公路路面抗凝冰硅橡膠基復合材料的制備及性能研究

程俊博 何昊晅 于洋

摘要：采用氯化鈉一硅藻土制備抗凝冰劑，添加在硅橡膠中制成抗凝冰硅橡膠基復合材料，采用電子顯微鏡對氯化鈉一硅藻土制備抗凝冰劑、抗凝冰硅橡膠基復合材料進行表征，并研究了抗凝冰硅橡膠基復合材料的抗凝冰、耐久性，測定了路用相關技術指標參數，結果表明：氯化鈉一硅藻土復合抗凝冰劑的中硅元素的含量最高;當抗凝冰劑的質量分數為30%時，硅橡膠基復合材料的結冰溫度最低為-5.2。C，抗結冰效果耐久性較好，添加30%抗凝冰劑的硅橡膠基復合材料表面結構逐漸粗糙化，抗凝冰劑硅橡膠基復合材料的表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數、塑性指數等滿足高速和一級公路路用技術指標。

關鍵詞：硅橡膠;硅藻土;氯化鈉;抗凝冰

中圖分類號：TQ127.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0034-04

環境溫度在零度以下時，遇到雨雪天氣會產生路面結冰的自然現象。路面出現結冰時會大大降低車輛與路面之間的摩擦作用，車體制動困難，出現打滑的現象，容易出現交通事故，提高了交通事故率，為人們的出行帶來安全隱患，因此，解決雨雪天氣造成的路面結冰問題十分必要。

當前關于公路路面的防冰技術主要有2種，一種是主動除凝冰技術，另一種是被動除凝冰技術。被動除凝冰技術主要包括公路人工除凝冰法、機器路面除凝冰法等，主動除凝冰技術主要是在不影響公路正常交通的情況下，在公路表面添加混合鹽化物、應用抗凝冰鋪裝技術等達到抗凝冰的效果[1-2]。添加混合鹽化物時由于氯元素的存在會對公路表面和環境產生不良影響，抗凝冰鋪裝技術分為橡膠路面鋪裝技術、粗糙路面鋪裝技術、鑲嵌式鋪裝技術，由于橡膠這種路面改性材料具有促進瀝青結構形成的作用，保證了瀝青強度，且低溫下不易變形，便于大面積使用，硅橡膠的具有耐高溫、耐低溫、耐候性、電氣性能、物理機械性能、生理惰性，具有良好的透氣性[3]，本研究以硅橡膠為例，制備公路路面防結冰硅橡膠基復合材料，并對其抗凝冰性能進行研究。

1 實驗材料及儀器

1.1 主要實驗材料

長白硅藻土，石英粉（凱捷礦產、200目），氯化鈉（分析純、南京化學試劑股份有限公司），瀝青（鎮海煉化、10#），烷基酚聚氧乙烯醚（OP- 10、Macklin），鹽酸（分析純、南京化學試劑股份有限公司），納米填料（CAB-O-SIL M-5、CABOT），硅橡膠（分析純、Dow Corning Corporation），丙酮（分析純、國藥集團化學試劑有限公司），固化劑（化學純、浙江遠方實業有限公司），二月桂酸二丁基錫（有效物質含量18.5%、品牌KPL）。

1.2 主要實驗儀器

457A電子天平（HC），JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡（日本電子光學公司），10IA-2B電熱鼓風干燥箱（上海一恒科技有限公司），KQ-50型超聲波清洗儀（青島聚創環保集團有限公司），DF-101S恒溫加熱磁力攪拌器（鄭州長城科工貿有限公司），DHI-5402X-射線電子能譜儀（美國物理電子公司），TECI-12708半導體制冷片（海大高科）。

2 實驗方法

2.1 氯化鈉一硅藻土抗凝冰劑的制備

取1個250mL燒杯配置lOOmLNaCI飽和水溶液，在恒溫磁力攪拌器上加熱至60qC之后恒溫攪拌，在燒杯中滴加濃鹽酸直至pH值為1。再取一個容量為lOOOmL的燒杯，加入硅藻土9.275g、OP-10（聚氧乙烯辛基苯酚醚-10）49、丙酮400mL，超聲震蕩30min之后得到懸浮液，之后在超聲震蕩的條件下再逐滴加入飽和的NaCI水溶液，滴加完成后再加入29填料，超聲震蕩30min，將固體沉淀物進行抽濾得到黃色物質，連帶濾紙放人真空干燥箱中進行干燥，干燥箱的溫度設置為150C，最后得到塊狀的氯化鈉一硅藻土固體，固體粉碎成粉末之后稱重，收集在磨口廣口瓶中[4]。

2.2 抗凝冰劑硅橡膠基復合材料制備

根據質量比為4：1的比例將硅橡膠與固化劑混合之后，取6個250mL燒杯分別加入質量分數為0%、10%、20%、30%、40%、50%的氯化鈉一硅藻土抗凝冰劑，加入2%的催化劑二月桂酸二丁基錫進行催化，攪拌5min之后，倒人磨砂紙反面上，自動成型，2h之后固化完成。

2.3 硅橡膠基復合材料抗凝冰實驗

抗結冰性能測試實驗裝置見圖1，制冷臺主要包括計算機、隔熱板、制冷片、電壓控制器、溫控裝置等，使用的半導體制冷片型號為TECl-12708，水冷裝置的水循環使制冷片表面溫度保持穩定。冷卻液為一定濃度的CaC12水溶液，CaC12水溶液放入-20℃的冰箱中使其完全結冰。計算機控制電壓控制器的實際電壓輸出大小以此調節制冷片的輸出功率，溫控裝置對制冷臺中的制冷片的表面溫度進行實時采集反饋到計算機上，通過調節電壓的大小，進而控制樣品表面溫度。

添加了質量分數為0%、10%、20%、30%、40%、50%的氯化鈉一硅藻土抗凝冰劑硅橡膠基復合材料固化完成之后，依次置于半導體制冷片上，將制冷片放置在CaCI2溶液冰桶內，在硅橡膠基復合材料表面滴加水滴，記錄結冰溫度。

2.4 樣品的表征

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對抗凝冰劑氯化鈉一硅藻土顆粒、添加抗凝冰劑硅橡膠基復合材料進行表面微觀結構表征觀察。

2.5 抗凝冰硅橡膠基復合材料技術參數測定

通過試驗測試得出抗結冰性能效果最佳含量的樣品，作為技術參數測定的研究對象。為了保證抗凝冰硅橡膠基復合材料的應用效果，參照高速和一級公路技術指標和國家標準方法對抗凝冰硅橡膠基復合材料的表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數、塑性指數等進行檢測。

2.6 耐久性評價試驗

將效果最好的抗凝冰硅橡膠基復合材料樣品測試完抗結冰性能后，擦去表面的水滴，將其放人干燥箱中進行干燥，完全干燥之后再繼續測定抗結冰效果，如此反復，直至抗凝冰硅橡膠基復合材料的抗結冰效果完全消失，記錄相關的實驗次數和結冰溫度。

3 結果與討論

3.1 抗凝冰劑表面形貌與能譜（EDS）定量分析

抗凝冰劑氯化鈉一硅藻土顆粒的掃描電鏡圖和能譜圖見圖2和圖3，根據圖2可知，氯化鈉晶體的尺寸在幾微米至幾十微米之間，而硅藻土的比表面積非常大，氯化鈉晶體吸附在硅藻土顆粒的表面，從微觀結構上來說，氯化鈉與硅藻土顆粒的大小均一，氯化鈉與硅藻土實現了物理鑲嵌結合，為與硅橡膠基的結合提供了基礎根據。在與硅橡膠材料混合之前應反復碾磨均勻，使混合物具有良好的抗凝冰性能。根據圖3可知，氯化鈉一硅藻土復合抗凝冰劑的顆粒主要包括碳元素（含量14.68%）、氧元素（含量3.98%）、鈉元素（含量4.98%）、硅元素（含量64.71%）、氯元素（含量11.64%），其中硅元素的含量最高。

3.2 硅橡膠基復合材料抗凝冰實驗測試結果

為了研究硅橡膠基復合材料的抗凝冰性能，將氯化鈉一硅藻土抗凝冰劑不同含量的硅橡膠基復合材料放置于在圖1的制冷設備中，將硅橡膠材料設置為空白對照組，實驗結果見圖4，根據圖4可知，隨著抗凝冰劑的質量分數的增加，硅橡膠基復合材料的結冰溫度不斷降低，當抗凝冰劑的質量分數為30%時，硅橡膠基復合材料的結冰溫度最低為-5.2℃，空白對照硅橡膠材料的結冰溫度為一1℃，由此可知硅橡膠基復合材料的抗凝冰能力較好，抗凝冰劑達到30%后，再繼續加入抗凝冰劑，抗凝冰能力不再提升，因此，可知，本研究中抗凝劑的質量分數為30%抗凝冰效果最好。

3.3 抗凝冰硅橡膠材料表面微觀結構分析

為了進一步分析加入凝冰劑的硅橡膠基復合材料與空白硅橡膠材料的抗凝冰能力的差異，采用1000倍掃描電子顯微鏡對添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復合材料和空白硅橡膠的表面微觀結構進行觀察，空白實驗結果見圖5，添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復合材料的表面結構見圖6。添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復合材料表面逐漸變得復雜，有顆粒狀物質，逐漸粗糙化，這是由于在潮濕寒冷的環境中，抗凝冰劑遇到潮濕寒冷的環境，與樣品表面混合形成氯化鹽電解質的水溶液，降低樣品表面的冰點，使其具有一定的抗凝冰能力。

3.4 抗凝冰硅橡膠基復合材料技術參數測定

為了保證抗凝冰硅橡膠基復合材料的應用效果，參照高速和一級公路技術指標對添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復合材料的表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數、塑性指數等進行檢測，結果見表1。根據表1可知，制備的抗凝冰硅橡膠基復合材料的各項指標合格，滿足高速和一級公路路用技術指標。

3.5 耐久性評價試驗

將效果最好的抗凝冰硅橡膠基復合材料樣品測試完抗結冰性能后，擦去表面的水滴，將其放人干燥箱中進行干燥，完全干燥之后再繼續測定抗結冰效果，如此反復，直至抗凝冰硅橡膠基復合材料的抗結冰效果完全消失，得出如下實驗結果：實驗重復第4次時，抗凝冰硅橡膠基復合材料的結冰溫度為-4.7℃，與第一次實驗時的結冰溫度-5.2℃相比可知其抗凝冰性能降低幅度較小，第5次重復實驗時，抗凝冰硅橡膠基復合材料的結冰溫度為-4.5℃，第20次實驗時，抗凝冰硅橡膠基復合材料仍然具有抗結冰效果，說明抗凝冰硅橡膠基復合材料耐久性較好。

4 結語

應用新型硅橡膠基復合材料可以減少路面結冰所造成的交通事故以及人員傷亡，并且添加的無機鹽類物質較少，有利于環境的保護，還可以延長路面的使用年限。本文對對抗凝冰硅橡膠基復合材料進行研究，得出以下結論：

1）氯化鈉一硅藻土復合抗凝冰劑的顆粒主要包括碳元素（含量14.68%）、氧元素（含量3.98%）、鈉元素（含量4.98%）、硅元素（含量64.71%）、氯元素（含量11.64%），其中硅元素的含量最高。

2）當抗凝冰劑的質量分數為30%時，硅橡膠基復合材料的結冰溫度最低為-5.2℃。添加30%抗凝冰劑的硅橡膠基復合材料表面逐漸變得復雜，有顆粒狀物質，結構逐漸粗糙化。

3）添加30%的抗凝冰劑硅橡膠基復合材料的表觀密度、含水量、粒度范圍、外觀、親水系數、塑性指數等滿足高速和一級公路路用技術指標。

4）抗凝冰硅橡膠基復合材料20次抗凝冰實驗之后仍然具有抗結冰效果，耐久性較好。

參考文獻

[1]穆勇，廖洪波，鄭飛軍.低表面能緩釋型除冰涂層抗凝凍效果評價[J].公路，2017 （11）：266-272.

[2]江睿南，朱寶林，凌桂香.抗凝冰瀝青混合料緩釋技術研究[J].公路，2015（ 3）：185-189.

[3]尚濤，劉義博，劉宇，等，硅橡膠基硅藻土復合材料壓縮性能研究[J].功能材料，2014，45（08）：8024-8027.

[4]曹鎮君，李籽，王鵬，等，氯化鈉一硅藻土復合抗凝冰劑的制備與性能研究[J].江西化工，2019（01）：83-88.

[5]萬文龍，路面抗凝冰涂料的制備與性能研究[D].南昌：南昌航空大學，2016.

作者簡介：程俊博（1984-），男，漢族，河南汝州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：交通工程。