易分散穩(wěn)定型高粘度改性劑的研發(fā)與制備

姜 真

(福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司 福建福州 350011)

0 引言

高粘度改性瀝青是指60℃粘度大于50 000Pa·s，適用于排水性路面和重交通路面。高粘度改性瀝青，目前主要是通過在石油瀝青中摻加高分子聚合物改性劑來制備。石油瀝青通過高分子聚合物改性后，可明顯改善石油瀝青的高溫、低溫性能，提高瀝青混合料高溫抗車轍和低溫抗開裂性能，但由于大多數(shù)聚合物與瀝青之間存在分子量、粘度、密度等差異，使聚合物與石油瀝青的溶解分散性能很差，都要采用大型的瀝青剪切機和膠體磨設(shè)備，對聚合物改性劑進(jìn)行充分的溶脹、研磨細(xì)化分散和孕育，制備成高粘度改性瀝青成品(行業(yè)將此工藝俗稱“濕法”改性工藝)，再運到瀝青拌合樓現(xiàn)場儲存使用。這種“濕法”高粘度改性瀝青，雖然綜合性能較好，但在加工和存儲中存在“改性劑離析”和“改性劑熱分解性能衰減”兩大技術(shù)缺陷。并且，其粘度大，在桶內(nèi)很難融化脫出，故只能采用保溫罐車散裝運輸，導(dǎo)致高粘改性瀝青的散裝運輸有半徑的限制。因此，成品高粘度改性瀝青本身就限制了它不適合被運輸?shù)捷^偏遠(yuǎn)的地區(qū)使用。

為解決濕法改性瀝青加工和存儲中存在“改性劑離析”“改性劑熱分解性能衰減”和運輸半徑的限制，國內(nèi)外部分廠家生產(chǎn)了瀝青混合料直投型高粘度改性劑，但其價格昂貴(如日本大有建設(shè)TPS直投料單價約為4.6萬/t,我國交通部公路科學(xué)研究院研發(fā)的HVA直投料單價約為4.2萬/t，路菲特高粘瀝青改性劑單價約為3.5萬/t)，且無法控制瀝青原材料性能，嚴(yán)重影響高粘度改性劑的推廣和使用。因此，研發(fā)一種高分散、低耗能、高溫穩(wěn)定、單價合理的高性能瀝青改性劑成為必要。具體配方：基質(zhì)瀝青+SBS+增塑劑+交聯(lián)劑[1]的基礎(chǔ)上增加溶脹劑和分散劑。

1 高粘度瀝青改性劑實驗室制備

1.1 原材料

(1)基質(zhì)瀝青

基于基質(zhì)瀝青性質(zhì)影響改性瀝青的性能，為使之具有福建省區(qū)域特性，本文采用廈門華特生產(chǎn)的70#A級基質(zhì)瀝青作為改性瀝青的基體，對其性能指標(biāo)進(jìn)行測試，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

(2)聚合物改性劑

SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌斷式聚合物，外觀呈白色爆米花狀,輕質(zhì)多孔。它既具有橡膠的彈性性質(zhì)，又有樹脂的熱塑性性質(zhì)，具有彈性好、抗拉強度高、低溫變形性能好等優(yōu)點，可提高瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。本文改性劑采用岳陽石化生產(chǎn)的巴陵牌線型SBS 1301(YH 791)，具體性能指標(biāo)如表2[2]所示。

表2 巴陵牌線型SBS 1301(YH 791)性能指標(biāo)

(3)其他摻加劑

試驗采用溶脹劑、增塑劑和交聯(lián)劑。

1.2 制備流程

首先，將聚合物改性劑與溶脹劑在100℃下進(jìn)行加熱30min～60min溶脹至流動狀態(tài)；接著，將其倒入已加熱至流動狀態(tài)的分散劑中，并加入增塑劑與交聯(lián)劑，完成后倒入蒸發(fā)皿放入120℃真空干燥箱中保溫1h；然后，將其再加工成顆粒狀高粘改性劑。將基質(zhì)瀝青加熱至135℃，將高粘改性劑放入基質(zhì)瀝青中攪拌30min即可制備完成。

1.3 試驗項目及方法

(1)高粘度改性劑熔體質(zhì)量流動速率采用《塑料熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率(MFR)和熔體體積流動速率(MVR)的測定 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)方法》(GBT 3682.1-2018)[3]。按表1中4種不同配比制備高粘度改性劑，并測得相應(yīng)的熔體質(zhì)量流動速率。

(2)高粘度改性瀝青，采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[4]進(jìn)性相關(guān)能試驗。

1.4 高分散高粘改性瀝青指標(biāo)要求

高分散高粘改性瀝青指標(biāo)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《瀝青混合料改性添加劑第2部分：高粘度添加劑》(JT/T 860.2-2013)[5]中對高粘度改性瀝青的技術(shù)要求(表3)。其中，貯存穩(wěn)定性離析參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[6]。

表3 高分散高粘改性劑及改性瀝青性能

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 溶脹劑與分散劑對改性劑分散性的影響

傳統(tǒng)的改性瀝青加工工藝，即將聚合物改性劑加入至200℃左右的基質(zhì)瀝青，經(jīng)過膠體磨高速剪切法加工改性瀝青。這種長時間高溫加熱，不僅使基質(zhì)瀝青容易老化，而且維持高溫會產(chǎn)生巨大的能耗，工藝比較復(fù)雜。本研究不采用傳統(tǒng)加工工藝，采用溶脹劑先將聚合物改性劑SBS溶于有機溶劑中，使固體聚合物改性劑SBS變成溶液狀，再將分散劑加入液體狀SBS混合物中，將SBS分散到分散劑中。研究不同摻配比例的溶脹劑和分散劑對高粘改性劑分散性的影響，試驗方案和試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同參配比例對高粘改性劑分散性的影響

注：表中溶脹劑在改性劑制備過程通過減壓蒸餾裝置回收溶脹劑，故質(zhì)量不計入改性劑的質(zhì)量中。

從表4可以看出，復(fù)合改性劑A1和A3中聚合物和分散劑質(zhì)量比都為3∶2，復(fù)合改性劑A1分散性一般，A3雖然增加溶脹劑的劑量，但分散性也沒達(dá)到預(yù)期的效果。復(fù)合改性劑A和A2聚合物和分散劑質(zhì)量比都為1∶1，兩者分散性都比較理想，但A2在大幅增加溶脹劑的情況下，熔體質(zhì)量流動速率僅增加1.4g/10min，從制備成本角度考慮，本研究采用復(fù)合改性劑A(聚合物∶分散劑∶溶脹劑質(zhì)量比為1∶1∶0.2)進(jìn)行研究。

2.2 不同復(fù)合改性劑A摻量的改性瀝青

本節(jié)通過加入不同摻量的復(fù)合改性劑A制備改性瀝青，分析不同摻量SBS對基質(zhì)瀝青的改性效果，試驗方案如表5所示。

表5 試驗方案一

對不同復(fù)合改性劑A摻量的改性瀝青進(jìn)行性能試驗，結(jié)果如表6所示。

表6 不同復(fù)合改性劑A摻量改性瀝青的試驗結(jié)果

從表6中可以看出，對于只摻加復(fù)合改性劑A的改性瀝青，其物理性能有明顯的改善。高溫性能改善，隨復(fù)合改性劑A摻量增加，軟化點和60℃動力粘度越大；低溫性能也明顯改善，隨著復(fù)合改性劑A摻量的增加，延度先升高后下降；同時，彈性恢復(fù)和粘韌性均得到改善。

但是，同時看到，同一摻量的改性瀝青老化前后產(chǎn)生了嚴(yán)重的離析現(xiàn)象(軟化點差較大)，說明復(fù)合改性劑A與基質(zhì)瀝青的相容性較差。且老化前后改性瀝青軟化點、針入度、5℃延度、動力粘度損失較為嚴(yán)重，說明抗老化性能比較差，需要摻入其他助劑，來改善其與基質(zhì)瀝青相容性和抗老化性能。

2.3 摻加助劑

為了改善改性瀝青的抗老化和瀝青的施工和易性性能，降低瀝青的170℃運動粘度，增加改性劑和瀝青之間的相容性，考慮摻加交聯(lián)劑和增塑劑。試驗方案如表7所示。

表7 試驗方案二

對摻加不同增塑劑和交聯(lián)劑的改性瀝青進(jìn)行物理性能測試，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 摻加增塑劑和交聯(lián)劑SBS改性瀝青的試驗結(jié)果

對比表8和表6，對不同摻量的改性劑A的是否摻加增塑劑和交聯(lián)劑進(jìn)行對比。

(1)軟化點

從圖1可以看出，不同摻量的改性劑A軟化點，隨著摻量的增加，軟化點逐漸增加；從圖中改性劑A和改性劑B的曲線來看，摻加增塑劑和交聯(lián)劑對改性瀝青的軟化點影響很小，表面增塑劑和交聯(lián)劑對改性瀝青的高溫性能影響不大。

圖1 改性瀝青軟化點變化情況

(2)針入度

從圖2可以看出，B改性劑相較于A改性劑制成的改性瀝青，針入度提高了15～20(0.1mm)，這主要是由于增塑劑的加入，使得瀝青中SBS可以吸收的輕質(zhì)組分變多，導(dǎo)致瀝青變軟，所以針入度顯著增加。

圖2 改性瀝青針入度變化情況

(3)延度和拉伸柔度

分別觀察A改性劑和B改性劑曲線(圖3)可以看出，隨著改性劑摻量增加，瀝青的延度有所提高，但增加幅度都不顯著。但是，結(jié)合A改性劑和B改性劑曲線，可以看出摻加助劑(增塑劑和交聯(lián)劑)顯著提高了瀝青的延度。

圖3 改性瀝青延度變化情況

(4)彈性恢復(fù)

從圖4可以看出，彈性恢復(fù)速率隨改性劑增加逐漸增加，但是效果不明顯。結(jié)合A改性劑和B改性劑曲線可以看出，摻加助劑(增塑劑和交聯(lián)劑)對SBS改性瀝青彈性恢復(fù)速率的改善更為明顯，且對于B-12改性瀝青彈性恢復(fù)率為96%，符合《瀝青混合料改性添加劑第2部分：高粘度添加劑》(JT/T 860.2-2013)中對高粘度改性瀝青彈性恢復(fù)率≥95%的要求。

圖4 改性瀝青彈性恢復(fù)變化情況

(5)170℃運動粘度

圖5 改性瀝青運動粘度變化情況

從圖5可以看出，A改性劑制備的改性瀝青的170℃運動粘度均過大(均大于JT/T 860.2-2013中要求的170℃運動粘度≤3.0Pa·s)，這不利于現(xiàn)場施工。結(jié)合A改性劑和B改性劑曲線可以看出，摻加助劑可以降低改性瀝青170℃運動粘度，且B改性劑制備的改性瀝青170℃運動粘度均符合要求，因此摻加助劑有利于改善改性瀝青的施工和易性。

(6)60℃動力粘度

分別觀察A改性劑和B改性劑曲線(圖6)可以看出，隨著改性劑摻量的增加，改性瀝青的動力粘度逐漸增加，但A改性劑增加不明顯。結(jié)合A改性劑和B改性劑曲線可以看出，摻加助劑可以顯著改善瀝青的動力粘度，且遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的60℃動力粘度≥50000Pa·s的要求，表明增加助劑可以大幅提高改性瀝青60℃動力粘度。

圖6 改性瀝青動力粘度變化情況

(7)抗老化性能

結(jié)合A改性劑和B改性劑曲線(圖7)可以看出，摻加助劑使改性瀝貯存穩(wěn)定性離析，即48h軟化點差明顯減少，且符合規(guī)范要求的48h軟化點≤2.5℃，表明摻入助劑可顯著改善瀝青的抗老化性能和改性劑與基質(zhì)瀝青的相容性。

綜上所述，對于改性劑A制備的改性瀝青而言，雖然性能比基質(zhì)瀝青有不少的提高，但是仍然有其不足(離析、抗老化性能差等)。通過摻加助劑(增塑劑和交聯(lián)劑)，不僅顯著改善上述不足，而且針入度、延度、彈性恢復(fù)、60℃動力粘度等性能也得到很大提高，最重要的是降低了170℃運動粘度，使其有利于現(xiàn)場施工，便于推廣。

圖7 離析軟化點差變化情況

3 結(jié)論

(1)從分散性和加工成本考慮，聚合物改性劑與分散劑和溶脹劑質(zhì)量比為1∶1∶0.2比較合理。

(2)綜合考慮改性劑性能，應(yīng)符合規(guī)范要求及經(jīng)濟(jì)性，其最佳的改性瀝青制備方案為：基質(zhì)瀝青+12%A+4%增塑劑+0.2%交聯(lián)劑。

(3)摻加助劑(增塑劑和交聯(lián)劑)雖然對軟化點影響較小，但對于改善改性瀝青的離析、抗老化性能、針入度、延度、彈性恢復(fù)、60℃動力粘度等都能發(fā)揮很大的作用。