碳纳米管改性沥青研究进展

碳纳米管改性沥青研究进展

朱浩然;魏建明;龚明辉;姚红淼;杨军

【摘要】作为目前最优异的纳米材料之一,碳纳米管(CNTs)在道路沥青材料中的应用备受关注.在总结国内外已有研究成果的基础上,讨论并分析了CNTs改性沥青在制备工艺、材料选择、性能表征及改性机理方面的发展以及存在的不足与挑战.采用超声波分散和表面活性技术制备CNTs改性沥青是未来的发展趋势.CNTs能够有效增强沥青的高温抗车辙性能和抗疲劳性能,并降低沥青对老化和水损的敏感性,关于其低温抗裂性能优劣还存在争议.CNTs以纤维网络结构增强了沥青力学性能,并以桥接方式抑制裂纹扩展;不同于聚合物改性,CNTs改性没有显著改变沥青的组分结构.该综述有助于促进CNTs在沥青材料中的应用和发展,为长寿命沥青路面的设计提供基础和方向.%Studies on carbon nanotubes (CNTs) modified asphalt have attracted great attention all over the world.On the basis of the previous studies,the developments as well as challenges in CNTs modified asphalt studies are presented.Four specific topics including preparation method,material selection,performance characterization and mechanism are discussed.It is believed to be a promising way to use ultrasonic method dispersion and surfactant to prepare CNTs modified Ts can enhance the high temperature and anti-fatigue performance,also decrease the aging and moisture susceptibilities of asphalt.However,CNTs modified asphalt may display a low flexibility.It is inferred that CNTs forms a network in asphalt which is responsible for the improvement of asphalt mechanical performance.Being different from polymer modification,CNTs modification may not significantly change

asphalt composition.The application of CNTs modified asphalt in pavement engineering would be promoted.

【期刊名称】《石油学报（石油加工）》

【年(卷),期】2017(033)002

【总页数】9页(P386-394)

【关键词】碳纳米管;沥青;制备工艺;材料选择;性能表征;改性机理

【作者】朱浩然;魏建明;龚明辉;姚红淼;杨军

【作者单位】同济大学交通运输工程学院,上海200092;苏交科集团股份有限公司,

江苏南京211112;北京低碳清洁能源研究所,北京102211;东南大学交通学院,江苏

南京210096;东南大学交通学院,江苏南京210096;东南大学交通学院,江苏南京210096

【正文语种】中文

【中图分类】TU57+1

为了应对日益增长的交通量和交通荷载，对高强度、高耐久性的路用材料的需求日益迫切。对于广泛使用的路用沥青材料，如何突破传统聚合物改性的不足，如耐光、热氧老化能力不足及储存稳定性不佳[1-2]，提高改性剂对沥青性能优化的上限，

仍是路用材料研究者十分关注的问题。近年来，纳米材料的开发和应用得到了飞速发展，将其与基体材料复合，能够在纳米尺度上改变原材料的结构特性，进而实现材料宏观性能的极大优化。基于此，部分学者提出了采用纳米改性剂提高沥青材料路用性能的思路[3-22]，主要包括纳米氧化物、层状纳米材料及碳族纳米材料。在诸多纳米材料中，碳纳米管(CNTs)无疑是最受瞩目的一种。然而，采用CNTs改

性沥青的研究还比较有限[23-29]，尤其对于CNTs改性沥青的制备工艺还未有定论；同时，对于CNTs改性沥青性能评价也存在争议，其改性机理涉及较少。针

对这些问题，笔者结合国内外已有研究和笔者已开展的室内实验成果，综述并评价CNTs改性沥青研究关键点，指出现有研究中存在的不足与挑战，为CNTs改性沥青在道路工程中的实际应用提供理论参考。

自1991年由日本科学家S.Iijina发明以来，CNTs已被广泛应用于各个行业。它

是一种由呈六边形排列的碳原子构成的同轴圆管，对于不同CNTs，层数有数层至数十层不等[28]。这种纳米材料受到广泛青睐的原因在于以下7点。

(1)高强度和高杨氏模量。CNTs的抗拉强度在1.4～2.9 GPa之间，杨氏模量可达18～62 GPa。

(2)高延性。CNTs具备抵抗较大变形的能力，其极限破坏应变范围为0.12～0.18。

(3)大长/径比。通常CNTs的长度在几十微米，而直径只有几十纳米，因此CNTs

的长/径比通常大于500。

(4)高比表面能。较高的比表面能能够保证CNTs与基体材料产生良好的吸附作用，增强基体材料的各项性能。然而，也正是由于这种较高的比表面能，使得CNTs

往往内部团聚、缠结，难以在基体内部分散。

(5)良好的导电、导热性。CNTs具备导电、传热能力，能够赋予材料多功能化和

智能化。

(6)与基体良好的黏结力。CNTs能够与基体材料产生良好的黏结作用，从而提高

复合材料的抗剪能力。

(7)低添加量。仅需添加0.05%(质量分数)的CNTs，就可以在基体内形成良好的网络，承受力学荷载并传热、导电[30]。这一特征无疑将大大降低CNTs复合材料的成本，促进CNTs在材料性能优化过程中的推广和应用。

正是以上诸多优异的性能和特点，使得CNTs被认为是能有效增强沥青性能的改