一种沥青路面分级超疏水抑冰涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种沥青路面分级超疏水抑冰涂层及其制备方法。

背景技术

沥青路面因其具有行车舒适、易维护、噪声低等特点现已成为主要道路形式。然而冬季沥青路面结冰一直是困扰车辆行驶的重要问题，他对路面行车安全有着十分严重的影响。路面结冰通常由路面积雪经过冻融循环作用形成，并且道路表面积冰致使道路抗滑性能急剧下降，对行人及车辆的安全构成严重威胁。我国大约有3/4的国土属于冬季积雪地区，路面结冰成为交通事故频发的首要因素。在一些高纬度或高海拔地区，每当冬季降雨或空气潮湿时，较低的气温会使水分在路表及一定构造深度内迅速结冰，此时再经过车辆碾压以及冻融循环作用，逐渐形成与路面紧密粘结的冰层。2008年初，我国很多地区遭受多次强烈的风雪冰冻天气影响。这次冰冻灾害对人民生命财产造成极大损失，为历史罕见。21个省不同程度受灾，造成人民财产损失达1516.5亿元，受灾人口逾166万。由此可见，道路表面积雪结冰对交通和行车安全影响是极大的，且亟待解决。

目前道路除冰方式主要包括散布融雪剂除冰、能量转化除冰、低冰点路面除冰等方式。路表散布融雪剂除冰是利用低冰点融雪剂降低水结冰点，从而在一定温度范围内使得路面无法冻结，这是一种较为经济的道路除冰方法，但是一般的融雪剂都为氯盐，他会对道路护栏等金属材质造成腐蚀，并且对周围环境造成污染。除此之外，盐水还会渗入沥青路面空隙，对沥青结合料与集料之间的粘结性能造成损害。能量转化除冰是指在路面结构内部埋设一定数量的传热管线或者导体，将外部能量转化为热能输入路面，并通过路面内部热量传导加热路面表面，进而融雪化冰。该项技术清洁环保，是一种主动的除冰方式，但由于造价及能源消耗较大，因此只适用于小范围内路面融雪化冰。低冰点沥青路面是指预先将低冰点添加剂加入沥青混合料中，使其在渗透与毛细作用下逐渐析出以达到融雪化冰的目的。该项技术比化学融雪剂除冰更高效，同样是一种主动除冰方式，但是由于冰点下降剂随时间延长浓度逐渐降低，其融雪化冰性能会逐渐衰减，一旦冰点下降剂完全释放，那么低冰点路面的除冰性能就会完全失效。以上方法都聚焦于融雪化冰的解决方案，但是这些方法仅在一定的温度范围内有效，当温度低至低冰点剂的结冰点时，此时通过降低冰点的方法就会失效，能量转化路面也会由于极高的耗能更不会被使用。

近年来，多项研究证明，由于超疏水材料的低表面能、优越的疏水性及优异的除冰性能被认为是最具前景的防冰替代品，正在被越来越多地应用于电力，航空航天等领域。超疏水涂层材料的低表面能及复杂微观结构会极大的降低冰-涂层实际粘附力，如果将超疏水涂层用于沥青路面，当路面融雪结冰后，冰-路界面就会表现出非常弱的粘附力，从而可以借助车轮荷载等其他路面荷载轻易地除去积冰。这是一种非常经济高效且环保的主动型路面除冰方式，但尚处于探索起步阶段。因此，如何研发出一种能够降低冰-路粘结性能，并通过车辆荷载除冰的主动型除冰路面成为研究人员共同关注的问题。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种沥青路面分级超疏水抑冰涂层及其制备方法，旨在通过改善道路表面的疏水性能，使道路表面具有疏水防冰性能，一是使道路表面不易结冰，二是即使结冰，也显著降低冰层与路面粘结力以至于容易清除路面冰层。另外，欲使超疏水涂层材料用于沥青路面，必须要保证其耐久、抗滑性能。除此之外，欲使其大规模运用于实际工程，还要保证其具备经济、高效、环保、容易施工等特点。

本发明采用的技术方案如下：

一种涂层浆料，所述涂层浆料的制备原料包括醇溶性玻璃树脂、氟硅聚合物、气相纳米二氧化硅、硅烷偶联剂、分散剂和增粘剂。

醇溶性玻璃树脂因其固化后具备较高的硬度以及粘结性能，因此将其作为沥青路面超疏水抑冰涂层的粘结组分。当以醇溶性玻璃树脂作为粘结组分的涂层固化后，其与沥青路面形成的粘结强度可有效抵抗路面荷载，因此保证了涂层材料用于沥青路面的抗磨耗耐久性能。氟硅聚合物由于其具有大量氟元素，因此其具有较低的表面能。它是一种低表面能物质，可有效增加材料表面的疏水性能。采用氟硅聚合物对醇溶性玻璃树脂进行低表面能修饰，使其最终固化形成的涂层表面被氟硅聚合物修饰包裹，从而使涂层材料发生从亲水表面到疏水表面的转变。采用纳米二氧化硅颗粒对涂层的表面微观形貌进行构造，增大涂层固化后的表面粗糙度，从而进一步增强其疏水性能，使其发生从疏水表面到超疏水表面的转变。其中纳米二氧化硅同样被氟硅聚合物修饰包裹，是一种具有低表面能的纳米颗粒。采用硅烷偶联剂对涂层进行改性，使其增加涂层的粘结性能，同时硅烷偶联剂也是一种疏水材料，对涂层的疏水性能也会有进一步得增强。采用分散剂可以使纳米二氧化硅颗粒均匀分散在涂层浆料中，不会在浆料中出现颗粒抱团现象，使得最终形成分散均匀的混合分散液，便于使用喷枪进行喷涂。采用增粘剂可增加涂层浆料的粘度，增加涂层浆料的涂刷厚度，从而保证涂层固化的厚度。涂层表面由于纳米二氧化硅颗粒的聚集，最终形成大量具有微米级凸起的涂层，此即为具有微米级单级结构的超疏水涂层。在具有微米级单级结构的超疏水涂层上采用喷涂法喷涂一层涂层浆料，涂层浆料通过喷枪以微小液滴的形式散落于单级微米级超疏水涂层表面。微小的液滴与空气接触更加充分，加速了无水乙醇的挥发，当微小液滴一经接触表面即可固化完成。这些微小液滴固化后即可形成纳米级凸起，这些纳米级凸起分布在微米级凸起表面，最终形成具有微纳米分级结构的超疏水涂层。此涂层具有复杂的表面形貌，以至获得了较大的粗糙度，从而最终表现出十分显著的超疏水抑冰性能。

作为优选，所述涂层浆料的制备原料的配比为：以质量份数计，醇溶性玻璃树脂含量为600～800份；氟硅聚合物含量为600～800份；气相纳米二氧化硅含量为10～14份；硅烷偶联剂含量为50～150份；分散剂含量为1～2份；增粘剂含量为2～4份；所述醇溶性玻璃树脂的固含量为10％-15％；所述氟硅聚合物为PF-302、PF-304、PF-311中的一种或多种，所述硅烷偶联剂为KH-550、KH-560、KH-570中的一种或多种，所述分散剂为FC-4430，所述水性增稠剂TG-2521。

采用该技术方案后，可保证粘结组分材料醇溶性玻璃树脂及低表面能材料氟硅聚合物在涂层浆料中具有较高的含量，从而在不显著降低涂层粘结性能的同时，可以使得氟硅聚合物充分包裹修饰醇溶性玻璃树脂及纳米二氧化硅颗粒。涂层浆料实质是以纳米二氧化硅固体颗粒为分散相，其他液体组分混合液为分散介质而形成的溶胶。固体纳米二氧化硅粉末含量偏高会导致涂层溶胶固化后形成的微纳米级凸起极易发生龟裂及粘结不牢固而剥落的现象，含量偏低则难以形成超疏水表面所需的复杂微纳米凸起微观结构。因此在此配比下的涂层溶胶经过固化后，表面形成粘结牢固的微纳米凸起结构且显著增加了此表面的接触角，从而最终获得具有较强粘结性能及显著超疏水抑冰性能的沥青路面分级超疏水抑冰涂层。

一种涂层浆料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将氟硅聚合物与气相纳米二氧化硅粉末混合，并充分搅拌使得气相纳米二氧化硅粉末均匀分散在氟硅聚合物中，得到固-液溶胶态分散系；

步骤2：在步骤1得到的固-液溶胶态分散系中加入醇溶性玻璃树脂、硅烷偶联剂、分散剂及增粘剂，并再次充分搅拌，使各组分材料充分混合，最终得到涂层浆料。

一种沥青路面分级超疏水抑冰涂层，所述超疏水抑冰涂层由涂层浆料和密封粘结材料制备而成。

采用该技术方案后，密封粘结材料可有效覆盖路面微孔隙，避免上层涂层浆料大量渗入路面空隙而流失，并且与后续涂层粘结更为牢固，显著增强了涂层的抗磨耗耐久性能。通过涂层浆料制备的具有微纳米分级结构的超疏水涂层使得沥青路面的超疏水性能显著增强，从而具有极高的接触触角并且显著提升了沥青路面的抑冰性能。

一种沥青路面分级超疏水抑冰涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：在沥青路面均匀涂刷粘结材料，待粘结材料常温固化后形成50-100μm厚的密封粘结层；

步骤B：在形成的密封粘结层上涂刷制备好的涂层浆料，固化后的涂层浆料与密封粘结层一起形成厚度为100-200μm的具有微米级单级结构的超疏水涂层；

步骤C：在形成的具有微米级单级结构的超疏水涂层上喷涂制备好的涂层浆料，固化后的涂层浆料与步骤B得到的具有微米级单级结构的超疏水涂层一起形成厚度为150-250μm的具有微纳米分级结构的超疏水涂层，即得到所述的沥青路面分级超疏水抑冰涂层。

采用该技术方案后，本分级结构超疏水涂层利用涂刷与喷涂相结合的工艺，对表面微纳米复合结构进行构造，充分提升了超疏水涂层浆料的疏水抑冰性能。采用涂刷法将涂层浆料均匀涂刷于密封粘结层上，涂层浆料中的无水乙醇开始挥发，此挥发过程即为涂层的固化过程。在固化过程中，纳米二氧化硅颗粒随着无水乙醇的挥发发生聚集现象，当无水乙醇完全挥发即涂层固化完成后，涂层表面由于纳米二氧化硅颗粒的聚集，最终形成大量具有微米级凸起的涂层，此即为具有微米级单级结构的超疏水涂层。在具有微米级单级结构的超疏水涂层上采用喷涂法喷涂一层涂层浆料，涂层浆料通过喷枪以微小液滴的形式散落于单级微米级超疏水涂层表面。微小的液滴与空气接触更加充分，加速了无水乙醇的挥发，当微小液滴一经接触表面即可固化完成。这些微小液滴固化后即可形成纳米级凸起，这些纳米级凸起分布在微米级凸起表面，最终形成具有微纳米分级结构的超疏水涂层。此涂层具有复杂的表面形貌，以至获得了较大的粗糙度，从而最终表现出十分显著的超疏水抑冰性能。

作为优选，所述沥青路面为AC路面或SMA路面。

采用该技术方案后，此分级超疏水抑冰涂层的抑冰效果更为显著。

作为优选，所述粘结材料为固含量为30％的醇溶性玻璃树脂。

采用该技术方案后，形成的密封粘结层可有效覆盖路面微孔隙，避免后续涂层浆料大量渗入路面空隙，并且与后续涂层粘结更为牢固，显著增强了涂层的抗磨耗耐久性能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本分级超疏水抑冰涂层可显著降低附着在沥青路面上的冰-路粘结力，使其在轮胎荷载及其他路面荷载作用下即可轻易除去，从而保障了路面行车安全。

(2)本分级超疏水抑冰涂层采用涂刷密封粘结层、涂刷涂层浆料、喷涂涂层浆料的三阶段喷涂工艺，并且采用粘结强度较高的醇溶性玻璃树脂作为涂层浆料的重要组分，因此本涂层具备优异的抗磨耗耐久性能，适合作为沥青路面的抑冰涂层。

(3)本分级超疏水抑冰涂层以无水乙醇作为溶剂，固化后大量乙醇挥发从而形成的涂层厚度较小，不会显著改变实际路面的构造深度，因此不会显著减小路面的摩擦系数，保障了基本的涂层路用性能。

(4)本分级超疏水抑冰涂层的制备方法较为简便且固化时间较短，适合于实际施工使用。

(5)本分级超疏水抑冰涂层是一种主动型道路除冰抑冰手段，与传统人工、机械除冰相比，更为经济、环保且高效，符合我国走资源节约型、环境友好型的可持续发展道路。

(6)本分级结构超疏水涂层利用涂刷与喷涂相结合的工艺，对表面微纳米复合结构进行构造，充分提升了超疏水涂层浆料的疏水抑冰性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的具有微米级单级结构的超疏水涂层的结构示意图；

图3为本发明的具有微纳米分级结构的超疏水涂层的结构示意图。

图4为本发明的涂层料浆的制备流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

制备涂层浆料：

步骤1：将700份的氟硅聚合物、12份气相纳米二氧化硅加入到烧杯当中，于室温下采用磁力搅拌器以3000rpm的搅拌速率搅拌5min，使得气相纳米二氧化硅粉末与氟硅聚合物形成均匀分散体系，使得气相纳米二氧化硅粒子表面被氟硅聚合物充分包裹(低表面能修饰)；

步骤2：在固-液溶胶态分散系中加入700份醇溶性玻璃树脂、100份硅烷偶联剂、1份分散剂及2份增粘剂，所述醇溶性玻璃树脂的固含量为15％，采用磁力搅拌器以3500rpm的搅拌速度搅拌10min，待各组分材料充分均匀混合后即制得涂层浆料。

如图1所示，制备分级超疏水抑冰涂层：

步骤A:使用涂刷法将固含量为30％的醇溶性玻璃树脂涂刷在试件表面(沥青混合料车辙板试件或者马歇尔试件表面，沥青混合料试件采用细粒I式(AC-13，I)沥青混合料，采用规范要求的道路石油沥青)，待其固化形成密封粘结层；

步骤B：密封粘结层形成后，采用涂刷法以0.8kg/m

步骤C：具有微米级单级超疏水抑冰涂层形成后，采用喷涂法以0.14kg/m

本实施例最终制得的沥青路面耐磨耗分级超疏水抑冰涂层，采用接触角测量仪测量涂层表面的表观接触角，通过冰-路剪切试验测量-10℃温度下的冰-路剪切粘附力，采用加速磨耗试验仪对涂有涂层的沥青混合料车辙板试件进行磨耗试验，并对磨耗之后的试件再次测量其表观接触角及冰-路剪切粘附力，并最终与未涂有涂层的空白对照组试件进行对比。接触角与冰-路剪切粘附力经过磨耗前后的试验结果如表1所示，路面摩擦系数试验结果如表2所示。

表1

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表2

实施例2

制备涂层浆料：

步骤1：将600份的氟硅聚合物、10份气相纳米二氧化硅加入到烧杯当中，于室温下采用磁力搅拌器以3000rpm的搅拌速率搅拌5min，使得气相纳米二氧化硅粉末与氟硅聚合物形成均匀分散体系，使得气相纳米二氧化硅粒子表面被氟硅聚合物充分包裹(低表面能修饰)；

步骤2：在固-液溶胶态分散系中加入600份醇溶性玻璃树脂、50份硅烷偶联剂、1份分散剂及2份增粘剂，所述醇溶性玻璃树脂的固含量为15％，采用磁力搅拌器以3500rpm的搅拌速度搅拌10min，待各组分材料充分均匀混合后即制得涂层浆料。

如图1所示，制备分级超疏水抑冰涂层：

步骤A:使用涂刷法将固含量为30％的醇溶性玻璃树脂涂刷在试件表面(沥青混合料车辙板试件或者马歇尔试件表面，沥青混合料试件采用细粒I式(AC-13，I)沥青混合料，采用规范要求的道路石油沥青)，待其固化形成密封粘结层；

步骤B：密封粘结层形成后，采用涂刷法以0.8kg/m

步骤C：具有微米级单级超疏水抑冰涂层形成后，采用喷涂法以0.14kg/m

本实施例最终制得的沥青路面耐磨耗分级超疏水抑冰涂层，采用接触角测量仪测量涂层表面的表观接触角，通过冰-路剪切试验测量-10℃温度下的冰-路剪切粘附力，采用加速磨耗试验仪对涂有涂层的沥青混合料车辙板试件进行磨耗试验，并对磨耗之后的试件再次测量其表观接触角及冰-路剪切粘附力，并最终与未涂有涂层的空白对照组试件进行对比。接触角与冰-路剪切粘附力经过磨耗前后的试验结果如表3所示，路面摩擦系数试验结果如表4所示。

表3

表4

实施例3

制备涂层浆料：

步骤1：将800份的氟硅聚合物、14份气相纳米二氧化硅加入到烧杯当中，于室温下采用磁力搅拌器以3500rpm的搅拌速率搅拌5min，使得气相纳米二氧化硅粉末与氟硅聚合物形成均匀分散体系，使得气相纳米二氧化硅粒子表面被氟硅聚合物充分包裹(低表面能修饰)；

步骤2：在固-液溶胶态分散系中加入800份醇溶性玻璃树脂、150份硅烷偶联剂、2份分散剂及4份增粘剂，所述醇溶性玻璃树脂的固含量为15％，采用磁力搅拌器以3500rpm的搅拌速度搅拌10min，待各组分材料充分均匀混合后即制得涂层浆料。

如图1所示，制备分级超疏水抑冰涂层：

步骤A:使用涂刷法将固含量为30％的醇溶性玻璃树脂涂刷在试件表面(沥青混合料车辙板试件或者马歇尔试件表面，沥青混合料试件采用细粒I式(AC-13，I)沥青混合料，采用规范要求的道路石油沥青)，待其固化形成密封粘结层；

步骤B：密封粘结层形成后，采用涂刷法以0.8kg/m

步骤C：具有微米级单级超疏水抑冰涂层形成后，采用喷涂法以0.14kg/m

本实施例最终制得的沥青路面耐磨耗分级超疏水抑冰涂层，采用接触角测量仪测量涂层表面的表观接触角，通过冰-路剪切试验测量-10℃温度下的冰-路剪切粘附力，采用加速磨耗试验仪对涂有涂层的沥青混合料车辙板试件进行磨耗试验，并对磨耗之后的试件再次测量其表观接触角及冰-路剪切粘附力，并最终与未涂有涂层的空白对照组试件进行对比。接触角与冰-路剪切粘附力经过磨耗前后的试验结果如表5所示，路面摩擦系数试验结果如表6所示。

表5

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表6

经过上述实施例表明，本发明所制备的分级超疏水抑冰涂层在具备抑冰功能性的同时保证了基本的耐久、抗滑等路用性能，是一种主动高效经济的沥青路面除冰手段。本分级超疏水涂层大大降低了冰-路粘结力，使得冰层难以附着在道路表面，从而极大程度地保障了路面行车安全，同时也保护了人民群众的生命财产安全。与其他道路除冰方式相比也更加经济环保，推动了我国向着资源节约型、环境友好型可持续发展道路的继续前进。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。