瀝青路面自修復碳納米管改性微膠囊的制備研究

顏魯春 魏佳

（1甘肅恒路交通勘察設計院有限公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070）

從20世紀六十年代末期起，“自修復材料”被引入瀝青混凝土自修復研究中。近年來，研究者對于瀝青自修復材料進行了大量研究[1-2]。這種技術能及時有效地自主切斷剛出現的裂紋的擴展，并實現損傷的修復，彌補對微小裂紋檢測不及時的不足。

微膠囊修復材料在與瀝青基質復合加工過程中，需要一定的熱穩定性及力學穩定性，否則在與瀝青基質的高溫混合時會發生破裂，無法起到有效的修復作用，但是力學性能過強會導致無法在受到路面車輛壓力下進行及時有效的修復，因此需結合工程實際對微膠囊壁材的力學性能進行調整[3-4]。為了解決這一問題，本項目選取碳納米管（MWNTs）作為改性材料、脲醛樹脂作為膠囊壁基質，研究分析了改性微膠囊制備過程中原材料配合比、外加劑摻量、攪拌速率等因素對微膠囊制備的影響。

通過微膠囊自修復材料的設計和應用，能使公路有更長的使用壽命，有效降低公路后期養護成本。這種主動養護措施省去了達到相同養護效果所需的養護工程，減少了養護施工過程中的碳排放，實現了環保型養護，符合綠色公路設計和施工理念[5]。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗藥品

見表1所示。

表1 試驗藥品表

1.2 試驗儀器

2 試驗方法

表2 試驗儀器表

首先，按不同比例稱量尿素和甲醛并加入圓底燒瓶，甲醛和尿素的摩爾質量比范圍為1:1～10:1，本文選取甲醛/尿素摩爾比為3:1，2:1，3:2和1:1進行試驗。之后稱量10ml去離子水加入圓底燒瓶中，攪拌至溶解，再加入一定質量分數（碳納米管質量分數為甲醛與尿素質量之和的10%）的碳納米管進行超聲分散30min，用NaOH調節溶液pH至7～10，在60℃水浴中勻速攪拌，反應60分鐘后得到微膠囊壁材預聚體。

其次，稱取一定質量的十二烷基苯磺酸鈉作為乳化劑，將乳化劑加入蒸餾水中攪拌溶解，再加入一定質量的瀝青再生劑，攪拌溶解，調節乳液pH為6～8，在45℃水浴中利用高剪切分散乳化機攪拌10分鐘左右，制得再生劑乳液。

最后，將制備的芯材乳液緩慢加入脲甲醛預聚體中，邊攪拌邊加入，完成后利用稀硫酸調節溶液pH至2～3，持續攪拌反應3h左右后將產品冷卻至10～30℃，將產品進行抽濾、洗滌，真空干燥，制得再生劑微膠囊。

3 結果與討論

3.1 不同甲醛/尿素比例對微膠囊包覆率的影響

由圖1可知，當甲醛/尿素摩爾比為3:1和2:1時，微膠囊的囊芯含量和包覆率所占百分比較低；當甲醛/尿素摩爾比為3:2時，囊芯含量明顯提高，包覆率達到最高值85.26%；當甲醛/尿素摩爾比為1:1時，囊芯含量及包覆率開始下降。因此，試驗結果確定甲醛/尿素的最佳摩爾比為3:2，生成產物主要為二羥基甲脲。

圖1 不同甲醛/尿素摩爾比時的囊芯含量及包覆率所占的百分比

3.2 不同乳化劑用量對微膠囊形貌的影響

本文選擇十二烷基苯磺酸鈉作為制備微膠囊的乳化劑，選取3.0%，3.5%，4.0%（表面活性劑占囊芯再生劑質量分數比）三組乳化劑摻量，利用掃描電鏡觀察分析不同質量分數的乳化劑對改性微膠囊形貌的影響。

根據圖2可知，乳化劑摻量對微膠囊的形貌產生有較大影響。由圖2(a)可知，當乳化劑占囊芯再生劑質量3.0%時，微膠囊整體團聚；由圖2(b)可知，當乳化劑占囊芯再生劑質量3.5%時，微膠囊出現了很好的分散，表面較光滑，粒徑均勻，包覆致密；由圖2(c)可知，當乳化劑占囊芯再生劑質量4.0%時，微膠囊表面凹凸不平，影響了脲甲醛預聚體在再生劑表面的沉積，質量較差。

圖2 不同乳化劑質量分數微膠囊的SEM圖

3.3 攪拌速度對微膠囊粒徑的影響

再生劑粘性較大，直接將其加入預聚體中不利于再生劑與脲醛樹脂充分反應。本試驗采用高剪切分散乳化劑將再生劑充分乳化，將乳化后的再生劑加入預聚體中，制備自修復微膠囊。

不同的攪拌速度直接影響乳液中液滴的大小，導致制備的微膠囊顆粒呈現不同的粒徑。本文分別選取300r/min、500r/min、700r/min三種不同攪拌速度研究分析攪拌速度對微膠囊粒徑的影響。

由圖3可知，當攪拌速度為500r/min時，試驗制備的微膠囊粒徑所占百分含量相對集中，平均粒徑為31.73μm，分布集中在27.12-34.56μm，這部分微膠囊占總體的56.61%；當攪拌速度為300r/min或700r/min時，試驗制備的微膠囊的粒徑分布較為分散，均勻性很差。因此，攪拌速度為500r/min時制備的微膠囊質量較好，攪拌速度偏小或偏大都會影響微膠囊粒徑的均勻分布。

圖3 不同攪拌速度下微膠囊的粒徑分布曲線

4 結論

本文制備了一種瀝青自修復微膠囊，并對其性能影響因素進行分析。結果表明，當甲醛、尿素的摩爾比為3:2，選擇十二烷基苯磺酸鈉作為乳化劑，其摻量占囊芯再生劑質量分數比為3.5%時，在500r/min剪切速率下制備而成的微膠囊呈現球形，分散較好，表面致密，粒徑均勻，形貌規則，整體質量較好。