聚合物-填料復(fù)合物改性瀝青性能與結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、本論文采用等密度方法，即預(yù)先混合聚合物與填料制備復(fù)合物，復(fù)合物在瀝青中會(huì)吸收油份而溶脹，改變填料的用量從而調(diào)節(jié)聚合物與瀝青的密度差異的方法，制備出高溫貯存穩(wěn)定的改性瀝青，并研究了工藝條件和配方因素對(duì)聚合物／填料復(fù)合物力學(xué)和聚合物分子量分布的影響，系統(tǒng)考察了工藝條件和配方因素對(duì)聚合物／填料改性瀝青性能與形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，研制出性能優(yōu)良、高溫貯存穩(wěn)定的苯乙烯一丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)、氫化SBS(SEBS)、低密度聚乙烯(LDPE

2、)改性瀝青，并通過流變學(xué)分析方法及凝膠和溶脹測(cè)試探討了聚合物與填料的相互作用，指出經(jīng)過預(yù)混工藝填料改變了聚合物與瀝青的密度差異，以此說明聚合物／填料改性瀝青高溫貯存穩(wěn)定的原因；研究了基質(zhì)瀝青和聚合物改性瀝青熱氧老化過程，并分析了抗氧劑對(duì)基質(zhì)瀝青及聚合物改性瀝青的影響，探討了抗氧劑提高瀝青耐老化性能的原因。 簡單共混改性及反應(yīng)共混改性存在著缺點(diǎn)，前者往往不能制備出高溫貯存穩(wěn)定的改性瀝青，給實(shí)際應(yīng)用造成了困難：后者反應(yīng)難以控制，制備

3、高粘度改性瀝青時(shí)存在高溫貯存穩(wěn)定的問題，同時(shí)對(duì)交聯(lián)劑具有選擇性、污染或成本高的特點(diǎn)。采用等密度方法將聚合物與填料預(yù)先共混制備的改性瀝青不加入反應(yīng)添加劑，回避了反應(yīng)共混改性難以控制和環(huán)境污染問題，采用此方法可以制備出高溫貯存穩(wěn)定的不飽和聚合物SBS、飽和聚合物SEBS及LDPE改性瀝青，且成本低廉，在實(shí)際應(yīng)用中所添加量情況下填料的介入對(duì)改性瀝青其它性能影響不大。 研究了以高嶺土和硅藻土為填料與SBS預(yù)先共混，獲得了高性能、高溫貯存

4、穩(wěn)定的不飽和聚合物SBS改性瀝青，應(yīng)用此技術(shù)獲得的產(chǎn)品可以滿足重交通改性瀝青及透水路面用高粘度瀝青的指標(biāo)。系統(tǒng)考察了工藝條件(包括混合溫度及時(shí)間)對(duì)SBS／高嶺土復(fù)合物力學(xué)性能及SBS分子量分布的影響。復(fù)合物制備中SBS與高嶺土的共混溫度宜在140℃，時(shí)間為10min。溫度過高會(huì)導(dǎo)致SBS的降解，使得復(fù)合物在瀝青中不易分散，且增加能耗；溫度過低復(fù)合物分散不均勻，且增加了預(yù)混時(shí)間，降低了加工效率。采用聚合物與填料預(yù)先混合的工藝對(duì)于獲得高溫

5、貯存穩(wěn)定的改性瀝青非常重要，直接簡單混合不能制備出高溫貯存穩(wěn)定的改性瀝青。預(yù)混復(fù)合物中SBS與填料的配比對(duì)改性瀝青的高溫貯存穩(wěn)定性能有著重要影響，填料添加量或高或低都不能獲得高溫貯存穩(wěn)定的SBS改性瀝青。SBS含量低于4％時(shí)復(fù)合物中高嶺土份數(shù)為30可以獲得高溫貯存穩(wěn)定的改性瀝青，SBS含量在6％時(shí)，高嶺土的份數(shù)宜為40份；而當(dāng)硅藻土的份數(shù)在30時(shí)都可獲得不同SBS含量的改性瀝青。隨著SBS用量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)、粘度、高溫動(dòng)態(tài)力學(xué)

6、性能都有大幅提高，且填料高嶺土或硅藻土的介入對(duì)其性能影響不大。 飽和聚合物上沒有雙鍵，使得不能通過反應(yīng)共混來制備高溫貯存穩(wěn)定的改性瀝青，因而飽和聚合物改性瀝青的高溫貯存穩(wěn)定性一直是限制其道路應(yīng)用的一大難題。采用預(yù)混工藝制備了高溫貯存穩(wěn)定的SEBS和LDPE聚合物改性瀝青。SEBS復(fù)合物中高嶺土的份數(shù)在50時(shí)可以獲得聚合物含量在3％～6％高溫貯存穩(wěn)定的改性瀝青。SEBS含量低于4％時(shí)，高嶺土的介入對(duì)改性瀝青的力學(xué)、相形態(tài)及動(dòng)態(tài)流變

7、性能影響甚微，但含量較高時(shí)(5％和6％)對(duì)SEBS改性瀝青性能有一定的惡化。這可能是由于高嶺土與SEBS預(yù)混過程中通過較強(qiáng)的相互作用而形成復(fù)合物，在與瀝青的混合過程中高嶺土與SEBS聚合物的較強(qiáng)相互作用阻隔了聚合物連續(xù)相的形成。當(dāng)LDPE復(fù)合物中自炭黑的份數(shù)為60時(shí)，可以獲得高溫貯存穩(wěn)定的聚合物含量為3％～5％的改性瀝青。白炭黑的介入對(duì)LDPE改性瀝青的其它性能影響不大。隨著聚乙烯廣泛應(yīng)用于道路瀝青，采用等密度方法制備的高溫貯存穩(wěn)定的聚

8、乙烯改性瀝青有著很好的應(yīng)用前景。 采用流變學(xué)方法和凝膠及溶脹測(cè)試研究了聚合物／填料復(fù)合物改性瀝青的結(jié)構(gòu)及高溫貯存穩(wěn)定機(jī)理。基質(zhì)瀝青在所測(cè)試溫度范圍內(nèi)為簡單牛頓流體，而聚合物／填料復(fù)合物改性瀝青為非牛頓流體，在一定的剪切速率下牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥ｎD流體。LDPE改性瀝青存在著簡單的剪切變稀，而SBS(SEBS)改性瀝青存在著兩個(gè)剪切變稀區(qū)域，填料的介入加劇了這一行為。Carreau兩段粘度模型表明聚合物及填料增大了聚合物的結(jié)構(gòu)取向，

9、說明聚合物與填料的預(yù)先共混存在著一定程度的相互作用，這一作用使得在改性瀝青制備當(dāng)中聚合物與填料存在結(jié)合，通過改變二者的配比及復(fù)合物密度的變化從而改變聚合物與瀝青之間密度的差異，在適當(dāng)?shù)拿芏认赂男詾r青達(dá)到了高溫貯存穩(wěn)定。 不飽和聚合物由于存在雙鍵導(dǎo)致其制備的改性瀝青耐久性不足，特別是功能性路面如透水路面，由于聚合物用量大及路面開級(jí)配設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中降低了道路的使用壽命、增大了道路養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。采用常規(guī)分析和紅外光譜分析，研究了

10、基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的老化性能，并通過添加抗氧劑獲得了耐老化性能優(yōu)異的基質(zhì)和聚合物改性瀝青。老化使得瀝青的軟化點(diǎn)及粘度增大，而針入度和延度降低，在紅外譜圖上主要表現(xiàn)為羰基峰的增大，而亞砜基峰的變化趨勢(shì)和老化時(shí)間及強(qiáng)度相關(guān)，老化之初亞砜基峰增大，但隨后又減少。在研究瀝青的老化過程中，宜采用羰基峰和聚丁二烯峰的老化指數(shù)來評(píng)價(jià)瀝青的老化，而采用亞砜基可能會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。比較了添加劑環(huán)烷油、BZ及ZDDP對(duì)瀝青老化性能的影響。環(huán)烷油對(duì)瀝青

11、的軟化點(diǎn)、粘度及針入度影響不大，但在一定程度上提高瀝青的延度，紅外分析表明瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生變化，因而環(huán)烷油只是起到增塑劑的物理作用。BZ和ZDDP起到了改善瀝青耐老化性能的效果，表現(xiàn)為老化后瀝青的軟化點(diǎn)、粘度增幅降低，延度、針入度的降幅降低。從紅外分析來看，瀝青羰基峰增幅減少、SBS特征峰降幅減少，這說明二者起到了耐老化效果。就ZDDP和BZ比較而言，ZDDP的添加使得瀝青老化前后的延度增大，這可能是由于ZDDP除了起到抗氧劑的效

12、果外，還起到了增塑劑的作用。SBS改性瀝青中SBS的氧化符合傳統(tǒng)聚合物熱氧老化機(jī)理，瀝青的老化系自氧化過程。ZDDP和BZ抗氧劑的添加起到了自由基捕捉劑和氫過氧化物抑制劑的雙重作用，從而改善了瀝青的耐老化性能。 本文的創(chuàng)新之處： 1)系統(tǒng)研究了聚合物／填料復(fù)合改性瀝青的制備工藝和配方因素對(duì)性能的影響，制備了不飽和及飽和聚合物改性瀝青，特別是SBS／高嶺土復(fù)合改性瀝青，高、低溫性能兼顧，高溫貯存穩(wěn)定，成本低，無污染，其性能

13、達(dá)到中國SBS類(I類)改性瀝青技術(shù)要求，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，有著很好的應(yīng)用前景；采用等密度方法首度制備了高溫貯存穩(wěn)定的聚乙烯改性瀝青，隨著聚乙烯改性瀝青的廣泛應(yīng)用，有著很好的應(yīng)用前景． 2)采用流變學(xué)方法對(duì)聚合物／填料改性瀝青的流變學(xué)行為進(jìn)行了研究，首次將Carreau兩段粘度模型應(yīng)用于多相復(fù)合體系，并結(jié)合等密度方法首次應(yīng)用于說明填料、聚合物和瀝青體系的相互作用。 3)采用熱臺(tái)紅外原位對(duì)基質(zhì)及聚合物改性瀝青的老化性能進(jìn)行