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化学助剂对星形SBS沥青的改性研究

                               化学助剂对星形SBS沥青的改性研究
                            范春华 陈颖娣 丁昊 江国其 章波
               (湖北国创高新材料股份有限公司 武汉 430074)
    摘要:采用助剂制备一种反应性星形SBS改性沥青,研究助剂加入量为0.6%时,改变剪切时间和稳定剂加入时机对星形SBS沥青高低温及热储存性能的影响,对比其与完全剪切工艺所得改性沥青性能差异。结果表明:助剂加入量为0.6%时,改性沥青的软化点、延度、老化延度均是随着剪切时间增加先变好后变差,剪切时间为4min时,改性沥青的综合性能最好;稳定剂后期加入为佳;加入助剂和高速剪切制得的改性沥青的高低温性能和储存稳定性相当,改性效果与原沥青的组分组成有关。
    关键词:助剂 星形SBS 改性沥青 高速剪切
    多烷基苯酚二硫化物作为一种活化剂在橡胶行业应用较多,起着对胶粉脱硫,使大分子降解、提高胶粉塑性的作用[1]。多烷基苯酚二硫化物在沥青中多是应用在胶粉对沥青的改性中。本文将多烷基苯酚二硫化物引借在SBS改性沥青中,作为助剂,起着细化SBS的作用,免去了高速剪切设备或通过简单剪切即可制备出具有好的高温稳定性、低温柔韧性、弹性恢复性能的改性沥青。陈颖娣、范春华等[2]探索的是化学助剂对线性SBS改性沥青的一种制备方法:由沥青、线性SBS、助剂、稳定剂加热搅拌而成。文章阐述助剂加入量为0.6%时,改性沥青综合性能最佳。在此基础上,本文研究的是化学助剂对星形SBS改性沥青的影响。助剂对星形SBS仅通过搅拌的方式进行改性,其性能低劣;只有通过简单的剪切辅以助剂的双重作用,才具有和常规剪切方式相当的改性效果。
    本文在星形SBS改性沥青过程中加入一种助剂,通过将其与常规剪切方式对比,考察该方法与常规剪切制备改性沥青的区别,同时助剂加入量为0.6%时,还考察了剪切时间、稳定剂加入时机对星形SBS改性沥青性能的影响情况。
    1 试验部分
    1.1 主要试验仪器与原材料
    (1)试验仪器。SYD-2806E全自动沥青软化点试验器、SYD-4508F 沥青延伸度试验器、SYD-2801F针入度试验器、SYD-0601沥青旋转薄膜烘箱(上海昌吉地质仪器有限公司)。
    (2)原材料。沥青:韩国SK70号、镇海70号、金陵70号、泰普克70号,主要性能见表1;SBS:独山子T161B,星形SBS改性剂;相容剂:糠醛抽出油;稳定剂:国创自主研发的稳定剂安特析;助剂:多烷基苯酚二硫化物。
          
    1.2 试验工艺
    试验一。将SBS和相容剂按配方计量加入到130℃左右的基质沥青中,边加边剪切18min(以1 000r/min的转速),于160~180℃搅拌发育4~10h。
    试验二。将SBS和相容剂按配方计量加入到130℃左右的基质沥青中,边加边剪切0~18min(一定时间,以1 000r/min的转速),待体系温度稳定后,加入配方计量的助剂(加入量为SBS量的质量分数),于160~180℃搅拌发育4~10h。
    1.3 改性沥青性能评价
    国内的沥青质量标准,以沥青的针入度、软化点、延度、老化延度、粘度、离析等物理性能指标来衡量。本研究对SBS改性沥青的常规指标进行了检测,采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[3]上标准试验方法进行。
    2 试验结果与讨论   
    2.1 助剂对星型SBS改性沥青性能的影响
    选用试验二对SK70沥青进行改性实验:向SK70中加入4.2%的独山子T161B星型SBS、1.6%的相容剂、0.24%的稳定剂、0.6%的助剂(加入量为SBS量的质量分数)。
    2.1.1 剪切时间对星型SBS改性沥青高低温及稳定性能影响
    剪切时间分别为0,2,4,6,9,15,18min,发育6h,稳定剂在发育最后1h加入。所得改性沥青的软化点、针入度、延度、老化延度、离析随剪切时间变化情况见图1。
               
     由图1可知,助剂加入量为0.6%时:采用剪切加工后的星型SBS改性沥青在性能上优于没有剪切直接发育的;随着剪切时间的增加:改性样品的软化点、延度、老化延度均是先增大后减小;离析是由大变小、剪切4min以上不会出现离析现象;针入度变化较小。仅靠助剂作用搅拌加工,星形SBS呈肉眼可见的较大颗粒存在于沥青之中,不能完全细化,SBS与沥青组分间的互相溶胀扩散不充分,不能很好的发挥SBS对沥青的改性效果,所得改性沥青对应的性能较差;通过助剂的化学作用,加上剪切机对星型SBS的剪切作用,能使SBS颗粒细化,SBS的细小颗粒与沥青组分间的溶胀扩散更充分,加上稳定剂的交联作用,体系更加稳定,从而能增加其高低温及热稳定性。
    但是过度剪切再加上助剂的细化作用,会使SBS大分子过度降解,对沥青-SBS体系反而起着副作用,导致改性沥青的软化点、延度、老化延度相对减小。助剂加入量为SBS质量的0.6%时,对星形SBS进行4min剪切,发育所得改性沥青的综合性能最佳。
    2.1.2 发育时间对星形SBS改性沥青性能的影响
    剪切时间为4min(以1 000r/min的转速),发育时间4,6,7,8,10h,分别取样检测。稳定剂在发育1h后加入。结果见表2。

    由表2可知,随着发育时间的延长,软化点、延度、老化延度、粘度、离析都是呈下降趋势,针入度变化不大,发育时间7h综合性能相对最好。
    这是因为助剂在整个高温发育过程中一直发挥着作用。即便是加入了稳定剂、发生了交联反应(一般交联反应在30min左右完成),助剂依然起着交联反应的反作用力—脱硫,使得大分子链段不断减小,从而改性沥青的综合性能由差变好、又由好变差。
    2.1.3 稳定剂加入时机对星形SBS改性沥青性能的影响
    根据对2.1.2的实验结果和原理的探讨,现改变稳定剂的加入时机,做如下的实验:剪切时间为4min(以1 000r/min的转速),于160~180℃搅拌发育6h,稳定剂分别在发育1,2,3,4,5加入,结果见表3。

    由表3可知,随着稳定剂加入时机的延迟,软化点、老化延度、粘度呈递增变化;延度、针入度、离析呈递减变化,即耐高温、耐老化、耐热稳定性可以改善。化学助剂在SBS和热沥青体系中一直起着脱硫的作用,是交联反应的反作用力,而交联反应是在一定时间内完成的,如果稳定剂加入过早,随着发育时间的延长,改性沥青性能会大幅度下降,见表2、表3。所以稳定剂加入时机在化学助剂SBS改性沥青技术中起着很重要的作用。
    2.2 助剂法与剪切法SBS改性沥青性能之对比
    在沥青中,不同组分具有不同的化学结构,不同的组分相互作用可以直接从沥青的物理特征上表现出来。一般认为,聚烯烃类的改性剂与饱和分含量高的沥青相容性好;橡胶类,如SBR 和SBS与芳香分含量高的沥青相容性好[4]。因此在芳香分含量不高的沥青中加入一些润滑油馏分糠醛抽出油以改善SBS与沥青的相容性。沥青和聚合物的相容性越好则储存稳定性越好,储存稳定性越好,说明沥青和聚合物彼此护散也越充分,性能也就越好。
    本实验对镇海70号、金陵70号、SK70号与泰普克70号4种不同的基质沥青进行改性实验,分别向4种基质原沥青中加入4.2%的T161B星形SBS、1.6%的相溶剂和0.24%的稳定剂,相同的配比,采用上述的最佳工艺。每一种基质沥青均做2组改性试验:一组采用试验一方法制备,另一组采用试验二方法制备,得到不同的改性沥青。测得各项性能见表4。

    沥青的饱和分主要为烷烃和环烷烃,起软化剂作用改善沥青的感温性能;芳香分主要为芳香烃类,它的存在改善极性芳香分和沥青质在油份中被胶溶的能力,而沥青质的存在改善了沥青的高温稳定性。赵晶等[5]认为:改性效果与原沥青的组分组成有关。由表4可见,采用助剂法和常规剪切法,所得改性沥青的效果相当,改性沥青的性能优劣与基质原沥青的组分组成有关。换言之,改性沥青性能的优劣与基质原沥青的组成组分有关,而与改性沥青的制备方法无关。
    3 结论
    (1)助剂加入量为0.6%时,星形SBS改性沥青的延度、软化点、针入度、老化后延度等性能随着剪切时间的增加先增加后减小。剪切时间为4min时,得到改性沥青的综合性能最优。
    (2)助剂加入量为0.6%时,星形SBS改性沥青不加以剪切,则严重离析且性能低劣;若加以剪切,体系稳定且性能良好;随着剪切时间的增加热储存的耐高温性能有所降低,剪切时间为4min时,改性沥青稳定性能最好。
    (3)助剂对SBS改性沥青性能影响,稳定剂加入时机至关重要,以稳定剂后期加入为佳。
    (4)分别用2种工艺对4种不同70号基质沥青进行研究,2种工艺制备的改性沥青高低温和热储存稳定性能相当。其改性效果取决于基质原沥青的组分组成,与改性沥青的制备方法无关。
参考文献
[1]沈金安.关于橡胶粉改性沥青的生产[J].中国橡胶,2001,17(6):19-20.
[2]陈颖娣,范春华.化学助剂对SBS改性沥青性能影响初探[J].石油沥青,2012,26(1):24-28.
[3]JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[M].北京:人民交通出版社,2011.
[4]郝培文,申艳梅.SBS与沥青相容性的研究[J].西安公路交通大学学报,2001,21(2):27-29.
[5]赵 晶,王妤音.SBS改性沥青技术与效果评价[J].中国公路学报,1997,10(4):17-24.


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