一种具有尾气降解功能的氮掺杂二氧化钛改性沥青及其制备方法及应用

本发明涉及道路养护材料，尤其是涉及一种具有尾气降解功能的氮掺杂二氧化钛改性沥青及其制备方法及应用。

背景技术：

1、据统计，截至2023年底，全国公路里程达543.68万公里，机动车保有量达到4.35亿辆，尾气排放已成为中国空气污染的主要来源，尾气中的co、hc、nox和固体悬浮颗粒等会形成雾霾，如何控制汽车尾气污染已成为世界各国的难题，将控制尾气污染的措施从强制行政措施和机动车排气系统改进扩大到路面能吸收降解尾气已是大势所趋。而全国公路养护里程超过535.03万公里，以沥青混凝土为主的路面因严峻的荷载、恶劣的环境等因素呈现早期破坏行为，严重影响公路的服役性能和可持续发展；需要在原路面上直接加铺一层沥青混凝土面层以提高路面质量，提升路面服务水平。如在路面加铺过程中加入能分解尾气的光催化材料（n-tio2）则能很好的解决尾气污染和修复功能层两个问题。由于n-tio2是一种纳米尺度的亮白色粉末状材料，直接涂覆会干扰道路标志的可视性，在交通磨损下涂层的耐久性也需要进一步评估；将tio2掺入沥青路面材料，连续交通产生的磨损将逐渐暴露出被沥青膜包裹的纳米颗粒，使路面具有持续的尾气降解效能，以n-tio2作为改性剂掺入沥青的方式较为经济。

2、由于纳米粒子的量子尺寸效应、电子能级的不连续性、小尺寸效应、量子隧道效应和表面界面效应，使纳米材料极易与其他原子结合而使自身达到稳定状态，加入到沥青中会导致沥青体系产生很大的变化。目前常用的改性沥青的制备方法有高速剪切法、机械搅拌法和溶剂法。有研究认为机械搅拌法并不能得到良好的改性效果，而溶剂法的溶剂制作复杂且需防离析措施，所以本文采用高速剪切法。由于纳米粒子比表面积大、表面能高，如加入到黏度大的沥青中很容易团聚，而高速剪切法能在改性过程中加热沥青，降低黏度，有利于纳米粒子分散，同时提供高速剪切搅拌，进一步促进纳米粒子分散。但是为了降低沥青的黏度，必须提高改性沥青的制备温度以促进纳米粒子均匀分散，而高温会使沥青发生老化且浪费能源，故温度不宜过高，二者产生矛盾。因此，引入合理剂量的纳米粒子，既要保证纳米粒子在沥青中均匀分散，又要防止沥青老化是研究的关键，同时进一步研究tio2改性沥青的机理及其微观结构，对工程实践具有指导意义。

3、考虑到不同种类的沥青、聚合物和纳米材料，纳米材料改性沥青的制备过程可能会有很大的不同。因此，控制剪切速度、温度、时间以及是否需要高温发育过程等工艺参数，制备出相容性好、储热稳定性好的纳米材料改性沥青是未来的研究方向。

4、经检索，赵文辉等（基于流变学的纳米改性沥青黏弹特性及相态结构研究[j].硅酸盐通报,2020(011):039.）按沥青质量分数1%、3%、5%添加纳米颗粒到熔融态的基质沥青中，以剪切转速4000r/min剪切分散30min，然后调节到7000r/min再高速剪切30min，整个制备过程温度控制在160℃，得到纳米材料改性沥青。樊亮等（纳米tio2改性沥青的路用性能与抗老化效果研究[j].化工新型材料.2019(7)）采用电热恒温干燥箱加热基质沥青至熔融态，分别按质量分数15%、25%、35%、55%添加纳米tio2粉体，采用电动搅拌器搅拌均匀，高速剪切机5000r/min进行高速剪切分散，剪切时间25min，制得纳米tio2改性沥青。张春青等（纳米tio2改性沥青抗紫外线老化能力研究[j].公路与汽运,2011(3):4）将基质沥青160℃加热至熔融态，分别按质量分数1%、2%、3%添加纳米tio2粉体，开动高速剪切机，165℃左右用小勺渐渐地将金红石型纳米tio2加入沥青中，待沥青中的气泡基本排出后再加入下一勺，直至完全加完为止；在保持165℃温度下继续剪切搅拌约20min，搅拌结束前，逐步降低转速，使沥青中的气泡完全排除，最后将沥青放入烘箱中发育30min，制备完成。以上文献对纳米材料改性沥青的制备方法提供了技术上的参考，但缺乏纳米粒子与沥青的搅拌时间、剪切转速、高温发育温度等详细的制备参数。

5、钟曦等（不同改性材料对基质沥青性能影响研究[j].青海大学学报,2022,40(6):68-75.）将6种材料通过单掺的方式对原样沥青进行改性，质量分数均为4%，试验方案分别为原样沥青(a)、a+4%纳米zno(b)、a+4%纳米sio2(c)、a+4%纳米tio2(d)、a+4%sebs(e)、a+4%sbr(f)、a+4%eva(g)，制备工艺是将基质沥青置于140℃烘箱中90min，使沥青呈熔融状，将6种改性剂加入，人工搅拌15min使纳米粉末溶入沥青，采用高速搅拌机在165℃条件下以剪切转速5000r/min分散60min，然后继续搅拌10min去除气泡，再置于155℃烘箱中溶胀发育60min，改性完成。李煜炜（tio2量子点改性沥青的制备与调温特性研究[d].东南大学,2022.doi:10.27014/d.cnki.gdnau.2022.001818.）使用烘箱在160°c的温度下加热基质沥青至熔融状态；将沥青质量分数为5%、10%和20%的tio2量子点粉末缓慢匀速加入基质沥青中，搅拌30分钟，使二氧化钛量子点分散在沥青中；设置高速剪切机4500-5000r/min的转速剪切搅拌，时间为1-1.5h，剪切结束后再在130℃的烘箱中放置0.5h，确保二氧化钛量子点均匀分散在基质沥青中，即制得二氧化钛量子点改性沥青。

6、以上文献在纳米材料改性沥青制备过程中沥青预热温度、搅拌温度和高温发育温度高，剪切时间长，能源消耗多，没有通过对照实验来测试温度、剪切时长、发育时长等变化对纳米材料改性沥青基本性能的影响。

7、因此，针对以上现状，迫切需要提供一种具有尾气降解功能的氮掺杂二氧化钛改性沥青及其制备方法及应用，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有尾气降解功能的氮掺杂二氧化钛改性沥青及其制备方法及应用，以解决上述背景技术中的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的一种具有尾气降解功能的氮掺杂二氧化钛改性沥青，按照质量份数计，包括如下原料：

3、纳米n-tio2粉末1-5份和沥青99-95份。

4、作为本发明进一步的方案：所述沥青为90#基质沥青或sbs质量分数为5%的成品sbs改性沥青。

5、作为本发明进一步的方案：如上所述的具有尾气降解功能的氮掺杂二氧化钛改性沥青的制备方法，包括如下步骤：

6、步骤1：将沥青加热至熔融态；

7、步骤2：对熔融状态的沥青进行搅拌，然后边搅拌边用电子称量勺间隔60s分20次加入n-tio2粉末，搅拌总时长30min

8、步骤3：利用dxy-12h恒温油浴锅配合fluko-fm300高速剪切分散乳化机剪切分散纳米n-tio2；

9、步骤4：将剪切分散好的改性沥青放入hs841-6型电热鼓风干燥箱进行120℃高温发育30min，使n-tio2分布更为均匀，制备完成。

10、作为本发明进一步的方案：在步骤1中，利用hs841-6型电热鼓风干燥箱对沥青进行加热，其中若选用90#基质沥青，则加热至135℃，若选用sbs改性沥青，则加热163℃。

11、作为本发明进一步的方案：在步骤2中，使用dxy-12h恒温油浴锅配合电动搅拌机搅拌熔融状态的沥青5-10min。

12、作为本发明进一步的方案：在步骤2中，若选用90#基质沥青，则控制搅拌温度为135℃，若选用sbs改性沥青，则控制搅拌温度为163℃。

13、作为本发明进一步的方案：在步骤3中，剪切转速5000r/min，剪切时长50min。

14、作为本发明进一步的方案：在步骤3中，若选用90#基质沥青，则控制剪切分散温度90#基质沥青160℃，若选用sbs改性沥青，则控制剪切分散温度170℃。

15、作为本发明进一步的方案：根据上述的具有尾气降解功能的氮掺杂二氧化钛改性沥青在汽车尾气降解中的应用。

16、作为本发明进一步的方案：所述汽车尾气选自有毒有害汽车尾气中的氮氧化物。

17、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

18、本发明未使用除n-tio2以外的任何添加剂，而是通过改变制备工艺调整n-tio2改性沥青的基本性能，制备的产品能够降解汽车尾气，具有广阔的市场价值和应用前景;

19、本发明将90号（#）基质沥青与纳米n-tio2的混合搅拌温度降到135℃，此温度下纳米粒子可以较好的溶入90#基质沥青中，160℃是比较适宜的剪切分散温度，此温度下纳米n-tio2粒子均匀分散在沥青中，相当于形成无数个微小的骨料颗粒，将沥青材料紧紧地结合在一起;

20、本发明固定剪切速率5000±500r/min、剪切时间50±5min，此条件下制备的n-tio2改性沥青性能较好,说明此条件最利于纳米粒子在沥青中的分散，剪切使得改性沥青体系变得更为均匀，过高的剪切速率可能会使得沥青中的烃类分子断裂、延度降低、沥青内部的温度升高；而剪切转速低则纳米粒子分散不均;

21、本发明将高温发育温度降到120℃，并对发育时长进行了分析，通过控制发育时长调整n-tio2改性沥青的基本性能，保障产品品质，发育时间30min的沥青性能较佳;

22、本发明制备的n-tio2改性沥青，尾气降解测试之前将沥青膜冷冻，然后用砂纸打磨沥青膜，磨损质量损失0.5%，模拟车辆轮胎磨耗路面，使更多的纳米n-tio2粒子暴露在空气中，更符合运行中沥青路面的实际情况。