SBS改性瀝青中試裝置工藝流程的研究

1、SB S 改性瀝青中試裝置工藝流程的研究彭永恒邰連河季輝黑龍江交通高等專科學(xué)院 (哈爾濱市 150050趙晶張肖寧哈爾濱建筑大學(xué) (哈爾濱市 摘要 :通過用自行研制的 SBS ,步研究 。 , 因而 , 通過摻加 SBS 對它們進行改性時 , , 對應(yīng)于每一種基質(zhì)瀝青來說 , 并不是加工 , 、 , 而是都有一最佳工藝時間 。 這一結(jié)論對今后 SBS 改 。關(guān)鍵詞 :SBS 改性瀝青工藝效果基質(zhì)瀝青在 SB S 改性瀝青性質(zhì)的研究中 , 除 SB S 品種及基質(zhì)瀝青的選擇外 , SB S 改性瀝青加 工工藝是最為重要的因素之一 。 不同的加工 工藝將直接影響到 SB S 改性瀝青的各種力 學(xué)性

2、能 、 貯存性能及耐老化性能等 。 同時由 于瀝青材料是由一些極其復(fù)雜的高分子的碳 氫化合物和這些碳氫化合物的非金屬 (氮 、 硫 、 氧 衍生物所組成的混合物 , 結(jié)構(gòu)極其 復(fù)雜 。 且不同品種的基質(zhì)瀝青的化學(xué)組成 、 膠 體結(jié)構(gòu)差別較大 。 因而不同的基質(zhì)瀝青摻入 SB S 后 , 其加工工藝應(yīng)差別較大 。SB S 在瀝青中分散是一個物理和物理化 學(xué)過程 。 由于瀝青是一種復(fù)雜的由高分子烴 類組成的有機膠結(jié)材料 , 聚合物 SB S 也是高 分子材料 , 其平均分子量遠高于瀝青 , 且分 子結(jié)構(gòu)極性不同 , 隨聚合物類型不同存在很 大的差異 。 而瀝青又是一個從飽和分到瀝青 質(zhì) , 分子量

3、大小 、 分子極性大小 (即芳香 度 連續(xù)分布的多元成份并存的復(fù)雜體系 , 要 想使這兩種材料成為均勻分布的可供工程使 用 、 性質(zhì)穩(wěn)定的材料 , 不是一件容易的事 。 國外就 SB S 改性瀝青的研究及開發(fā)應(yīng) 用進行了幾十年的探索 。 無論從改性瀝青的 設(shè)備還是加工工藝來說 , 都積累了成熟的經(jīng) 驗 , 取得了很多研究成果 。我國對 SB S 改性瀝青的研究起步較晚 , 但發(fā)展速度很快 。我國大多數(shù) SB S 改性瀝青 的研究成果還處于實驗室研究階段 , 不具備 工業(yè)化生產(chǎn)能力 。 尤其是在改性瀝青設(shè)備及 加工工藝方面的研究 , 顯得不足 。收稿日期 1996 10 151997年 12月石

4、油瀝青 PETROL EUM A SPHAL T 第 11卷第 4期 1 溢料口 法蘭端面 葉輪 磨絲 動齒 定齒 間隙調(diào)節(jié)套 冷卻套 入料端蓋 冷卻入水口 循環(huán)管路 閥體由于熱塑性彈性體 SB S 優(yōu)良的物理化 學(xué)性能 , 使各國應(yīng)用其作為改性瀝青結(jié)合料 很為普遍 。 我國各研究部門分別進行了 SB S 改性瀝青的探索性研究 。由于 SB S 分子量遠 大于 PE 、 A PP 、 SBR 等塑料 、橡膠類聚合物 材料 , 其值可達幾十萬 。 致使與瀝青均勻混 溶更為困難 。我國現(xiàn)有的 SB S 改性瀝青的研 究成果 , 其工藝特點實質(zhì)上都是采用一定量 的溶劑預(yù)先溶解 SB S , 以提高其

5、在瀝青中的 分散性能 。 但這些方法的弊端是 :由于 SB S 與基質(zhì)瀝青的相溶性很差 , 它們之間沒有很 好地與瀝青均勻分散 , 導(dǎo)致多項力學(xué)指標(biāo)改 變不顯著 。 究其原因主要是加工工藝不過關(guān) 。 我國與世界改性瀝青技術(shù)的差距 , 應(yīng)該說是 改性瀝青混溶設(shè)備及加工工藝的差距所致 ?；谏鲜霈F(xiàn)狀 , 本文研制了一種供中試 使用的 SB S 改性瀝青分散裝置 , 并對其加工 工藝進行了初步探索 。1改性效果與改性劑同瀝青相溶性的關(guān)系 運用現(xiàn)代瀝青化學(xué)組成和化學(xué)熱力學(xué)的 研究成果 。 假定瀝青是以固態(tài)瀝青質(zhì)為溶質(zhì) 相和液態(tài)軟瀝青質(zhì)為溶劑相的混合體系 。 這的關(guān)系 1 。 ,S體系 , 、 聚合 物

6、 SB S 在瀝青中 。從熱力學(xué)角度來看 , 相溶性是指兩種或 兩種以上的物質(zhì)按任意比例都能形成均質(zhì)體 系的能力 。 這種相溶性可以用溶解度參數(shù)來 判斷 。 溶解度參數(shù)由 H ildeb rand 首先提出 , 它是表征簡單液體相互作用強度特征的有效 數(shù)值 , 其有用性已經(jīng)推廣到聚合物 聚合 物體系 2 。能夠完成滿足熱力學(xué)相溶條件形成均質(zhì) 的互溶體系是極少的 , 大多數(shù)混合體系均不 能滿足熱力學(xué)相溶條件 , 尤其是聚合物 SB S 的分子量很大 , 而瀝青的分子量相對于 SB S 來說較小 。 所以它們之間的相溶性較差 。 所 形成的混合體系為亞微觀結(jié)構(gòu)上的多相體 系 。 瀝青本身就是一個多

7、相體系 , 其中瀝青 質(zhì)是分散相 , 油分是連續(xù)相 , 而樹脂是起到 了保護作用 。 當(dāng)把瀝青看作是一種材料 , 在 與 SB S 進行混合時 , 由于瀝青自身結(jié)構(gòu)十分 復(fù)雜 , 只有部分與聚合物有相親作用 , 能夠 與瀝青均勻分散 , 大部分組分與 SB S 是不相 溶的 。 但由于瀝青材料的分子量分布很寬 。 因 此從工藝角度來講 , 仍有一定的工藝相溶性 。 92第 4期 彭永恒等 1SBS 改性瀝青中試裝置工藝流程的研究 所謂工藝相溶性 , 即是通過工藝手段使不相 溶的兩種物質(zhì)均勻分散 。討論 SB S 與瀝青的 相溶性時 , 指的都是工藝相溶性 。 并且相溶 的優(yōu)劣 , 并不能完全代

8、表改性效果 。綜上所述 , 在 SB S 改性瀝青中 , 除了它 們之間所具備的適當(dāng)?shù)臒崃W(xué)相溶性以外 , 工藝相溶性是至關(guān)重要的 。2 SB S 在瀝青中的分散性在改性瀝青中 , 聚合物的比例較少 (本 文采用的 SB S 摻量為 6% 。因此 , 它們之間 的相溶性可以理解為 SB S 在基質(zhì)瀝青中的 溶解 。 這種溶解包括兩個過程 ,程 ,用 200絲狀 ,用改性時 , SB S 能夠很均勻地分散到瀝青 中甚至形成相互交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 。 不但在一 定程度上可以改善其高溫性能 , 而且能夠明 顯地改善瀝青的低溫變形能力 , 表現(xiàn)出改性 瀝青低溫延度的提高 (見表 1 。試驗選用兩種瀝青 ,

9、 即韓國瀝青 (H G , 歡喜嶺瀝青 (HXL , 對基質(zhì)瀝青的延度指 標(biāo) , 日本出產(chǎn)小試改性瀝青分散裝置所改性 瀝青的性能指標(biāo) (XHXL 、 XH G 及自行研 制的中試瀝青分散裝置所改性瀝青的性能指 標(biāo) (ZHXL 、 ZH G 進行比較 。表 1延度指標(biāo)項目 H G XH G ZH G HXL XHXL ZHXL 5 , c m 1615515395356 7 , c m 285057185559 15 , c m 10062661006065 25 , c m 10070681006569從流變學(xué)角度來講 , 瀝青材料在一定的 變形速度下 , 流動速度大于變形速度時 , 材 料作

10、均勻流動延伸為細絲而不斷裂 。 當(dāng)其允 許流動速度低于變形速度時 , 瀝青材料產(chǎn)生 縮頸而斷裂 。 低溫下 , 瀝青的流動速度變慢 , 但是它與均勻分散呈交聯(lián)或部分交聯(lián)狀的橡 膠絲的扭結(jié)作用增強 , 通過剪應(yīng)力的傳遞 , 由 仍呈彈性的橡膠承受拉力 ,出較大的變形能力, , 也 3 。 所以 , SB S , 可以通 。從上述分析可以看出 , SB S 能否有效地 改善瀝青的性能 , 除了它們之間的相溶性之 外 , 與 SB S 在瀝青中的分散狀態(tài)有著密切的 關(guān)系 。 如果忽視 SB S 在瀝青中的分散狀態(tài) , SB S 的改性作用會降低到最小 , 甚至有負作 用 。 影響分散狀態(tài)的直接原因主

11、要是混溶設(shè) 備及工藝方法了 。聚合物 SB S 分散質(zhì)量是受一些因素影 響的 , 但最主要的是取決于用于攪拌的剪切 速率 , 當(dāng) SB S 加到熱瀝青中 , 瀝青馬上開始 滲透 , 進入 SB S 粒子中 , 引起 SB S 的苯乙烯 團逐漸溶脹 , 一但這時對溶脹的 SB S 加入全 力剪切 , 不容懷疑在理想的拌合時間內(nèi)會得 到令人滿意的分散體系 。 這樣對瀝青中足可 分散的 SB S 要求有中間體中較高的剪切攪 拌器 4 。 以上所引用的殼牌公司的活 , 足以說 明 , 我們現(xiàn)在對 SB S 改性瀝青的研究及認識 程度基本上與國外吻合 。 剩下的問題就是如 何搞好混溶設(shè)備的研制及探索出一

12、條比較適 宜的混溶摻合工藝了 。03石油瀝青 1997年第 11卷 3 SB S 改性瀝青的形態(tài)結(jié)構(gòu)及最佳工藝的 確定在對 SB S 改性瀝青進行中試裝置的剪 切加工及低溫發(fā)育后 , 可用光學(xué)顯微鏡直接 觀察其共混物的形態(tài)結(jié)構(gòu) 。 本文使用國產(chǎn)光 學(xué)顯微鏡 , 放大倍數(shù)采用 200倍 。 操作方法 采用制片法 , 將樣品在剪切期間及低溫發(fā)育 后的改性瀝青制成薄片 (在玻璃片上 。 然后 通過透襯光系統(tǒng)進行觀察并拍攝照片 。 照片 中 , 作為分散相的基質(zhì)瀝青呈白色 , 作為連 續(xù)相的 SB S 呈黑色 。 使瀝青彌散于 SB S 所形 成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中 (如圖 2、 圖 3 。圖 2 未發(fā)育改

13、性瀝青圖 3發(fā)育后改性瀝青圖 2是 ZH G (或 ZHXL 瀝青剪切后 (未發(fā)育 的在混溶過程中分階段取樣后的示意圖 。圖 3是 ZH G (或 ZHXL 瀝青低溫 發(fā)育后的示意圖 。(1 SB S “大網(wǎng)為主” 階段 , 在混溶剪切初期 , SB S 呈網(wǎng)絡(luò)狀 , 極大部分連續(xù) , 少部分 已被斷開 。且有少量 SB S 小顆粒游離于瀝青 介質(zhì)之中 。(2 “瀝青填網(wǎng)” 階段 , 在混溶剪切中期 ,瀝青不斷地擴散入網(wǎng) , 使 SB S 分散狀態(tài)不斷 趨于均勻 , 瀝青粒子繼續(xù)在填充殘網(wǎng)和填充 SB S 。(3 “ SB S 均勻分散” 階段 , SB S 改性瀝青非常均勻地分散到瀝青中 ,

14、 且能形成網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu) 。 SB S 為連續(xù)相 、 瀝青為分散相 , 使基質(zhì) 瀝青分散于 SB S 及空隙中 。, ZH G 在剪切 6h , ZHXL 在剪切 10h 后 , 在低溫下發(fā)育 20h , 其結(jié)構(gòu) 狀態(tài)非常均勻 , 以后變化趨于穩(wěn)定 。 因此 , 僅 從顯微鏡下觀察及拍攝照片的結(jié)果看 , ZH G 改性瀝青的最佳工藝時間應(yīng)為 6h , 而 ZHXL 應(yīng)為 10h 。4 SB S 改性瀝青的粘韌性與最佳工藝的確定SB S 改性瀝青存在三種區(qū)域結(jié)構(gòu) :SB S相 、 瀝青相 、 兩相之間的界面層 (又稱過渡 層 。 界面層結(jié)構(gòu)對共混物的力學(xué)性能有決定 性的影響 。 所謂界面層結(jié)構(gòu) ,

15、主要系指在界 面層兩相之間 , 粘結(jié)力的性質(zhì) 、 界面層的組成 、 界面層的厚度 。 SB S 與瀝青之間具備幾種 程度不同的混溶性 。 例如 :完全混溶 、 混溶性 極好 、 部分混溶且混溶程度較大 , 部分混溶 且混溶程度適中 。 正是由于混溶的差異性 , 直 接影響到兩者分子鏈段之間的擴散程度 。 同 時決定了相互擴散的濃度 (即界面層的厚 度 3 。 SB S 改性瀝青是相結(jié)構(gòu)共混物 , 組分 之間的相互作用主要發(fā)生在界面層 , 適中以 上程度的混溶性構(gòu)成兩相之間具有較大的相13第 4期 彭永恒等 1SBS 改性瀝青中試裝置工藝流程的研究互粘結(jié)作用和鏈段之間相互擴散作用 。 界面 張力

16、小 , 兩相之間能“潤濕”和“接觸”到 位 , 界面厚度也相應(yīng)適中或偏厚 , 界面層呈 彌散狀態(tài) 。 因此 , SB S 改性瀝青粘結(jié)能力增 大 , 增韌改性效果顯著 。當(dāng) SB S 與基質(zhì)瀝青具有混溶程度適中 的部分混溶性 , 所獲得的 SB S 分散狀態(tài)大小 適宜時 , 導(dǎo)致改性瀝青的各種力學(xué)性能明顯 增加 。 反之 , 混溶程度較差或極易混溶 , SB S 顆粒分散粗糙或過于細化 , 都將使得改性瀝 青力學(xué)性能降低 。, ,5所示 。由圖中可見 ZH G 改性瀝青在 6h 粘韌性出現(xiàn)一個峰值 , 以后逐漸平緩降低 。 而 ZHXL 在 10h 粘韌性 最大 , 以后時間的粘韌性指標(biāo)雖然未

17、予描述 , 但從以前所做的粘韌性隨時間變化結(jié)果看 , 超過 10h 后 ZHXL 改性瀝青的粘韌性指標(biāo) 是平緩下降的 。 由此可見 ZH G 改性瀝青在 剪切 6h 。 ZHXL 改性瀝青在剪切 10h 后 , 改 性瀝青的分散狀態(tài)趨于均勻 , 且 SB S 有部分 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成 , 使得粘韌性指標(biāo)處于最大數(shù) 值 。 這一結(jié)論與顯微鏡下觀察到的結(jié)果及拍 攝照片的結(jié)果是一致的 。5瀝青的化學(xué)組成結(jié)構(gòu)與最佳工藝的確定 大量的試驗研究成果已經(jīng)證明 :瀝青的 分子量與瀝青的物理性能有著密切的關(guān)系 , 平均分子量愈大 , 則針入度愈小 , 軟化點愈 高 , 粘度愈大 。 并呈準線性關(guān)系 。 另外 , 峰

18、 值分子量與瀝青的粘度和軟化點呈現(xiàn)相當(dāng)好 的線性關(guān)系 。圖 4G 圖 5 ZHXL 粘韌性隨時間變化曲線瀝青的小分子量組分的含量與瀝青的物 理性質(zhì)也有著密切的關(guān)系 。 小分子量愈高 , 則 針入度愈大 , 軟化點愈低 , 粘度愈小 。 但是 由于時間的關(guān)系 , 沒有來得及作 GPC 分析 。 這里僅就吸附色譜法對 H G 、 HXL 兩種基質(zhì) 瀝青的四組分法分離出來的四種組分對 SB S 改性瀝青的影響與工藝關(guān)系進行初步探索 。 四組分含量見表 2。表 2兩種基質(zhì)瀝青四組分含量項目 S A R A t 韓國 (H G 2816429143361235170歡喜嶺 (HXL 2718624192

19、371709152通過前面的分析及試驗不難發(fā)現(xiàn) , 即在 同一中試裝置條件下 , 通過摻入 SB S 進行瀝23石油瀝青 1997年第 11卷 第4期 青 改性。 在相同的摻配工藝、 相同的摻量 ( 6% SB S 條件下, 不同的基質(zhì)瀝青所需的工 藝時間不同。 這種差異的原因何在呢? 我們 自然地想到了與基質(zhì)瀝青的化學(xué)組成有關(guān)。 由表 2 我們可以得出初步結(jié)論: 芳香分含量高, 瀝青質(zhì)的含量低的基質(zhì) 瀝青 ( 如 H G 所需的加工時間就相應(yīng)地短 些。 反 之, 加 工 時 間 就 相 應(yīng) 地 長 些 ( 如 這個結(jié)論與傳統(tǒng)觀點: 瀝青中芳香分 HXL 。 含量高, 瀝青質(zhì)含量低與 SB S

20、 的相溶性就好 些是一致的。 對于本文所研制的中試裝置, 對應(yīng)不同 的基質(zhì)瀝青與 SB S 改性瀝青所需的加工工 THE STUDY O F SBSMOD IF IED ASPHAL T P I T PLANT LO PROCESS FLOW H eilong j iang T raf f ic H ig h T echn ica l C olleg e Peng Y ongheng Ta i L ianhe J i hu i H aerbin C onstruction U n iv ersity Abstract: T he p rocess flow of SB S m od ified a sp ha lt w a s stud ied by SB S m od ified a sp ha lt p ilo t p lan t p roduced by ou rself. B ecau se the d ifference of the Chem ica l com ponen t of the d ifferen t ba sic a sp ha lt and co lliod con st ruct ion w ere p ha lt. Fo r every ba sic a sp ha l