一种包装废弃聚合物/纳米复合改性沥青及其制备方法

摘要

本发明公开的一种包装废弃聚合物/纳米复合改性沥青，按质量百分比，其组成为：包装废弃聚合物PE0.5%～13%、纳米蒙脱土0.1%～12%和基质沥青75%～99%。其制备方法为：首先将基质沥青加热熔化，再依次加入包装废弃聚合物PE和纳米蒙脱土，人工搅拌和剪切机搅拌，使其充分溶胀，再次剪切直至包装废弃聚合物PE和纳米蒙脱土均匀分散于沥青中，即得。本发明利用回收的包装废弃聚合物以及纳米蒙脱土作为改性剂，结合各自的特点，采用复合改性的技术方法，通过“二步法”的改性工艺，对基质沥青进行改性，在降低改性成本的同时，提高了沥青的综合性能。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种改性沥青材料，具体涉及一种包装废弃聚合物/纳米复合改性沥青，本发明还涉及该改性沥青的制备方法。

背景技术

包装业的发展为经济建设作出了重大贡献，同时也给人类带来了严重的环境问题。据美国《包装》杂志通过全国性民意测验的结果，绝大多数人认为：包装带来的环境污染仅次于水质污染、海洋湖泊污染和空气污染，已处于第四位。据统计，我国城乡每年产生的垃圾有4亿吨，其中30%是包装废弃物。而70%以上为一次性包装产品，使用后即废弃。以2004年为例，包装业总产值超过3200亿元，其中2300亿元的产品将成为包装废弃物，若总回收利用率按25％计算，则至少还有1700亿元的资源被白白浪费。因此，包装与环保作为一个社会热点正摆在人们面前，已成为各国急需解决的严重问题。

塑料以其质量轻、强度高、耐腐蚀、易加工等优良性能，在经济建设各个领域发挥着重要作用，塑料加工业作为新兴行业已成为我国国民经济的支柱产业之一。塑料在为现代人类文明发展做出贡献的同时，也给环境造成了不可忽视的污染，即所谓的“白色污染”。在“白色污染”现象的背后，包装废弃聚合物所造成的影响是不容忽视的。据统计，包装废弃聚合物使用的合成树脂约占世界合成树脂总量的25%。我国每年产生的废弃塑料大约有100万吨，包装废弃聚合物量约占塑料产量的70%。废弃塑料产生量如此之大，而目前我国每年回收利用率却很少，几乎不到废弃塑料总量的20%。因此，合理回收利用包装废弃聚合物已成为公众关心的焦点问题，也成为亟待解决的一大难题。

与此同时，随着高等级公路交通量增大、车速高、轴载日趋重型化以及国产普通沥青含蜡量高、粘结力差、延伸度低、温度敏感性大等性能缺点，导致高等级公路路面形成各种严重的病害。

首先是高温车辙及变形问题。在高温地区、大型车辆以及超载、重载路段，车辙已成为沥青路面潜在的最严重的破坏形式之一。

其次，沥青路面水损害破坏严重。所谓沥青路面水损害破坏，是沥青路面在油水分的条件下，经受交通载荷和温度胀缩的反复作用，一方面水分逐步侵入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力的作用，沥青层渐渐地从集料表面剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。由于这种破坏作用的存在，导致在春融、梅雨季节及雨季，好端端的路面逐渐出现麻面、松散、掉粒乃至坑槽，此种情况已经在许多公路以及某些高速公路上出现。

再次，寒冷地区沥青路面温缩裂缝普遍存在。在冬季气温骤降时，沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长，同时劲度急剧增大，超过混合料的极限强度或极限拉伸应变，便会产生开裂。

最后是高速公路的表面功能，尤其是抗湿滑性能不足，恶性交通事故时有发生。现今公众对道路交通安全和舒适性的期望越来越高，路面必须具有良好的抗滑性，并且在潮湿状态下没有水雾，没有眩光，噪声小。

因此，研究提高沥青混凝土路面使用性能的关键技术，即改性沥青技术，已成为公路建设的重要课题。

很久以前人们就开始在沥青中添加硫磺、橡胶以改善其性能。中国专利公开号CN1164548（专利号 97104353.1，申请日1997年5月28日，公开日1997.11.12）公开了一种利用废塑料制成沥青防水卷材、涂料、油膏的技术；主要是用废品回收站或垃圾站的废塑料特别是废塑料膜袋，先与溶解组分合成改性组分，再与沥青基料合成改性沥青基料，后与相应辅料分别制成改性沥青防水卷材、涂料、油膏。现有对改性沥青的研究，大多都是利用工业聚合物作为改性剂，其生产成本较高，还有用树脂类作改性剂，但是树脂类改性剂存在一定的缺点，对沥青性能全面改善效果不明显，改善幅度有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种包装废弃聚合物/纳米复合改性沥青，解决了成本高以及对沥青性能全面改善效果不明显，改善幅度有限的缺陷。

本发明的另一目的是提供上述复合改性沥青的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种包装废弃聚合物/纳米复合改性沥青，按质量百分比，其组成为：包装废弃聚合物PE 0.5%～13%、纳米蒙脱土0.1%～12%和基质沥青75%～99%。

本发明所采用的另一技术方案是，上述包装废弃聚合物/纳米复合改性沥青的制备方法，按以下步骤进行：

步骤a. 将质量百分比75%～99%的基质沥青加热使之熔化，保持温度为150～200℃，按质量百分比先加入0.5%～13%的包装废弃聚合物PE，再加入0.1%～12%的纳米蒙脱土，人工搅拌20～40min，剪切机搅拌80～100min，降温至100～150℃，放置20～50 min，使其充分溶胀；

步骤b. 将上步得到的沥青混合料在剪切机上再次进行剪切80～100min，直至包装废弃聚合物PE和纳米蒙脱土均匀分散于沥青中，即得。

本发明利用回收的包装废弃聚合物（主要成分为树脂类PE）以及纳米蒙脱土作为改性剂，结合各自的特点，采用复合改性的技术方法，通过“二步法”的改性工艺，对基质沥青进行改性，在降低改性成本的同时，提高了沥青的综合性能，缓解了“白色污染”问题。

附图说明

图1是本发明的复合改性沥青与未改性沥青针入度变化对比图；

图2是本发明的复合改性沥青与未改性沥青软化点变化对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的包装废弃聚合物/纳米复合改性沥青，按质量百分比，其组成为：包装废弃聚合物PE 0.5%～13%、纳米蒙脱土0.1%～12%和基质沥青75%～99%。

包装用聚合物占聚合物很大的部分，而且回收再利用效果不佳，虽然塑料包装多为复合材料，也包含印刷油墨以及少量的阻隔性树脂，但很多包装，单一聚合物为其主要成分。本发明用包装废聚合物来代替纯的树脂改性沥青，进一步降低沥青改性的费用。

纳米技术处于微观(分子、原子级水平)和宏观之间的所谓介观领域，因此纳米材料具有神奇的小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等优异性能。纳米改性沥青之所以不同于其他改性沥青，其根本原因在于纳米改性沥青是从微观结构上改变沥青性能。

从包装废弃聚合物改性沥青的性能确定包装废弃聚合物PE的含量为0.5%～13%，从纳米材料的特殊效应和成本确定纳米蒙脱土的含量为0.1%～12%。

包装废弃聚合物能够大大降低改性成本，并发挥聚合物改性剂与纳米材料各自的性能优势，综合提高沥青的性能，同时缓解包装废弃聚合物造成的白色污染问题，节约资源，具有明显的社会效益与经济效益。

本发明提供了上述复合改性沥青的制备方法，按以下步骤进行：

步骤a. 将质量百分比75%～99%的基质沥青加热使之熔化，保持温度为150～200℃，按质量百分比先加入0.5%～13%的包装废弃聚合物PE，再加入0.1%～12%的纳米蒙脱土，人工搅拌20～40min，剪切机搅拌80～100min，降温至100～150℃，放置20～50 min，使其充分溶胀；

步骤b. 将上步得到的沥青混合料在剪切机上再次进行剪切80～100min，直至包装废弃聚合物PE和纳米蒙脱土均匀分散于沥青中，即得。

取纯净、无风化、无有害杂质，具有良好碎片形状的基质沥青。本实验选用中海36-1 90#基质沥青，其25℃针入度为99.5（0.1mm）、软化点为36.8℃。用于改性沥青的包装废弃聚合物应洁净、干燥，其质量应符合规定的技术要求，本实验采用回收的牛奶包装袋（主要成分为聚乙烯—PE），其纯度为92%、熔点为125℃；纳米蒙脱土要求其平均晶片厚度小于25nm。

以下是采用单一的包装废PE、单一纳米蒙脱土以及采用本发明技术方案的复合改性沥青的测试结果，具体的混合配比如表1所示：

表1改性体系配比

试样编号包装废PE含量（%）纳米蒙脱土含量（%）基质沥青含量（%）1#001002#60943#05954#63915#66886#61084

改性沥青的针入度按GB/T0604-2000进行测试，软化点按GB/T0606-2000进行测试。具体实验结果如下：

图1为沥青改性前后针入度的变化图，可以看出4#—6#经复合改性后的沥青的针入度降低幅度明显。也就是说，包装废弃聚合物/纳米复合改性后，沥青的抗变形能力得到明显改善。

图2为沥青改性前后软化点的变化图。结果可以看出，1#—6#改性沥青的软化点分别为36.8℃，69.7℃，46.0℃，81.2℃，96.7℃和大于100℃，其中4#—6#经复合改性后的沥青的软化点升高幅度明显。也就是说，复合改性后，沥青的软化点明显提高，其高温性能得到明显改善。

结论：

1、包装废PE、纳米蒙脱土复合改性后，基质沥青的高温性能得到了明显的改善，抗变形能力明显提高。

2、包装废PE含量对改性沥青的抗变形能力和高温性能的影响较大，而纳米蒙脱土含量对改性沥青的抗变形能力和高温性能影响相对较小，但两者复合改性沥青结合了两种改性剂的性能特点，其综合性能更好。

综上所述，利用本发明技术制备的改性沥青，以回收的包装废弃聚合物PE、纳米蒙脱土作为改性剂，采用复合改性的技术方法，能够明显提高基质沥青的高温性能、抗变型能力，大大提高沥青路面抗车辙能力，改性成本降低，并缓解了包装废弃聚合物形成的“白色污染”问题。

实施例1

取质量百分比99%的基质沥青加热熔化，保持温度在150℃，按质量百分比加入0.5%的包装废弃聚合物PE和0.5%的纳米蒙脱土，人工搅拌20min，剪切机搅拌80min，降温至150℃，放置50 min，使其充分溶胀；将混合料在剪切机上再次进行剪切80min，直至包装废弃聚合物PE和纳米蒙脱土均匀分散于沥青中，即得。经测试，改性沥青的针入度为90.2（0.1mm），软化点为47.9℃。

实施例2

取质量百分比75%的基质沥青加热熔化，保持温度在180℃，按质量百分比加入13%的包装废弃聚合物PE和12%的纳米蒙脱土，人工搅拌30min，剪切机搅拌80min，降温至120℃，放置30 min，使其充分溶胀；将混合料在剪切机上再次进行剪切90min，直至包装废弃聚合物PE和纳米蒙脱土均匀分散于沥青中，即得。经测试，改性沥青的针入度为37.7（0.1mm），软化点为129.3℃。

实施例3

取质量百分比89%的基质沥青加热熔化，保持温度在200℃，按质量百分比加入10.9%的包装废弃聚合物PE和0.1%的纳米蒙脱土，人工搅拌40min，剪切机搅拌100min，降温至100℃，放置20 min，使其充分溶胀；将混合料在剪切机上再次进行剪切100min，直至包装废弃聚合物PE和纳米蒙脱土均匀分散于沥青中，即得。经测试，改性沥青的针入度为40.1（0.1mm），软化点为102.5℃。