一种高韧环氧沥青及其制备工艺

1.本发明涉及一种沥青及其制备工艺，更具体的说，尤其涉及一种高韧环氧沥青及其制备工艺。


背景技术：

2.环氧沥青作为一种重要的高性能建筑材料，其发展历史可以追溯到20世纪50年代初，迄今为止已有七十余年的发展历史。随着科技的不断进步与创新，环氧沥青在建筑以及交通行业已得到广泛的应用。
3.20世纪50年代初，j.paul hogan发明了环氧树脂材料。这是环氧沥青得以问世的重要前提。环氧树脂具有高强度、高粘接力、优异的耐化学性、优良的电绝缘性和高温稳定性等优点，为后来的环氧沥青材料的研发提供了基础和条件。20世纪60年代，john baldrey博士发明了环氧沥青，并开始将其应用于桥梁防水工程。这标志着环氧沥青的问世，同时也解决了桥梁等建筑物因为雨水等因素而导致的水损坏问题。由于环氧沥青具有耐水性好、耐候性强、附着力好等特点，广泛应用于桥梁、隧道等建筑防水工程中。20世纪70年代，随着环氧沥青应用的不断推广，其在建筑、航空、地下工程、水利工程等领域得到了更广泛的应用。在20世纪80年代和90年代，欧洲和日本也开始大量使用环氧沥青来修复桥梁和隧道。同时，对环氧沥青的生产工艺和生产设备进行了不断改进和提升，也为环氧沥青的应用提供了更好的保障。
4.21世纪以来，随着科学技术的不断进步和人们对建筑材料性能要求的不断提高，环氧沥青的性能和应用范围也在不断扩展和提升。例如，利用纳米材料、高分子材料等对环氧沥青进行改性，可以提高其力学性能、抗老化性能、耐化学性能等方面的性能。同时，针对不同领域的应用需求，如海洋工程、水泥混凝土结构、公路路面、航空等，也在环氧沥青材料的研究方面进行了深入的探索和研究，为其应用提供更多的可能性。
5.相较于普通沥青，环氧沥青具有多种优点，如耐久性、耐腐蚀性、抗裂性、防水性等，因此在建筑工程中有着广泛的应用。环氧沥青具有较高的耐久性，能够长时间保持其物理和化学性质，不易老化、开裂、变形等，因此，环氧沥青通常用于需要长期保护的建筑结构上。环氧沥青能够有效地防止化学物质和腐蚀性物质的侵蚀，能够长期保护建筑结构不受腐蚀和损坏，减少维修和更换的成本。环氧沥青的强度和韧性较高，能够有效抵抗外力作用下的变形和裂纹，从而保证建筑结构的稳定性和安全性。环氧沥青具有极佳的防水性能，能够有效地防止水分渗透和漏水，保证建筑结构的干燥和稳定。环氧沥青的施工工艺简单，施工速度快，可采用机械化作业，提高施工效率和质量。环氧沥青是一种环保节能型建筑材料，其制造过程中不会排放有害气体和污染物，而且在使用过程中能够节约能源、降低能耗。
6.基于以上有优点，环氧沥青能够满足建筑工程中对材料的多重需求，它的应用范围逐渐扩大，并且不断进行技术创新和改进，以适应不同的建筑需求。
7.环氧沥青可以用于道路和桥梁的路面涂层、路面修补和裂缝封闭等工程中，它能
够提供持久的防水保护和抗裂能力，有效延长路面和桥梁的使用寿命。隧道工程中，环氧沥青可以用于地面和墙壁的防水涂层、抗裂处理、防火涂层等，它的优异性能能够有效保护隧道结构，增强隧道的安全性和耐久性。环氧沥青可以用于地下管道的内衬和涂层，以提高管道的耐腐蚀性和耐久性，它能够有效防止管道内壁的腐蚀和磨损，延长管道的使用寿命。环氧沥青可以用于水利工程的防水涂层、水坝、水闸、水库的涂层等，它能够提供可靠的防水性能，防止水工结构被水侵蚀和泄漏，确保水工结构的安全性和稳定性。环氧沥青可以用于工业设备的表面防腐涂层、耐磨涂层等，它的防腐性能能够有效延长设备的使用寿命，减少设备的维修和更换成本。
8.在国内，环氧沥青的研究和应用也得到了广泛的关注和发展。一方面是环氧沥青的材料改性。针对环氧沥青的特点和应用需求，国内的研究者们进行了不断的探索和改进，主要包括以下几个方面：
9.(1)改进环氧树脂材料的性能，例如使用特殊结构的环氧树脂单体合成环氧树脂，提高环氧沥青的耐热性、耐化学腐蚀性和耐疲劳性等。
10.(2)利用纳米材料、高分子材料等对环氧沥青进行改性，可以提高其力学性能、抗老化性能、耐化学性能等方面的性能，如使用碳纳米管、纳米氧化铁等纳米材料制备纳米复合环氧沥青。
11.(3)开发新型的环氧树脂单体和环氧沥青材料，例如在环氧沥青中添加聚乙烯醇、醋酸乙烯酯等材料，可以提高环氧沥青的粘着性和耐水性等性能。
12.另一方面是环氧沥青的应用领域。目前，国内环氧沥青的主要应用领域包括：
13.(1)道路交通领域：如高速公路、城市道路、机场跑道等，用于路面的防水、防腐、耐磨损等方面的工程。
14.(2)海洋工程领域：如海洋平台、码头、防波堤等，用于海洋环境下的防腐、防水等方面的工程。
15.(3)建筑领域：如大型建筑物、隧道等，用于防水、隔音、防腐等方面的工程。
16.最后是环氧沥青的生产工艺。随着国内环氧沥青应用的不断扩大，其生产工艺也得到了不断的改进和优化，如采用新型的材料、新工艺、新设备等手段，提高了生产效率和产品质量。
17.综上所述，国内环氧沥青的研究和应用正处于快速发展的阶段，具有广阔的市场应用前景和发展空间。目前国内环氧沥青的应用领域还有很大的发展空间，尤其是在建筑领域、海洋工程领域以及工业领域等方面，有着巨大的需求和市场。此外，环保意识的日益提高和政策的推动也为环氧沥青的应用提供了良好的环境，例如国家《水污染防治行动计划》等政策的出台，也为环氧沥青的应用提供了更多的机遇。
18.另外，随着科技的不断进步，环氧沥青的材料改性、生产工艺等方面也将得到更深入的研究和发展，有望开发出更加优良的产品，满足不同领域的需求。总的来说，国内环氧沥青的研究和应用正朝着更加高效、环保、可持续的方向发展，具有广阔的应用前景和发展空间。


技术实现要素：

19.本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种高韧环氧沥青及其制备工艺。
20.本发明的高韧环氧沥青，其特征在于：包括基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂，其质量份数配比为：
[0021][0022]
本发明的高韧环氧沥青，所述基质沥青为70#石油沥青，环氧树脂为双酚a型环氧树脂，固化剂为三乙醇胺，增溶剂为聚硅氧烷，增韧剂为be型环氧增韧剂，稀释剂为烯丙基缩水甘油醚。
[0023]
本发明的高韧环氧沥青，所述基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂的质量份数配比为：
[0024][0025]
本发明的高韧环氧沥青的制备工艺，其特征在于，通过以下步骤来实现：
[0026]
a).各组分的称取；按照各组分的质量份数配比，称取所需的基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂；
[0027]
b).各组分的预热；将称量好的基质沥青放入设定温度为120℃的烘箱中预热1h，将称量好的环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂放入设定温度为70～80℃的烘箱中预热5min；
[0028]
c).部分组分的混合和分散；将基质沥青、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂倒入同一容器中，并进行140℃的油浴加热，在油浴加热的过程中利用变频高速分散机进行各组分的分散；
[0029]
d).制得高韧环氧沥青；将称量好的环氧树脂倒入步骤c)中各组分分散好的容器中，然后利用变频高速分散机继续分散，分散结束后制得高韧型环氧沥青。
[0030]
本发明的高韧环氧沥青的制备工艺，步骤c)中变频高速分散机的分散转速为1500r/min，分散时长为20min；步骤d)中变频高速分散机的分散转速为2500r/min，分散时长为200s。
[0031]
本发明的有益效果是：本发明的高韧环氧沥青，其组分采用基质沥青、环氧树脂、
固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂，且各组分的质量份数配比为1.0份：0.9～1.0份(记为x份)：(0.24～0.26)*x份：(0.14～0.16)*x份：(0.10～0.15)*x份：(0.15～0.16)*x份，制备过程中，首先将称量好的各组分进行预热，然后再将基质沥青、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂混合后利用变频高速分散机进行分散，最后加入环氧树脂并用高速分散机分散后制得高韧环氧沥青，所制得的高韧环氧沥青的拉伸强度大于3.5mpa，断裂伸长率大于250％，容留时间大于50min，均远高于拉伸强度大于1.0mpa、断裂伸长率大于100％、容留时间大于30min的技术要求。
具体实施方式
[0032]
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0033]
本发明的高韧环氧沥青的组分包括基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂，其中，基质沥青采用70#石油沥青，环氧树脂采用双酚a型环氧树脂，固化剂采用三乙醇胺，增溶剂采用聚硅氧烷，增韧剂采用be型环氧增韧剂，稀释剂采用烯丙基缩水甘油醚。
[0034]
规范中对基质沥青的各项指标做出了具体要求，本发明中所采用的70#石油沥青的基本参数如表1所示：
[0035]
表1
[0036][0037]
本发明中的环氧树脂采用双酚a型环氧树脂，其指标如表2所示：
[0038]
表2
[0039]
外观无色透明粘稠液体密度(g/cm3)1.16环氧值(mol/100g)0.4225℃粘度(mpa
·
s)11000有机氯含量(mol/100g)《0.02无机氯含量(mol/100g)《0.001挥发份(％)《1
[0040]
本发明中的固化剂采用三乙醇胺，简称teoa。其物理指标如下：无色透明粘稠液体，略有氨味，凝固点20-21℃，沸点360℃，闪点190.6℃，粘度(35℃)613mpa
·
s。
[0041]
本发明中的增溶剂采用聚硅氧烷，也称硅油。其物理指标如下：乳白色黏稠液体，不挥发，无臭，凝固点-59℃，沸点101℃，闪点270℃。
[0042]
本发明中的增韧剂采用be型环氧增韧剂，质量指标如表3所示：
[0043]
表3
[0044][0045]
本发明中的稀释剂采用烯丙基缩水甘油醚，简称age，相对分子量114，环氧值0.6-0.8，沸点154℃，粘度(20℃)1-2mpa
·
s。
[0046]
高韧环氧沥青中各组分最佳比例的确定：
[0047]
1、基质沥青与环氧树脂最佳配比的确定：
[0048]
基质沥青与环氧树脂比例最佳掺量确定的几个指标为：(1)微观下达到环氧树脂呈基相，沥青呈分散相均匀分散到其中的状态。体系从沥青呈基相，环氧树脂呈分散相到这一状态的转变称为“相反转”；(2)力学指标需达到要求，拉伸强度≥1.0mpa、断裂伸长率≥100％；(3)容留时间需大于30min，容留时间为在120℃条件下，粘度增长到1000mpa
·
s所需的时间。
[0049]
设计基质沥青：环氧树脂分别为1:0.75、1:0.85、1:0.95、1:1.05、1:1.15五组试样，进行粘时实验和拉伸实验，如表4所示，给出了粘时实验结果：
[0050]
表4
[0051][0052]
由表4可以看出，基质沥青：环氧树脂为1:0.75的情况下，粘度为895mpa
·
s时，对应的时间为25min，粘度为1200mpa
·
s时，对应的时间为30min，可见，容留时间不满足大于30min的要求。基质沥青：环氧树脂为1:0.85的条件下，其容留时间接于40～45min之间，满足大于30min的要求；基质沥青：环氧树脂为1:0.95的条件下，其容留时间在45～50min之间，约为50min；基质沥青：环氧树脂为1:1.05的条件下，其容留时间在45～50min之间；基质沥青：环氧树脂为1:1.15的条件下，其容留时间在40～45min之间。
[0053]
因此，由表4可以看出，随着环氧树脂比例的增加，容留时间呈现出先增大后减小的趋势，环氧树脂为1:0.95达到最佳，约为50min。
[0054]
如表5所示，给出了基质沥青：环氧树脂分别为1:0.75、1:0.85、1:0.95、1:1.05、1:1.15五组试样时，拉伸实验结果：
[0055]
表5
[0056]
基质沥青：ep体系强度(mpa)最大延伸率(％)1：0.753.31121：0.853.72141：0.954.12761：1.055.21281：1.157.766
[0057]
由表5可以看出，拉伸强度随环氧树脂比例的增大而增大，均在3mpa以上，断裂延
伸率也呈现出先增大后减小的趋势，考虑这一变化趋势产生原因与容留时间变化趋势的原因相同。其中1:0.75、1:0.85、1:0.95、1:1.05三组的断裂伸长率均超过100％，1:0.95组断裂伸长率更是高达270％。综合容留时间和力学指标表现，最后选定基质沥青：环氧树脂为1:(0.90～1.0)均满足要求，其中，基质沥青：环氧树脂的最佳比例为1:0.95。
[0058]
2、环氧树脂与固化剂最佳配比的确定：
[0059]
如表6所示，给出了环氧树脂与固化剂配比分别为1:0.2、1:0.25和1:0.3时的粘时实验结果：
[0060]
表6
[0061][0062][0063]
如表7所示，给出了环氧树脂与固化剂配比分别为1:0.2、1:0.25和1:0.3时的拉伸试验结果：
[0064]
表7
[0065]
环氧树脂-固化剂比例强度(mpa)最大延伸率(％)1：0.21.3561：0.252.22561：0.36.2403
[0066]
可以看出环氧树脂与固化剂配比为1:0.2下容留时间可达58min，但通过力学试验
发现这一比例下环氧沥青无法完全固化，因而拉伸强度较低；环氧树脂与固化剂配比为1:0.3时容留时间过短，制得的力学试件拉伸强度高、断裂延伸率低。环氧树脂与固化剂配比为1:0.25下容留时间约46min，力学试件拉伸强度及延伸率均可达到条件中的要求。
[0067]
综合拉伸强度及延伸率的综合性能及实际使用情况，选定环氧树脂：固化剂为1：(0.24～0.26)，环氧树脂与固化剂的最佳比例为1:0.25。
[0068]
3、增溶剂最佳掺量的确定：
[0069]
结合宏观试件的分层现象来看，环氧树脂与增溶剂的比例在1：(0.14～0.16)的范围内，可达到较好的增容效果，同时容留时间能维持在46min以上，且环氧树脂与增溶剂的比例在1：0.15时增容剂的掺配比最佳。
[0070]
4、稀释剂最佳掺量的确定：
[0071]
稀释剂的筛选指标主要有三个：
①
容留时间(＞30min)；
②
力学性能(拉伸强度≥1.0mpa、断裂伸长率≥100％)；
③
相容性。按照基质沥青、环氧树脂、固化剂和增溶剂的重量比为1:0.95:0.24:0.14的比例制备出高韧沥青，然后按照稀释剂(烯丙基缩水甘油醚)相对于环氧树脂的掺量分别为5％、10％和15％时，得到如表8所示的额不同稀释剂掺量条件下的粘时实验结果，以及如表9所示的拉伸实验结果：
[0072]
表8
[0073][0074]
表9
[0075]
掺量强度(mpa)最大延伸率(％)5％10.49110％8.810815％7.2189
[0076]
可见，稀释剂的参量为5％时，其不仅容留时间小于20min，而且延伸率也低于100％，不符合要求；参量为10％时，容留时间小于30min，不符合要求。参量为15％时，容留时间大于30min，强度为7.2mpa，最大延伸率为189％，符合指标要求，故选择稀释剂的参量范围为15％～16％，最佳掺量为15％。
[0077]
5、增韧剂最佳掺量的确定：
[0078]
按照基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂和稀释剂的重量比为1:0.95:0.24:
0.14：0.14的比例制备出高韧沥青，然后按照增韧剂(be型环氧增韧剂)相对于环氧树脂的掺量分别为0％、10％和20％时，不同掺量容留时间变化见表10，增韧剂参量为0％、5％和10％、15％和20％时，力学试验结果见表11。
[0079]
表10
[0080][0081]
可以看出，未掺加增韧剂的环氧沥青容留时间达到38min，20％掺量下容留时间可以达到60min。
[0082]
表11
[0083][0084][0085]
从表11可以看出，未掺加增韧剂的情况下，试件的断裂伸长率极低，仅为40％，拉伸强度较高可达6.8mpa。增韧剂掺量在10％～15％时，拉伸强度和延伸率达到一个较好的状态，拉伸强度在2.0mpa以上，延伸率较未掺增韧剂时增涨了近220％。但当增韧剂比例增加到20％，拉伸强度降到极低。可见增韧剂掺量在10％～15％时均满足要求，但从经济性角度考虑，选择10％比例作为最佳掺量。
[0086]
根据以上分析，将固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂相对于环氧树脂的参量，利用
环氧树脂的含量进行转换，得到的增韧型环氧沥青的组成成分及最佳掺量结果见表12：
[0087]
表12
[0088]
成分类型比例基质沥青70#石油沥青1环氧树脂双酚a型0.95固化剂三乙醇胺0.24增容剂聚硅氧烷0.14增韧剂be型环氧增韧剂0.095稀释剂烯丙基缩水甘油醚0.14
[0089]
本发明的高韧环氧沥青的制备工艺，通过以下步骤来实现：
[0090]
a).各组分的称取；按照各组分的质量份数配比，称取所需的基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂；
[0091]
b).各组分的预热；将称量好的基质沥青放入设定温度为120℃的烘箱中预热1h，将称量好的环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂放入设定温度为70～80℃的烘箱中预热5min；
[0092]
c).部分组分的混合和分散；将基质沥青、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂倒入同一容器中，并进行140℃的油浴加热，在油浴加热的过程中利用变频高速分散机进行各组分的分散；
[0093]
该步骤中，变频高速分散机的分散转速为1500r/min，分散时长为20min；
[0094]
d).制得高韧环氧沥青；将称量好的环氧树脂倒入步骤c)中各组分分散好的容器中，然后利用变频高速分散机继续分散，分散结束后制得高韧型环氧沥青。
[0095]
该步骤中，变频高速分散机的分散转速为2500r/min，分散时长为200s。
[0096]
将步骤d)获取的高韧环氧沥青制得试件，其标准固化条件为80℃*6h+120℃*1h，即在80℃条件下固化6小时，然后在120℃条件下固化1小时，然后试件固化完成后于室温下放置1d。对其进行各项性能试验，结果如表13：
[0097]
表13
[0098][0099]
可见，本发明高韧环氧沥青所制备的试件的拉伸强度大于3.5mpa，断裂伸长率大于250％，容留时间大于50min，均远高于拉伸强度大于1.0mpa、断裂伸长率大于100％、容留时间大于30min的技术要求。

技术特征：
1.一种高韧环氧沥青，其特征在于：包括基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂，其质量份数配比为：基质沥青1.0份；环氧树脂0.9~1.0份，记为x份；固化剂（0.24~0.26）*x份；增溶剂（0.14~0.16）*x份；增韧剂（0.10~0.15）*x份；稀释剂（0.15~0.16）*x份。2.根据权利要求1所述的高韧环氧沥青，其特征在于：所述基质沥青为70#石油沥青，环氧树脂为双酚a型环氧树脂，固化剂为三乙醇胺，增溶剂为聚硅氧烷，增韧剂为be型环氧增韧剂，稀释剂为烯丙基缩水甘油醚。3.根据权利要求1或2所述的高韧环氧沥青，其特征在于：所述基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂的质量份数配比为：基质沥青
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1.0份；环氧树脂
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0.95份；固化剂
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0.24份；增溶剂
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0.14份；增韧剂
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0.095份；稀释剂
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0.14份。4.一种基于权利要求2所述的高韧环氧沥青的制备工艺，其特征在于，通过以下步骤来实现：a).各组分的称取；按照各组分的质量份数配比，称取所需的基质沥青、环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂；b).各组分的预热；将称量好的基质沥青放入设定温度为120℃的烘箱中预热1h，将称量好的环氧树脂、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂放入设定温度为70~80℃的烘箱中预热5min；c).部分组分的混合和分散；将基质沥青、固化剂、增溶剂、增韧剂和稀释剂倒入同一容器中，并进行140℃的油浴加热，在油浴加热的过程中利用变频高速分散机进行各组分的分散；d).制得高韧环氧沥青；将称量好的环氧树脂倒入步骤c)中各组分分散好的容器中，然后利用变频高速分散机继续分散，分散结束后制得高韧型环氧沥青。5.根据权利要求4所述的高韧环氧沥青的制备工艺，其特征在于：步骤c)中变频高速分散机的分散转速为1500r/min，分散时长为20min；步骤d)中变频高速分散机的分散转速为2500r/min，分散时长为200s。

技术总结
本发明的高韧环氧沥青，配比为：基质沥青1.0份；环氧树脂0.9~1.0份，记为X份；固化剂（0.24~0.26）*X份；增溶剂（0.14~0.16）*X份；增韧剂（0.10~0.15）*X份；稀释剂（0.15~0.16）*X份。本发明的高韧环氧沥青的制备工艺，包括：a).各组分的称取；b).各组分的预热；c).部分组分的混合和分散；d).制得高韧环氧沥青。本发明的高韧环氧沥青及其制备工艺，所制得的高韧环氧沥青的拉伸强度大于3.5MPa，断裂伸长率大于250%，容留时间大于50min，均远高于拉伸强度大于1.0MPa、断裂伸长率大于100%、容留时间大于30min的技术要求。30min的技术要求。


技术研发人员：李洪珍 杨阳 冯壮壮 王琨 彭付成 黄海传 高菲 杨玉收 姜文卿 国振伟 马晓璇
受保护的技术使用者：山东交通学院
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/6