復摻環(huán)氧樹脂改性SBS瀝青高溫性能研究

沈源濱，李子豪，周 帥

(重慶交通大學材料科學與工程學院，重慶 400074)

0 引 言

21世紀以來，我國基礎建設不斷發(fā)展，特別是交通行業(yè)，截止2020年1月，我國公路里程數(shù)已突破500萬km。因此，瀝青路面的養(yǎng)護修補技術迎來了發(fā)展的黃金時期。

在鋼橋面鋪裝工程中，熱固性瀝青鋪裝材料的出現(xiàn)為橋面的防水抗滑、疲勞車轍抵抗性的提升帶了新的生機。在發(fā)達國家熱固性環(huán)氧瀝青材料在鋼橋面鋪裝的應用技術已較為成熟，盡管我國起步較晚，大量學者進行了相關研究，也在我國南京長江二橋、廈門跨海大橋等實現(xiàn)了熱固性環(huán)氧瀝青的應用。蔣玲收集了大量資料發(fā)現(xiàn)我國目前部分大橋面鋪裝采用的環(huán)氧瀝青都是采用進口，隨著大橋建設發(fā)展，對于環(huán)氧瀝青的需求將會加大，因此加快國內(nèi)針對環(huán)氧瀝青的自主研發(fā)進度刻不容緩?？宏柕仍跒r青中加入馬來酸酐從而改性，使得瀝青和環(huán)氧樹脂的相容性顯著提高，同時大大提高了環(huán)氧瀝青的高溫疲勞強度；黃衛(wèi)等采用脂肪族二元酸和脂肪族多聚酸酐作為固化劑摻入到環(huán)氧瀝青瀝青中，得到了適合高速公路與橋面鋪裝的環(huán)氧瀝青材料；馮黎喆研究了固化劑、增容劑、增韌劑、環(huán)氧樹脂的選擇和配比對于環(huán)氧瀝青材料離析、黏度、拉伸斷裂強度和斷裂延伸率的影響，實驗結果表明增容劑可以顯著提高瀝青與環(huán)氧樹脂的相容性，使得樹脂顆粒在瀝青中粒徑更細小，分布更均勻；環(huán)氧樹脂的摻量不斷增加，瀝青的斷裂強度也不斷增加，特別是摻量達到30%以后，增幅明顯，在70%時出現(xiàn)峰值，之后再增加環(huán)氧摻量，強度反而下降，同時為了保證瀝青具有較好的韌性，增韌劑的摻量應保證為環(huán)氧樹脂的15%。楊永紅通過差示掃描量熱儀(DSC)與掃描電子顯微鏡研究不同環(huán)氧樹脂摻量下改性瀝青的玻璃化轉變溫度與斷面微觀結構，結果表明當瀝青量在45%以上時，玻璃化轉變溫度會有下降，固化物的玻璃化轉變溫度會受瀝青含量影響，而環(huán)氧瀝青固化物斷面分析顯示瀝青分散相顆粒越細小、分散越均勻，則強度越高。黃坤等研究表明，增加改性瀝青含量對于環(huán)氧瀝青的相容性有一定提升，但從經(jīng)濟層面考慮弊大于利。摻入增容劑可能會改變最終固化物的性能。因此最好采用非極性的長鏈脂肪族多元酸作為環(huán)氧瀝青材料固化劑，未來固化劑研究方向也應該是開發(fā)低黏度、長鏈脂肪族多元酸的固化劑。陳晨等指出環(huán)境和風速會對環(huán)氧瀝青混凝土的溫度產(chǎn)生影響，從而影響環(huán)氧瀝青的粘度。并制備出一款具有更加良好使用性能的環(huán)氧瀝青。

以5%SBS改性瀝青與環(huán)氧樹脂為主要原材料制備環(huán)氧改性瀝青，通過調(diào)整環(huán)氧樹脂摻量，利用DSC/TG熱分析技術研究了不同摻量下改性瀝青高溫性能，并對試驗結果進行了討論，提出了最佳配比。

1 材料及實驗

1.1 實驗原料

5%SBS改性瀝青由茂名市維龍石化有限公司提供，性能見表1；環(huán)氧樹脂為上海米加占膠粘制品有限公司生產(chǎn)的E-44型環(huán)氧樹脂與650型固化劑，性能見表2。

表1 改性瀝青性能

表2 環(huán)氧樹脂主要性能

1.2 環(huán)氧樹脂復合改性SBS瀝青制備

采用熔融共混法制備環(huán)氧樹脂復合改性瀝青，準確稱量SBS改性瀝青(500±10)g置于不銹鋼杯中放入180 ℃恒溫烘箱內(nèi)加熱至熔融狀態(tài)，并保溫1 h左右，保證杯中處于流動狀態(tài)，將裝有SBS改性瀝青的不銹鋼杯放在電爐上不斷加熱，稱量瀝青質(zhì)量分數(shù)0、10%、15%、20%、25%、30%的預熱至80 ℃的環(huán)氧樹脂加入到杯中，攪拌5 min以上至分散均勻，加入同等質(zhì)量的固化劑，再攪拌至杯中熔融體呈流動態(tài)，開啟剪切乳化攪拌機，將煤油浴鍋中煤油溫度控制在180 ℃，放入不銹鋼杯，設置剪切機轉速5 000 r/min，剪切40 min。剪切完成后放入180 ℃恒溫烘箱中發(fā)育30 min得到復摻不同比例環(huán)氧樹脂SBS改性瀝青。

1.3 熱重分析實驗

使用德國奈馳公司生產(chǎn)的STA449C(DSC/TG)同步熱分析儀對樣本進行熱分析實驗。將復摻改性瀝青分別取樣不少于30 mg，將適量樣本放入坩堝中，在高純氮氣為保護氣的環(huán)境下，以10 K/min的升溫速率由室溫升溫至600 ℃，得到熱重分析曲線。

2 高溫性能

環(huán)氧樹脂加入到瀝青后，在固化劑的作用下發(fā)生固化反應，產(chǎn)生交聯(lián)三維網(wǎng)狀結構，瀝青作為分散相分布在其中，使得兩相復合得到的環(huán)氧瀝青材料由熱塑性材料向熱固性材料轉變，從而改善瀝青在高溫下的力學物理性能，提升其高溫穩(wěn)定性。

2.1 TG實驗結果分析

從圖1中(a)～(f)整體分析，可見，隨著環(huán)氧樹脂的摻量不斷增加熱重曲線的變化逐漸平緩，同時質(zhì)量開始發(fā)生明顯變化的溫度逐漸升高，而質(zhì)量損失的結束點大致保持不變，在500 ℃附近，質(zhì)量趨于穩(wěn)定，整個過程隨著環(huán)氧樹脂摻量從0～20%不斷增加的過程中，質(zhì)量損失從80%衰減為70%左右，但當摻量達到30%時，質(zhì)量損失達到了90%。該結果表示環(huán)氧樹脂的加入使得瀝青的高溫性能有明顯提高，且隨著環(huán)氧樹脂的增加，高溫性能提升效果越好，但存在一個最佳值，即20%，當超過這個值時，高溫性能又會有所下降。

圖1 環(huán)氧樹脂瀝青TG實驗結果

對于這種現(xiàn)象，筆者認為，當環(huán)氧樹脂摻量達到一定量時，可以充分形成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結構，使得瀝青相可以均勻分散在其中同時也能瀝青相也能與環(huán)氧相具有較好的相容性；低于這一值時，不足以形成完整的交聯(lián)網(wǎng)絡，而高于這一值時，過得環(huán)氧樹脂又會影響瀝青相分散的均勻性。因此當環(huán)氧樹脂摻量為20%時，復合相結構最佳，對瀝青高溫性能的改善效果最好。

2.2 DSC實驗結果分析

從圖2中(a)～(f)整體分析，隨著環(huán)氧量逐漸增加，整個DSC所占面積越來越大，瀝青所能吸收的熱就越多，這說明加入了環(huán)氧樹脂以后，瀝青的高溫性能開始逐漸變好。未添加環(huán)氧樹脂時，所有曲線縱坐標都位于0以上，即熱流率大于0，表示全過程基本都在吸熱。隨著環(huán)氧量的逐漸增加，在500 ℃附近，出現(xiàn)了小于0的放熱峰，此時瀝青即將全部蒸發(fā)。其中，當環(huán)氧量為10%時，吸收的熱量總和最高，此時高溫性能為所有組中最好。因此，可認為環(huán)氧量在10%左右時，改性瀝青的高溫性能最佳。

圖2 環(huán)氧樹脂瀝青DSC實驗結果

環(huán)氧加入較少時，吸收峰能量值都較高，隨著環(huán)氧的加入，吸收峰的能量值開始逐漸平穩(wěn)。筆者認為當吸收峰能量值趨近一致時，瀝青的感溫性更好，從此角度分析，環(huán)氧量在15%～25%之間時，瀝青的溫度敏感性更好，更不易受到溫度影響而產(chǎn)生突變。

3 結論與展望

高溫性能是環(huán)氧復合改性瀝青的重要性能之一，通過熱分析試驗研究了不同摻量環(huán)氧樹脂對復合改性瀝青高溫性能的影響，得出下列結論。

(1)瀝青的高溫性能隨著環(huán)氧樹脂的增加而提高，且存在一個最佳值，即20%，此時復合相結構最佳，高溫性能最好，超過后性能有所下降。

(2)瀝青所能吸收的熱隨環(huán)氧量增加而增加，存在最佳范圍，為15%～25%，此時瀝青的溫度敏感性更好，更不易受到溫度影響而產(chǎn)生突變。

由于時間的限制，僅對環(huán)氧樹脂的高溫性能展開了研究。下一步將對環(huán)氧樹脂的制備開展探討和研究，同時，對于固化劑對環(huán)氧樹脂的影響也需要做進一步的改善。

(1)制備環(huán)氧樹脂的方法有很多，期望在未來出現(xiàn)更好的方法用來替代相反法和化學改性法，在滿足性能的同時，盡可能的降低成本，降低對環(huán)境的污染。

(2)固化劑對于環(huán)氧瀝青的性能有著至關重要的作用。望能夠制備出更多具有特殊效果的固化劑，如水性環(huán)氧樹脂固化劑、快速固化劑等，以滿足社會中更多的要求。

(3)結構決定性質(zhì)，下一步將通過熒光顯微實驗對復摻改性瀝青微觀結構進行研究，進一步了解改性機制機理。