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新型汽车尾气降解路面涂层材料的制备及最佳用量研究

时间:2013-12-12 09:49:30  来源:价值工程  作者:李毅 ;臧文杰 ;陶建强;张晨旭

  摘要: 汽车尾气是大气污染的主要来源之一,为了有效降低尾气污染对人与环境的危害,研制了一种新型汽车尾气降解路面涂层材料。优化了光催化剂纳米稀土颗粒的制备工艺,提出了路面涂层材料的制备方法,采用室内表面摩擦系数试验和磨耗试验确定了涂层材料的最佳用量。结果表明:制备出的纳米材料粒度在 50nm 左右且分散性良好;涂层材料最佳用量范围为 300g/m2~600g/m2。
  关键词: 道路工程;路面涂层材料;光催化材料;最佳用量
  
  0 引言
  现如今,随着汽车产量的迅速增长,汽车保有量相应剧增,汽车尾气已成为大气污染的主要来源之一,它不仅能致癌和引起中毒,还会污染大气和土壤环境,产生温室效应、酸雨和城市光化学烟雾,造成地表空气臭氧含量过高,使城市环境转向恶化。目前国内外对汽车尾气的降解已有一定研究,即使用汽车尾气净化器降解尾气,但其降解效率仅为 55%~65%。现有的汽车路面尾气降解材料能够降解汽车尾气,但其降解作用极易受光照影响,必须在近紫外光下才能激发,太阳光利用率仅 4~6%,尾气降解效率有限。
  稀土材料以其优异的存储释放氧及光催化能力在降解汽车尾气的研究中受到了广泛的关注[1]。本文将从稀土材料中筛选高效经济的催化成分与二氧化钛(TiO2)复合,并应用于道路表面,实现全天候降解汽车尾气的目的。结合现有设备和项目研究的特点,本文确定了涂层材料的最佳用量。
  1 尾气降解路面涂层材料的制备
  1.1 原材料及设备
  1.1.1 试验原材料 试验用主要原料有:铈的晶体盐、氧化剂、弱碱性沉淀剂、醇类分散剂、粘结剂环氧树脂、固化剂乙二胺、溶剂二甲苯、二氧化钛。
  1.1.2 试验仪器与设备 试验所需的仪器主要有酸碱滴定管、抽滤瓶、滤膜等。
  试验设备主要有电热鼓风干燥箱、恒温磁力搅拌器、马弗炉、瓷坩埚、电子天平、干燥器、扫描电子显微镜等。
  1.2 纳米二氧化铈的制备 在制备纳米二氧化铈的过程中采用两步沉淀法,即先使用氧化剂氧化铈的盐溶液,再使用沉淀剂完成对铈离子的沉淀。
  首先,配置 2.0mol/L 铈的盐溶液溶液,在溶液中加入氧化剂,同时使用磁力搅拌器不断搅拌。再以 3ml/min 的速率向溶液中滴定 1.0mol/L 的沉淀剂产生沉淀,同时记录滴定后的现象,继续滴定直至溶液 pH 达到 9,体系内产生大量褐色沉淀。接着用蒸馏水和醇类分散剂各洗涤一次沉淀。将溶液倒入真空泵中抽滤,得到沉淀。将沉淀放在70℃的恒温干燥箱中隔夜干燥。将干燥后的固体放入研钵中研磨,最后放入 400℃的马弗炉中煅烧 2h,得到二氧化铈粉末。
  1.3 SEM 电镜扫描分析 利用 Hitachi S-4800 冷场发射扫描电镜对制备的纳米二氧化铈进行扫描,研究样品的形貌、粒度大小等微观结构,部分扫描结果见图 1。
  从图 1 分析可得,试验室制备的纳米 CeO2颗粒均匀,分散性良好,平均粒径在 50nm 左右。
  1.4 尾气降解路面涂层材料的制备 称取一定质量的环氧树脂,再向其中掺入石英砂,适量的稀释剂如二甲苯和适量的增塑剂,以改善涂层材料的施工性能及韧性。然后将混合物搅拌均匀,再向其中加入复合光催化材料。最后加入固化剂乙二胺并搅拌均匀,涂覆于道路表面。
  2 路面涂层材料最佳用量的确定
  试验中所用沥青混合料试件制备方法均参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)。试验均采用 300mm×300mm×50mm 的 AC-16 级配标准轮碾方形沥青试件。
  2.1 涂料量上限值的确定 摆式摩擦系数仪(简称摆式仪)是一种用于测量路面摩擦系数的仪器。本文通过改变沥青路面表面涂层材料的涂覆量,采用可携式摆式仪测定摆值 Fb 表征沥青混合料表面的抗滑性能,确定涂料量上限值。随着路面表面摩阻力增大,其抗滑性能越好,回摆高度越小,摆值 Fb 越大。试验测得摆值见表 1。试验所得摆值随涂覆量的变化趋势见图 2。
  结果表明:随着涂层材料用量的增加,混合料表面的摩擦因数随之稍有降低,但基本不会影响沥青混合料表面的抗滑性能。
  由于现有技术规范对沥青路面的摩擦系数没有明确规定,但当涂层材料用量过多时路面抗滑性能会受到影响,故试验为保证环保沥青路面的抗滑性能,确定的涂料用量上限值为 600g/m2,低于这一用量则认为涂覆环保涂料后沥青路面可以满足正常的抗滑性能要求。
  2.2 涂料量下限值的确定 试验采用沥青混合料常规车辙试验仪,进行常规沥青车辙试验。
  试验方法:试件涂覆汽车尾气降解路面涂层材料后,将试验轮(轮压 0.7MPa)分别作用于涂膜后的标准轮碾方形试件上反复行走,试验温度为 20℃、40℃、60℃三档,试验时间为 4h,大约相当于试验轮作用 10000 次。
  评价指标:以试验后试件试验轮作用面上涂膜的剥落程度作为其抗磨耗性的评价指标。试验结果见表 2。
  从表 2 结果可以看出,试验温度都涂膜的耐磨性基本没有影响,涂覆量的变化对其抗剥落性的影响较大,随着涂覆量的增加,涂层的抗剥落性会有所增加。当涂覆量过小时,形成的涂膜厚度较薄,在受到车轮的摩擦作用后,极易发生起皮现象,起皮部分周围的粘结性很快降低,造成更多剥落。因此,过低的涂覆量将不能满足实际工程需求,本文确定的涂覆量下限值为 300g/m2。
  根据沥青试件的表面摩擦系数试验和磨耗试验,本文认为尾气降解路面涂层材料的最佳用量范围是 300g/m2~600g/m2。
  3 结论
  本文对全天候汽车尾气降解路面涂层材料的制备及最佳用量进行了较为全面的分析。主要得出了如下结论:
  ①实验室通过沉淀法制备出了粒度在 50nm 左右的纳米二氧化铈,当铈的盐溶液浓度为 2.0mol/L,沉淀剂浓度为 1.0mol/L 时,选用醇类分散剂制得的粉末粒径最均匀且操作较为容易。
  ②选用环氧树脂作为基本粘结剂,加入固化剂乙二胺,稀释剂二甲苯及适量的增塑剂合成高分子树脂粘结剂,可均匀涂覆于道路表面。本路面涂层材料施工工艺简单,作业效率高,缩短了施工时间。
  ③根据沥青混合料的室内表面摩擦系数试验和磨耗试验,确定路面涂层材料的最佳用量范围是 300g/m2~600g/m2。
  参考文献略

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