一次性醫(yī)用口罩改性瀝青的流變性能研究

馬立綱 葛生深 趙增剛 王子鵬 吳少鵬* 謝 君 張 璽 蒲 堅(jiān)

(河北省高速公路延崇籌建處1) 張家口 075400) (武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430070)

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院3) 石家莊 050021) (河北銳馳交通工程咨詢有限公司4) 石家莊 050019)

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心5) 揭陽(yáng) 522000)

0 引 言

截至2020年4月底，我國(guó)一次性醫(yī)用口罩(disposable medical masks, DMMs)日均產(chǎn)量已達(dá)2億只，每只口罩約重5 g，即將面臨每天約1 000 t廢棄的DMMs[1]．由于DMMs巨大的生產(chǎn)和消耗，且主要由塑料材料制成，具有很強(qiáng)的耐液體性和不可降解性，已經(jīng)造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[2-3]．

目前，對(duì)于廢棄DMMs回收處理主要有高溫焚燒法、填埋降解、機(jī)械回收法和化學(xué)回收法．高溫焚燒法在產(chǎn)生熱量的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的有毒副產(chǎn)物．由于DMMs的化學(xué)組成多為塑料，填埋降解法需要耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)也會(huì)對(duì)土壤造成污染．機(jī)械回收法是將口罩粉碎后與其他材料共混制造出低檔產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)揮其價(jià)值．化學(xué)回收法利用化學(xué)過程如熱解或氣化等方式，使高分子聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿踊衔铮缓髮?duì)其進(jìn)行重構(gòu)以形成新材料，該過程相對(duì)復(fù)雜且能耗較大．

DMMs主要由聚丙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯等聚合物制成[4]，其中一些塑料材料可利用在道路工程中．Leng等[5]將處理過的聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)廢塑料材料和橡膠粉制備復(fù)合改性瀝青，研究結(jié)果表明：將PET添加劑加入橡膠瀝青可提高橡膠瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性、抗車轍性能和耐疲勞性能，并可以增加改性瀝青的粘度．廢舊聚乙烯(PE)塑料改性瀝青具有良好的高溫性能，其制備的瀝青混合料抗車轍性能和動(dòng)穩(wěn)定度顯著提高[6-7]．聚丙烯纖維可以顯著增強(qiáng)瀝青的剛度和彈性，提高瀝青的抗永久變形能力[8]．Kilmartin等[9]將廢棄DMMs作為纖維加入混凝土中，發(fā)現(xiàn)廢棄DMMs可以顯著改變混凝土的壓縮強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度．目前的研究還沒有涉及將DMMs用于瀝青及瀝青混合料，這不僅可以改善瀝青及瀝青混合料性能，還能改善廢棄DMMs對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響．

文中通過紅外光譜確定了DMMs三層結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成，制備了DMMs改性瀝青，測(cè)試了改性瀝青的針入度和軟化點(diǎn)．采用動(dòng)態(tài)流變剪切儀(DSR)測(cè)試了DMMs改性瀝青老化前后的流變特性，通過紅外光譜分析了改性機(jī)理．

1 材料和方法

1.1 材料

采用70JHJ道路石油瀝青，并根據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程，其物理性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1．

表1 瀝青基本性能指標(biāo)

為了避免試驗(yàn)過程中回收DMMs帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，采用筆者日常防護(hù)所使用過DMMs．

1.2 試驗(yàn)方法

DMMs由三層結(jié)構(gòu)組成，其中外層和內(nèi)層由無(wú)紡布組成，中間層由熔噴布組成．為了確定DMMs的化學(xué)組造成，采用紅外光譜分析了DMMs三層結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成．

將DMMs放置在烘箱中105 ℃保持6 h，以進(jìn)行高溫消毒和除去水分．為了使其均勻的分散在瀝青中，用剪刀剪成邊長(zhǎng)小于5 mm的矩形后，用粉碎機(jī)粉碎，樣品見圖1．

圖1 DMMs改性劑的制備

取一定量瀝青放置于烘箱中，150 ℃保溫1 h，稱取一定量的DMMs改性劑加入瀝青中用玻璃棒攪拌5 min，采用高速剪切儀在170 ℃溫度下以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)摻配的瀝青高速剪切60 min，制得DMMs改性瀝青．廢棄性劑的摻量為瀝青質(zhì)量的1%，2%，3%和4%．

短期老化用于模擬瀝青在施工拌和運(yùn)輸?shù)冗^程中造成的瀝青老化．根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)中T0609試驗(yàn)規(guī)程，瀝青稱取(50±0.5) g，放置于內(nèi)徑為(140±1) mm的老化盤中，打開烘箱設(shè)置到163 ℃，等烘箱溫度達(dá)到(163±1) ℃時(shí)，將裝有瀝青的老化盤放入烘箱，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為5.5 r/min，保持5 h．試驗(yàn)結(jié)束后取出樣品待用．

長(zhǎng)期老化模擬瀝青在服役過程中產(chǎn)生的氧化老化．根據(jù)《規(guī)程》中T0630試驗(yàn)規(guī)程，將短期老化后的樣品放置于壓力老化容器，溫度(100±0.5) ℃，壓力(2.1±0.1) MPa，保持20 h．試驗(yàn)結(jié)束后取出樣品待用．

本研究依據(jù)《規(guī)程》中T0604和T0606試驗(yàn)規(guī)程，測(cè)試了DMMs改性瀝青的針入度(25 ℃)和軟化點(diǎn)．

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)未老化DMMs改性瀝青，短期老化的DMMs改性瀝青和長(zhǎng)期老化DMMs改性瀝青進(jìn)行了溫度掃描，其中溫度掃描試驗(yàn)溫度范圍為30～80 ℃，加載角頻率為10 rad/s．未老化改性瀝青采用直徑25 mm轉(zhuǎn)子，短期老化和長(zhǎng)期老化后的DMMs改性瀝青樣品采用直徑8 mm的轉(zhuǎn)子．

為了研究DMMs改性瀝青中化學(xué)機(jī)構(gòu)變化，將未老化的DMMs改性瀝青用三氯乙烯溶解，用滴管滴在KBr鏡片上，采用美國(guó)的Thermo Nicolet Nexus 傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試，波數(shù)范圍為400～4 000 cm-1．

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 DMMs的化學(xué)組成

DMMs三層結(jié)構(gòu)見圖2．分析發(fā)現(xiàn)其三層結(jié)構(gòu)紅外光譜圖幾乎一樣，均在2 920，2 850，1 460，1 370，1 160，970 cm-1出現(xiàn)了吸收峰，同時(shí)在720 cm-1處無(wú)吸收峰，這說(shuō)明了DMMs的化學(xué)組成為聚丙烯而不是聚乙烯[10]．

圖2 DMMs三層結(jié)構(gòu)紅外光譜

2.2 DMMs改性瀝青的物理性能

DMMs改性瀝青的針入度和軟化點(diǎn)的結(jié)果見圖3．結(jié)果表明：DMMs改性瀝青的針入度隨DMMs改性劑含量的增加而減小．與基質(zhì)瀝青相比，當(dāng)DMMs改性劑用量為1%、2%、3%和4%時(shí)，DMMs改性瀝青的針入度分別降低了4.5%、9.8%、13.6%和18.9%．但DMMs改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著廢DMMs改性劑用量的增加而增加．當(dāng)DMMs改性劑含量為1%、2%、3%和4%時(shí)，其軟化點(diǎn)分別提高2.4%、4.1%、6.0%和8.1%．因此，在瀝青中加入DMMs改性劑增加了瀝青的剛度和硬度．這些結(jié)果與聚丙烯纖維改性瀝青數(shù)據(jù)的結(jié)果一致．

圖3 DMMs改性瀝青物理性能

2.3 DMMs改性瀝青老化前后的流變性能

瀝青作為一種典型的黏彈性材料，其流變特性與溫度有密切的關(guān)系．不同溫度下，瀝青呈現(xiàn)出不同的粘彈性質(zhì)．動(dòng)態(tài)流變剪切儀(DSR)通過復(fù)數(shù)模量和相位角兩個(gè)重要參數(shù)可以定量的分析瀝青的黏彈性質(zhì)．復(fù)數(shù)模量是峰值剪切應(yīng)力與峰值剪切應(yīng)變的比值，其值越大，其高溫抗變形能力越好．相位角是峰值剪切應(yīng)力與峰值剪切應(yīng)變間的時(shí)間滯后，其值越小，材料彈性成分越多，其值越大，黏性成分越多[11]．

DMMs改性瀝青老化前溫度掃描的復(fù)數(shù)模量和相位角見圖4．由圖4可知：所有瀝青的復(fù)數(shù)模量隨著溫度的升高而降低，相位角呈相反趨勢(shì)．同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著DMMs含量的增加，其復(fù)數(shù)模量也逐漸增加，相位角呈逐漸降低趨勢(shì)．說(shuō)明在瀝青中加入DMMs可以提高瀝青的高溫抗變形能力．

圖4 未老化改性瀝青溫度掃描結(jié)果

美國(guó)戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)提出采用車轍因子G*/sinδ評(píng)估瀝青的抗車轍性能，車轍因子G*/sinδ越大，則瀝青的抗車轍性能越好．DMMs改性瀝青老化前車轍因子見圖5．由圖5可知：車轍因子隨溫度的增加而增加，且隨著DMMs改性劑含量的增加而增加．因此DMMs改性瀝青可以提高瀝青的抗車轍性能．

圖5 未老化改性瀝青車轍因子

老化會(huì)使瀝青的復(fù)數(shù)模量增加，瀝青變硬[12-13]．DMMs改性瀝青短期老化后溫度掃描的復(fù)數(shù)模量和相位角見圖6．由圖6可知：短期老化和未老化的復(fù)數(shù)模量和相位角隨溫度的變化趨勢(shì)一致，且復(fù)數(shù)模量都隨著DMMs改性劑含量的增加而增加，相位角都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)．因此老化作用可以改善瀝青的高溫抗變形能力．通過計(jì)算，45 ℃ 短期老化和未老化的復(fù)數(shù)模量比值，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青、1%DMMs、2%DMMs、3%DMMs和4%DMMs短期老化前后的復(fù)數(shù)模量比值分別為1.84、1.82、1.65、1.60和1.58．因此，在瀝青中加入DMMs改性劑可以減緩瀝青的老化．

圖6 短期老化改性瀝青溫度掃描結(jié)果

DMMs改性瀝青長(zhǎng)期老化后溫度掃描的復(fù)數(shù)模量和相位角見圖7．由圖7可知：瀝青經(jīng)過長(zhǎng)期老化作用后，復(fù)數(shù)模量進(jìn)一步增加，相位角進(jìn)一步降低，同時(shí)發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量增加顯著．通過計(jì)算，45 ℃長(zhǎng)期老化和未老化的復(fù)數(shù)模量比值，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青、1%DMMs、2%DMMs、3%DMMs和4%DMMs長(zhǎng)期老化與未老化的復(fù)數(shù)模量比值分別為4.62、3.56、2.63、2.59和2.75．因此，長(zhǎng)期老化結(jié)果也進(jìn)一步證明在瀝青中加入DMMs可以減緩瀝青的老化．這可能是因?yàn)镈MMs化學(xué)成分為聚丙烯，聚丙烯在熱氧作用下，發(fā)生裂解，重組形成小分子，起到“軟化”作用減緩了瀝青的老化．

圖7 長(zhǎng)期老化改性瀝青溫度掃描結(jié)果

通過紅外光譜對(duì)DMMs改性瀝青進(jìn)行改性共混機(jī)理研究．基質(zhì)瀝青及DMMs改性瀝青的紅外光譜見圖 8．

圖8 基質(zhì)瀝青和DMMs改性瀝青的紅外光譜

由圖8可知：瀝青樣品在2 919 cm-1和2 850 cm-1附近有明顯的烷烴和環(huán)烷烴中-CH2-伸縮振動(dòng)吸收峰，在1 460 cm-1和1 375 cm-1附近出的峰是由烯烴中C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)形成的[14]．同時(shí)對(duì)比加DMMs改性瀝青和基質(zhì)瀝青的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)DMMs改性瀝青沒有新的化學(xué)鍵生成和斷裂，因此DMMs改性瀝青主要是一個(gè)物理混溶過程．

3 結(jié) 論

1) 紅外光譜分析表明DMMs的化學(xué)成分為聚丙烯材料．

2) 在瀝青中加入廢棄DMMs可以降低瀝青的針入度，增加瀝青的軟化點(diǎn)，即廢棄DMMs可以增加瀝青的剛度和彈性．

3) 在瀝青中加入廢棄DMMs可以增加瀝青的復(fù)數(shù)模量，降低瀝青的相位角．可以改善瀝青的高溫抗變形能力，同時(shí)降低瀝青老化前后的復(fù)數(shù)模量比值，減緩瀝青的老化．這可能是因?yàn)榫郾┰跓嵫踝饔孟拢l(fā)生裂解，重組形成小分子，起到“軟化”作用減緩了瀝青的老化．

4) 廢棄DMMs改性瀝青沒有發(fā)生新的化學(xué)鍵生成，是一個(gè)物理混溶過程．