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新型汽車尾氣降解路麵塗層材料的製備及最佳用量研究

時間:2013-12-12 09:49:30  來源:價值工程  作者:李毅 ;臧文傑 ;陶建強;張晨旭

  摘要: 汽車尾氣是大氣汙染的主要來源之一,為了有效降低尾氣汙染對人與環境的危害,研製了一種新型汽車尾氣降解路麵塗層材料。優化了光催化劑納米稀土顆粒的製備工藝,提出了路麵塗層材料的製備方法,采用室內表麵摩擦係數試驗和磨耗試驗確定了塗層材料的最佳用量。結果表明:製備出的納米材料粒度在 50nm 左右且分散性良好;塗層材料最佳用量範圍為 300g/m2~600g/m2。
  關鍵詞: 道路工程;路麵塗層材料;光催化材料;最佳用量
  
  0 引言
  現如今,隨著汽車產量的迅速增長,汽車保有量相應劇增,汽車尾氣已成為大氣汙染的主要來源之一,它不僅能致癌和引起中毒,還會汙染大氣和土壤環境,產生溫室效應、酸雨和城市光化學煙霧,造成地表空氣臭氧含量過高,使城市環境轉向惡化。目前國內外對汽車尾氣的降解已有一定研究,即使用汽車尾氣淨化器降解尾氣,但其降解效率僅為 55%~65%。現有的汽車路麵尾氣降解材料能夠降解汽車尾氣,但其降解作用極易受光照影響,必須在近紫外光下才能激發,太陽光利用率僅 4~6%,尾氣降解效率有限。
  稀土材料以其優異的存儲釋放氧及光催化能力在降解汽車尾氣的研究中受到了廣泛的關注[1]。本文將從稀土材料中篩選高效經濟的催化成分與二氧化鈦(TiO2)複合,並應用於道路表麵,實現全天候降解汽車尾氣的目的。結合現有設備和項目研究的特點,本文確定了塗層材料的最佳用量。
  1 尾氣降解路麵塗層材料的製備
  1.1 原材料及設備
  1.1.1 試驗原材料 試驗用主要原料有:鈰的晶體鹽、氧化劑、弱堿性沉澱劑、醇類分散劑、粘結劑環氧樹脂、固化劑乙二胺、溶劑二甲苯、二氧化鈦。
  1.1.2 試驗儀器與設備 試驗所需的儀器主要有酸堿滴定管、抽濾瓶、濾膜等。
  試驗設備主要有電熱鼓風幹燥箱、恒溫磁力攪拌器、馬弗爐、瓷坩堝、電子天平、幹燥器、掃描電子顯微鏡等。
  1.2 納米二氧化鈰的製備 在製備納米二氧化鈰的過程中采用兩步沉澱法,即先使用氧化劑氧化鈰的鹽溶液,再使用沉澱劑完成對鈰離子的沉澱。
  首先,配置 2.0mol/L 鈰的鹽溶液溶液,在溶液中加入氧化劑,同時使用磁力攪拌器不斷攪拌。再以 3ml/min 的速率向溶液中滴定 1.0mol/L 的沉澱劑產生沉澱,同時記錄滴定後的現象,繼續滴定直至溶液 pH 達到 9,體係內產生大量褐色沉澱。接著用蒸餾水和醇類分散劑各洗滌一次沉澱。將溶液倒入真空泵中抽濾,得到沉澱。將沉澱放在70℃的恒溫幹燥箱中隔夜幹燥。將幹燥後的固體放入研缽中研磨,最後放入 400℃的馬弗爐中煆燒 2h,得到二氧化鈰粉末。
  1.3 SEM 電鏡掃描分析 利用 Hitachi S-4800 冷場發射掃描電鏡對製備的納米二氧化鈰進行掃描,研究樣品的形貌、粒度大小等微觀結構,部分掃描結果見圖 1。
  從圖 1 分析可得,試驗室製備的納米 CeO2顆粒均勻,分散性良好,平均粒徑在 50nm 左右。
  1.4 尾氣降解路麵塗層材料的製備 稱取一定質量的環氧樹脂,再向其中摻入石英砂,適量的稀釋劑如二甲苯和適量的增塑劑,以改善塗層材料的施工性能及韌性。然後將混合物攪拌均勻,再向其中加入複合光催化材料。最後加入固化劑乙二胺並攪拌均勻,塗覆於道路表麵。
  2 路麵塗層材料最佳用量的確定
  試驗中所用瀝青混合料試件製備方法均參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)。試驗均采用 300mm×300mm×50mm 的 AC-16 級配標準輪碾方形瀝青試件。
  2.1 塗料量上限值的確定 擺式摩擦係數儀(簡稱擺式儀)是一種用於測量路麵摩擦係數的儀器。本文通過改變瀝青路麵表麵塗層材料的塗覆量,采用可攜式擺式儀測定擺值 Fb 表征瀝青混合料表麵的抗滑性能,確定塗料量上限值。隨著路麵表麵摩阻力增大,其抗滑性能越好,回擺高度越小,擺值 Fb 越大。試驗測得擺值見表 1。試驗所得擺值隨塗覆量的變化趨勢見圖 2。
  結果表明:隨著塗層材料用量的增加,混合料表麵的摩擦因數隨之稍有降低,但基本不會影響瀝青混合料表麵的抗滑性能。
  由於現有技術規範對瀝青路麵的摩擦係數沒有明確規定,但當塗層材料用量過多時路麵抗滑性能會受到影響,故試驗為保證環保瀝青路麵的抗滑性能,確定的塗料用量上限值為 600g/m2,低於這一用量則認為塗覆環保塗料後瀝青路麵可以滿足正常的抗滑性能要求。
  2.2 塗料量下限值的確定 試驗采用瀝青混合料常規車轍試驗儀,進行常規瀝青車轍試驗。
  試驗方法:試件塗覆汽車尾氣降解路麵塗層材料後,將試驗輪(輪壓 0.7MPa)分別作用於塗膜後的標準輪碾方形試件上反複行走,試驗溫度為 20℃、40℃、60℃三檔,試驗時間為 4h,大約相當於試驗輪作用 10000 次。
  評價指標:以試驗後試件試驗輪作用麵上塗膜的剝落程度作為其抗磨耗性的評價指標。試驗結果見表 2。
  從表 2 結果可以看出,試驗溫度都塗膜的耐磨性基本沒有影響,塗覆量的變化對其抗剝落性的影響較大,隨著塗覆量的增加,塗層的抗剝落性會有所增加。當塗覆量過小時,形成的塗膜厚度較薄,在受到車輪的摩擦作用後,極易發生起皮現象,起皮部分周圍的粘結性很快降低,造成更多剝落。因此,過低的塗覆量將不能滿足實際工程需求,本文確定的塗覆量下限值為 300g/m2。
  根據瀝青試件的表麵摩擦係數試驗和磨耗試驗,本文認為尾氣降解路麵塗層材料的最佳用量範圍是 300g/m2~600g/m2。
  3 結論
  本文對全天候汽車尾氣降解路麵塗層材料的製備及最佳用量進行了較為全麵的分析。主要得出了如下結論:
  ①實驗室通過沉澱法製備出了粒度在 50nm 左右的納米二氧化鈰,當鈰的鹽溶液濃度為 2.0mol/L,沉澱劑濃度為 1.0mol/L 時,選用醇類分散劑製得的粉末粒徑最均勻且操作較為容易。
  ②選用環氧樹脂作為基本粘結劑,加入固化劑乙二胺,稀釋劑二甲苯及適量的增塑劑合成高分子樹脂粘結劑,可均勻塗覆於道路表麵。本路麵塗層材料施工工藝簡單,作業效率高,縮短了施工時間。
  ③根據瀝青混合料的室內表麵摩擦係數試驗和磨耗試驗,確定路麵塗層材料的最佳用量範圍是 300g/m2~600g/m2。
  參考文獻略

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