等離子體微表處理后膠粉改性瀝青高溫性能研究

姚圣磊 陳 軍 劉 繼 肖飛鵬

(1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804； 2.中鐵四局集團(tuán)市政工程有限公司 合肥 230022)

廢舊橡膠輪胎由于降解困難、周期長且污染環(huán)境，給社會環(huán)境造成了巨大壓力。將廢舊橡膠輪胎材料用于制備膠粉改性瀝青并鋪筑路面成為一種能夠有效解決廢舊輪胎去向的方式。橡膠瀝青膠結(jié)料是一種較典型的感溫性材料，尤其是在溫度較高時，表現(xiàn)出明顯的塑性流動，這也是導(dǎo)致橡膠瀝青路面在高溫下形成車轍的主要原因之一。故制備一種具有良好性能的膠粉改性瀝青材料對于提高廢舊輪胎回收利用率并實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保規(guī)?；б婢哂兄卮笞饔肹1-2]。為改善膠粉和瀝青之間的粘結(jié)性能和高溫性能，常用化學(xué)方法和物理方法對膠粉表面進(jìn)行改性處理。常用的化學(xué)方法是在膠粉表面接枝特定的官能團(tuán)以改變膠粉表面性質(zhì)，但是受其處理時間過長、效率低、難于精確控制、成本高等限制，物理方法的探究更加廣泛。常用的物理方法有紫外放電、微波加熱、臭氧處理、超聲波清洗等?？v觀近年來的研究成果，大部分物理方法研究效果不佳，缺乏系統(tǒng)定量的研究[3]。

等離子技術(shù)作為一種物理方法，已被廣泛應(yīng)用在其他生產(chǎn)領(lǐng)域中，它可有效提高材料的物理和化學(xué)性能。與其他方法相比，等離子技術(shù)具有處理過程簡單，處理時間較短，處理充分且易于精確控制等優(yōu)點(diǎn)。故若將這種成熟技術(shù)引用到膠粉生產(chǎn)工藝中，將為膠粉的微觀表面及表面結(jié)構(gòu)的粗糙度改性方面提供良好的技術(shù)支持[4-5]。為進(jìn)一步擴(kuò)大膠粉改性瀝青的應(yīng)用范圍，加大資源回收再利用效率，改善膠粉改性瀝青高溫性能，擬采用低溫等離子體技術(shù)對膠粉進(jìn)行活化處理，分別通過接觸角試驗(yàn)、掃描電鏡技術(shù)、針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、動態(tài)剪切流變試驗(yàn)對膠粉及其改性瀝青性能進(jìn)行研究。

1 低溫等離子體技術(shù)

1.1 基本介紹

等離子技術(shù)是當(dāng)前非常有效的一種表面處理辦法。等離子體整體呈電中性，由電子、離子和中性粒子組成，被稱為除氣液固三態(tài)后的第四態(tài)。其可以在基質(zhì)材料本體性能不變的情況下引起多種物理或化學(xué)反應(yīng)，或引入含氧極性基團(tuán)，或形成致密的交聯(lián)層，或產(chǎn)生刻蝕而粗糙等，進(jìn)而改善材料表面的生物相容性、粘結(jié)性、親水性等，應(yīng)用范圍廣泛。

1.2 等離子體技術(shù)處理流程

采用粒度膠粉鋪滿在正方形玻璃面板上，平穩(wěn)地放入等離子體真空腔內(nèi)；然后設(shè)置低溫等離子體儀器處理參數(shù)，放電功率為250 W，處理時間為8 min，工作氣氛為空氣，處理后將膠粉取出，真空保存即可。對于低溫等離子體機(jī)器的電源可以由直流或交流或脈沖模式驅(qū)動，使用的工作氣體可以是空氣，氬氣、氦氣、氧氣、氮?dú)饣蚴撬鼈兊幕旌蠚怏w。

2 原材料性能

廢舊輪胎橡膠粉采用粒度550 μm和380 μm 2種，常溫撕裂粉碎工藝生產(chǎn)。采用激光粒度儀測量膠粉的粒徑大小，其原理是通過顆粒的衍射或散射光的空間分布(散射譜)來分析顆粒大小。最終測得550 μm膠粉和380 μm膠粉的平均粒徑分別為0.772 mm和0.390 mm。

用SK-70基質(zhì)瀝青，瀝青分級為PG 64-22，根據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求,其具體的性能測試結(jié)果見表1。

表1 基質(zhì)瀝青PG64-22性能測試表

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 接觸角測試與分析

將一液滴滴入一固體水平平面上，在固-液-氣三相交界點(diǎn)處，固-液界面和氣-液界面的切線之間的夾角即為接觸角，主要為表征液體對固體的親潤性能。通常認(rèn)為若接觸角<90°，則表面液體是可以濕潤樣本物質(zhì)的，即表現(xiàn)親水性，接觸角越小，則親水性越強(qiáng)；相反，若接觸角>90°，則表現(xiàn)疏水性。采用接觸角儀進(jìn)行膠粉活化前后親水性的變化，可以反映出膠粉的親水性能變化，有利于探究膠粉與瀝青結(jié)合性能的研究，以粒度550 μm膠粉為研究對象。

圖1a)和圖1b)分別為粒度550 μm膠粉處理前和處理后的接觸角測量結(jié)果圖，在處理前接觸角測得為107.7°，即處理前的膠粉顯示為疏水性。而由圖1b)可知，處理后接觸角為4.7°，表明經(jīng)等離子體技術(shù)處理后的膠粉親水性明顯改善，表面親水性基團(tuán)如羥基、羧基等在表面形成，可加快液滴在膠粉表面鋪展開，親水性得到很大改變。

圖1 處理前后接觸角結(jié)果(粒度550 μm)

3.2 掃描電鏡測試與分析

掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)技術(shù)可以測出膠粉表面等離子體處理前后表面粗糙度和形貌的變化。本研究中采用掃描電鏡儀器型號為Nano SEM 450，在電壓為3.00 kV下進(jìn)行圖像觀察，放大倍數(shù)為10 000倍，以粒度550 μm膠粉為研究對象。

圖2a)和圖2b)分別是等離子體處理前后粒度550 μm膠粉在10 000倍下的掃描電鏡結(jié)果圖。由圖2a)可知，在處理前，膠粉表面相對光滑，較為清晰整齊；由圖2b)可以看出，處理后的膠粉表面出現(xiàn)局部孔洞，而且出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，表面明顯更加粗糙，微觀表面出現(xiàn)了改變，表明經(jīng)過等離子體技術(shù)處理后，膠粉表面刻蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重，這有利于提高膠粉和瀝青有效接觸面積，并促進(jìn)膠粉和瀝青的共混，進(jìn)而改善膠粉改性瀝青的性能。

圖2 膠粉表面SEM掃描結(jié)果(10 000倍)

3.3 改性瀝青高溫性能試驗(yàn)與分析

采用濕法制備膠粉改性瀝青，即將膠粉和瀝青在高溫下經(jīng)過攪拌混煉而成。首先將基質(zhì)瀝青加熱到177 ℃后，分別稱質(zhì)量比均為15%的粒度550 μm膠粉和粒度380 μm膠粉，邊攪拌邊均勻的加入到基質(zhì)瀝青中。當(dāng)溫度恢復(fù)到177 ℃后開始計(jì)時，在1 000 rad/min 攪拌速率下保持30 min，最終制備的膠粉改性瀝青在室溫下保存2 h后分別進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和動態(tài)剪切試驗(yàn)。

1) 針入度實(shí)驗(yàn)。瀝青針入度測試能夠反映瀝青稠度、軟硬程度和抵抗剪切破壞的能力。針入度越大，表明瀝青在高溫時越軟，即高溫性能不足。測試結(jié)果見表2。

表2 等離子體技術(shù)處理前后膠粉改性瀝青針入度測試結(jié)果表

由表2可見，對于粒度550 μm膠粉，經(jīng)過等離子體處理后，針入度值降低11.07%。粒度380 μm膠粉，經(jīng)過等離子體處理后，針入度值降低6.21%。

2) 軟化點(diǎn)試驗(yàn)。軟化點(diǎn)是瀝青試件加熱軟化后下垂時的溫度，該溫度不宜過高或過低，否則瀝青容易在冬季出現(xiàn)脆裂，在夏季出現(xiàn)融化。故其也是瀝青高溫性能表征的重要指標(biāo)之一。測試結(jié)果見表3。

表3 等離子體技術(shù)處理前后膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)測試結(jié)果表

由表3可見，對于粒度550 μm膠粉，經(jīng)過等離子體處理后，軟化點(diǎn)升高3.89%。而粒度380 μm膠粉經(jīng)過等離子體處理后，軟化點(diǎn)值升高5.84%。

3) 動態(tài)剪切試驗(yàn)。橡膠瀝青具有比其他類型瀝青材料更為復(fù)雜的高溫流變特性，在抵抗路面高溫變形的過程中發(fā)揮著重要作用。SHRP計(jì)劃開發(fā)的動態(tài)剪切流變儀(DSR) 綜合考慮了加載情況和溫度對膠結(jié)料性能的影響，通過試驗(yàn)確定橡膠瀝青的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*，并計(jì)算車轍因子G*/ sinδ來評價橡膠瀝青膠結(jié)料的高溫性能。車轍因子越大，其高溫下抵抗剪切變形的能力越強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性越好，動態(tài)剪切測試結(jié)果見表4。

表4 等離子體技術(shù)處理前后膠粉改性瀝青車轍因子結(jié)果表

由表4可見，對于粒度550 μm膠粉，在不同高溫(64，70，76 ℃)條件下，處理前的膠粉改性瀝青車轍因子分別為11.14，6.18，3.50 kPa，而在處理后車轍因子分別為13.36，7.52，3.85 kPa，提高比例分別為19.9%，27.7%，8.8%，即高溫性能得到明顯改善，改善最佳的是在70 ℃時，其次是64 ℃和76 ℃時。對于粒度380 μm膠粉，在不同高溫(64，70，76 ℃)條件下，處理前的膠粉改性瀝青車轍因子分別為9.37，5.06，2.80 kPa，處理后車轍因子分別為13.15，7.50，4.34 kPa，提高比例分別為40.34%，48.22%，55.00%，即高溫性能也得到明顯改善。粒度550 μm和粒度380 μm膠粉相比，含活化粒度380 μm膠粉改性瀝青的高溫性能更好。

4 結(jié)論

基于進(jìn)一步擴(kuò)大膠粉改性瀝青的應(yīng)用范圍，加大資源回收再利用效率，利用低溫等離子體技術(shù)對膠粉進(jìn)行活化處理，重點(diǎn)研究了低溫等離子體活化膠粉的物理化學(xué)變化及膠粉改性瀝青性能改善情況，主要得出以下結(jié)論。

1) 接觸角試驗(yàn)結(jié)果表明，等離子體處理后膠粉接觸角由107.7°降至4.7°，表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性，即等離子體技術(shù)可以明顯改善膠粉親水性能。

2) 由掃描電鏡結(jié)果可知，相比于未處理的膠粉表面，處理后膠粉表面出現(xiàn)局部孔洞，而且出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，表面更加粗糙，刻蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，有利于增強(qiáng)膠粉和瀝青的粘結(jié)性能。

3) 由瀝青性能測試結(jié)果可知，相比于等離子體技術(shù)處理前的含粒度550 μm和粒度380 μm的膠粉樣本，經(jīng)處理后，其針入度分別降低了11.07%和6.21%；而軟化點(diǎn)分別升高了3.89%和5.84%；車轍因子也得到不同程度(8.8%～55%)的提高。綜合性能測試結(jié)果可知，等離子體微表處理后膠粉改性瀝青高溫性能得到明顯改善。

[1] 范春華,涂娟,楊漢文,等.廢輪胎胎面膠粉改性瀝青性能研究[J].交通科技,2011(5):80-82.

[2] 全旭東.廢橡膠粉改性瀝青界面作用機(jī)理及性能研究[D].武漢：武漢科技大學(xué),2011.

[3] 馬愛群.微波輻射活化廢膠粉改性瀝青性能及共混機(jī)理研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué),2006.

[4] 崔樹華,余劍英,李元元，等.鎂鋁型水滑石對SBS改性瀝青抗老化性能的影響研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2017,41(5):881-885.[5] 李巖,張勇,張隱西，等.離子體改性廢橡膠膠粉及其與PVC共混復(fù)合材料的研究[J].高分子材料科學(xué)與工程,2005(3):239-242.