氧化石墨烯/聚氨酯母料分散体的合成及其改性沥青体系组织结构调控

Poor compatibility is an important factor to restrict the nano-modification effect in nano/polymer modified asphalt systems. In this project, prepared polyurethane carrier resin by prepolymer method was emulsified and chain extended in graphene oxide-deionized water solutions. By swelling and viscosity reducing actions, the uniformly dispersed graphene oxide-hybrided polyurethane composite modifier was obtained after drying treatment. The good points of the such graphite-like structure of asphaltene in base asphalt and the rich active groups on polyurethane carrier resin made it possible to get graphene oxide/polyurethane composited modified asphalt with good compatiblity, excellent nano-modification through high-speed shearing and stirring. Component alteration, morphological structure, molecular thermal motion and performance change were studied in this project. A new microstructure regulating modle of modified asphalt system was designed basing on the relationship between structure and properties. With analysis of composited modifier-base asphalt interaction and studies on structrual and dispersing characteristics of graphene oxide-hybrided polyurethane composite, the mechanism of composited modified asphalt was revealed. This project aims to give a new thought for the studies on the mechanism of nano/polymer composited modified asphalt and provied theoretical and experimental bases for preparing asphalt material with good compatibility.

纳米/聚合物改性沥青体系的相容性不理想是制约纳米改性效果发挥的重要因素。本项目采用预聚体法合成聚氨酯载体树脂，利用分散有氧化石墨烯微片的去离子水对聚氨酯预聚体进行乳化扩链，并通过溶胀降粘、干燥处理制得分散均匀的氧化石墨烯/聚氨酯改性剂母料。本项目利用沥青质的近石墨状结构特征及母料载体树脂聚氨酯丰富的活性基团，通过高速剪切搅拌制备相容性好、纳米改性效果显著的氧化石墨烯/聚氨酯复配改性沥青材料；通过改性沥青组分变化、组织结构、复配改性沥青体系分子热运动过程及沥青性能变化规律的分析，研究纳米/聚合物复配改性沥青组织结构-性能的关系，建立组织结构调控模型，探明复配改性剂与基质沥青的作用过程，并结合氧化石墨烯/聚氨酯复合材料的结构特征及分散特性，揭示氧化石墨烯/聚合物复配改性沥青的机理。本项目的意义在于为纳米复配改性沥青机理的研究提供新思路，为制备相容性好的沥青材料提供理论基础和实验依据。

本项目采用密闭氧化法和预聚体法分别制备了氧化石墨烯和聚氨酯，对基质沥青进行复合改性，协同发挥纳米材料和聚合物各自的优势，改善沥青及沥青混合料的性能，具有重要的科学意义和工程应用价值。开创了氧化石墨烯水分散液熔融法制备改性沥青的方法，通过分析沥青改性前后组分变化，发现氧化石墨烯在改性沥青过程中并未发生化学变化，而是以其自身的二维纳米片层特性阻碍沥青组分间的热氧转化，在老化过程中制约沥青向凝胶型的转变，保持了沥青优异的粘结性和热稳定性。提出了聚合物基纳米复合材料改性沥青的方法，通过原位聚合制备氧化石墨烯/聚氨酯复合材料及复合材料在沥青中的高速剪切，得到了氧化石墨烯和聚氨酯均匀分散的改性沥青材料，实现了沥青的聚合物和纳米双重改性。通过观察复配改性沥青的力学性能和热性能以及微观结构的变化，阐明了改性沥青体系结构和性能的关系，发现了聚氨酯和氧化石墨烯分别从“合金化”和“复合材料化”两个方面发挥作用提高基质沥青的性能。从氧化石墨烯改性沥青、聚氨酯改性沥青再到氧化石墨烯/聚氨酯复配改性沥青，系统地研究了纳米材料、聚合物的协同作用对沥青性能的影响，发现氧化石墨烯在沥青中的母料法分散能够有效地避免纳米材料的团聚。基于胶体理论和高分子化学原理，从改性沥青的组成成分、胶体结构和微观性质方面揭示了沥青的复配改性机理，得出了对工业生产和工程应用有指导意义的沥青复配改性剂配方及沥青改性工艺。基于最大密度曲线级配理论，按照AC-13型沥青混合料级配设计了一种粗型密实结构的沥青混合料，通过胡克定律和修正的尼尔森流变学模型分析了沥青混合料的低温弯曲变形和常温应力-应变非线性粘弹行为，通过开尔芬粘弹性模型和麦克斯韦粘弹性模型分别研究了沥青混合料的蠕变变形行为及载荷作用频率与路面变形的关系。从沥青混合料的组织结构及破坏机理方面阐述了聚合物和纳米材料在沥青改性中的作用。