沥青/有机化蒙脱土复合材料的结构及紫外老化研究

论文摘要

与常规聚合物基复合材料相比,聚合物／层状纳米硅酸盐复合材料因其特殊的结构和优异的性能而引起研究人员的广泛关注,将聚合物／层状硅酸盐复合材料的复合技术和研发思路应用于沥青改性,有望研发出耐高温性、抗老化的道路用改性沥青材料。本文分别采用十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基二甲基苄基溴化铵作为有机改性剂对普通蒙脱土（MMT）进行了有机化处理,得到有机蒙脱土（OMMT1和OMMT2）再运用熔融插层法制备了系列沥青（SK70）／蒙脱土复合材料,并对复合材料进行了紫外老化实验；研究了系列蒙脱土对复合材料四组分组成、物理性能及老化性能的影响；采用X-射线衍射分析（XRD）、傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）以及紫外-可见漫反射光谱分析（UV-vis）等表征手段研究了复合材料的微观结构；利用Materials studio软件中Discover和Reflex两个模块对复合材料形成的结构进行了理论模拟；并运用FTIR定量分析技术研究了系列复合材料的抗紫外老化能力,建立了复合材料改性机理的模型。主要研究结果如下：（1）分别采用十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基二甲基苄基氯化铵作为有机改性剂对MMT进行了层间修饰得到OMMT1和OMMT2, XRD、FTIR和UV-vis研究结果表明,有机官能团进入MMT层间,层间距均有不同程度的增大,其层间距大小顺序为OMMT2>OMMT1>MMT;有机官能团进入MMT层间后,与MMT片层产生了相互作用；MMT经有机化处理之后,MMT的吸收带出现了不同程度的蓝移且吸收强度下降,紫外反射率显著增大,其反射率大小顺序为：OMMT2>OMMT1>MMT。（2）通过熔融插层法制备了系列SK70/MMT复合材料,复合材料的物理性能试结果表明,蒙脱土的掺入使得沥青的软化点和粘度显著增加,沥青的高温稳定性显著增强；研究了不同种类蒙脱土及不同掺量对复合材料结构的影响,XRD、FTIR和UV-vis研究结构表明,SK70/MMT复合材料形成的是一种不相容体系,SK70/OMMT1和SK70/OMMT2两种复合材料均形成一种插层型复合体系；SK70与OMMT1和OMMT2熔融插层复合前后FTIR谱图发生了变化,在1000-1100cm-1范围内吸收峰发生了分裂,说明两种有机蒙脱土与SK70之间产生了相互作用,SK70/OMMT2复合材料谱峰分裂更为明显；与SK70相比,系列复合材料在200-800nm范围的紫外吸收出现了不同程度的降低,且在300-700nm下降更为明显,有机蒙脱土的掺量对沥青在紫外区吸收强度的影响不够显著。（3）紫外老化实验表明,蒙脱土使得沥青的粘度老化指数和软化点增量降低,且随着掺量的增加逐渐减小,这表明蒙脱土能够降低沥青的老化程度,提高沥青的抗老化能力,且有机蒙脱土的抗老化能力更强。利用FTIR技术研究了紫外老化后复合材料结构的变化情况,并利用FTIR定量分析技术比较了系列复合材料抗紫外老化能力。研究结果表明,紫外老化后SK70及系列蒙脱土／SK70复合材料的羰基峰峰面积增大,增大趋势为：SK70>SK70/MMT>SK70/OMMT1>SK70/OMMT2,这表明蒙脱土的掺入能够减少沥青中羰基形成,且OMMT2的效果更佳,OMMT2的掺量对复合材料抑制羰基形成影响不显著；长期紫外老化研究表明,OMMT2在紫外老化前期对抑制沥青中羰基形成效果更佳,但抗长期紫外老化效果不显著；紫外老化后质量变化分析表明,SK70/OMMT2的质量变化系数小于SK70沥青。（4）利用Materials studio软件中Discover模块模拟了蒙脱土经有机化后及形成复合材料的过程,并利用Reflex模块对其X-射线衍射谱图进行了模拟,理论模拟研究结果发现蒙脱土及沥青分子的结构发生了改变,理论模拟结果很好地解释了实验结果。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 聚合物/蒙脱土纳米复合材料研究
• 1.1.1 蒙脱土的基本特征
• 1.1.2 蒙脱土的有机化处理
• 1.1.3 聚合物/蒙脱土复合材料的制备方法
• 1.1.4 聚合物/蒙脱土复合材料的结构特征
• 1.1.5 聚合物/蒙脱土复合材料的研究现状
• 1.2 沥青抗老化研究进展
• 1.2.1 沥青紫外光老化机理
• 1.2.2 沥青抗老化改性方法
• 1.2.3 蒙脱土改性沥青研究现状
• 1.3 本课题的研究目的和主要内容
• 第2章 沥青/有机蒙脱土复合材料的制备及表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原料及实验设备
• 2.1.2 蒙脱土的有机化处理
• 2.1.3 沥青/蒙脱土复合材料的制备
• 2.1.4 沥青的四组分分析
• 2.1.5 基本物理性能测试
• 2.1.6 X射线衍射（XRD）分析
• 2.1.7 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 蒙脱土微结构的变化
• 2.2.2 蒙脱土在沥青中的分散情况
• 2.2.3 复合材料中蒙脱土与沥青基体之间的相互作用
• 2.2.4 蒙脱土对沥青化学组分的影响
• 2.2.5 蒙脱土对沥青物理性能的影响
• 2.3 小结
• 第3章 沥青/有机蒙脱土复合材料紫外老化研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 室内加速紫外光老化实验
• 3.1.2 基本物理性能测试
• 3.1.3 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析
• 3.1.4 紫外-可见光谱（UV-vis）分析
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 紫外老化对复合材料软化点和粘度的影响
• 3.2.2 紫外老化后复合材料红外光谱分析
• 3.2.3 紫外光老化后质量变化分析
• 3.2.4 有机化蒙脱土改性沥青紫外可见吸收光谱研究
• 3.2.5 沥青/有机蒙脱土复合材料改性机理
• 3.3 小结
• 第4章 沥青/有机蒙脱土复合材料结构的理论模拟
• 4.1 Materials studio模拟软件简介
• 4.1.1 Materials studio介绍
• 4.1.2 Discover模块简介
• 4.1.3 Forcite模块简介
• 4.1.4 Reflex模块简介
• 4.2 Materials studio模拟软件的应用
• 4.2.1 基质沥青模型的建立
• 4.2.2 蒙脱土模型的建立
• 4.2.3 模拟过程
• 4.2.4 结果与讨论
• 4.3 小结
• 第5章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间论文发表情况