顏魯春 魏佳

（1甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

從20世紀(jì)六十年代末期起，“自修復(fù)材料”被引入瀝青混凝土自修復(fù)研究中。近年來(lái)，研究者對(duì)于瀝青自修復(fù)材料進(jìn)行了大量研究[1-2]。這種技術(shù)能及時(shí)有效地自主切斷剛出現(xiàn)的裂紋的擴(kuò)展，并實(shí)現(xiàn)損傷的修復(fù)，彌補(bǔ)對(duì)微小裂紋檢測(cè)不及時(shí)的不足。

微膠囊修復(fù)材料在與瀝青基質(zhì)復(fù)合加工過程中，需要一定的熱穩(wěn)定性及力學(xué)穩(wěn)定性，否則在與瀝青基質(zhì)的高溫混合時(shí)會(huì)發(fā)生破裂，無(wú)法起到有效的修復(fù)作用，但是力學(xué)性能過強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法在受到路面車輛壓力下進(jìn)行及時(shí)有效的修復(fù)，因此需結(jié)合工程實(shí)際對(duì)微膠囊壁材的力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)整[3-4]。為了解決這一問題，本項(xiàng)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(zhì)，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(duì)微膠囊制備的影響。

通過微膠囊自修復(fù)材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，能使公路有更長(zhǎng)的使用壽命，有效降低公路后期養(yǎng)護(hù)成本。這種主動(dòng)養(yǎng)護(hù)措施省去了達(dá)到相同養(yǎng)護(hù)效果所需的養(yǎng)護(hù)工程，減少了養(yǎng)護(hù)施工過程中的碳排放，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保型養(yǎng)護(hù)，符合綠色公路設(shè)計(jì)和施工理念[5]。

1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1 試驗(yàn)藥品

見表1所示。

表1 試驗(yàn)藥品表

1.2 試驗(yàn)儀器

2 試驗(yàn)方法

表2 試驗(yàn)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(zhì)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(jìn)行試驗(yàn)。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(zhì)量分?jǐn)?shù)（碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為甲醛與尿素質(zhì)量之和的10%）的碳納米管進(jìn)行超聲分散30min，用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH至7～10，在60℃水浴中勻速攪拌，反應(yīng)60分鐘后得到微膠囊壁材預(yù)聚體。

其次，稱取一定質(zhì)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(zhì)量的瀝青再生劑，攪拌溶解，調(diào)節(jié)乳液pH為6～8，在45℃水浴中利用高剪切分散乳化機(jī)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(yù)聚體中，邊攪拌邊加入，完成后利用稀硫酸調(diào)節(jié)溶液pH至2～3，持續(xù)攪拌反應(yīng)3h左右后將產(chǎn)品冷卻至10～30℃，將產(chǎn)品進(jìn)行抽濾、洗滌，真空干燥，制得再生劑微膠囊。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同甲醛/尿素比例對(duì)微膠囊包覆率的影響

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

圖1 不同甲醛/尿素摩爾比時(shí)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(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)比）三組乳化劑摻量，利用掃描電鏡觀察分析不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化劑對(duì)改性微膠囊形貌的影響。

根據(jù)圖2可知，乳化劑摻量對(duì)微膠囊的形貌產(chǎn)生有較大影響。由圖2(a)可知，當(dāng)乳化劑占囊芯再生劑質(zhì)量3.0%時(shí)，微膠囊整體團(tuán)聚；由圖2(b)可知，當(dāng)乳化劑占囊芯再生劑質(zhì)量3.5%時(shí)，微膠囊出現(xiàn)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(dāng)乳化劑占囊芯再生劑質(zhì)量4.0%時(shí)，微膠囊表面凹凸不平，影響了脲甲醛預(yù)聚體在再生劑表面的沉積，質(zhì)量較差。

圖2 不同乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)微膠囊的SEM圖

3.3 攪拌速度對(duì)微膠囊粒徑的影響

再生劑粘性較大，直接將其加入預(yù)聚體中不利于再生劑與脲醛樹脂充分反應(yīng)。本試驗(yàn)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(yù)聚體中，制備自修復(fù)微膠囊。

不同的攪拌速度直接影響乳液中液滴的大小，導(dǎo)致制備的微膠囊顆粒呈現(xiàn)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(duì)微膠囊粒徑的影響。

由圖3可知，當(dāng)攪拌速度為500r/min時(shí)，試驗(yàn)制備的微膠囊粒徑所占百分含量相對(duì)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(dāng)攪拌速度為300r/min或700r/min時(shí)，試驗(yàn)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(shí)制備的微膠囊質(zhì)量較好，攪拌速度偏小或偏大都會(huì)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(jié)論

本文制備了一種瀝青自修復(fù)微膠囊，并對(duì)其性能影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)比為3.5%時(shí)，在500r/min剪切速率下制備而成的微膠囊呈現(xiàn)球形，分散較好，表面致密，粒徑均勻，形貌規(guī)則，整體質(zhì)量較好。