第２６卷第２期２０１２年６月
黑龍江工程學院學報（自然科學版
ｊｕｒｌ，２０１２
奈米材料改性瀝青的研究狀況和進展
蘇群 ，張
１５０００１）
奇。，王大慶。，武鶴 ，孫凌 ，關輝 ，邵純紅 ，宿輝 ，楊揚
（１．黑龍江工程學院，黑龍江哈爾濱１５００５０；２．清華大學化學系，北京１０００８４；３．黑龍江省高速公路建設局，黑龍江哈爾濱
摘要：奈米材料改性瀝青的研究是道路交通材料研究中的熱點和前沿課題，奈米粒子與瀝青的相容性以及在瀝青
中的分散和穩定性是決定奈米材料改善瀝青各項效能的關鍵。文中對近年來關於奈米材料改性瀝青的各類研究進展進行介紹，總結不同研究內容的優勢和存在的問題。對提高奈米粒子與瀝青的相容性和分散性提出方案，最後對奈米材料改性瀝青的研究前景進行展望。
關鍵詞：奈米材料；改性瀝青；分散性；相容性中圖分類號：ｕ４１６．２１７
文獻標誌碼：ａ
文章編號
近年來，奈米技術正在逐漸滲透到交通材料領
就既有物理作用也有化學作用，改性後高分子材料
域，奈米材料改性瀝青即是其中乙個重要的研究方的特殊效能恰好是由於奈米粒子的表面效應、體積
向。它是將奈米材料通過各種手段引人到瀝青材料效應、量子尺寸效應及巨集觀量子隧道效應綜合作用
中，以神奇的奈米效應改善瀝青的各項效能，如高溫的結果。奈米材料改性瀝青之所以不同於其他改性
穩定性、低溫抗裂性、抗疲勞性、摩擦效能（防滑性瀝青，根本原因在於奈米材料改性瀝青是從微觀結
能）、抗老化性、對水的穩定性等。奈米材料尺度由構上改變瀝青效能。能夠從根本上大幅度改善瀝青於處於介觀領域，因而與其他材料不同，具有特殊的效能，這是其他瀝青改性方法所不能比擬的。
因此，介面效應，並且表面原子活性極強，極易與其他原子
奈米材料改性瀝青是國內外瀝青材料研究的熱點和結合而使自身達到穩定狀態。這就是奈米微粒活前沿，它正在成為交通材料研究和應用的新的經濟
化，也是奈米粒子不穩定的根本原因。而奈米改性增長點。本文將對國內外奈米材料改性瀝青的研究技術和奈米複合材料研究就是利用和改善奈米表面
狀況和進展進行綜述，同時總結規律，提出新的研究的活性為生產所用，如奈米粒子與高分子材料之間
方法，並對這一領域的研究前景進行深刻展望。
收稿日期
**專案：黑龍江省自然科學**資助專案黑龍江省
１單純奈米材料改性瀝青
交通廳資助專案
作者簡介：蘇群（１９５１一），男，教授，研究方向：材料化學與土木工
此類奈米材料改性瀝青設計思路簡單，即直接
程．黑龍江工程學院學報（自然科學版）第２６卷
通過物理方法將奈米材料混合到基質瀝青中，且所使用的奈米材料多為無機非金屬材料。雖然有機奈米材料理論上在化學鍵性和微觀結構上與瀝青材料
公尺改性，賦予瀝青材料一系列全新的優異效能。但這方面研究還在進行中，僅停留在實驗階段，目前還沒法進行實際應用。
具有某些相似之處，根據相似相容原理，二者的相容綜合分析單純奈米材料改性瀝青。奈米材料與瀝青基質材料的相容性和分散穩定性，是奈米改性
性應該較好，但是由於有機奈米材料本身較難獲得，品種少，且自身極易團聚；因此，目前使用有機奈米材料改性瀝青的研究較少。而金屬奈米材料方面，雖然金屬奈米材料極易制得，但是由於金屬鍵不同於離子鍵、共價鍵，與瀝青的化學結合性較難，對瀝瀝青效能得以發揮和體現的關鍵因素。如果不考慮分散性和相容性，那麼引入無機非金屬奈米材料僅僅能夠獲得物理機械效能上面的輕微改觀，如操作不好，甚至可以出現惡化。
如果完全把相容性放在青的改性並不理想。與上述兩種奈米材料對比，無
機非金屬奈米材料的抗氧化效能、絕熱效能、耐磨效能、高溫力學效能等均有更出色的表現，能帶來互補性的物理效能並且與瀝青成分的化學結合性也較
強。所以目前來看無機非金屬奈米改性瀝青仍是該領域的研究熱點。
此類改性瀝青的製備方法主要分兩類：一類是直接將奈米材料分散到基質瀝青中；另一類是為提高奈米材料在基質瀝青中的分散性和相容性，首先
將奈米粒子製備成水基或油基膠體體系，減少其自身的聚結，然後再通過物理混合分散到基質瀝青中。
前者以劉大樑等人做的奈米碳酸鈣改性瀝青為
例。其方法為將基質瀝青加熱熔化，按８ （內摻）的比例加入奈米碳酸鈣，攪拌均勻。獲得改性瀝青後進行各項效能測試，並與基質瀝青效能試驗結果進行對比，獲得了針入度降低，軟化點略提高、高溫穩定性得到改善的結論。
結果顯示瀝青的綜合性能沒有很大的改善，只是摻雜工藝簡單方便，**低廉。後者我們以張金公升等人做的ｆｅ。ｏ 奈米改性瀝青的研究為例。
該工作考慮到ｆｅ。（）４為親水性物質，瀝青為憎水性物質，要使二者相容，必須進行表面處理。首先，在ｆｅ。
ｏ４粒子上包覆一層表面活性劑，表面活性劑在奈米顆粒表面吸附時，親水基一端指向ｆｅ。０４顆粒中心，憎水基一端全部向外，形
成具有憎水基球狀外殼的奈米ｆｅ。０４復合粒子。由於憎水基外殼與瀝青材料性質相近，故可與瀝青材料很好相容。該方法雖然很好地解決了奈米粒子
與基質瀝青的相容性，但是由於製備膠體體系時需要使用水基或油基溶劑，這兩種溶劑對瀝青的效能是不利的，需要進行脫水或蒸餾，耗費了更多的能量，工藝要求也較高，如果脫水或脫油不盡將給瀝青效能帶來較大惡化。雖然筆者提出了當奈米粒子以
水基膠體溶液的形式引入時，不脫除或不完全脫除其水份，而是通過一定措施製成乳化奈米瀝青複合材料。主要是在乳化劑的作用下，高速攪拌，使其分散成乳化液或微乳液。這樣制得的乳化瀝青加上納
首要位置上（如加入表面活性劑），則其它新增劑的
引入使得瀝青的機械效能有所惡化。所以單純奈米材料改性瀝青由於其考慮因素單一，缺少協同作用，其開發前景遠不如奈米複合材料改性瀝青。
２奈米粒子／高分子複合材料改性瀝青
與奈米材料改性瀝青相比，高分子材料改性瀝
青的研究起步更早，研究成果也較為豐碩，目前已經有較大規模的應用。其中ｓｂｓ（苯乙烯一丁二烯一苯乙烯三嵌段共聚物）熱塑型橡膠是目前應用較多的改性劑，其改性後的瀝青綜合性能都有很大的提高。高分子材料對瀝青的改性機理目前以溶脹機理最為廣泛地為人們所接受。
在溫度和機械作用下，
ｓｂｓ與瀝青溶解混合時，ｓ部分（苯乙烯）在高溫下開始流動並熔解，ｂ部分（丁二烯）則吸收各種軟瀝青質組分溶脹呈海綿狀，同時體積增大８～９倍。冷卻後，ｓ部分重新硬化，瀝青則留在了這個三維網狀結構當中。這種熔解混合的過程，利用了ｓｂｓ中ｓ部分的物理交聯在溫度不同時的可逆轉化。
奈米材料改性瀝青的改性機理與ｓｂｓ的熔脹機理並不衝突，而且很有可能產生協同作用，使瀝青的綜合性能得到進一步提高。所以，更多的研究人員把目光投向奈米粒子／高分子複合材料改性瀝青上面來。已經取得了一些出色的研究成果，並進一步對這種改性瀝青的共混機理進行深入研究。
部分研究表明，ｓｂｓ在瀝青中顆粒分散得越細
越均勻，改性瀝青效能越好。從這一點出發，肖鵬等人採用溶劑法並通過合適的改性工藝，將奈米ｚｎｏ粒子和ｓｂｓ加人到基質瀝青中，制得了奈米ｚｎｏ／ｓｂｓ改性瀝青，並通過螢光顯微鏡和電鏡技術對奈米ｚｎｏ／ｓｂｓ改性瀝青進行微觀結構分析。結果表
示制得的奈米ｚｎｏ／ｓｂｓ改性瀝青可以很好地發揮奈米ｚｎｏ粒子比表面積大，表面自由能大和分散效
果好等特點，使ｓｂｓ在瀝青中分散更均勻，並且通過螢光顯微鏡和電鏡觀察結果進行了證明。改性瀝青的巨集觀綜合性能也得到了大幅度的提高。筆者最
第２期蘇群，等：奈米材料改性瀝青的研究狀況和進展
後對奈米ｚｎ０、ｓｂｓ、基質瀝青三都在改性瀝青中的共混機理進行了部分討論。認為奈米ｚｎｏ和ｓｂｓ改性劑在提高改性瀝青的效能效果上，ｓｂｓ佔主導作用，奈米ｚｎｏ與瀝青發生化學作用的改性為輔，類似改性劑的「改性劑」。這一論斷低估了奈米材
料／高分子復合改性瀝青中奈米材料的重要作用，也沒有考慮奈米粒子幾何形態不同給共混結構帶來的
影響。我們課題組長期進行碳奈米管／ｓｂｓ復合改性瀝青方面的研究，近年來對三者的共混機理有了新了認識。認為復合改性瀝青綜合性能的提高，源
於奈米材料與ｓｂｓ的協同作用，在熔脹理論的基礎
上形成了新的混合結構，而且在這種共混結構中，碳奈米管獨特的一維線型奈米結構又發揮了普通零維納公尺粒子所不具有的特殊作用，給瀝青帶來了各方面效能的提高。
３奈米材料改性瀝青最主要的問題及
解決方案
奈米材料能夠對基質瀝青進行改性已經得到
了證實，無論是直接摻雜在基質瀝青中還是與高分子共同混合於瀝青中。但是目前這種改性尚無明確的規律可循，其中乙個最主要的問題還是奈米材料與瀝青的相容性問題。常見的奈米材料，尤其是無機非金屬奈米材料，與瀝青等有機大分子相容性較差。
必須找到適當的表面活性劑降低
介面間表面張力，或者直接對奈米材料表面進行改性使相容性提高。而對於前者，不可忽視溶劑帶來的負面影響，不是非常好的方案，需要更新的方法來替換，而後者則使成本提高很多。所以從目前常用的奈米材料中挑選化學性質與瀝青相近的材料，是最快捷的手段。
碳奈米管具有一維納
公尺結構，具有零維納公尺點不具備的性質，如柔韌性等，而相對於高維度的奈米體系又更容易與瀝青混合；碳奈米管有大量共軛兀鍵和環狀結構，和
ｓｂｓ以及瀝青的相容性比其他無機奈米材料更好，這種提供大量電子的結構也是瀝青和ｓｅ 高聚物之間潛在的橋梁；碳奈米管表面有很多位點可以修飾和改性，為化學方法修飾奈米材料並提公升性
能提供了條件。因此，提出了碳奈米管／ｓｂｓ復合改性瀝青的配方，並進行了大量實驗，初步實驗結果已經證明該體系能較好地提高瀝青的綜合性能。隨著研究的進行，我們將對此項研究作陸續
報道，該項工作是目前非常有前景的改性瀝青研究工作。
４ 奈米材料改性瀝青的研究展望
１）無機奈米粒子作為瀝青改性新增劑的研究將成為未來研究改性瀝青最熱的方向，在此方面應該開拓思路，從奈米材料的選擇到新增工藝的創新都有很多內容值得深入**；
２）奈米粒子與瀝青材料的相容性和分散性仍將是奈米改性瀝青複合材料研究和生產中的關鍵性問
題，應該進一步加強，已經得到應用的膠體體系應逐漸改進以減少溶劑帶來的不良影響，同時開發新的
增加相容性方法也極具研究價值；
３）奈米材料／高分子復合改性瀝青目前已經有了較出色研究成果，應該繼續這條路線研究下去，對
於複合材料的共混機理亦需更多的研究和**，理論研究的成果能進一步指導復合改性材料的研究，獲得更優質的改性瀝青；
４）奈米材料改性瀝青的微觀作用，涉及更多更
複雜的物理化學作用，需要借助更多先進的研究裝置和方法，有非常豐富的研究內容值得開展。
參考文獻
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材料導報
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社［１１］原健安，周吉萍，李玉珍．ｓｂｓ與瀝青的相互作用性分析
［ｊ］．中國公路學報
［責任編輯：劉文霞］
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1 概述 瀝青作為一種複雜的高分子碳氫化合物，在一定溫度與荷載的作用下表現為典型的彈 粘 塑性且在高溫與紫外線照射下會產生老化現象，這也解釋了為何一些市政道路受高溫影響，道路會軟化且變得有彈力 有粘性，道路質量下降。所以在瀝青中加入改性劑可改善瀝青混合料在高溫下的路用效能，提高其抗車轍 抗疲勞 抗老...
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