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我国环氧沥青专利技术分析
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我国环氧沥青专利技术分析
2022年03月17日    阅读量:31789    新闻来源:《公路交通技术》技应用技术版2019年12期  |  投稿

摘 要

环氧沥青是一种热固性的改性沥青材料,与传统SBS改性沥青相比,在力学特性、耐高温、抗变形、耐腐蚀性能等方面有较大的的优势。本文检索了2000年以来我国环氧沥青相关专利,对专利申请及授权情况进行了统计,对环氧沥青技术的发展趋势进行了分析。


关键词 环氧沥青 | 树脂 | 改性


沥青路面具有表面平整、行车舒适、噪音低、开放交通快、维修方便等特点,已经成为我国各等级公路路面面层的主要结构方式,沥青材料需求量长期居高不下沥青网sinoasphalt.com??萍脊ぷ髡咭恢痹谘芯客ü诹で嘀屑尤敫男约晾锤纳屏で嘈阅?,各类高分子、聚合物材料是应用最广泛的沥青改性剂。世界范围内改性沥青技术的发展至今已有100多年的历史,所使用的高分子改性剂从天然橡胶发展到各种合成聚合物,热塑性弹性体SBS的出现,逐渐取代聚合物改性剂取得主导地位,表现出优异的性能,成为应用最多的聚合物改性剂。


由于沥青材料固有的热熔特性,在一些对受热、受力要求特别高的使用场合,比如钢桥面、机场跑道道面,普通改性沥青路面并不能满足使用性能要求?;费趿で嗍且恢钟苫费跏髦?、固化剂、基质沥青经化学改性所得的混合物,它与常规SBS改性沥青相比最大的特点是因环氧单体在固化剂作用下发生化学交联反应产生三维网络结构,这种结构使环氧沥青再次受热不会像普通改性沥青一样熔化,也不溶于有机溶剂,具有更高的耐高温、抗变形、耐腐蚀能力,强度是SBS改性沥青的三到四倍。比如高品质的SBS改性沥青在70℃时会具有流动性,但环氧沥青在此温度下仍然具有很高的稳定性。


国外从上世纪六十年代开始研究环氧沥青材料,主要用于机场跑道和桥面铺装,在美国等地逐渐推广应用,美国著名的金门大桥在1986年重新铺装时就采用了环氧沥青。我国从上世纪九十年代开始进行环氧沥青研究,2000年开始引进进口环氧沥青到南京长江二桥、润扬长江大桥等工程项目,铺筑效果良好,大大提高了桥面铺装的耐热、防水、耐久、抗变形性能,吸引许多科研工作者开始了国产环氧沥青的研究,促使环氧沥青材料来源逐渐从完全进口转向国产化。


相比国外而言,我国在环氧沥青领域研究起步较晚,随着我国公路交通事业的发展,我国申请人申请环氧沥青专利从2000年开始起步,逐年有所增加。例如中国石化、山东大学、长安大学、东南大学等单位和个人先后提交了相关沥青相关专利申请,专利申请的内容涉及环氧沥青产品、改性剂、组合物、生产工艺等,我国环氧沥青技术研究呈现出欣欣向荣的局面。


环氧沥青专利技术检索


为对在中国申请的环氧沥青相关专利进行分析,针对中国专利数据库已公开的发明专利申请,检索了从2000年以来专利申请文件,检索截止日期为2019年7月28日。在环氧沥青领域,所用基体是沥青,环氧材料作为添加物,因此IPC(依据1971年《斯特拉斯堡协定》建立的国际专利分类)分类号仅涉及C08L95/00(代号C指化学、冶金领域,C08指有机高分子化合物、其制备或化学加工、以其为基料的组合物,C08L指高分子化合物的组合物,C08L95/00指沥青材料的组合物)。在检索过程中,以分类号结合环氧等关键词进行检索,共检索到852篇发明专利申请、315篇授权公开专利。


环氧沥青专利申请及授权公开情况


图1是在中国的环氧沥青专利申请量随年度变化曲线图,图2是在中国的环氧沥青专利公开量随年度变化曲线图,考虑到发明专利申请从提交到授权公开时间上的滞后性,图2表现出的规律与图1相符??梢钥闯?,从2000年到2008年,我国环氧沥青专利申请量处在在较低水平,从2009年开始,我国环氧沥青专利申请量和授权公开量逐渐进入迅速增长阶段。

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从2000年到2008年期间,检索到的我国环氧沥青技术相关共有61项专利申请、23项授权公开专利,专利申请与授权数量都较少。在2004年之前,在中国获得授权的真正意义上的环氧沥青专利都是由国外申请人在上世纪九十年代提交申请的。埃尔弗安塔法国公司在1996-1998年之间申请的4项环氧沥青相关专利在此期间获得授权,其技术方案主要是将环氧树脂作为辅助改性剂应用到聚合物改性沥青材料中?;ㄍ踔晔交嵘缬?996年提交的CN96105732.7号专利申请于2001年获得授权,其给出了一种在沥青乳液中添加包含环氧树脂在内改性剂的材料制备方法。这2000年至2008年期间,美国申请人并没有在中国取得环氧沥青专利授权。

从2000年开始,在实体工程开始应用国外进口环氧沥青的背景下,环氧沥青专利技术不再是外国人的天下,中国科研工作者开始占有一席之地,东南大学黄卫等人申请并获得授权的两项专利比较有代表性,填补了国内环氧沥青专利技术的空白。在这段时期,国产环氧沥青的主要问题是沥青与环氧树脂之间的相容性问题。


从2009年开始,在中国提交的环氧沥青相关专利申请进入了快速增长期,截至2019年7月,申请数量为791项,授权公开数量为292项,远超过前些年的申请和公开数量。在获得授权的专利中,国外申请人的专利数量为18项,其余均为国内申请人所申请,国内申请人所获授权专利占到总数的93.8%,表明我国环氧沥青技术相关专利权绝大多数为国内申请人拥有。


图3为检索专利申请中主要申请人数量情况,图4为授权公开专利的主要申请人数量情况,可以看出,在专利申请数量和专利授权数量上,国内申请人均占绝大多数,主要是大型国有企业、科研院所和高校。

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环氧沥青专利技术发展趋势分析


中国的环氧沥青技术研究从上世纪九十年代开始起步,2000年开始引进进口环氧沥青应用到我国桥梁实体工程中,取得了良好效果。国内科研工作者在引进进口环氧沥青材料的基础上开始研究环氧沥青的国产化,并开始申请专利。


埃尔弗安塔法国公司在1996-1998年之间申请了4项环氧沥青相关专利,其给出的材料制备方法主要是在加热的基质沥青中掺入聚合物及带有环氧、羧酸官能团的材料,使其发生一定程度上的交联,从而改善沥青材料性能?;ㄍ踔晔交嵘缬?996年提交的编号为CN96105732.7号专利给出了一种在沥青乳液中添加包含环氧树脂在内改性剂的材料制备方法,主要用于粘结剂和防水剂。在这些专利中,沥青改性剂仍以烯烃聚合物为主,环氧材料仅作为辅助改性材料出现。


东南大学黄卫等人于2003年提交申请并获得授权的CN200310106597.X号专利是早期国内申请人提交的代表性环氧沥青专利,其给出了一种环氧沥青材料及其制备方法,采用AB双组分,A组分主要包含沥青和脂肪酸酐类固化剂,B组分为环氧树脂,两部分的质量比例为2-8:1,这是早期国产环氧沥青研制过程中的典型材料组成,可以使材料获得较好强度和柔韧性。相同申请人提交的CN200610039988.8号专利给出了一种热固性环氧沥青材料及其制备方法,同样由A、B双组分组成,相比2003年的专利技术内容,其改进是首先将基质沥青进行功能化改性,使沥青本身成为一种环氧树脂的固化剂,与其它固化剂成分一起组成综合固化体系,这样多种固化剂和固化促进剂的配合使用使得固化速度可控、固化产物性能可调,进一步提升了国产环氧沥青的可操作性和产品性能。


虽然环氧树脂或沥青材料本身技术成熟,但由于环氧聚合物与沥青材料在分子结构、极性、密度、内聚力、表面张力等方面的差异,早期国产环氧沥青技术最大的问题是材料中不同组分的相容性问题以及热固性材料的低温脆性问题。


2009年开始,环氧沥青技术相关的中国专利授权量逐渐增多,且绝大部分为国内申请人所申请,环氧沥青专利技术得到蓬勃发展,进一步提升了国产环氧沥青的性能,逐渐达到甚至超过进口环氧沥青。


桂希衡于2010年获得授权的CN200810182856.X号专利,给出了一种耐候性沥青改性剂,包含蒽油、老胶或环氧树脂、乙烯醋酸乙烯共聚物三类成分,其特点是多种改性材料共同发挥作用调节沥青的粘流特性,且可以用于回收沥青,对促进材料循环利用有意义。


黄卫等人于2015年获得授权的CN201310366476.2号专利,在普通环氧沥青A组分环氧树脂中添加了界面剂,界面剂为包含长链烃基和环氧官能团的有机分子,能够在沥青材料和环氧材料中都表现出较高的结合能力,可以有效地提高环氧化物与沥青材料之间的相容性,从而改善环氧沥青的力学性能和加工性能。该申请人同年还获得了编号为CN201310367629.5的授权专利,在B组分沥青材料中添加了10~40份的胶粉作为第二改性剂,一方面可以降低环氧沥青材料的造价,另外胶粉的加入提高了材料的低温柔韧性,同时循环利用了废旧橡胶,具有环保意义。


曹东伟等人于2017年获得授权的CN201510390350.8号专利,给出了一种聚氨酯改性环氧沥青,由A、B、C三组分组成,A组分为由环氧树脂与聚氨酯预聚体聚合制得的聚氨酯改性环氧树脂,B组分固化剂和促进剂,C组分为沥青,其特点是聚氨酯中含柔性的碳链、醚链和活性酰胺基团,通过二次固化反应与环氧树脂可形成互穿网络,提高了相容性,受力时比单独交联网络更加分散,提升了材料的强度及韧性。


总的来说,近些年的环氧沥青专利技术已经在以下几个方面取得了突破:(1)通过固化剂的优选来调节和控制固化反应的速度和程度;(2)通过对沥青预改性、加入界面剂等方式提高材料的相容性;(3)通过组合改性方式提升材料低温等综合性能并利用再生材料;(4)通过组合多种热固材料形成互穿交联网络进一步提升材料综合性能等。


结语

知识产权、专利技术是企业单位核心竞争力的体现,在环氧沥青技术领域,国内研究虽然比国外同行起步晚,在技术上有一定落后,但在我国大力发展交通基础设施建设的政策推动下,国内科研工作者奋起直追,在该领域专利技术方面有后来居上的趋势,2009年之后绝大多数授权的中国专利申请人都是国内机构和个人。


环氧沥青性能优良,应用前景广阔,已经成为交通建设领域材料研究的一个热点,我国在该技术领域的研究上已经取得了一定突破,但在环氧沥青材料组成、综合性能平衡设计、生产和施工工艺方面,还需要进行长期的研究和实践,才能真正发挥出环氧沥青技术的巨大优势。

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