SEBS改性瀝青的制備與性能研究

王 明，余紅偉，馬海花，魏 徵

(1.海軍工程大學(xué)理學(xué)院 化學(xué)與材料系，湖北 武漢 430033；2.平頂山市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，河南 平頂山 467000)

瀝青混合料是各級(jí)道路建設(shè)用材之一，近年來，隨著公路運(yùn)輸負(fù)荷越來越大，對(duì)瀝青綜合性能也提出了更高的要求，改性瀝青能有效地改善路用性能，因而其研究與應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段聚合物改性瀝青是目前應(yīng)用較為廣泛的聚合物改性瀝青之一[1]，但是由于不飽和鍵的存在，SBS改性瀝青在較為惡劣的光熱條件下性能下降較快，極大地影響了道路使用壽命[2]。將SBS進(jìn)行選擇加氫后得到的SEBS用于瀝青改性，在提高耐光氧老化、高低溫等綜合性能方面比SBS更優(yōu)，不足之處在于原料昂貴，摻量不宜太大，SEBS改性瀝青的推廣應(yīng)用受到較大限制[3]。因此從降低SEBS摻量和保證瀝青的改性效果角度出發(fā)，研究SEBS的最佳摻量及剪切溫度十分必要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

基質(zhì)瀝青：70#，廣東茂名石化有限公司；SEBS：YH-501型，岳陽石化有限公司；糠醛抽出油、WD-7型穩(wěn)定劑等助劑均為市售品?；|(zhì)瀝青和SEBS的基本性能指標(biāo)分別如表1和表2所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

表2 岳陽石化公司SEBS基本性能參數(shù)

1.2 儀器設(shè)備

電熱恒溫水溫箱：HS-2型，北京市永光明儀器有限公司；針入度試驗(yàn)器：SYD-2801C型，上海恒勤儀器設(shè)備有限公司；軟化點(diǎn)儀：SYD-2806E型，上海恒勤儀器設(shè)備有限公司；延伸度儀：SY-1.5B型，低溫型，河北迪奧試驗(yàn)儀器有限公司；掃描電鏡：TM-3030型，天津科學(xué)儀器有限公司；高速剪切乳化機(jī)：弗魯克/FM300，上海恒勤儀器設(shè)備有限公司。

1.3 SEBS改性瀝青制備

(1) 人工勻化處理：將基質(zhì)瀝青放入180 ℃的烘箱中加熱融化，恒溫30 min后加入SEBS及糠醛抽出油，人工攪拌10～20 min得到初產(chǎn)物。

(2) 剪切乳化：將初產(chǎn)物在160～180 ℃下高速剪切30 min，轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 000 r/min，而后加入WD-7型穩(wěn)定劑，人工攪拌10 min。

(3) 二次發(fā)育：將所得產(chǎn)物放入180 ℃的烘箱中溶脹發(fā)育1 h，制備完成。

1.4 性能測(cè)試

瀝青延度按照GB/T 4508—2010進(jìn)行測(cè)定，拉伸速度為5 cm/min，溫度為15 ℃；針入度按照GB/T 4509—2010進(jìn)行測(cè)定，溫度為15 ℃；軟化點(diǎn)按照GB/T 4507—2014進(jìn)行測(cè)定，鋼球質(zhì)量為3.52 g，加熱速度為5 ℃/min。

2 結(jié)果與討論

通過分析SEBS改性瀝青的相關(guān)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有的研究成果[4-5]，設(shè)定SEBS的摻量分別為3%、4%、5%、6%、7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，剪切溫度分別為160 ℃、165 ℃、170 ℃、175 ℃、180 ℃。通過測(cè)定改性瀝青的相關(guān)性能指標(biāo)確定SEBS的最佳摻量及剪切溫度。

2.1 15 ℃時(shí)延度實(shí)驗(yàn)

改性瀝青延度隨SEBS摻量、溫度的變化曲線如圖1所示。

(a) SEBS摻量

溫度/℃(b) 剪切溫度圖1 不同SEBS摻量、剪切溫度下改性瀝青的延度曲線

從圖1(a)可以看出，改性瀝青的延度隨SEBS摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化；當(dāng)SEBS摻量為5%、剪切溫度為175 ℃時(shí)，改性瀝青的延度達(dá)到最大值66.7 cm。原因是SEBS在瀝青的輕質(zhì)組分中溶脹后形成相互“包埋”的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在外力作用下容易產(chǎn)生平行形變而使外界應(yīng)力得到有效消散，延度增大，當(dāng)進(jìn)一步提高SEBS的摻量，溶脹達(dá)到飽和，過量的SEBS粒子游離在瀝青之中，低溫固化后產(chǎn)生微區(qū)、孔洞，在拉力作用下極易形成裂紋，導(dǎo)致改性瀝青的延度下降[6]。從圖1(b)可以看出，相同SEBS摻量的改性瀝青，隨著剪切溫度的升高，其延度值逐漸增大，在170～175 ℃達(dá)到最大值后呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢(shì)，原因是溫度升高使瀝青發(fā)生老化。

2.2 針入度實(shí)驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)針垂直穿入瀝青試樣的深度值即為瀝青的針入度，反映了瀝青在具體測(cè)試溫度下的稠度，針入度越小，表明瀝青的硬度越大[7]，25 ℃時(shí)針入度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

w(SEBS)/%(a) SEBS摻量

溫度/℃(b) 剪切溫度圖2 不同SEBS摻量、剪切溫度下改性瀝青的針入度曲線

從圖2(a)可以看出，剪切溫度一定，隨著SEBS摻量的增加(摻量為3%～6%)，改性瀝青的針入度急劇下降。這是因?yàn)镾EBS對(duì)瀝青中輕質(zhì)組分進(jìn)行吸附，進(jìn)而發(fā)生溶脹，并在物理交聯(lián)的作用下形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)SEBS摻量進(jìn)一步增加，溶脹達(dá)到飽和，瀝青針入度下降趨勢(shì)逐漸變緩，因此，對(duì)SEBS的摻量應(yīng)控制在6%以內(nèi)，摻量過高，體系黏稠度太大，不利于分散施工，同時(shí)成本也變高。

從圖2(b)可以看出，在SEBS摻量一定的條件下，改性瀝青的針入度隨著剪切溫度的升高逐漸減小，剪切溫度的升高，促進(jìn)了SEBS與瀝青的溶脹，物理交聯(lián)作用更加充分。剪切溫度超過175 ℃后，改性瀝青發(fā)生了一定程度的老化，針入度急劇增大。

2.3 軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)

軟化點(diǎn)是瀝青混合料的高溫指標(biāo)，用來表征瀝青的高溫穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)采用環(huán)球法，鋼球質(zhì)量為3.52 g，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

w(SEBS)/%(a) SEBS摻量

溫度/℃(b) 剪切溫度圖3 不同SEBS摻量、剪切溫度下改性瀝青的軟化點(diǎn)曲線

從圖3(a)可以看出，隨著SEBS摻量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)也呈現(xiàn)出急劇上升趨勢(shì)，表明SEBS對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)的提高效果明顯。從圖3(b)可以看出，隨著剪切溫度的提高，相同SEBS摻量下的改性瀝青軟化點(diǎn)相差并不大，可見剪切溫度對(duì)軟化點(diǎn)的影響較小，相互協(xié)同作用并不明顯。進(jìn)一步增加SEBS摻量，提高剪切溫度，改性瀝青的軟化點(diǎn)趨于平緩。從節(jié)約成本的角度出發(fā)，SEBS的摻量應(yīng)控制在6%以內(nèi)，并選取較低的剪切溫度。

2.4 SEBS改性瀝青最佳工藝的確定

在最佳剪切溫度的選取上，從改性瀝青延度、軟化點(diǎn)、針入度的變化規(guī)律可以明顯看到，170 ℃、175 ℃條件下各項(xiàng)性能指標(biāo)相差不大，故從經(jīng)濟(jì)性考慮，從溫度最低的角度出發(fā)，確定改性瀝青的最佳剪切溫度為170 ℃。

選取剪切溫度為170 ℃，結(jié)合圖1(b)、圖2(b)、圖3(b)，SEBS摻量為5%、6%時(shí)的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 2種SEBS摻量在170 ℃條件下的瀝青性能指標(biāo)

由表3可知，SEBS摻量為 5%與6%時(shí)的延度值基本相同，而提高16.7%的SEBS摻量，針入度提高不到1.7%，軟化點(diǎn)下降3.4%，故在保證改性瀝青效果的基礎(chǔ)上，從節(jié)約SEBS原料、追求效益的角度出發(fā)，應(yīng)選取SEBS的摻量為5%為宜。

2.5 瀝青改性前后的微觀形貌

瀝青的微觀形貌及改性劑的分布情況如圖4所示。

(a) 基質(zhì)瀝青(×1 000)

(b) SEBS摻量為5%的改性瀝青(×1 000)

從圖4(a)可以看到，基質(zhì)瀝青均勻分布，表面較為致密，大體符合均相結(jié)構(gòu)的特征。經(jīng)SEBS改性后的瀝青，表面有眾多SEBS粒子，經(jīng)擴(kuò)散作用與瀝青構(gòu)成亞穩(wěn)態(tài)的兩相界面過渡層[8]，如圖4(b)所示。在圖4(c)中的較高放大倍數(shù)下，觀察到SEBS和瀝青之間的界面層非常模糊，幾乎消失不見，SEBS顆粒和瀝青之間沒有明顯的界限，這種較好的相互黏結(jié)復(fù)相結(jié)構(gòu)，極大地提高了改性瀝青的抗變形能力。經(jīng)高速剪切作用，SEBS顆粒與其它改性助劑能較均勻地分布在瀝青中，形成相互纏結(jié)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使改性瀝青高低溫延度性能得到明顯改善。

3 結(jié) 論

(1) 提出了SEBS改性瀝青的制備工藝，其主要包括了人工均勻化、剪切乳化、溶脹、二次發(fā)育等過程。

(2) 確定了SEBS改性瀝青的最佳剪切溫度及SEBS摻量。

(3) SEBS顆粒通過與瀝青中輕質(zhì)組分相互溶脹，形成相互纏結(jié)的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善瀝青高低溫性能。

參 考 文 獻(xiàn)：

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