一种改性炭黑及包含改性炭黑的改性沥青及其制备方法与流程

本技术涉及沥青材料领域，尤其涉及一种改性炭黑及包含改性炭黑的改性沥青及其制备方法。

背景技术：

1、沥青作为一种重要的建筑材料和化工原料，在人类历史上有着悠久的应用历史。它的起源可追溯至古代文明时期，那时人们发现在特定地理条件下形成的天然沥青，如美索不达米亚地区，由于其独特的黏性和防水性能，被用于建筑密封、防水和其他构造用途。近代沥青技术的发展则与石油工业密切相关。随着19世纪石油的商业化开采，石油提炼过程中产生的残余物——石油沥青，逐渐成为广泛应用的主要来源。这种沥青经过精炼和改性处理，具备良好的高温稳定性、低温抗裂性、耐老化和抗滑性能，因此广泛应用于各类高等级公路和城市道路的路面铺设。

2、但随着对于沥青类材料的需求和质量要求的不断提高，以及高分子科学和技术的进步，人们开始尝试将合成高分子材料如橡胶、树脂、塑料、热塑性弹性体等与沥青进行复合改性，以改善沥青的性能。这种改性手段不仅可以增强沥青的抗老化、耐高低温、抗疲劳、抗裂纹扩展等性能，还能提高沥青路面和防水材料的使用寿命和可靠性，并使得改性沥青能够广泛应用于道路建设的建设材料、防水卷材和防水涂料等领域。同时，炭黑材料因为其优异的高温稳定性、抗老化性、耐磨性等性能，在沥青材料中与高分子材料共同使用往往能够综合提高沥青材料的各项性能水平。

3、但现有的上述类别沥青材料也并非完美的，也存在的一些难以解决的问题。例如改性沥青也存在着稳定性、耐久性、耐候防水性较差以及自身稳定、兼容性不佳等问题，这些问题都会明显地影响沥青材料在后续应用中的各项性能和使用寿命。

4、因此，为了解决上述问题，本技术中提供了一种改性炭黑及包含改性炭黑的改性沥青。本技术所制得的包含改性炭黑的改性沥青能够在拥有优异的力学和机械性能的同时，保持良好的耐候、防水、热稳定性性能，尤其是在长期潮湿和闷热环境中使用时具有更好的性能表现以及使用寿命。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术第一方面提供了一种改性炭黑，所述改性炭黑的制备方法包括以下步骤：s1：将炭黑加入至浓硝酸中混合搅拌完全，密封超声反应12~30h，超声反应后将得到的固体粒子稀释取出，洗涤干燥得到预处理炭黑；s2：将预处理炭黑超声分散于去离子水中，加入胺类改性剂之后升温至50~60℃，搅拌反应20~30h，反应完成后洗涤干燥得到二次处理炭黑；s3：将二次处理炭黑加入至水-无水乙醇的混合溶液中超声分散，期间升温至60~75℃，之后同时滴加加入含有正硅酸乙酯的无水乙醇溶液以及含有丁二酸酐的水溶液，滴加反应时间为2~4h，滴加反应完成之后，降温至40~50℃并加入硅烷偶联剂和短切碳纤维，超声分散反应24~48h后洗涤干燥，即得改性炭黑。

2、作为一种优选的方案，所述s1中密封超声反应温度为65~75℃。

3、作为一种优选的方案，所述炭黑和浓硝酸的质量比为（1~3）：（20~30）。

4、作为一种优选的方案，所述炭黑和浓硝酸的质量比为（1~2）：（20~25）。

5、作为一种优选的方案，所述浓硝酸的浓度为60~75wt%。

6、作为一种优选的方案，所述预处理炭黑和胺类改性剂的质量比为（1~3）：（12~15）。

7、作为一种优选的方案，所述预处理炭黑和胺类改性剂的质量比为（1~1.5）：（12~13）。

8、作为一种优选的方案，所述胺类改性剂为乙二胺、1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、对苯二胺中的至少一种。

9、作为一种优选的方案，所述胺类改性剂为1,3-丙二胺。

10、作为一种优选的方案，所述二次处理炭黑和正硅酸乙酯的质量比为（1.5~3）：（1~2）。

11、作为一种优选的方案，所述二次处理炭黑和正硅酸乙酯的质量比为（2~2.5）：（1~1.5）。

12、作为一种优选的方案，所述二次处理炭黑和丁二酸酐的质量比为（1.5~3）：（4~6）。

13、作为一种优选的方案，所述二次处理炭黑和丁二酸酐的质量比为（2~2.5）：（4.5~5）。

14、作为一种优选的方案，所述二次处理炭黑，硅烷偶联剂和短切碳纤维的质量比为（2~2.5）：（0.1~0.3）：（0.8~1.5）。

15、作为一种优选的方案，所述短切碳纤维的直径为0.5~1mm。

16、作为一种优选的方案，所述短切碳纤维的长度为3~10mm。

17、本技术中，通过上述改性方法制备的改性炭黑能具有优异的力学和机械性能，并且在沥青材料中添加使用时，能够大幅提高沥青材料的防水和力学性能，并且同时大幅增强沥青材料的防静电和热稳定性。本技术中制备的改性炭黑，其能够形成细小的微孔结构，并且通过后续制备的硅溶胶的粘合作用，从而在沥青体系中与高分子树脂通过表面分子链的吸附和链段之间的相互缠结形成优异紧密网络结构，该结构的存在能够大幅增强高分子树脂在沥青体系中的分散稳定性，避免了偏析和析出现象，同时还能够避免了高分子树脂的过度聚集，使得沥青材料整体体系趋于稳定。另一方面，炭黑粒子能够切入短切碳纤维中形成多粒子点位支撑的线纤维结构，这种结构的连接性和支撑性都得到了大幅的提升，从而在沥青材料受到外力作用时，充分发挥其体系内部的连接和支撑作用，从而起到优异的力学增强效果。

18、本技术第二方面提供了一种包含上述改性炭黑的改性沥青，以质量份计，原料包括：基体沥青80~120份，高分子树脂15~20份，相容剂1~5份，稳定剂0.1~1份，改性炭黑20~25份，粘度调节剂1~3份，助剂5~15份。

19、作为一种优选的方案，所述基体沥青，高分子树脂和改性炭黑的质量比为（9~10）：（1.6~1.8）：（2.2~2.4）。

20、作为一种优选的方案，所述基体沥青为90#或70#沥青中的至少一种。

21、作为一种优选的方案，所述基体沥青为70#a级沥青。

22、作为一种优选的方案，所述高分子树脂为sbs树脂和环氧嵌段树脂的组合物。

23、作为一种优选的方案，所述sbs树脂和环氧嵌段树脂的质量比为（3~4）：（1~1.5）。

24、作为一种优选的方案，所述sbs树脂和环氧嵌段树脂的质量比为3：1。

25、作为一种优选的方案，所述环氧嵌段树脂为环氧乙烷-环氧丙烷嵌段聚合树脂。

26、作为一种优选的方案，所述环氧嵌段树脂的重均分子量为2800~120000。

27、作为一种优选的方案，所述环氧嵌段树脂为重均分子量为2800~4800环氧乙烷-环氧丙烷嵌段聚合树脂和重均分子量为7000~9000环氧乙烷-环氧丙烷嵌段聚合树脂的组合物。

28、作为一种优选的方案，所述重均分子量为2800~4800环氧乙烷-环氧丙烷嵌段聚合树脂和重均分子量为7000~9000环氧乙烷-环氧丙烷嵌段聚合树脂的组合物质量比为（0.3~1）：（2~2.5）。

29、本技术中，采用的上述特定分子量的环氧嵌段树脂混合sbs树脂加入至沥青材料中进行改性，能够大幅提高沥青材料的自身热稳定性和防水性能，并且兼顾了一定的力学性能。本技术中加入的不同分子量的环氧嵌段树脂与sbs树脂共同作用时，不同链段密度和稠度的树脂能够形成多层堆叠的致密界面膜，界面膜的存在不仅能够增强高分子树脂在沥青材料体系内的连续接触的面积，更能够增强彼此缠结的程度，增大活性分子之间的位阻，从而在高温活跃的环境下，降低活性分子间的碰撞和接触频率，进而大幅减少反应和分子偏移的现象；另一方面，致密界面膜的存在为沥青材料内部提供了多层的疏水阻隔界面，从而在水分子的运动过程中起到优异的阻隔和阻碍作用，增强水分子渗透阻力以及渗透路径长度，进而具有优异的防水性。

30、作为一种优选的方案，所述相容剂为植物油或环烷油。

31、作为一种优选的方案，所述相容剂为植物油。

32、作为一种优选的方案，所述稳定剂为dtdm。

33、作为一种优选的方案，所述粘度调节剂为脂肪酸酯中的至少一种。

34、作为一种优选的方案，所述粘度调节剂为脂肪酸乙酯、脂肪酸甲酯、脂肪酸丙酯中的至少一种。

35、作为一种优选的方案，所述粘度调节剂为脂肪酸甲酯。

36、作为一种优选的方案，所述助剂为耐紫外剂、流动促进剂、高温稳定剂、补强剂、固体添加剂、增稠剂中的至少一种。

37、作为一种优选的方案，所述助剂为流动促进剂和固体添加剂。

38、作为一种优选的方案，所述流动促进剂和固体添加剂的质量比为1:4。

39、作为一种优选的方案，所述流动促进剂为乙二醇单硬脂酸酯。

40、作为一种优选的方案，所述固体添加剂为膨润土、高岭土、椰壳土、硅藻土中的至少一种。

41、作为一种优选的方案，所述固体添加剂为高岭土。

42、本技术第三方面提供了一种上述含有改性炭黑的改性沥青的制备方法，制备方法包括以下步骤：s1：首先将改性炭黑和高分子树脂混合均匀得到共混物；s2：将共混物、相容剂、稳定剂以及基体沥青进行混合，混合完成后再加入粘度调节剂以及助剂，将所得物料完全混合均匀后，即得高分子改性沥青。

43、本技术具有的有益效果：

44、1、本技术中提供的一种改性炭黑及包含改性炭黑的改性沥青，其能够在拥有优异的力学和机械性能的同时，保持良好的耐候、防水、热稳定性性能，尤其是在长期潮湿和闷热环境中使用时具有更好的性能表现以及使用寿命。

45、2、本技术中提供的一种改性炭黑及包含改性炭黑的改性沥青，所制备的改性炭黑具有优异的力学和机械性能，并且在沥青材料中添加使用时，能够大幅提高沥青材料的防水和力学性能，并且同时大幅增强沥青材料的防静电和热稳定性，其能够形成细小的微孔结构，并且通过后续制备的硅溶胶的粘合作用，从而在沥青体系中与高分子树脂通过表面分子链的吸附和链段之间的相互缠结形成优异紧密网络结构，该结构的存在能够大幅增强高分子树脂在沥青体系中的分散稳定性，避免了偏析和析出现象，同时还能够避免了高分子树脂的过度聚集，使得沥青材料整体体系趋于稳定。

46、3、本技术中提供的一种改性炭黑及包含改性炭黑的改性沥青，所制得改性炭黑还能够切入短切碳纤维中形成多粒子点位支撑的线纤维结构，这种结构的连接性和支撑性都得到了大幅的提升，从而在沥青材料受到外力作用时，充分发挥其体系内部的连接和支撑作用，从而起到优异的力学增强效果。

47、4、本技术中提供的一种改性炭黑及包含改性炭黑的改性沥青，其采用特定分子量的环氧嵌段树脂混合sbs树脂加入至沥青材料中进行改性，能够大幅提高沥青材料的自身热稳定性和防水性能，并且兼顾了一定的力学性能；不同分子量的环氧嵌段树脂与sbs树脂共同作用时，不同链段密度和稠度的树脂能够形成多层堆叠的致密界面膜，界面膜的存在不仅能够增强高分子树脂在沥青材料体系内的连续接触的面积，更能够增强彼此缠结的程度，增大活性分子之间的位阻，从而在高温活跃的环境下，降低活性分子间的碰撞和接触频率，进而大幅减少反应和分子偏移的现象。

48、5、本技术中提供的一种改性炭黑及包含改性炭黑的改性沥青，其采用的特定分子量的环氧嵌段树脂混合sbs树脂加入至沥青材料中，还能通过致密界面膜的存在为沥青材料内部提供了多层的疏水阻隔界面，从而在水分子的运动过程中起到优异的阻隔和阻碍作用，增强水分子渗透阻力以及渗透路径长度，进而具有优异的防水性。