阻燃劑對SBS改性瀝青煙氣的抑制效果研究

摘要 為探究不同類型的阻燃劑對瀝青煙氣的抑制效果，文章選取了凹凸棒土、DBDPE和水鎂石纖維制備阻燃改性瀝青，并測試了不同摻配比例下阻燃改性瀝青的針入度、延度、軟化點、氧指數，以及瀝青在加熱過程中的煙氣釋放情況。結果表明，凹凸棒土與水鎂石纖維因其孔隙豐富、表面粗糙對瀝青煙氣有較好的減排效果，而DBDPE因其表面光滑對瀝青煙氣的減排效果較弱。

關鍵詞 道路工程；改性瀝青；瀝青煙氣

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0123-03

0 引言

瀝青是廣泛應用于建筑和道路工程中的重要材料，其在路面建設、屋頂防水及其他基礎設施中的應用，極大地提升了工程的質量和耐久性[1]。然而，瀝青作為一種有機材料，其易燃且在高溫環境下容易產生大量煙霧，這不僅對工程安全構成威脅，同時對環境和人體健康造成不利影響[2]。因此，如何提升瀝青材料的安全性，降低瀝青煙氣的排放已成為一個重要的研究課題。

目前，常用的瀝青抑煙劑大多為黏土礦物、活性炭、沸石等多孔材料，利用孔隙吸附瀝青輕質組分或瀝青煙[3]。SBS也可在瀝青中形成網狀結構，能夠減少瀝青煙氣的排放[4]。此外，王朝輝等[5]研究表明，電氣石粉可通過靜電作用吸附瀝青煙氣，減少瀝青煙氣的排放。有學者指出阻燃劑也可作為瀝青抑煙劑，但不同類型的阻燃劑對瀝青煙氣的抑制效果尚不明確[6]。

該文選取了黏土礦物、鹵系阻燃劑、協效阻燃劑等三種類型的阻燃劑，分別為凹凸棒土、十溴二苯乙烷（Decabromodiphenyl-ethane，DBDPE）和水鎂石纖維。通過分析不同配比下瀝青材料的針入度、延度、軟化點、延度氧指數及煙氣釋放情況，研究三種阻燃劑對瀝青性能的影響，通過阻燃劑微觀形貌分析阻燃劑的抑煙機理，以期揭示不同阻燃抑煙劑對瀝青性能的影響，從而為瀝青阻燃劑與抑煙劑的設計和應用提供一種新的思路。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

SBS改性瀝青來自蘭州煉油廠，其性能指標如表1所示：

凹凸棒土是一種具有高比表面積和良好吸附性能的黏土礦物，實驗中使用的凹凸棒土購自常州市鼎邦礦產品科技有限公司。DBDPE是一種能夠顯著降低材料在高溫下燃燒速率的添加劑。在該文中，選擇的DBDPE來源于山東海王化工股份有限公司。水鎂石纖維是一種由固廢材料制成的纖維，具備良好的阻燃性和熱穩定性，實驗中所使用的水鎂石纖維產自陜西黑木林。三種典型阻燃劑的宏觀形貌如圖1所示。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性瀝青制備

將瀝青加熱至170℃后分次向瀝青中加入阻燃劑，并使用玻璃棒手動攪拌；隨后將瀝青轉移至170℃的油浴鍋中，將剪切機轉速調至3 500 r/min，剪切30 min；最后將剪切機轉速調至500 r/min，剪切至瀝青表面無氣泡，從而制成阻燃改性瀝青。其中，凹凸棒土摻量為2.5%、5%、7.5%、10%；DBDPE摻量為3%、6%、9%、12%；水鎂石纖維摻量為2%、4%、6%、8%。

1.2.2 測試方法

瀝青的針入度、軟化點與延度測試按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2021）要求進行，瀝青的氧指數測試按照《瀝青燃燒性能測定 氧指數法》（NB/SH/T 0815—2010）要求進行，而瀝青的煙氣釋放量則按照徐永麗等[7]提供的方法進行測試。

2 結果與討論

對不同改性瀝青的針入度、軟化點與延度進行測試，其結果如圖2所示。

由圖2可知，三種阻燃劑的加入均會降低瀝青的針入度與延度，提高軟化點，這是因為阻燃劑的摻入雖然提高了瀝青的稠度與黏度，但也加大了瀝青的低溫斷裂風險。隨著阻燃劑摻量的提高，瀝青針入度逐漸降低，水鎂石纖維的摻入對瀝青針入度的降低幅度最大，這可能是水鎂石以纖維狀分散于瀝青中，其分散均勻性較差，而水鎂石纖維因體積較大阻礙了針入度試針的下沉，使瀝青的針入度有較大幅度的降低。

此外，對不同阻燃劑摻量下的瀝青氧指數進行測試，以表征瀝青的阻燃性能，實驗結果如圖3所示。由圖3可知，DBDPE的摻入可顯著提高瀝青的氧指數，凹凸棒土對瀝青的氧指數有一定的提升效果，而水鎂石纖維對瀝青氧指數的提升則較小。該文所用的DBDPE是一種高效的有機阻燃劑，可阻斷瀝青燃燒的鏈式反應，對瀝青的阻燃性能有較大的提升作用。凹凸棒土是一種常用的無機阻燃劑，其內部含有一定量的游離水與結合水，可在瀝青受熱過程中吸收熱量，此外在瀝青燃燒過程中形成的碳層可進一步抑制瀝青的熱解。水鎂石纖維是一種尾礦渣，對瀝青的阻燃效果較弱，秦先濤等[8]認為水鎂石纖維對瀝青只有“稀釋”作用，但其是一種協效阻燃劑，可提升瀝青阻燃劑的阻燃效率。

三種阻燃改性瀝青的煙氣釋放量實驗結果如圖4所示。由圖4可知，三種阻燃劑對瀝青煙氣均有一定的抑制效果，凹凸棒土對瀝青煙氣的抑制效果最佳，而DBDPE的抑制效果最差。此外，隨著凹凸棒土摻量的增加，瀝青煙氣釋放量逐漸降低，凹凸棒土摻量為7.5%時對瀝青煙氣的抑制率達到了45.3%。水鎂石纖維摻量為8%時對瀝青煙氣的抑制率達到了33.6%。DBDPE對瀝青煙氣的抑制率均低于17%，其抑煙效果并不顯著。隨著DBDPE摻量的增加，瀝青煙氣釋放減少量較低，這可能是DBDPE提高了瀝青黏度，加大了瀝青煙氣的溢出難度，因此其對瀝青煙氣的抑制效果較差。

為探究阻燃劑對瀝青煙氣的抑制機理，使用電子顯微鏡拍攝了三種阻燃劑的微觀形貌，其結果如圖5所示。由圖5可知，凹凸棒土表面粗糙，比表面積大，存在大量的孔隙結構，且具有微孔、介孔與大孔多級孔隙結構，這些孔隙一方面可有效吸附瀝青中的輕質組分，另一方面其表面存在大量納米級別的孔隙，可吸收瀝青煙氣中的有害組分。水鎂石纖維是一種無機纖維，其在微觀視角下結構蓬松，存在大量的纖細結構，可起到“吸油”作用，固定瀝青中的輕質組分，增強了瀝青的熱穩定性。DBDPE表面相對光滑，比表面積較小，其表面只能吸附少量瀝青，對瀝青煙氣的抑制效果較弱，且DBDPE只能在瀝青燃燒過程中切斷鏈式反應，無法吸收熱量。此外，DBDPE與水鎂石纖維的孔隙結構較差，DBDPE表面缺少微孔不利于小分子瀝青煙氣的吸附，水鎂石纖維呈纖維狀缺乏封閉孔隙。水鎂石纖維與DBDPE主要形成表面吸附，其吸附作用弱于凹凸棒土的孔隙吸附。

3 結論

（1）三種阻燃劑的摻入均可提高瀝青的高溫穩定性，但對瀝青的低溫性能均有不同程度的負面影響。

（2）DBDPE對瀝青的阻燃效率最高，凹凸棒土對瀝青有一定的阻燃效果，而單摻水鎂石纖維對瀝青阻燃效果不顯著。

（3）凹凸棒土表面粗糙，比表面積大，對瀝青煙氣抑制效果最佳；水鎂石纖維可吸附瀝青，能夠有效降低瀝青煙氣的排放；DBDPE表面相對光滑，對瀝青煙氣的抑制效果不顯著。

參考文獻

[1]賴淏，翟健梁，毛楠，等.干濕循環作用下SBS改性瀝青及其混合料老化行為分析[J].公路，2023（5）：307-313.

[2]LIU H， ZHANG Z， WANG Z， et al. Preparation and properties of flame-retardant asphalt containing polyurethane and eco-friendly flame retardants [J]. Construction and Building Materials， 2023（375）： 130996.

[3]張新強，唐伯明，曹雪娟，等.道路瀝青材料VOCs釋放特性與抑制措施研究進展[J].材料導報，2023（6）：227-235.

[4]孫吉書，李文霞，王鵬飛，等.環境友好型復合抑煙瀝青的制備及性能分析[J].環境工程，2022（1）：169-174+230.

[5]王朝輝，王夢浩，陳謙，等.長效自減排改性瀝青材料制備及其功效評價[J].中國公路學報，2023（12）：183-196.

[6]賴淏，蔡相連，高偉，等.阻燃抑煙瀝青混合料研究進展[J].應用化工，2023（4）：1237-1242.

[7]徐永麗，楊松翰，周吉森，等.基于重量法的瀝青煙釋放量影響因素研究[J].森林工程，2022（2）：119-124+132.

[8]秦先濤，陳拴發，祝斯月，等.瀝青路面礦物纖維復合阻燃材料及其熱重行為研究[J].公路交通科技，2013（12）：7-14.