[发明专利]一种用于沥青改性的纳米氧化石墨烯制备方法

说明书

本发明提供一种用于沥青改性的纳米氧化石墨烯制备方法，属于沥青材料技术领域，解决目前制备的纳米氧化石墨烯产生边缘型缺陷、自发团聚、难以均匀分散在沥青中、沥青改性效果较差等问题。本发明首先将石墨初步氧化，再将氧化石墨剥离成纳米氧化石墨烯，然后通过阳离子表面活性剂CTAB对纳米氧化石墨烯进行插层处理，并分析在CTAB插层阶段纳米氧化石墨烯层间距的变化情况，确定CTAB的最佳掺量，最后分析纳米氧化石墨烯在沥青中的分散性，确定纳米氧化石墨烯的合理掺量，提高沥青改性效果。本发明制备的纳米氧化石墨烯可用于沥青改性，并且能够均匀分散在沥青中，提高沥青的力学性能、抗老化性能和耐久性，对提高沥青路面使用寿命具有重要的现实意义。

技术领域

本发明是一种用于沥青改性的纳米氧化石墨烯制备方法，属于沥青材料技术领域。

背景技术

近年来，由于经济的发展和交通需求的增加，全国范围内的交通量和车轴负荷也在增加，与此同时，气候变化正在导致全年气温发生重大变化，甚至会出现一些严重的气象事件，如超高温天气和雨雪霜冻天气。截至2019年末，我国公路总里程达到501.25万公里，增加16.6万公里，其中绝大部分路面采用沥青路面，沥青是道路建设的重要材料，面对复杂的道路条件和自然环境，未经改性的沥青往往不能支撑日益增长的车轴负荷以及恶劣的天气条件，严重影响了沥青路面使用寿命。在这种情况下，就需要开发新的沥青材料，以增强道路沥青路面的机械响应，以避免其过早老化，并确保沥青路面在这些复杂恶劣的使用条件下拥有更长的寿命。

目前，有学者采用纳米氧化石墨烯来改善沥青的性能，这些经过纳米氧化石墨烯改性的沥青往往具有较强的力学性能和耐久性，这是因为纳米氧化石墨烯的比表面积大，表面有丰富的含氧官能团，极易与基质沥青组分形成氢键并产生范德华力。因而极少量的纳米氧化石墨烯就可快速吸附沥青结合料中的大分子物质，从而在黏度、抗永久变形和弹性功能方面显著增强。同时，氧化石墨烯属于二维材料，具有典型的层状结构，有利于在与沥青混合的过程中将氧化石墨烯插入沥青分子中形成片层结构。这些因素都有助于提高沥青分子间的交联密度，从而极大提高沥青结合料的力学性能、抗老化性能和耐久性。

纳米氧化石墨烯的制备方法主要有Hummer’s法、Staudeumaier’s法和Brodie’s法。这三种方法本质上就是不同氧化剂的选择，最初使用的氯酸钾和高锰酸钾氧化剂，具有高氧化性的同时也具有高污染和易爆性。目前人们广泛使用改进的Hummer’s法来制备纳米氧化石墨烯，该方法反应氧化效率高、对环境友好、反应安全性高。但是也存在一些问题，在制备过程中，由于CO₂的形成，会导致六元环断裂以及碳原子的缺失而使得纳米氧化石墨烯的缺陷增加。因此还需要改进新的制备方法来完善和改进现有的纳米氧化石墨烯制备的方法。

但是，由于极大的比表面积，纳米氧化石墨烯也就具有较高的表面能，因而常常会自发团聚，不能很好地分散在沥青中，大大降低了纳米氧化石墨烯对沥青的改性效果。目前，有学者采用加热沥青降低黏度、强力剪切搅拌以及加入分散剂的方法来提高纳米材料在沥青中的分散性，虽然具有一定的效果，但并不显著。此外，超声处理也是一种分散纳米氧化石墨烯的有效方法，延长超声时间或增加超声功率可以显著提高其分散效果。但超声处理也一定程度降低了纳米氧化石墨烯的尺寸，会生成大量的边缘型缺陷，尤其是功率过大或时间过长时会生成空位缺陷。