2023-04-13
 
基于乙撑双硬脂酸酰胺的SBS改性沥青改性机理研究
2023年04月13日   阅读量:6086

摘 要:

为了探究塑料润滑剂对 SBS 改性机理研究,选择三种不同处理方式的乙撑双硬脂酸酰胺 APL/APE/APR 与 SBS共混制备复合改性沥青。本文通过对四种改性沥青样品的相容性及官能团的分布进行分析,发现四种沥青在离析实验中的软化点差都在 2℃以下,塑料润滑剂对 SBS 改性沥青的热贮存稳定性没有明显影响;通过 DSC 分析发现,APL 和APE 可以提高 SBS 改性沥青吸热峰和放热峰温度,使其高温性能和粘弹区间范围得到提高;通过 IR 分析,发现添加APL、APE 后,SBS 改性沥青中的官能团类型增多,且具有独特的键和官能团,导致其粘性成分下降,因此 SBS 改性沥青的高温特性得到明显改善,将 APR 添加到 SBS 改性沥青中,会形成独特的 C=O 键,使其具有更多粘结,从而改善其低温性能。


关键词: 塑料润滑剂;SBS 改性沥青;改性机理


利用高分子量的热塑性高分子材料对道路沥青进行处理后,能够显著提高其抗车辙、低温开裂、抗疲劳等性能沥青网sinoasphalt.com。SBS 和 SBR 等高分子改性剂在我国已得到广泛应用,而 SBS 高分子聚合物的应用最为普遍 [1]。SBS 对基质沥青进行聚合物改性,SBS 改性沥青作为一种多相化合物,它的相容是一种特殊的过程相容性,可以在很长一段时间内保持稳定,不会发生明显的相分离,从而使得到的混合物能够具有预期的性能 [2]。但 SBS 改性剂与基质沥青的物理性能差异很大,导致 SBS 改性沥青相容性差、分散不均匀、存储性差,对其加工存储、路用性能及应用范围有很大限制。


为了提高 SBS 改性沥青的各项性能,使其表现更好或符合一定的需求,本文选择 3 种方法合成的乙撑双硬脂酸酰胺,并与 SBS 改性沥青进行复合处理 [3]。首先通过离析法评估复合材料的耐久性,并从宏观上反映其相容性;然后借助差示扫描量热法(DSC),对复合改性沥青进行热力学分析,评价其温度稳定性;最后借助红外光谱仪(IR),从微观层面研究复合改性沥青内部官能团的分布情况 [4],借助化学官能团分析揭示 SBS 改性剂混合塑料润滑剂后沥青的复合改性机理 [5-6]。本研究可为低生热沥青等相关研究提供参考。


 1 试验材料


1.1 基质沥青


基质沥青选用 SK70# 沥青,其常规指标见表 1。

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1.2 塑料润滑剂


塑胶润滑剂分为 APL、APE、APR 三种,均为无色、无味的粉末,APL 和 APR 是自行开发的塑料润滑剂,APE 中含有更多的乙撑双硬胺脂酸酰胺,APL 是通过对APE 进行羟基修饰,使其具有更多的羟基脂肪酸酰胺,APR 则是由 APE 经脱氨后所产生的高级脂肪醇乙撑双硬脂酸酰胺。


1.3 制备塑料润滑剂与 SBS 复合改性沥青


首先将基质沥青加热至 160℃,使其具有较好的流动性,再向里面添加橡胶油,搅拌均匀,然后将剪切速度提高到 2000 转 / 分,在剪切时添加 SBS 改性剂和 APL/APE/APR;随后将其加热到 175℃,并在 3500转 / 分的剪切速度下进行 30 分钟剪切;将温度控制在175℃,调整到搅拌状态,添加稳定剂,再以 400 转 /分的速度进行搅拌,搅拌时间 1 小时。


通 过 实 验 室 试 验, 得 出 APL/APE/APR 的 最 佳 掺入量为 1.5%,以达到性能与经济性的要求。SBS 的改性剂用量为 3.5%。以上所述的材料都是以沥青质量为标准。下文中 SBS 代表 SBS 改性沥青,SBS+APL 代表APL/SBS 复合改性沥青,SBS+APE 代表 APE/SBS 复合改性沥青,SBS+APR 代表 APL/SBS 复合改性沥青。


2 结果与讨论


2.1 热存储稳定性研究


对 4 种沥青试样进行离析实验,试验结果如表 2 所示。

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由表 2 可知,SBS 改性沥青下段部分样品的软化点大于上段部分,而添加塑料润滑剂 APL/APE/APR 后,其软化点均为下段部分小于上段部分,且均大于 SBS 改性沥青,但 4 种试样的软化点差都在 2 以下,满足技术规范要求;SBS+APL 在四种试样中表现出最大的复数模量和车辙因子,其相位角度最小,而且都是上部比下部高;SBS+APE 复数模量和车辙因子比 SBS+APL 低,但上部比下部小,相位角度稍大,仍然是下部比上段大,而 SBS+APR 和 SBS 在各方面的性能差异很小,其中复数模量和车辙因子都是下段比上段大,而相位角下段小。总的来说,加入三种塑料润滑剂后,SBS 改性沥青的热存储稳定性没有受到明显的影响。

2.2 差示扫描量热仪法


利用差示扫描量热仪(DSC)对 4 种不同类型的沥青进行了热力学分析,并对其进行了热力相容性试验。DSC 实验的主要参数设置:加热速度为 10℃ / 分钟,在 -40~180℃的范围内,N2 作为保护性气体,在实验中首先进行吸热和放热,即先由 -40℃上升到 180℃,然后再由 180℃下降到 -40℃。图 1 显示 4 种不同的沥青试样的差示扫描图。

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从图 1 可以看出,4 种不同的沥青试样在吸放热阶 段 的 热 流 值 随 温 度 的 变 化 规 律 相 同,SBS+APL 和SBS+APE 两种沥青在不同的温度条件下,会出现放热峰和吸热峰。图 1(a) 显示 4 种不同的沥青试样的热吸收曲线,发现在吸热阶段,4 种试样的热流值在初始阶段表现为先降后升、后逐渐下降,当温度升高时,SBS 和SBS+APR 会最先出现下一次热流值的拐点,并且在整个吸热过程中出现多个拐点,SBS+APL 也有几个拐点,但 SBS+APE 只有一个拐点,而且在高温地区表现出明显的转变。图 1(b) 显示放热过程中的差示扫描图,4 种沥青试样的热流量都呈现由急剧下降、升高、下降、逐渐升高、逐渐下降、逐渐下降的趋势。结果表明,APL和 APE 可以提高 SBS 改性沥青吸热峰和放热峰温度,APL 对 SBS 改性沥青的热性能有较好的改善作用。


2.3 红外光谱试验方法


对 4 种改性沥青样品进行 IR 试验,在图 2 中显示IR 光谱,并且在表 3 中总结主要的官能团。

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从图 2 可以看出,4 种不同的沥青试样,其 IR 谱曲线大致相同,但在一些特定的波数处差别较大,从表 3 可以看出,4 种不同的沥青试样的 IR 吸收峰值分别 在 3300cm-1、1745cm-1、1635cm-1 和 1540cm-1 这4 处存在较大差异,SBS 改性沥青在这 4 个波数处未出 现 吸 收 峰, 而 SBS+APL 在 3300cm-1、1635cm-1 和1540cm-1 波段处出现峰值,SBS+APE 在 3300cm-1 和1635cm-1 波段处出现峰值,SBS+APR 仅在 1745cm-1处有峰值出现。结果表明:APR/SBS 复合改性沥青中未含有 N 的键和官能团键位,这也是 APR/SBS 复合改性沥青高温性能未得到改善的主要因素;APL/SBS 复合改性沥青含有 N-H 键,提高了聚合物的内聚力,因此其高温性能要好于 APE/SBS 复合改性沥青。


 3 结论


(1)离析试验结果表明,发现四种沥青在离析实验中的软化点差都在 2℃以下,塑料润滑剂未对 SBS 改性沥青的热贮存稳定性产生明显的影响。


(2)通过 DSC 分析发现,APL 和 APE 可以提高SBS 改性沥青吸热峰和放热峰温度,使其高温性能和粘弹区间范围得到提高。


(3)通过 IR 分析,发现添加 APL、APE 后,SBS改性沥青中的官能团类型增多,改善了 SBS 改性沥青的高温特性,将 APR 添加到 SBS 改性沥青中,会形成独特的 C=O 键,从而改善其低温性能。


参考文献:

[1]周志刚 , 陈功鸿 , 张红波 , 等 . 胶粉 / 高黏剂复合改性SBS 沥青的性能与改性机理 [J]. 长沙理工大学学报 ( 自然科学版 ),2020,17(02):1-9.

[2] 王立志 , 常志慧 , 郑广顺 , 等 . 低阻尼改性沥青流变性能与微观结构研究 [J]. 山东建筑大学学报 ,2019,34(03):1-8.

[3] 常志慧 . 低生热复合改性沥青流变行为及疲劳特性研究 [D]. 山东建筑大学 .

[4] 杨喜英 . 基于红外光谱技术测定 SBS 聚合物改性沥青热储存稳定性的方法 [J]. 北方交通 ,2020(07):53-55+58.

[5] 杨三强 , 刘璐 , 苏胜昔 , 等 . 聚合物高粘改性沥青改性机理与性能试验研究 [J/OL]. 公路工程 :1-10[2022-05-12].

[6] 董泽蛟 , 周涛 , 栾海 , 等 .SBS/ 橡胶粉复合改性 SH 型混合生物沥青工艺及机理 [J]. 中国公路学报 ,2019,32(04):215-22.


本文首发于《中国水运》。原创作者:曲恒辉 1,李军 2,冯美军 1,李孟 1,田冬军 1,朱辉 1,1. 山东高速材料技术开发集团有限公司,山东 济南 250014;2. 山东建筑大学交通工程学院,山东 济南 250101。

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