一次性医用口罩改性沥青的流变性能研究

2022-07-11马立纲葛生深赵增刚王子鹏吴少鹏

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2022年3期

关键词：改性剂模量车辙

马立纲葛生深赵增刚王子鹏吴少鹏* 谢君张玺蒲坚

(河北省高速公路延崇筹建处1) 张家口 075400) (武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2) 武汉 430070)

(河北省交通规划设计院3) 石家庄 050021) (河北锐驰交通工程咨询有限公司4) 石家庄 050019)

(广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心5) 揭阳 522000)

0 引言

截至2020年4月底，我国一次性医用口罩(disposable medical masks, DMMs)日均产量已达2亿只，每只口罩约重5 g，即将面临每天约1 000 t废弃的DMMs[1]．由于DMMs巨大的生产和消耗，且主要由塑料材料制成，具有很强的耐液体性和不可降解性，已经造成了严重的生态环境问题[2-3]．

目前，对于废弃DMMs回收处理主要有高温焚烧法、填埋降解、机械回收法和化学回收法．高温焚烧法在产生热量的同时会产生大量的有毒副产物．由于DMMs的化学组成多为塑料，填埋降解法需要耗费很长时间，同时也会对土壤造成污染．机械回收法是将口罩粉碎后与其他材料共混制造出低档产品进一步发挥其价值．化学回收法利用化学过程如热解或气化等方式，使高分子聚合物转变为小分子化合物，然后对其进行重构以形成新材料，该过程相对复杂且能耗较大．

DMMs主要由聚丙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯等聚合物制成[4]，其中一些塑料材料可利用在道路工程中．Leng等[5]将处理过的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)废塑料材料和橡胶粉制备复合改性沥青，研究结果表明：将PET添加剂加入橡胶沥青可提高橡胶沥青的存储稳定性、抗车辙性能和耐疲劳性能，并可以增加改性沥青的粘度．废旧聚乙烯(PE)塑料改性沥青具有良好的高温性能，其制备的沥青混合料抗车辙性能和动稳定度显著提高[6-7]．聚丙烯纤维可以显著增强沥青的刚度和弹性，提高沥青的抗永久变形能力[8]．Kilmartin等[9]将废弃DMMs作为纤维加入混凝土中，发现废弃DMMs可以显著改变混凝土的压缩强度和间接拉伸强度．目前的研究还没有涉及将DMMs用于沥青及沥青混合料，这不仅可以改善沥青及沥青混合料性能，还能改善废弃DMMs对生态环境的影响．

文中通过红外光谱确定了DMMs三层结构的化学组成，制备了DMMs改性沥青，测试了改性沥青的针入度和软化点．采用动态流变剪切仪(DSR)测试了DMMs改性沥青老化前后的流变特性，通过红外光谱分析了改性机理．

1 材料和方法

1.1 材料

采用70JHJ道路石油沥青，并根据JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程，其物理性能指标试验结果见表1．

表1 沥青基本性能指标

为了避免试验过程中回收DMMs带来的安全风险，采用笔者日常防护所使用过DMMs．

1.2 试验方法

DMMs由三层结构组成，其中外层和内层由无纺布组成，中间层由熔喷布组成．为了确定DMMs的化学组造成，采用红外光谱分析了DMMs三层结构的化学组成．

将DMMs放置在烘箱中105 ℃保持6 h，以进行高温消毒和除去水分．为了使其均匀的分散在沥青中，用剪刀剪成边长小于5 mm的矩形后，用粉碎机粉碎，样品见图1．

图1 DMMs改性剂的制备

取一定量沥青放置于烘箱中，150 ℃保温1 h，称取一定量的DMMs改性剂加入沥青中用玻璃棒搅拌5 min，采用高速剪切仪在170 ℃温度下以4 000 r/min的转速对掺配的沥青高速剪切60 min，制得DMMs改性沥青．废弃性剂的掺量为沥青质量的1%，2%，3%和4%．

短期老化用于模拟沥青在施工拌和运输等过程中造成的沥青老化．根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(以下简称《规程》)中T0609试验规程，沥青称取(50±0.5) g，放置于内径为(140±1) mm的老化盘中，打开烘箱设置到163 ℃，等烘箱温度达到(163±1) ℃时，将装有沥青的老化盘放入烘箱，转盘转速设置为5.5 r/min，保持5 h．试验结束后取出样品待用．

长期老化模拟沥青在服役过程中产生的氧化老化．根据《规程》中T0630试验规程，将短期老化后的样品放置于压力老化容器，温度(100±0.5) ℃，压力(2.1±0.1) MPa，保持20 h．试验结束后取出样品待用．

本研究依据《规程》中T0604和T0606试验规程，测试了DMMs改性沥青的针入度(25 ℃)和软化点．

采用动态剪切流变仪(DSR)对未老化DMMs改性沥青，短期老化的DMMs改性沥青和长期老化DMMs改性沥青进行了温度扫描，其中温度扫描试验温度范围为30～80 ℃，加载角频率为10 rad/s．未老化改性沥青采用直径25 mm转子，短期老化和长期老化后的DMMs改性沥青样品采用直径8 mm的转子．

为了研究DMMs改性沥青中化学机构变化，将未老化的DMMs改性沥青用三氯乙烯溶解，用滴管滴在KBr镜片上，采用美国的Thermo Nicolet Nexus 傅里叶红外光谱仪进行测试，波数范围为400～4 000 cm-1．

2 试验结果

2.1 DMMs的化学组成

DMMs三层结构见图2．分析发现其三层结构红外光谱图几乎一样，均在2 920，2 850，1 460，1 370，1 160，970 cm-1出现了吸收峰，同时在720 cm-1处无吸收峰，这说明了DMMs的化学组成为聚丙烯而不是聚乙烯[10]．

图2 DMMs三层结构红外光谱

2.2 DMMs改性沥青的物理性能

DMMs改性沥青的针入度和软化点的结果见图3．结果表明：DMMs改性沥青的针入度随DMMs改性剂含量的增加而减小．与基质沥青相比，当DMMs改性剂用量为1%、2%、3%和4%时，DMMs改性沥青的针入度分别降低了4.5%、9.8%、13.6%和18.9%．但DMMs改性沥青的软化点随着废DMMs改性剂用量的增加而增加．当DMMs改性剂含量为1%、2%、3%和4%时，其软化点分别提高2.4%、4.1%、6.0%和8.1%．因此，在沥青中加入DMMs改性剂增加了沥青的刚度和硬度．这些结果与聚丙烯纤维改性沥青数据的结果一致．

图3 DMMs改性沥青物理性能

2.3 DMMs改性沥青老化前后的流变性能

沥青作为一种典型的黏弹性材料，其流变特性与温度有密切的关系．不同温度下，沥青呈现出不同的粘弹性质．动态流变剪切仪(DSR)通过复数模量和相位角两个重要参数可以定量的分析沥青的黏弹性质．复数模量是峰值剪切应力与峰值剪切应变的比值，其值越大，其高温抗变形能力越好．相位角是峰值剪切应力与峰值剪切应变间的时间滞后，其值越小，材料弹性成分越多，其值越大，黏性成分越多[11]．

DMMs改性沥青老化前温度扫描的复数模量和相位角见图4．由图4可知：所有沥青的复数模量随着温度的升高而降低，相位角呈相反趋势．同时发现随着DMMs含量的增加，其复数模量也逐渐增加，相位角呈逐渐降低趋势．说明在沥青中加入DMMs可以提高沥青的高温抗变形能力．

图4 未老化改性沥青温度扫描结果

美国战略公路研究计划(SHRP)提出采用车辙因子G*/sinδ评估沥青的抗车辙性能，车辙因子G*/sinδ越大，则沥青的抗车辙性能越好．DMMs改性沥青老化前车辙因子见图5．由图5可知：车辙因子随温度的增加而增加，且随着DMMs改性剂含量的增加而增加．因此DMMs改性沥青可以提高沥青的抗车辙性能．

图5 未老化改性沥青车辙因子

老化会使沥青的复数模量增加，沥青变硬[12-13]．DMMs改性沥青短期老化后温度扫描的复数模量和相位角见图6．由图6可知：短期老化和未老化的复数模量和相位角随温度的变化趋势一致，且复数模量都随着DMMs改性剂含量的增加而增加，相位角都呈现降低趋势．因此老化作用可以改善沥青的高温抗变形能力．通过计算，45 ℃ 短期老化和未老化的复数模量比值，发现基质沥青、1%DMMs、2%DMMs、3%DMMs和4%DMMs短期老化前后的复数模量比值分别为1.84、1.82、1.65、1.60和1.58．因此，在沥青中加入DMMs改性剂可以减缓沥青的老化．

图6 短期老化改性沥青温度扫描结果

DMMs改性沥青长期老化后温度扫描的复数模量和相位角见图7．由图7可知：沥青经过长期老化作用后，复数模量进一步增加，相位角进一步降低，同时发现基质沥青的复数模量增加显著．通过计算，45 ℃长期老化和未老化的复数模量比值，发现基质沥青、1%DMMs、2%DMMs、3%DMMs和4%DMMs长期老化与未老化的复数模量比值分别为4.62、3.56、2.63、2.59和2.75．因此，长期老化结果也进一步证明在沥青中加入DMMs可以减缓沥青的老化．这可能是因为DMMs化学成分为聚丙烯，聚丙烯在热氧作用下，发生裂解，重组形成小分子，起到“软化”作用减缓了沥青的老化．

图7 长期老化改性沥青温度扫描结果

通过红外光谱对DMMs改性沥青进行改性共混机理研究．基质沥青及DMMs改性沥青的红外光谱见图 8．

图8 基质沥青和DMMs改性沥青的红外光谱

由图8可知：沥青样品在2 919 cm-1和2 850 cm-1附近有明显的烷烃和环烷烃中-CH2-伸缩振动吸收峰，在1 460 cm-1和1 375 cm-1附近出的峰是由烯烃中C-H面内弯曲振动形成的[14]．同时对比加DMMs改性沥青和基质沥青的红外光谱，发现DMMs改性沥青没有新的化学键生成和断裂，因此DMMs改性沥青主要是一个物理混溶过程．