氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青及其制备方法与流程

本发明属于改性沥青及制备方法技术领域，具体涉及一种氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青及其制备方法。

背景技术：

随着高等级公路交通量增大、车速加快、轴载日趋重型化以及普通沥青含蜡量高、粘结力差、延伸度低、温度敏感性大等性能不足，导致高等级公路路面形成各种严重的病害。

研究表明提高沥青路面使用性能的关键技术是沥青的改性技术，如何高性能改性沥青已成为公路建设的重要课题。一般而言，沥青改性的主要思路是通过改善沥青的热氧老化和紫外老化，来延缓沥青老化。传统的沥青改性方法为：加入层状硅酸盐矿物提高沥青的抗热氧老化能力，加入纳米无机非金属氧化物提高沥青的抗紫外线老化能力。但是，通过以上方法对沥青的改性效果不明显，无法满足特殊工程需求，例如桥面铺装、高等级路面及机场道路等工程使用。因此，有必要加入新的改性剂对沥青进行高性能改性加工。

氧化石墨烯是通过将石墨烯经过强酸氧化过后制备的一种中间产物，因为其同时具备石墨烯薄膜的纳米层状结构，又存在着一定量的以sp³杂化方式的缺陷，且氧化石墨烯表面会连带着大量的含氧官能团，赋予氧化石墨烯极高的化学活性。研究表明，利用纳米层状结构的氧化石墨烯改性沥青后会形成阻碍氧气传播的插层结构，有效地阻碍了氧气的传播，从而提高沥青的热氧老化性能，能够明显提高沥青路面的高温性能、低温性能和抗老化性能。但是，采用氧化石墨烯改性沥青的制备方法存在两方面的不足，一是对沥青路面的路用性能改善效果不明显，二是氧化石墨烯价格昂贵且用量太大导致成本太高，因此，阻碍了该技术的大面积推广。

作为新型的零维碳纳米材料，碳量子点具有良好的生物相容性，光电学性能，高效的吸收紫外光效率，同时碳量子点的产源丰富，可以从活性炭中大量提取，具有良好的环境友好特性，成本低，可实现废旧资源的循环利用，具有重大的推广意义。此外，碳量子点的表面也会连带有羟基，碳基和羧基等含氧官能团，可以增强复合体系的化学活性。

因此，需要开发一种新型的，成本低廉的改性剂对基质沥青进行改性，在降低成本的同时，提高沥青的抗老化性能及路用性能。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青及其制备方法，以解决传统沥青改性方法效果不明显，无法满足特殊工程需求的问题，同时解决了氧化石墨烯作为沥青改性剂时，工程造价昂贵，成本太高的问题。

为此，本发明提供了一种氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青，包含以下重量百分比组分：碳量子点1～3％，氧化石墨烯1～3％，基质沥青94～98％。

优选的，本发明的氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青，包含以下重量百分比组分：碳量子点2％，氧化石墨烯2％，基质沥青96％。

本发明还提供了一种氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

①配制浓度2～4mol/l的稀hno3溶液，将活性炭加入到hno3溶液中，每500ml稀hno3中加入3.0g～5.0g的活性炭，超声分散20～40min，形成黑色悬浮液；

②将黑色悬浮液加入到三口烧瓶中，回流反应10～15h，然后自然冷却到室温；

③将获得的黑色悬浮液经过滤之后，获得金黄色的溶液，将其在75～85℃水浴中加热除去稀hno3，获得黄色的固体物；

④将固体物用去离子水溶解，每500ml稀hno3所得黄色的固体物对应加入150～180ml去离子水，获得的悬浮液在转速15000r/min离心20min，收集上清液；

⑤将上清液在透析袋中透析24h，获得透明的、黄棕色的碳量子点悬浮液；

⑥将基质沥青加热使之熔化，保持温度为165～180℃，按重量百分比1％～3％加入氧化石墨烯，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1～2h，然后降温至145～165℃，放置1～1.5h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯改性沥青；

⑦将制备的氧化石墨烯改性沥青加热，保持温度为155～170℃，按重量百分比1％～3％加入步骤⑤所得的碳量子点悬浮液，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1～1.5h，然后降温至145～165℃，放置1～1.5h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青。

优选的，所述步骤①中hno3溶液浓度为3mol/l，每500ml稀hno3中加入4.0g的活性炭，超声分散30min。

优选的，所述步骤②中采用2000ml三口烧瓶中，回流反应12h。

优选的，所述步骤③水浴温度为80℃。

优选的，所述步骤④中每500ml稀hno3所得黄色的固体物对应加入160ml去离子水。

优选的，所述步骤⑥中将基质沥青加热使之熔化，保持温度为170～175℃，按重量百分比2％加入氧化石墨烯，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1.5h，然后降温至150～160℃，放置1h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯改性沥青。

优选的，所述步骤⑦中将制备的氧化石墨烯改性沥青加热，保持温度为160～165℃，按重量百分比2％加入步骤⑤所得的碳量子点悬浮液，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1h，然后降温至150～160℃，放置1h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青。

利用本发明的制备方法制备的氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青，一方面使用低成本的碳量子点替代部分氧化石墨烯，降低造价且环境友好，另外一方面通过加入具有碳量子点复合氧化石墨烯体系，有效的增强了沥青的高温稳定性和抗老化性。

综上所述，本发明利用氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青，可提高沥青的路用性能，使沥青的温度敏感性降低，软化点增高；同时改善了沥青的热氧老化和紫外老化现象，延缓沥青老化。解决了传统改性方法改性沥青的改性效果不明显，无法满足特殊工程需求的问题，同时解决了氧化石墨烯作为沥青改性剂时，工程造价昂贵，成本太高的问题。

附图说明

图1为不同沥青样品的针入度和软化点检测结果图；

图2为不同沥青样品的老化指数检测结果图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作详细的说明：

实施例1：

一种氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青，包含以下重量百分比组分：碳量子点1％，氧化石墨烯3％，基质沥青96％。

本实施例的氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

①配制浓度2mol/l的稀hno3溶液，将3.0g活性炭加入到500ml稀hno3中，超声分散20min，形成黑色悬浮液；

②将黑色悬浮液加入到2000ml三口烧瓶中，回流反应10h，然后自然冷却到室温；

③将获得的黑色悬浮液经过滤之后，获得金黄色的溶液，将其在75℃水浴中加热除去稀hno3，获得黄色的固体物；

④将固体物用150ml去离子水溶解，获得的悬浮液在转速15000r/min离心20min，收集上清液；

⑤将上清液在透析袋中透析24h，获得透明的、黄棕色的碳量子点悬浮液；

⑥将基质沥青加热使之熔化，保持温度为165～170℃，按重量百分比3％加入氧化石墨烯，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌2h，然后降温至145～150℃，放置1h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯改性沥青；

⑦将制备的氧化石墨烯改性沥青加热，保持温度为155～165℃，按重量百分比1％加入步骤⑤所得的碳量子点悬浮液，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1.5h，然后降温至145～150℃，放置1.5h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青。

实施例2：

一种氧化石墨烯复合碳量子点改性沥，包含以下重量百分比组分：碳量子点2％，氧化石墨烯2％，基质沥青96％。

本实施例的氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

①配制浓度4mol/l的稀hno3溶液，将5.0g活性炭加入到500ml稀hno3中，超声分散40min，形成黑色悬浮液；

②将黑色悬浮液加入到2000ml三口烧瓶中，回流反应15h，然后自然冷却到室温；

③将获得的黑色悬浮液经过滤之后，获得金黄色的溶液，将其在85℃水浴中加热除去稀hno3，获得黄色的固体物；

④将固体物用180ml去离子水溶解，获得的悬浮液在转速15000r/min离心20min，收集上清液；

⑤将上清液在透析袋中透析24h，获得透明的、黄棕色的碳量子点悬浮液；

⑥将基质沥青加热使之熔化，保持温度为175～180℃，按重量百分比2％加入氧化石墨烯，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1h，然后降温至160～165℃，放置1h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯改性沥青；

⑦将制备的氧化石墨烯改性沥青加热，保持温度为155～160℃，按重量百分比2％加入步骤⑤所得的碳量子点悬浮液，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1.2h，然后降温至145～165℃，放置1.2h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青。

实施例3：

一种氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青，包含以下重量百分比组分：碳量子点3％，氧化石墨烯1％，基质沥青96％。

本实施例的氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

①配制浓度3mol/l的稀hno3溶液，将4.0g活性炭加入到500ml稀hno3中，超声分散30min，形成黑色悬浮液；

②将黑色悬浮液加入到2000ml三口烧瓶中，回流反应12h，然后自然冷却到室温；

③将获得的黑色悬浮液经过滤之后，获得金黄色的溶液，将其在80℃水浴中加热除去稀hno3，获得黄色的固体物；

④将固体物用160ml去离子水溶解，获得的悬浮液在转速15000r/min离心20min，收集上清液；

⑤将上清液在透析袋中透析24h，获得透明的、黄棕色的碳量子点悬浮液；

⑥将基质沥青加热使之熔化，保持温度为165～180℃，按重量百分比1％加入氧化石墨烯，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1.5h，然后降温至145～165℃，放置1h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯改性沥青；

⑦将制备的氧化石墨烯改性沥青加热，保持温度为155～170℃，按重量百分比3％加入步骤⑤所得的碳量子点悬浮液，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1h，然后降温至145～165℃，放置1h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青。

对比实验：

一种氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青，包含以下重量百分比组分：碳量子点4％，基质沥青96％。

本对比实验的氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青的制备方法，包括以下步骤：

①配制浓度3mol/l的稀hno3溶液，将4.0g活性炭加入到500ml稀hno3中，超声分散30min，形成黑色悬浮液；

②将黑色悬浮液加入到2000ml三口烧瓶中，回流反应12h，然后自然冷却到室温；

③将获得的黑色悬浮液经过滤之后，获得金黄色的溶液，将其在80℃水浴中加热除去稀hno3，获得黄色的固体物；

④将固体物用160ml去离子水溶解，获得的悬浮液在转速15000r/min离心20min，收集上清液；

⑤将上清液在透析袋中透析24h，获得透明的、黄棕色的碳量子点悬浮液；

⑥将基质沥青加热使之熔化，保持温度为165～180℃，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1.5h，然后降温至145～165℃，放置1h；

⑦将基质沥青加热，保持温度为155～170℃，按重量百分比4％加入步骤⑤所得的碳量子点悬浮液，利用剪切机在4500r/min的转速下搅拌1h，然后降温至145～165℃，放置1h，使其充分溶胀分散得到氧化石墨烯复合碳量子点改性沥青。

样品检测与表征：

针入度采用针入度试验仪进行测定，测定温度为25℃；

软化点采用沥青软化点试验仪进行测定；

老化指数为lga/lgb，其中a为老化前沥青的粘度，b为老化后沥青的粘度，粘度测量采用60℃动力粘度试验。

表1.沥青样品组份含量及检测结果

上述数据表明，碳量子点替代部分氧化石墨烯，可以提高沥青的软化点和针入度，提高使用性能，同时降低老化指数，延长使用寿命。尤其在实施例2中，即碳量子点2％，氧化石墨烯2％，基质沥青96％的配比下，沥青的性能达到最优化，使沥青的软化点达到78.3，针入度达到82.6，老化指数达到0.14。

上述结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。