10%、20%、30%、40%、50%的氯化钠一硅藻土抗凝冰剂硅橡胶基复合材料固化完成之后，依次置于半导体制冷片上，将制冷片放置在CaCI2溶液冰桶内，在硅橡胶基复合材料表面滴加水滴，记录结冰温度。

2.4 样品的表征

采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜对抗凝冰剂氯化钠一硅藻土颗粒、添加抗凝冰剂硅橡胶基复合材料进行表面微观结构表征观察。

2.5 抗凝冰硅橡胶基复合材料技术参数测定

通过试验测试得出抗结冰性能效果最佳含量的样品，作为技术参数测定的研究对象。为了保证抗凝冰硅橡胶基复合材料的应用效果，参照高速和一级公路技术指标和国家标准方法对抗凝冰硅橡胶基复合材料的表观密度、含水量、粒度范围、外观、亲水系数、塑性指数等进行检测。

2.6 耐久性评价试验

将效果最好的抗凝冰硅橡胶基复合材料样品测试完抗结冰性能后，擦去表面的水滴，将其放人干燥箱中进行干燥，完全干燥之后再继续测定抗结冰效果，如此反复，直至抗凝冰硅橡胶基复合材料的抗结冰效果完全消失，记录相关的实验次数和结冰温度。

3 结果与讨论

3.1 抗凝冰剂表面形貌与能谱（EDS）定量分析

抗凝冰剂氯化钠一硅藻土颗粒的扫描电镜图和能谱图见图2和图3，根据图2可知，氯化钠晶体的尺寸在几微米至几十微米之间，而硅藻土的比表面积非常大，氯化钠晶体吸附在硅藻土颗粒的表面，从微观结构上来说，氯化钠与硅藻土颗粒的大小均一，氯化钠与硅藻土实现了物理镶嵌结合，为与硅橡胶基的结合提供了基础根据。在与硅橡胶材料混合之前应反复碾磨均匀，使混合物具有良好的抗凝冰性能。根据图3可知，氯化钠一硅藻土复合抗凝冰剂的颗粒主要包括碳元素（含量14.68%）、氧元素（含量3.98%）、钠元素（含量4.98%）、硅元素（含量64.71%）、氯元素（含量11.64%），其中硅元素的含量最高。

3.2 硅橡胶基复合材料抗凝冰实验测试结果

为了研究硅橡胶基复合材料的抗凝冰性能，将氯化钠一硅藻土抗凝冰剂不同含量的硅橡胶基复合材料放置于在图1的制冷设备中，将硅橡胶材料设置为空白对照组，实验结果见图4，根据图4可知，随着抗凝冰剂的质量分数的增加，硅橡胶基复合材料的结冰温度不断降低，当抗凝冰剂的质量分数为30%时，硅橡胶基复合材料的结冰温度最低为-5.2℃，空白对照硅橡胶材料的结冰温度为一1℃，由此可知硅橡胶基复合材料的抗凝冰能力较好，抗凝冰剂达到30%后，再继续加入抗凝冰剂，抗凝冰能力不再提升，因此，可知，本研究中抗凝剂的质量分数为30%抗凝冰效果最好。

3.3 抗凝冰硅橡胶材料表面微观结构分析

为了进一步分析加入凝冰剂的硅橡胶基复合材料与空白硅橡胶材料的抗凝冰能力的差异，采用1000倍扫描电子显微镜对添加30%的抗凝冰剂硅橡胶基复合材料和空白硅橡胶的表面微观结构进行观察，空白实验结果见图5，添加30%的抗凝冰剂硅橡胶基复合材料的表面结构见图6。添加30%的抗凝冰剂硅橡胶基复合材料表面逐渐变得复杂，有颗粒状物质，逐渐粗糙化，这是由于在潮湿寒冷的环境中，抗凝冰剂遇到潮湿寒冷的环境，与样品表面混合形成氯化盐电解质的水溶液，降低样品表面的冰点，使其具有一定的抗凝冰能力。

3.4 抗凝冰硅橡胶基复合材料技术参数测定

为了保证抗凝冰硅橡胶基复合材料的应用效果，参照高速和一级公路技术指标对添加30%的抗凝冰剂硅橡胶基复合材料的表观密度、含水量、粒度范围、外观、亲水系数、塑性指数等进行检测，结果见表1。根据表1可知，制备的抗凝冰硅橡胶基复合材料的各项指标合格，满足高速和一级公路路用技术指标。

3.5 耐久性评价试验

将效果最好的抗凝冰硅橡胶基复合材料样品测试完抗结冰性能后，擦去表面的水滴，将其放人干燥箱中进行干燥，完全干燥之后再继续测定抗结冰效果，如此反复，直至抗凝冰硅橡胶基复合材料的抗结冰效果完全消失，得出如下实验结果：实验重复第4次时，抗凝冰硅橡胶基复合材料的结冰温度为-4.7℃，与第一次实验时的结冰温度-5.2℃相比可知其抗凝冰性能降低幅度较小，第5次重复实验时，抗凝冰硅橡胶基复合材料的结冰温度为-4.5℃，第20次实验时，抗凝冰硅橡胶基复合材料仍然具有抗结冰效果，说明抗凝冰硅橡胶基复合材料耐久性较好。

4 结语

应用新型硅橡胶基复合材料可以减少路面结冰所造成的交通事故以及人员伤亡，并且添加的无机盐类物质较少，有利于环境的保护，还可以延长路面的使用年限。本文对对抗凝冰硅橡胶基复合材料进行研究，得出以下结论：

1）氯化钠一硅藻土复合抗凝冰剂的颗粒主要包括碳元素（含量14.68%）、氧元素（含量3.98%）、钠元素（含量4.98%）、硅元素（含量64.71%）、氯元素（含量11.64%），其中硅元素的含量最高。

2）当抗凝冰剂的质量分数为30%时，硅橡胶基复合材料的结冰温度最低为-5.2℃。添加30%抗凝冰剂的硅橡胶基复合材料表面逐渐变得复杂，有颗粒状物质，结构逐渐粗糙化。

3）添加30%的抗凝冰剂硅橡胶基复合材料的表观密度、含水量、粒度范围、外观、亲水系数、塑性指数等满足高速和一级公路路用技术指标。

4）抗凝冰硅橡胶基复合材料20次抗凝冰实验之后仍然具有抗结冰效果，耐久性较好。

参考文献

[1]穆勇，廖洪波，郑飞军.低表面能缓释型除冰涂层抗凝冻效果评价[J].公路，2017 （11）：266-272.

[2]江睿南，朱宝林，凌桂香.抗凝冰沥青混合料缓释技术研究[J].公路，2015（ 3）：185-189.

[3]尚涛，刘义博，刘宇，等，硅橡胶基硅藻土复合材料压缩性能研究[J].功能材料，2014，45（08）：8024-8027.

[4]曹镇君，李籽，王鹏，等，氯化钠一硅藻土复合抗凝冰剂的制备与性能研究[J].江西化工，2019（01）：83-88.

[5]万文龙，路面抗凝冰涂料的制備与性能研究[D].南昌：南昌航空大学，2016.

作者简介：程俊博（1984-），男，汉族，河南汝州人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：交通工程。