SBS改性無鹵阻燃瀝青的研制*

杜正軍，鄭文博，廖克儉

（遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧撫順113001）

SBS改性無鹵阻燃瀝青的研制*

杜正軍1，鄭文博，廖克儉

（遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧撫順113001）

∶為滿足道路交通對瀝青產(chǎn)品的路用指標(biāo)與阻燃性能的要求，選用遼河90#瀝青為原料，SBS為改性劑，研制了一種路用性與阻燃性兼?zhèn)涞母男宰枞紴r青產(chǎn)品。通過考察復(fù)合阻燃劑的加入量對瀝青產(chǎn)品極限氧指數(shù)的影響，確定了復(fù)合阻燃劑的最優(yōu)加入量，并研究了調(diào)和劑劑量對瀝青產(chǎn)品理化性質(zhì)的影響，考察了生產(chǎn)工藝中加工溫度與剪切時(shí)間對瀝青的針入度與軟化點(diǎn)的影響，確定調(diào)和劑的加入量與生產(chǎn)工藝參數(shù)。最終生產(chǎn)出了SBS改性無鹵阻燃瀝青。經(jīng)測試，產(chǎn)品符合JTJ036-98(I-A)標(biāo)準(zhǔn)并且極限氧指數(shù)為32。

∶瀝青；阻燃；SBS；無鹵；工藝條件

前言

近年來，我國高速公路得到迅速發(fā)展，里程數(shù)僅次于美國，居世界第二位，國內(nèi)對高質(zhì)量瀝青的要求將不斷增加。然而，傳統(tǒng)瀝青與改性瀝青本身并不具有阻燃性能，為交通安全留下了一定的安全隱患，一旦發(fā)生火災(zāi)，特別是橋梁、隧道、機(jī)場等地，將造成巨大的損失。

現(xiàn)有的阻燃瀝青多使用鹵系阻燃劑，特別是多溴聯(lián)苯醚（PBDEs），此類阻燃劑會(huì)在阻燃過程中釋放大量有害的鹵化氫氣體，并且該氣體還會(huì)與水結(jié)合生成強(qiáng)腐蝕性的氫鹵酸造成二次公害。同時(shí),經(jīng)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，此類化合物還會(huì)干擾人體的甲狀腺素功能，引起不良健康效應(yīng)。因此，許多國家禁止或暫停該類化合物的應(yīng)用。例如：歐洲已在2004年禁用了五溴代聯(lián)苯醚和八溴代聯(lián)苯醚兩種PBDE配方，2008年4月，歐洲法院禁用了第三種PBDE類化合物—十溴代聯(lián)苯醚，此外，亞洲與北美國家在禁用PBDEs方面都有相似的立法[1]。因此，從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，使用無鹵型阻燃劑是瀝青難燃化的必然趨勢。

在現(xiàn)代阻燃技術(shù)中，阻燃劑的復(fù)合技術(shù)是極其重要的一個(gè)方面。復(fù)合阻燃體系兼有多種阻燃劑的特性，阻燃劑的復(fù)合可在有機(jī)類、無機(jī)類阻燃劑及它們相互之間進(jìn)行。其中有機(jī)類和無機(jī)類阻燃劑的復(fù)合使用更為廣泛，這類復(fù)合體系兼具有機(jī)阻燃劑的高效和無機(jī)阻燃劑的低煙、無毒功能，并能有效降低成本和減少無機(jī)阻燃劑的用量，改善材料的功能[2]。

本文中使用的復(fù)合阻燃劑主要由三部分組成：主阻燃劑、協(xié)同阻燃劑與抑煙劑。其中主阻燃劑在瀝青燃燒時(shí)會(huì)分解并吸收大量的熱量，打斷熱量傳遞鏈以阻止燃燒，同時(shí)還釋放出氣體，隔絕氧氣使火焰自行熄滅;協(xié)同阻燃劑本身并不具有阻燃性能，其價(jià)值在于可增強(qiáng)主阻燃劑的性能;抑煙劑受熱后可迅速分解，比表面積大幅增加，可有效的吸附煙核與煙顆粒，降低煙氣密度。將以上幾種成份以一定的比例混合，制得復(fù)合阻燃劑[3]。

1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

遼河90#瀝青（遼河油田），SBS（中石化巴陵石化），主阻燃劑，協(xié)同阻燃劑，抑煙劑，調(diào)和劑等。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

BME100L型高剪切混合乳化機(jī)（上海威慷機(jī)械電子有限公司），SYD-2806E全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司），LY型瀝青延伸度測定儀（無錫市石油儀器設(shè)備廠），SYD-2801C針入度試驗(yàn)器（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司），HC氧指數(shù)測定儀（承德德盛檢測設(shè)備有限公司）等。

1.3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與標(biāo)準(zhǔn)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合阻燃劑加入量對氧指數(shù)的影響

由于阻燃劑的價(jià)格遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青，因此，從最終產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)當(dāng)在保持阻燃效果的前提下盡量降低阻燃劑的加入量以降低產(chǎn)品成本，藉此，也將減少阻燃劑對瀝青產(chǎn)品性質(zhì)的不利影響。

圖1 復(fù)合阻燃劑加入量對極限氧指數(shù)的影響Fig.1 The influence of quantity addition of flame-retardant on limiting oxygen index

選取約200g遼河90#瀝青為基質(zhì)瀝青，使用4%的SBS進(jìn)行改性處理，制取SBS改性瀝青，之后分別加入不同質(zhì)量的復(fù)合阻燃劑，考察復(fù)合阻燃劑加入量對瀝青產(chǎn)品極限氧指數(shù)的影響，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，產(chǎn)品的極限氧指數(shù)（OI）隨復(fù)合阻燃劑加入量的增加而增大，然而，當(dāng)復(fù)合阻燃劑加入量超過6%后，極限氧指數(shù)的上升趨勢不再明顯，因此不應(yīng)使加入的復(fù)合阻燃劑含量超出6%，另外，當(dāng)復(fù)合阻燃劑的加入量為2%時(shí)，阻燃瀝青產(chǎn)品的極限氧指數(shù)為31，由于空氣中氧含量為18%至21%，一般認(rèn)為：當(dāng)OI＞27時(shí)，該材料可在火中自行熄滅;當(dāng)21＜OI＜27時(shí)，該材料為可燃材料;當(dāng)OI＜21時(shí)，該材料為易燃材料[4]。因此，加入2%的復(fù)合阻燃劑即可使產(chǎn)品在空氣中無法燃燒或在燃燒后迅速自行熄滅。

2.2 調(diào)和劑劑量對瀝青性質(zhì)的影響

瀝青中加入阻燃劑后，理化指示會(huì)有所改變，如針入度相比原瀝青下降而軟化點(diǎn)會(huì)有所升高，使瀝青產(chǎn)品不再滿足聚合物改性瀝青的技術(shù)要求（JTJ036-98公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范），同時(shí)，阻燃劑也會(huì)降低瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性，使之在熱儲(chǔ)存過程中發(fā)生離析現(xiàn)象，因此，應(yīng)該向?yàn)r青產(chǎn)品中加入一定量的調(diào)和劑來改善瀝青產(chǎn)品的理化指標(biāo)。

本文選用一種廉價(jià)的調(diào)和劑，其中含有大量縮合性極強(qiáng)的大分子芳烴，此類芳烴對瀝青質(zhì)與膠質(zhì)的吸附能力遠(yuǎn)大于瀝青本身所含有的小分子芳香烴與飽和烴，藉此改善瀝青的理化性質(zhì)，提高瀝青的性能，如針入度與軟化點(diǎn)。如下圖所示：

圖2 調(diào)和劑加入量對瀝青產(chǎn)品針入度與軟化點(diǎn)的影響Fig.2 The influence of quantity addition of blender on softening point and needle penetration of asphalt

如圖2所示，每加入1%的調(diào)和劑可使瀝青產(chǎn)品的針入度升高約12.5（0.1mm）并使其軟化點(diǎn)降低大約0.9℃?？梢勒沾艘?guī)律調(diào)配瀝青產(chǎn)品，以滿足不同技術(shù)規(guī)范的要求。

2.3 考察SBS改性無鹵阻燃瀝青生產(chǎn)工藝

工藝參數(shù)是瀝青產(chǎn)品生產(chǎn)中的關(guān)鍵因素，工藝參數(shù)對成品的延度、軟化點(diǎn)、針入度以及溶解度等指標(biāo)有著決定性的因素。在本產(chǎn)品的加工過程中，剪切時(shí)間、溫度都會(huì)使SBS改性無鹵阻燃瀝青的性能發(fā)生變化。

2.3.1 溫度的考察

在SBS改性無鹵阻燃瀝青的生產(chǎn)過程中，過高的拌合溫度會(huì)使阻燃劑分解、失效，而且長時(shí)間的高溫操作會(huì)加速瀝青的老化，使瀝青產(chǎn)品的理化性質(zhì)下降，同時(shí)，也會(huì)造成能源的浪費(fèi)；另外，拌合溫度過低也會(huì)使得瀝青黏度過大，可能會(huì)損壞剪切設(shè)備。所以，應(yīng)在保證剪切設(shè)備工作黏度的基礎(chǔ)上，盡可能降低操作溫度。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采取適當(dāng)?shù)臏匕杓夹g(shù)時(shí)，可使拌合溫度由原來的170℃降低至130～140℃，瀝青的黏度即可滿足剪切機(jī)的要求，同時(shí)也不會(huì)使阻燃劑高溫失效[5]。

2.3.2 時(shí)間的考察

取一定質(zhì)量的遼河90#瀝青，放入烘箱中（120℃）溶化后取出，放入剪切裝置中繼續(xù)加熱至145℃，加入4%的SBS與2%的混合阻燃劑，剪切不同時(shí)間后測定其針入度及軟化點(diǎn)，結(jié)果如圖3所示：

圖3 剪切時(shí)間對瀝青產(chǎn)品針入度與軟化點(diǎn)的影響Fig.3 The influence of shearing time on softening point and needle penetration of asphalt

由此可見，瀝青產(chǎn)品的針入度及軟化點(diǎn)隨剪切時(shí)間的增加而變化，但是在2h之后其變化趨勢不再明顯，并且長時(shí)間的高溫操作還可能導(dǎo)致瀝青老化與阻燃劑失效，因此，SBS改性無鹵阻燃瀝青的適宜剪切時(shí)間為2h。

2.4 最佳配方與工藝條件

2.4.1 原料用量比例（相對于基質(zhì)瀝青）

2.4.2 工藝條件

2.4.3 最終產(chǎn)品性質(zhì)

3 結(jié)論

（1）阻燃劑加入量對瀝青的阻燃效果有顯著影響，但是在復(fù)合阻燃劑加入量超過瀝青質(zhì)量的6%后，阻燃效果上升不再明顯，應(yīng)根據(jù)不同的需要，選擇適量的加入量。

（2）加入阻燃劑后，瀝青產(chǎn)品的理化性質(zhì)會(huì)有所降低，可選用富含芳烴的調(diào)和劑優(yōu)化阻燃瀝青產(chǎn)品的性質(zhì)。

（3）加工時(shí)過高的溫度會(huì)導(dǎo)致阻燃劑分解失效與瀝青的老化，應(yīng)在滿足剪切機(jī)工作的前提下，降低操作溫度，必要時(shí)可使用降黏劑來改變?yōu)r青產(chǎn)品的黏溫特性。

（4）長時(shí)間的加工也會(huì)導(dǎo)致阻燃劑的分解，剪切時(shí)間應(yīng)以2h為適。

［1］KELLYN.BETTS S.New thinking on flame retardants［J］.Environmental Health Perspectives，2008，116：210～213.

［2］梁誠.我國阻燃劑生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.精細(xì)石油化工進(jìn)展，2001，2（2）：38～41.

［3］SHARMA S K.，SAXENA N K.Flame retardant smoke suppressant protection for poly vinylchloride［J］.Fire Technology，2004，40（4）：385～398.

［4］劉冬，盧久富，袁德明，等.隧道用阻燃瀝青的研制［J］.石化技術(shù)與應(yīng)用，2006，24（6）：459～461.

［5］楊彥海.基于Sasobit實(shí)現(xiàn)溫拌化的瀝青膠結(jié)料性能研究［J］.中國道路瀝青，2009，37（2）：1～5.

Study on SBS Modified Flame-retarded Halogen-Free Asphalt

DU Zheng-jun，ZHENG Wen-bo and LIAO Ke-jian
(College of Petrochemical Engineering，Liaoning Shihua University，F(xiàn)ushun 113001，China)

In order to meet the requirements of road performance and flame retardation of the road asphalt，a kind of modified asphalt with well road performance and flame retardation is produced with using Liaohe 90#asphalt as the raw material and SBS as the modifier.By examining the influence of addition quantity of the composite flame retardant on the limiting oxygen index of the asphalt，the optimum quantity addition of composite flame retardant is confirmed.And the effect of quantity of the blender on the physical and chemical properties of asphalt is studied，and the effects of processing temperature and shearing time on the needle penetration and softening point of asphalt are investigated，and the addition amount of blender and processing parameters is confirmed.At last，the SBS modified flame-retarded halogen-free asphalt is prepared.The test result shows that the product can meet the standard of JTJ036-98(I-A)and its limiting oxygen index is 32.

Asphalt；flame-retardant；SBS；halogen-free;process conditions

book=186,ebook=186

TE 624.85

A

1001-0017（2010）06-0039-03

2010-03-03*合作項(xiàng)目：遼寧省交通科學(xué)研究院合作項(xiàng)目SBS改性阻燃瀝青技術(shù)開發(fā)（委托）(編號(hào)∶2009010714)

杜正軍（1982-），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槭突瘜W(xué)品的研制與開發(fā)。