聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的高溫流變性能研究

摘要 為提升基質(zhì)瀝青的物化性能，增強(qiáng)其在不同服役環(huán)境條件下的適應(yīng)性，文章采用聚氨酯預(yù)聚物對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行了改性。首先，通過(guò)分析聚氨酯預(yù)聚物摻量對(duì)改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度指標(biāo)的影響，確定了聚氨酯預(yù)聚物改性劑的最佳摻量。然后，通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)研究了聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的高溫流變性能。最后，借助熒光顯微鏡（FM）試驗(yàn)觀(guān)察聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的微觀(guān)相態(tài)，分析了聚氨酯（PU）在改性瀝青體系中的分布狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚氨酯在改性瀝青體系中具有良好的分散性，且對(duì)瀝青的高溫流變性能有顯著提升。綜合考慮改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)及熒光分布結(jié)果，推薦聚氨酯預(yù)聚物改性劑的最佳摻量為8%。

關(guān)鍵詞 改性瀝青；聚氨酯預(yù)聚物；最佳摻量；高溫流變性能

中圖分類(lèi)號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0114-03

0 引言

改性瀝青的路用性能是影響瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素。基于這一狀況，提高瀝青路面的通行質(zhì)量和使用壽命是研究者們對(duì)道路瀝青的物性化進(jìn)行研究（即聚合物改性瀝青）的目的。其中，聚氨酯（PU）改性劑的出現(xiàn)為道路領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種新的思路[1-2]。

聚氨酯的全稱(chēng)為聚氨基甲酸酯，其原料的主要成分是多元醇和多異氰酸酯[3-4]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)PU在道路領(lǐng)域的應(yīng)用作了相關(guān)研究。例如，孫敏等[5]通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試（DMA）、差示掃描量熱試驗(yàn)（DSC）等試驗(yàn)說(shuō)明PU預(yù)聚體中的多異氰酸酯與基質(zhì)瀝青中的芳香族化合物發(fā)生了加成反應(yīng)，改善了瀝青性能；房明等[6]通過(guò)改變合成參數(shù)制備了聚氨酯預(yù)聚物，并分析了各參數(shù)對(duì)聚氨酯改性瀝青性能的影響，進(jìn)而確定預(yù)聚物的合成工藝。

該研究制備了不同聚氨酯預(yù)聚物摻量的改性瀝青，首先，通過(guò)針入度、軟化點(diǎn)、延度指標(biāo)研究確定了聚氨酯預(yù)聚物改性劑的最佳摻量。其次，通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)研究了聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的高溫流變性能。最后，利用熒光顯微鏡（FM）試驗(yàn)觀(guān)察聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的微觀(guān)相態(tài)，分析了其改性機(jī)理。

1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青。試驗(yàn)選用中國(guó)石油化工股份有限公司（SINOPEC）生產(chǎn)的東海牌70#基質(zhì)瀝青，其基本物理性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）聚氨酯。采用的聚氨酯是由山東某公司生產(chǎn)的聚氨酯預(yù)聚體，由聚醚多元醇和異氰酸酯聚合而成。采用聚氨酯預(yù)聚體主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1）性能優(yōu)良，有很實(shí)用的物理性能；2）環(huán)保，施工污染和環(huán)境污染少；3）應(yīng)用方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示：

（3）擴(kuò)鏈劑。選用4，4'-亞甲基二（2-氯苯胺），簡(jiǎn)稱(chēng)MOCA，作為擴(kuò)鏈劑，呈淡黃色粉末狀，易溶，可快速溶于酮和酯類(lèi)；方便儲(chǔ)存，常溫下即可儲(chǔ)存。

該試驗(yàn)共剪切制備了4%、8%、12%、16%、20%五個(gè)不同摻量的PU改性瀝青，依次命名為4%-PUMA、8%-PUMA、12%-PUMA、16%-PUMA、20%-PUMA。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青三大指標(biāo)分析

開(kāi)展25℃針入度、軟化點(diǎn)、5℃延度試驗(yàn)。PU摻量對(duì)聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青（PUMA）三大指標(biāo)的影響趨勢(shì)分別如圖1、圖2、圖3所示：

從圖1～3可以看出，隨著預(yù)聚物摻量的增加，聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)逐漸升高，延度逐漸降低。這表明，預(yù)聚物的摻加，增加了瀝青的黏度，使瀝青變硬，提高了瀝青的高溫性能；當(dāng)預(yù)聚物摻量為8%時(shí)，PUMA的軟化點(diǎn)較基質(zhì)瀝青有顯著升高，且此時(shí)延度較基質(zhì)瀝青減小不大；當(dāng)預(yù)聚物摻量大于8%時(shí)，軟化點(diǎn)隨摻量增加而增長(zhǎng)的速率變慢，但延度隨摻量增加而迅速降低。綜合考慮功能性和經(jīng)濟(jì)性，推薦8%作為聚氨酯預(yù)聚物的最佳摻量。

2.2 聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青高溫流變性能分析

通過(guò)DSR測(cè)定復(fù)數(shù)剪切模量G*和車(chē)轍因子G*/sinδ隨溫度的變化，結(jié)果分別如圖4和圖5所示：

從圖4、圖5可以看出，PUMA復(fù)數(shù)剪切模量和車(chē)轍因子均隨溫度升高而降低，這是由于在溫度升高時(shí)，瀝青彈性組分減少，黏性組分增加，最終導(dǎo)致抵抗剪切變形的能力減弱。同時(shí)，PUMA的復(fù)數(shù)剪切模量和車(chē)轍因子均隨預(yù)聚物摻量的增加而增大，且在摻量為8%時(shí)具有明顯突變：當(dāng)摻量小于8%時(shí)，相較于基質(zhì)瀝青，其復(fù)數(shù)剪切模量增大了70.2%、車(chē)轍因子增大了2.3倍；當(dāng)摻量為8%時(shí)，相較于基質(zhì)瀝青，其復(fù)數(shù)剪切模量增大了69.8%、車(chē)轍因子增大了1.6倍；當(dāng)摻量大于8%后，性能變化差異開(kāi)始縮小。這表明，聚氨酯預(yù)聚物顯著提升了PUMA的高溫流變性能。

2.3 聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青熒光顯微鏡分析

熒光顯微鏡不會(huì)改變?yōu)r青的物理和化學(xué)狀態(tài)，而是直觀(guān)地反映了瀝青基體中改性劑的形狀、大小和分布。瀝青在計(jì)算機(jī)生成的圖像中顯示為黑色，而改性劑顯示為熒光黃綠色，因此，熒光顯微鏡可用于通過(guò)觀(guān)察黑色和熒光黃綠色顆粒的分布反映聚氨酯預(yù)聚物和瀝青的相容性。采用熒光顯微鏡（Olympus BX41系列）對(duì)改性瀝青進(jìn)行觀(guān)察，選用400倍的放大倍率，得到不同預(yù)聚物摻量下的改性瀝青的熒光圖像，結(jié)果如圖6所示：

從圖6可以看出，預(yù)聚物摻量在4%～20%范圍時(shí)，其在PUMA體系中均呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。但是，當(dāng)預(yù)聚物摻量為4%和8%時(shí)，改性劑在瀝青中分散性最好；當(dāng)預(yù)聚物摻量為12%和16%時(shí)，預(yù)聚物改性劑在瀝青中的分散性能變差，開(kāi)始出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；而當(dāng)預(yù)聚物摻量達(dá)到20%時(shí)，預(yù)聚物由于摻量過(guò)高而出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，分散性較差。由此可以看出，隨著預(yù)聚物摻量的增加，瀝青與聚氨酯預(yù)聚物共混體系的微觀(guān)結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化?？紤]預(yù)聚物改性瀝青體系中的分散狀態(tài)，推薦8%為最佳摻量。

3 結(jié)論

（1）隨聚氨酯預(yù)聚物摻量的增加，PUMA體系的針入度減小，軟化點(diǎn)升高，復(fù)數(shù)剪切模量和車(chē)轍因子明顯增大，這表明預(yù)聚物的加入能夠提升瀝青的高溫性能。

（2）聚氨酯預(yù)聚物摻量在4%～20%范圍時(shí)，預(yù)聚物在PUMA體系中均呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，且隨預(yù)聚物改性劑摻量的增加，預(yù)聚物在PUMA體系中的分散性逐漸變差。

（3）綜合考慮PUMA的性能提升和經(jīng)濟(jì)性，推薦聚氨酯預(yù)聚物最佳摻量為8%。

參考文獻(xiàn)

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