油漿改質(zhì)瀝青與其SBS改性瀝青性質(zhì)關(guān)聯(lián)研究

周晶晶，程 健，王鳳武，向 麗，胡云虎

(1.淮南師范學(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 淮南 232038；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院；3.武漢工程大學(xué)綠色化工過(guò)程省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

催化裂化油漿目前主要作為廉價(jià)燃料油使用，但其富含芳烴，若作為道路瀝青的調(diào)合組分，則可提高其附加值[1-3]。同時(shí)，原油重質(zhì)化的加劇，導(dǎo)致減壓渣油的產(chǎn)量越來(lái)越多，從原油深度利用的角度考慮，需加強(qiáng)對(duì)減壓渣油的合理利用。為滿足我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)迅速發(fā)展的需要，可利用催化裂化油漿摻兌減壓渣油制備道路瀝青。但由于普通道路瀝青性能很難達(dá)到較高標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此可以采用現(xiàn)已廣泛研究和應(yīng)用的聚合物SBS對(duì)其改性，制備SBS改性油漿改質(zhì)瀝青[4]。

本課題將預(yù)處理后的催化裂化油漿摻兌配制瀝青原料(由減壓渣油按一定比例與70號(hào)瀝青調(diào)合)制備油漿改質(zhì)瀝青，再用摻量(w)為4.5%的SBS對(duì)其改性制得SBS改性油漿改質(zhì)瀝青。通過(guò)分析配制原料和油漿改質(zhì)瀝青的族組成，結(jié)合SBS改性油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)，以及通過(guò)熒光顯微照片分析SBS在不同油漿改質(zhì)瀝青中的分散狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，研究油漿改質(zhì)瀝青性質(zhì)與SBS改性油漿改質(zhì)瀝青性質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

催化裂化油漿、減壓渣油和70號(hào)瀝青，均由中國(guó)石化長(zhǎng)嶺分公司提供，基本性質(zhì)見(jiàn)表1；YH-791線型SBS，由湖南岳陽(yáng)煉化公司提供；穩(wěn)定劑，實(shí)驗(yàn)室自制。

表1 原料的基本性質(zhì)

1.2 配制瀝青原料

將70號(hào)瀝青(Ⅰ)和減壓渣油(Ⅳ)按質(zhì)量比75∶25(Ⅱ)和50∶50(Ⅲ)調(diào)合制備配制瀝青原料，性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 配制瀝青原料的性質(zhì)

1.3 改質(zhì)瀝青的制備

將催化裂化油漿通過(guò)原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾儀進(jìn)行減壓蒸餾，切割成輕餾分油、重餾分油和剩余殘油。將重餾分油與殘油按1.5∶1質(zhì)量比混合后得到預(yù)處理油漿，按預(yù)處理油漿與配制瀝青原料的質(zhì)量比為20∶80分別加入配制瀝青原料Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，調(diào)合制成油漿改質(zhì)瀝青A，B，C，D。

在溫度為150 ℃下，將摻量(w)為4.5%的SBS加入重餾分油中溶脹1 h(SBS摻量按照油漿改質(zhì)瀝青總質(zhì)量計(jì)算)，然后按重餾分油與殘油質(zhì)量比為1.5∶1加入殘油，按(重餾分油+殘油)與配制瀝青原料質(zhì)量比為20∶80分別加入配制瀝青原料Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，稍作攪拌后，在溫度為170 ℃下剪切1 h；加入一定量的穩(wěn)定劑(占SBS摻量的15%)，在溫度為170 ℃下發(fā)育1 h，即制得SBS改性油漿改質(zhì)瀝青SMA，SMB，SMC，SMD。

對(duì)制備的SBS改性油漿改質(zhì)瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程JTJ 052—2000》進(jìn)行性質(zhì)分析和評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)

4種油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)見(jiàn)表3。由表2和表3可知，配制瀝青原料與油漿改質(zhì)瀝青的飽和分相當(dāng)，芳香分和瀝青質(zhì)的含量明顯增加，膠質(zhì)含量減少。由表3可知：4種油漿改質(zhì)瀝青的飽和分含量相當(dāng)；隨著配制瀝青原料中減壓渣油含量的增加，油漿改質(zhì)的瀝青芳香分和瀝青質(zhì)含量減少，膠質(zhì)含量增加，軟化點(diǎn)相當(dāng)，10 ℃延度明顯下降，25 ℃針入度略有增加，針入度指數(shù)降低，說(shuō)明油漿改質(zhì)瀝青的低溫性能變差，且溫度敏感性增強(qiáng)。

表3 油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)

2.2 SBS改性油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)

4種SBS改性油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)見(jiàn)表4。

表4 SBS改性油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)

由表3和表4可知：隨著油漿改質(zhì)瀝青(由A到D)芳香分含量的減少，SBS改性油漿改質(zhì)瀝青(由SMA到SMD)的軟化點(diǎn)和25 ℃針入度略有變化；針入度指數(shù)和5 ℃延度明顯減小。由表4可知：SBS改性油漿改質(zhì)瀝青經(jīng)薄膜烘箱老化后的質(zhì)量損失均比較??；老化后延度衰減嚴(yán)重，均遠(yuǎn)低于I-D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明老化后低溫性能很差。老化過(guò)程中，瀝青中的輕組分揮發(fā)，且各組分按照芳香分-膠質(zhì)-瀝青質(zhì)的方向轉(zhuǎn)化，使飽和分、芳香分含量降低，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量增加，瀝青的柔韌性變差，低溫抗變形能力變?nèi)鮗5]。此外，由于聚合物SBS存在一定程度的降解，使其黏彈性降低，也會(huì)導(dǎo)致瀝青老化后低溫性能變差。

2.3 油漿改質(zhì)瀝青的組成對(duì)SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用熒光顯微鏡觀測(cè)SBS在瀝青中的分散狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，SBS改性油漿改質(zhì)瀝青的熒光顯微照片見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，從SMA到SMD，SBS相與瀝青相的界面越來(lái)越清晰。在A中SBS的顆粒最小，分散最為均勻，且與瀝青的界面最為模糊，這是因?yàn)镾BS吸收油漿改質(zhì)瀝青中充足的輕組分后溶脹，形成了穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得兩相的界面層厚度較厚，結(jié)合更加緊密[6]；在B和C中，SBS仍是以小顆粒的形式均勻分散在瀝青中，但顆粒有所增大，相界面逐漸清晰，并且部分SBS顆粒之間以絮狀結(jié)構(gòu)連接；在D中SBS的顆粒最大，且多呈連續(xù)的絮狀。說(shuō)明油漿改質(zhì)瀝青的組成對(duì)SBS在瀝青中的分散狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)有著顯著的影響，SBS與A的相容性較好，與D的相容性較差。

圖1 SBS改性油漿改質(zhì)瀝青的熒光顯微照片

結(jié)合表3和表4，分析對(duì)比A，B，C，D的組成及其與SBS改性后性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性可知，油漿改質(zhì)瀝青性能較好時(shí)，其SBS改性后的性能也較好。油漿改質(zhì)瀝青經(jīng)SBS改性后，軟化點(diǎn)提高、25 ℃針入度明顯變小，針入度指數(shù)增大。說(shuō)明經(jīng)SBS改性后，瀝青的溫度敏感性減弱，高低溫性能得到改善，抗老化性能也有所增強(qiáng)，但老化后5 ℃延度衰減嚴(yán)重，不能滿足I-D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 SBS改性縮合油漿改質(zhì)瀝青的制備及其性質(zhì)

為進(jìn)一步改善SBS改性油漿改質(zhì)瀝青抗老化性能，調(diào)整催化裂化油漿的預(yù)處理方式，即：在溫度為200 ℃下，將交聯(lián)劑加入催化裂化油漿中，反應(yīng)1 h得到縮合油漿。對(duì)其進(jìn)行減壓蒸餾，依次得到縮合輕餾分油(收率19.56%)、縮合重餾分油(收率52.79%)以及剩余的殘油(收率27.65%)。將(縮合重餾分油+縮合殘油)和配制瀝青原料Ⅰ按20∶80的質(zhì)量比調(diào)合，制備出縮合油漿改質(zhì)瀝青E，其性質(zhì)見(jiàn)表5；然后用SBS對(duì)其改性，制得SBS改性縮合油漿改質(zhì)瀝青SME，其性質(zhì)見(jiàn)表6。

由表3和表5可知，與油漿改質(zhì)瀝青A相比，縮合油漿改質(zhì)瀝青E的芳香分和瀝青質(zhì)含量增加，飽和分和膠質(zhì)含量減少，使瀝青組分的配伍性發(fā)生改變。SBS吸收輕組分后充分溶脹，且在外部剪切力的作用下，能夠被剪切成細(xì)小的微粒并均勻分散在瀝青中。雖然瀝青質(zhì)含量有所增加，但仍有適當(dāng)含量的輕組分使吸附有膠質(zhì)的瀝青質(zhì)分散在其中，使SME具有很好的穩(wěn)定性。此外，由于E的配伍性很好，減緩了SME性能衰減的速率，使其具有良好的抗老化性能。

表5 縮合油漿改質(zhì)瀝青E的性質(zhì)

由表4和表6可知：SME的各項(xiàng)性質(zhì)均符合I-D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，且其各項(xiàng)性質(zhì)均優(yōu)于SMA與SMA相比，SME的軟化點(diǎn)較高，5 ℃延度明顯增加，針入度指數(shù)略高，熱儲(chǔ)存后上下端溫度差小；薄膜烘箱老化后，質(zhì)量損失小，25 ℃針入度比相當(dāng)，5 ℃延度明顯提高。說(shuō)明SME的高低溫性能很好，且溫度敏感性弱，具備良好的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性和薄膜烘箱老化后性質(zhì)。

表6 SME的性質(zhì)

2.5 縮合油漿改質(zhì)瀝青的組成對(duì)SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)影響

通過(guò)熒光顯微鏡觀測(cè)到SBS在縮合油漿改質(zhì)瀝青E中的分散狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 SME的熒光顯微照片

由圖1和圖2可知，SBS在E中的顆粒小于在A中的顆粒，且SBS相與瀝青E相之間的界面模糊，相容性好，這是因?yàn)榭s合油漿改質(zhì)瀝青配伍性較好，芳香分含量高，SBS吸收輕組分后充分溶脹，在高速剪切機(jī)的作用下，更容易分散開(kāi)來(lái)。此外，在相界面上形成了較厚的吸附層，從而使SBS與瀝青之間的界面性質(zhì)得到提高，因此SME的性能較好。

3 結(jié) 論

(1)油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)很大程度上決定了SBS改性油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)，即油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)較好時(shí)，經(jīng)SBS改性后的瀝青性質(zhì)也較好。

(2)由族組成分析可知，油漿改質(zhì)瀝青中的芳香分含量較高時(shí)，SBS改性瀝青的溫度敏感性較低，高低溫性能和抗老化性能較好。

(3)通過(guò)分析熒光顯微照片可知，油漿改質(zhì)瀝青中芳香分含量減少時(shí)，SBS顆粒增大，且逐漸形成絮狀結(jié)構(gòu)，相界面逐漸清晰，易發(fā)生聚集，使SBS改性瀝青的宏觀性質(zhì)變差。

(4)對(duì)比SBS改性油漿改質(zhì)瀝青與SBS改性縮合油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)可知，SBS改性縮合油漿改質(zhì)瀝青的性質(zhì)較好，并滿足SBS改性瀝青I-D級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。