一种石墨烯/SBS复合改性沥青及其制备方法

本发明涉及沥青改性材料，尤其涉及一种石墨烯/sbs复合改性沥青及其制备方法。

背景技术：

1、沥青路面作为现代交通基础设施的核心组成部分，其工程质量对国家经济发展具有显著影响。传统沥青材料在长期使用过程中逐渐显现出明显的性能缺陷，且容易老化，特别是在极端气候条件下，传统沥青路面的适应性不足问题尤为突出，具体表现为：高温季节易产生车辙变形，低温环境下则易出现疲劳开裂等病害，严重影响了路面的使用性能和服务寿命。

2、为应对传统沥青材料的技术局限，改性沥青技术应运而生并得到快速发展，聚合物改性沥青凭借其优异的综合性能，在高等级沥青路面中被广泛使用。其中典型代表之一为sbs（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青，具有良好的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，然而长期暴露在复杂环境条件下，sbs改性沥青仍面临着严峻的老化问题，在氧气、紫外线、温度循环和水分侵蚀等多重因素作用下，聚合物分子链易发生断裂和降解，导致改性沥青性能劣化，进而影响路面的长期使用性能。

3、现有提出的改进技术中，提出了利用纳米增强效应与界面键合作用来改善sbs改性沥青的抗老化性能，例如专利cn 115093713 a，提出了一种石墨烯改性沥青及其制备方法，所述改性剂的制备原料包括石墨烯、sbs、聚氨酯、橡胶、相容剂、偶联剂、硫磺和促进剂。该专利所述的改性沥青虽具有较好的耐老化性能，但其中所述的制备方法生产成本较高且工艺控制难度较大。此外，硫磺硫化体系虽然能提高弹性，但易导致储存稳定性下降（高温离析）和长期老化后的性能衰减（返硫现象）。

4、因此，本发明提出一种石墨烯/sbs复合改性沥青及其制备方法，兼具抗老化性能、储存稳定性、工程经济性及工艺可行性。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术问题的不足，本发明的目的是提供一种石墨烯/sbs复合改性沥青及其制备方法，使改性沥青兼具抗老化性能、储存稳定性、工程经济性及工艺可行性。

2、为了解决现有技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种石墨烯/sbs复合改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

4、s1、石墨烯的表面活化处理:采用硅烷偶联剂kh-550配制的醇水溶液对石墨烯进行表面处理，经干燥、研磨得到硅烷偶联剂kh-550表面活化处理的石墨烯粉末；

5、采用干燥浓缩处理法制备表面活化的石墨烯，以提升石墨烯在沥青体系中的分散性与界面结合能力。由于活化石墨烯所用的硅烷偶联剂kh-550剂量较少，但通过醇水溶液介导的干燥处理法，可实现其在石墨烯表面的高效化学键合，确保活化效果。

6、具体步骤如下：首先，将称量好的硅烷偶联剂kh-550加入装有醇水溶液（按醇水比10:1加入无水乙醇和蒸馏水）的烧杯中，用玻璃棒将其搅拌均匀，采用可调节温度的加热器预热至50-60℃；接着，按比例将石墨烯加入预热的乙醇烧杯中，同时用搅拌机控制好搅拌速度及加热温度搅拌至均匀；最后，溶液混合均匀后放入烘箱烘干，待醇水溶液完全挥发后，将得到的固体碾成粉末，即表面活化的石墨烯材料。

7、s2、石墨烯/sbs复合改性沥青的制备：采用高速剪切法将所述石墨烯粉末与sbs改性剂复配掺入基质沥青中，高速剪切均匀后得到石墨烯/sbs复合改性沥青；

8、（1）沥青脱水预处理：称取适量的基质沥青，加热到熔融至流动状态。将熔融状态下的沥青容器放置铺有石棉网的电炉上，加热过程中用玻璃棒不断搅拌，使沥青中残留的水分挥发；

9、（2）sbs剪切分散：将装有预处理沥青的容器和电炉一同置于高速剪切机下方，启动剪切机。首先加入sbs改性剂，最初设置转速为1500r/min，在此低速条件下将sbs颗粒缓慢加入并初步剪切分散；

10、（3）高速剪切与石墨烯加入：待sbs颗粒均匀剪切均匀后，逐步将转速提升至4000-7000r/min，在此条件下高速剪切40min后加入经步骤1硅烷偶联剂kh-550表面活化处理的石墨烯粉末，继续剪切30min，剪切期间使沥青温度控制在155℃～165℃。

11、 s3、配比优化与性能验证步骤，通过两组分全因子试验设计确定sbs与石墨烯的最佳组合掺量，得到最优性能的石墨烯/sbs复合改性沥青。

12、（1）、通过两组分全因子试验，确定sbs与石墨烯的最佳组合掺量：

13、通过系统性的配方优化试验，确定了石墨烯与sbs改性剂在基质沥青中的最佳复配比例。在优化过程中，选取sbs改性剂的掺量水平为3.5%、4%、4.5%、5%和5.5%（以100g基质沥青的质量百分比），同时选取石墨烯的掺量水平为0%，0.05%、0.1%、0.15%和0.2%，通过两组分全因子试验设计制备了25组石墨烯/sbs复合改性沥青样品，通过对各组样品的基本性能指标（针入度、软化点、延度）及抗老化性能进行综合评估，筛选出综合性能最佳的配比组合。

14、（2）、采用多源性能评价指标，验证石墨烯/sbs复合改性沥青的优良性能：

15、利用旋转薄膜烘箱老化试验（rtfot）、动态剪切流变试验（dsr）、弯曲梁流变试验（bbr）以及离析试验等多种分析手段，分别从抗老化能力、流变特性以及储存稳定性等对改性沥青的性能进行评估。通过对不同试验组改性沥青的试验结果进行对比分析，进一步验证了石墨烯/sbs复合改性沥青在多源性能指标上的综合优越性，揭示了石墨烯/sbs复合改性沥青在抗老化性能、储存稳定性、经济性及工艺可行性的显著潜力。

16、（3）、基于微观结构表征与化学分析试验，揭示石墨烯/sbs复合改性沥青改性机理：

17、结合微观结构表征与化学分析技术，研究了复合改性沥青的微观形态与化学演变规律。首先，利用扫描电子显微镜（sem）对优选配比14#（4.5%sbs+0.15%石墨烯）与7#（4%sbs+0.05%石墨烯）复合改性沥青的微观形貌进行观察，直观呈现了sbs与活化后的石墨烯在沥青基体中的分散状态及其形成的多相界面结构，为理解物理共混与界面相互作用提供了直接证据。其次，借助傅里叶红外光谱（ftir）技术，定量追踪老化过程中特征官能团的演变规律，重点监测羰基指数（ci，1710 cm-1处吸收峰）和亚砜基指数（si，1030 cm-1处吸收峰）的变化趋势。综合微观结构与化学分析结果，活化后的石墨烯凭借其独特的二维片层结构，有效阻隔了氧气、水分等老化介质的侵入，减缓氧化反应的速率；石墨烯的大π键共轭体系能够捕获沥青热氧老化过程产生的自由基，中断链式氧化反应；sbs聚合物形成的物理交联网络，不仅提升沥青的韧性和抗裂能力，还通过物理交联作用限制了沥青分子的热运动，降低其氧化活性。上述三种机制协同作用使得复合改性沥青在微观结构与化学组成层面表现出更为优异的抗老化性能。

18、与现有技术相比较，本发明的优点如下：

19、1、本发明通过表面活化后的石墨烯增加石墨烯与sbs改性剂之间的相容性，促进石墨烯与sbs的界面结合，石墨烯二维片层可形成物理屏障，阻隔氧气、水分等老化介质侵入；其大π键共轭体系能捕获老化产生的自由基，中断链式氧化反应，抑制羰基、亚砜基等氧化产物生成，同时石墨烯刚性骨架可限制沥青分子热运动与塑性流动，sbs 弹性网络分散应力、降低沥青氧化活性，二者相互穿插形成稳定复合交联体系，有效维持材料完整性、抑制分子链降解，大幅延缓沥青氧化老化进程。

20、2、本发明活化石墨烯的层状结构可发挥物理阻隔作用，其表面极性可增强对sbs的吸附能力，结合自身形成的三维网络，有效延缓sbs团聚、限制其自由迁移，从而显著抑制体系相分离进程，提升了储存稳定性。

21、3、本发明石墨烯片层填充于sbs网络空隙，形成协同增强结构，提升体系热稳定性与高温流变性能，增强沥青高温抗车辙能力，适宜掺量下石墨烯不会过度增大沥青硬度，沥青可同时保有刚性与良好流动性，虽然石墨烯会小幅降低沥青低温柔韧性，但所有复合改性沥青均满足规范低温性能指标，sbs的增韧效应占据主导，使材料依旧具备良好的低温延展与抗开裂能力。

22、4、本发明利用硅烷偶联剂kh-550对石墨烯进行表面活化，活化过程借用醇水溶液的可挥发性，利用乙醇保证偶联剂在体系中均匀分散，使得石墨烯与偶联剂能够充分接触，偶联剂水解后可与石墨烯表面羟基形成共价键，借助氨基构建“无机-有机”界面桥联，接枝含氧官能团，既有效抑制石墨烯自身团聚，又显著改善石墨烯在沥青基体中的分散状态，强化石墨烯、sbs、沥青三相界面结合作用，充分发挥石墨烯的改性潜力。

23、5、本发明采用有机硅烷偶联剂配制的醇水溶液作为活化剂，通过干燥法制备表面活化的石墨烯，将获得的表面活化的石墨烯复合sbs通过高速剪切法改性沥青，制备方法、工艺控制难度小，生产成本低，具有较高的工程经济性及工艺可行性。