一种沥青阻燃剂、其阻燃改性沥青及阻燃改性沥青混合料的制作方法

1.本发明涉及沥青阻燃技术领域，具体涉及一种沥青阻燃剂、其阻燃改性沥青及阻燃改性沥青混合料。


背景技术：

2.沥青是由多种有机化合物组成的复杂混合物，主要由碳氢这两元素组成，具有可燃性。沥青的燃烧过程可以分为五个阶段：诱导期、引燃、燃烧发展、充分及稳定燃烧、燃烧衰减。在高温条件下，沥青可热解产生很多小分子量的易燃性挥发分，这些易燃性挥发分在氧气的作用下会剧烈燃烧，释放出的热量又会进一步促进沥青的热解燃烧过程。因此，一旦沥青被引燃，若没有外界因素的干扰，沥青的燃烧会愈发剧烈，直至燃烧殆尽。沥青路面因具有优异的行车性能被广泛应用于各等级公路的建设中，越来越多的隧道路面铺装也采用沥青路面。但是隧道具有封闭性，一旦隧道中的沥青路面因交通事故被引燃，火势会迅速蔓延，短时间内释放出大量的有毒烟气，这势必对滞留在隧道中人员的生命安全构成极大的威胁。因此，提高沥青的阻燃性能对降低隧道中的安全隐患，增加行车安全性有着重大意义。
3.当前，往沥青中添加阻燃剂是提高沥青阻燃性能的常用手段之一。常用的阻燃剂主要分为有机和无机两大类。尽管有机阻燃剂具有较好的阻燃效果，但是在施工及阻燃过程中会产生大量具有腐蚀性和毒性的挥发产物，这不仅会污染环境，而且还会严重威胁着工作人员的身体健康。因此，一些高效的有机阻燃剂在欧美国家被禁用，而环保性能较好的无机阻燃剂越来越被研究工作者们关注。尽管无机阻燃剂在生产及阻燃过程中不会产生二次污染，符合环保理念，但是无机阻燃剂需要在较大掺量下才能达到预期的阻燃效果，而较大的掺量会对沥青的路用性能产生负面影响。因此，如何提高无机阻燃剂的阻燃效率，降低掺量，减小对沥青路用性能的影响，是当前亟需解决一大难题。尽管无机材料往往需要较大掺量下才能达到阻燃目的，但是不同的无机材料在沥青中的阻燃机理各有不同。
4.中国专利cn 106146992 b公布了一种沥青路面阻燃抑烟剂的制备方法，该技术主要利用纳米级水镁石粉、纳米级勃姆石粉、生蛭石粉、石墨烯这几种材料的共同作用，从而达到阻燃抑烟的目的。其中水镁石粉、勃姆石粉、生蛭石粉起着阻燃作用，而石墨烯则是发挥抑烟效果。中国专利cn 109880160 b公布了一种氢氧化铝与蒙脱土纳米复合阻燃剂，该技术起阻燃效果的是氢氧化铝和蒙脱土这两种材料。中国专利cn 102604396 a公开了一种协同沥青阻燃材料，该主要利用金属氢氧化物与层状硅酸盐的协同阻燃作用对沥青进行纳米复合改性，从而达到阻燃目的。这三个专利的共同特点是：依据协同阻燃效应，将无机氢氧化物与层状硅酸盐材料这两种有着不同阻燃机理的材料共同使用，从而达到协同阻燃的目的。但是，由于沥青混合料在摊铺或者燃烧过程中会有大量的烟气产生，若阻燃剂无法兼具阻燃、抑烟这两个作用，其作用效果往往是不能令人满意的。以上三个专利的技术，虽然都有阻燃与抑烟效果，但这两种功效，并不是同时都是高效的。前面两件专利抑烟效果高效，但阻燃效果并不高效。而最后一件专利虽然阻燃效果高效，但是抑烟效果并不高效。
5.综上所述，目前的阻燃技术很难同时达到环保、高效阻燃、高效抑烟的目的。因此，在开发复合阻燃剂时，除了要充分发挥无机氢氧化物与层状硅酸盐材料之间的协同阻燃效果外，还需要充分发挥不同具有抑烟效果材料直接的协同作用，从而达到高效阻燃抑烟的目的。


技术实现要素：

6.针对现有沥青阻燃技术采用的阻燃剂很难同时达到环保、高效阻燃、高效抑烟的目的，且生产工艺相对简单以及同时兼具高效与环保这两特点的问题，本发明提供了一种沥青阻燃剂，及由其制备的阻燃改性沥青和阻燃改性沥青混合料。
7.本发明提供了一种沥青阻燃剂，由以下各组分按质量百分比组成：
8.无机氢氧化物
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50％～70％，
9.层状硅酸盐材料
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10％～30％，
10.抑烟剂
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10～20％；
11.上述各组分质量百分比之和为100％；
12.申请人经过研究发现，阻燃剂在200℃～300℃区间内的分解速率是阻燃剂阻燃性能的主要影响因素。阻燃剂分解速率越快，吸热效果越好，对沥青热解燃烧初期阶段的抑制效果越好，阻燃效率越高。本发明充分发挥氢氧化物分解温度较低，分解时大量吸热的特点，延缓沥青燃烧的发展。
13.申请人经过研究还发现，阻燃剂在400℃～500℃区间内对炭层形成的促进作用也是阻燃剂发挥阻燃效果的主要原因。形成的炭层致密度越高，阻隔效果越好，对沥青热解燃烧的后期阶段抑制作用越明显，阻燃效率越高。本发明充分利用层状硅酸盐材料的层状结构，促进致密炭层的形成，从而抑制沥青热解燃烧的后期阶段。
14.其中所述无机氢氧化物选自氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化钙中的任意一种以上任意比例的混合；本发明中采用充分发挥氢氧化物分解温度较低，分解时大量吸热的特点，延缓沥青燃烧的发展；
15.所述层状硅酸盐材料选自高岭土、水滑石、蒙脱土、凹凸棒土、累托石、蛭石、海泡石中的任意一种以上任意比例的混合；本发明充分利用层状硅酸盐材料的层状结构，促进致密炭层的形成，从而抑制沥青热解燃烧的后期阶段；
16.所述抑烟剂选自磷钼酸钙、八钼酸钙、氧化锌、硼酸锌中的任意一种以上成分的混合物；本发明充分利用抑烟剂与层状硅酸盐材料之间的协同作用，对形成致密炭层的形成有着姣好的促进效果，从而达到较好的抑烟效果。
17.申请人经研究发现，由于阻燃剂各成分为无机材料，而沥青属于有机物，两者之间存在着相容性较差的问题，而且各原材料有效成分的含量还会影响着阻燃剂的效果。因此，为了提高阻燃剂在沥青中的分散性，避免出现团聚的现象，提高阻燃效率，本发明中各原材料，即所述无机氢氧化物、层状硅酸盐材料及抑烟剂的细度均优选1250目，有效成分含量均优选90％；
18.所述高岭土优选水洗法生产；所述水滑石优选镁铝摩尔比为1:1。
19.本发明还提供了一种阻燃改性沥青，包含上述沥青阻燃剂及沥青，其中沥青阻燃剂占沥青质量比8％～15％。
20.所述沥青为基质沥青或sbs改性沥青。
21.本发明还提供了上述阻燃改性沥青的制备方法，具体包括以下几个步骤：先将沥青加热至140℃～180℃，接着按比例向热沥青中添加上述沥青阻燃剂，然后在1000r/min～2000r/min下搅拌30min～60min，最后在冷却至室温，即可制得成分均匀的阻燃改性沥青。
22.本发明还提供了一种阻燃改性沥青混合料，在沥青混合料中掺入上述沥青阻燃剂，其中沥青阻燃剂占沥青混合料中的沥青质量比8％～15％；
23.所述沥青混合料由沥青、石料及矿粉按级配组成。
24.所述沥青为基质沥青或sbs改性沥青。
25.所述沥青混合料中各成分采用ac-13级配或sma-13级配。
26.本发明还提供了上述阻燃改性沥青混合料的制备方法，包括以下几个步骤：先按沥青混合料配合比设计要求，往145℃～185℃的拌锅中添加相应质量的石料及沥青，搅拌90～120s后，再添加相应质量的矿粉与沥青阻燃剂，最后再搅拌90～120s，即可制得阻燃改性沥青混合料。
27.本发明与现有技术相比具有以下优点：
28.(1)本发明的沥青阻燃剂充分利用无机氢氧化物、层状硅酸盐材料、抑烟剂之间的协同阻燃抑烟效果，阻燃抑烟效率高，在掺量为沥青质量的10％时，阻燃改性沥青的氧指数能达到25％，烟密度等级仅为40，并且阻燃改性沥青混合料的路用性能也满足《道路用阻燃沥青混凝土》(gb/t 29051-2012)的要求。
29.(2)本发明的沥青阻燃剂稳定性好，成分及性能不会因环境而改变，能长期稳定存在于沥青混合料中。
30.(3)本发明的沥青阻燃剂添加方便，在沥青中分散性好，不会污染环境，可直接添加在沥青混合料中拌和使用，施工及阻燃过程不会产生二次污染，环保性好。
具体实施方式
31.下面通过实施例对本发明进一步说明，但不因此限制本发明。各实施例中氧指数的检测方法参照《沥青燃烧性能测试—氧指数法》(nb/sh/t 0815-2010)，烟密度等级的检测方法参照《建筑材料燃烧或分解的烟密度试验方法》(gb/t8627-2007)，沥青混合料的相关性能检测参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(jtg e20-2011)。
32.(一)沥青阻燃剂的制备：
33.合成例1
34.本发明提供了一种沥青阻燃剂，由以下各组分按质量百分比组成：
35.无机氢氧化物
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50％，
36.层状硅酸盐材料
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30％，
37.抑烟剂
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20％；
38.其中所述无机氢氧化物为氢氧化镁；所述层状硅酸盐材料由蒙脱土、凹凸棒土与累托石按质量比1:1:1组成；所述抑烟剂为八钼酸钙与氧化锌的混合物，质量比为1:1。
39.合成例2
40.本发明提供了一种沥青阻燃剂，由以下各组分按质量百分比组成：
41.无机氢氧化物
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60％，
42.层状硅酸盐材料
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25％，
43.抑烟剂
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15％；
44.其中所述无机氢氧化物为氢氧化铝；所述层状硅酸盐材料为高岭土与水滑石按质量比1:1的混合；所述抑烟剂为磷钼酸钙。
45.合成例3
46.本发明提供了一种沥青阻燃剂，由以下各组分按质量百分比组成：
47.无机氢氧化物
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70％，
48.层状硅酸盐材料
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20％，
49.抑烟剂
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10％；
50.其中所述无机氢氧化物为氢氧化钙；所述层状硅酸盐材料为蛭石与海泡石以质量比1:1的混合；所述抑烟剂为硼酸锌。
51.(二)阻燃改性沥青的制备：
52.本发明还提供了一种阻燃改性沥青，包含上述沥青阻燃剂及沥青，其中沥青阻燃剂占沥青质量比8％～15％；所述阻燃改性沥青的制备方法，具体包括以下几个步骤：先将沥青加热至140℃～180℃，接着按比例向热沥青中添加沥青阻燃剂，然后在1000r/min～2000r/min下搅拌30min～60min，最后在冷却至室温，即可制得成分均匀的阻燃改性沥青。
53.实施例1
54.以70#基质沥青为研究对象，按上述阻燃改性沥青制备的方法，加入沥青质量比10％的合成例1所述的沥青阻燃剂，即可制得相应的阻燃改性沥青。
55.实施例2
56.以70#基质沥青为研究对象，按上述阻燃改性沥青制备的方法，加入沥青质量比10％的合成例2所述的沥青阻燃剂，即可制得相应的阻燃改性沥青。
57.实施例3
58.以70#基质沥青为研究对象，按上述阻燃改性沥青制备的方法，加入沥青质量比10％的合成例3所述的沥青阻燃剂，即可制得相应的阻燃改性沥青。
59.对比例1
60.以70#基质沥青为研究对象，不添加阻燃剂，测氧指数与烟密度。
61.对比例2
62.以70#基质沥青为研究对象，加入沥青质量10％的阻燃剂，制备相应的阻燃改性沥青，其中阻燃剂的成分为氢氧化镁：高岭土：水滑石质量比3:1:1，不添加抑烟剂。
63.对上述各实施例及对比例制得的阻燃沥青进行氧指数和烟密度测试，测试结果见表1所示。
64.表1 沥青氧指数与烟密度
65.实施例及对比例氧指数(％)烟密度等级实施例125.438实施例225.636实施例325.538对比例119.482对比例224.864
规范要求≥23≤75
66.由表1可知，本发明各实施例中的沥青阻燃剂10％掺量下，其阻燃改性沥青的氧指数与烟密度均符合规范要求，有着高效的阻燃抑烟效果；对比例1为空白例，并未添加任何阻燃剂及抑烟剂，氧指数明显较低，烟密度登记较高，即并无显著的阻燃抑烟效果；对比例2加入的阻燃剂无抑烟组分，烟密度等级明显较高，而氧指数虽然明显升高，但是和加入本发明阻燃剂的沥青氧指数还是有一定的区别；综上，掺入本发明所述阻燃剂的沥青的阻燃抑烟效果显著。
67.(三)阻燃改性沥青混合料的制备：
68.本发明所述阻燃改性沥青混合料为在沥青混合料中掺入上述沥青阻燃剂，其制备方法包括以下几个步骤：先按沥青混合料配合比设计要求，往145℃～185℃的拌锅中添加相应质量的石料及沥青，搅拌90～120s后，再添加相应质量的矿粉与沥青阻燃剂，最后再搅拌90～120s，即可制得阻燃改性沥青混合料。
69.应用实施例1
70.以70#基质沥青为研究对象，按上述阻燃改性沥青的制备方法制备阻燃改性沥青，并按上述阻燃沥青混合料的制备方法制得相应的阻燃沥青混合料，其中阻燃剂的掺量均为沥青质量的10％。
71.其中阻燃剂为上述合成例2制得的阻燃剂，沥青混合料采用ac-13级配，油石比为4.6％。ac-13的合成配合比如表2所示。
72.表2 ac-13合成级配
[0073][0074]
应用实施例2
[0075]
以sbs改性沥青为研究对象，按上述阻燃改性沥青的制备方法制备阻燃改性沥青，并按上述阻燃沥青混合料的制备方法制得相应的阻燃沥青混合料，其中阻燃剂的掺量均为沥青质量的10％。
[0076]
其中阻燃剂为上述合成例2制得的阻燃剂，沥青混合料采用sma-13级配，油石比为5.5％，木质素纤维为沥青质量比的0.3％。sma-13的合成配合比如表3所示。
[0077]
表3 sma-13合成级配
[0078][0079]
应用对比例1
[0080]
以70#基质沥青为研究对象，不添加阻燃剂，采用ac-13级配，油石比为4.6％，ac-13的合成配合比如表2所示。
[0081]
应用对比例2
[0082]
以sbs改性沥青为研究对象，不添加阻燃剂，沥青混合料采用sma-13级配，油石比为5.5％，木质素纤维为沥青质量比的0.3％，sma-13的合成配合比如表3所示。
[0083]
对上述各应用实施例及对比例制得的沥青混合料进行性能测试，测试结果见表4所示。
[0084]
表4 阻燃沥青混合料的性能指标
[0085][0086]
由表5可知，本发明的阻燃剂用于沥青混合料时，各指标均符合gb/t29051-2012《道路用阻燃沥青混凝土》的要求。此外，阻燃剂还能对沥青混合料的高温性能、水稳定性有着改善效果，并且对低温性能基本无明显影响。这是由于阻燃剂的各成分属于碱性石料，而沥青是酸性的，阻燃剂的加入，能增强沥青与集料之间的黏附效果，因而对这些性能有所改善。