聚氨酯改性沥青的性能相关研究

聚氨酯改性沥青的性能相关研究

摘要：聚氨酯（PU）是一种以异氰酸酯和多元醇为主要原料的高分子聚合物，具有高弹性、高强度、高硬度、高耐磨性、耐腐蚀等特性，被广泛应用于交通、

建筑和化工等领域。聚氨酯改性沥青是一种由有机树脂和无机填料共同组成的混

合材料，有机树脂部分主要包括聚醚型聚氨酯（PEU）和聚酯型聚氨酯（PBAT）。聚氨酯改性沥青具有较好的综合性能，主要表现在：具有较好的低温性能；能有

效改善沥青混合料的高温稳定性；同时还具有良好的抗疲劳性能，能够有效提高

路面使用寿命。

关键词：聚氨酯；改性沥青；性能研究

近年来，随着我国公路建设的快速发展，沥青路面已成为我国公路建设中最

重要的路面类型之一。虽然聚氨酯改性沥青具有优异的低温抗裂性、高温稳定性

和耐老化性能，但是由于其不具有良好的弹性和柔性，不能满足沥青路面对柔性

路用材料的要求【1】。目前，国内外有许多关于聚氨酯改性沥青相关研究报道，

但仍存在一些问题亟待解决，因此深入研究聚氨酯改性沥青性能具有重要意义。

一、基本概述

低温下其粘度增加，弹性恢复能力提高，同时使沥青混合料的高温稳定性提高；PU树脂具有优良的抗老化和抗疲劳性能；PU树脂加入到沥青中还具有降低

沥青混合料成本、提高路面耐久性等优点。聚氨酯改性沥青不仅能改善沥青材料

的高温稳定性、低温抗裂性、耐老化性，而且还能有效地防止和延缓沥青路面早

期损坏，延长路面使用寿命。目前，国内外对聚氨酯改性沥青的研究主要集中在

以下几个方面：通过试验确定聚氨酯改性沥青中PU树脂含量；通过改变有机树

脂类型确定PU树脂含量；通过改变无机填料种类确定聚氨酯改性沥青中无机填

料含量；通过改变有机树脂类型确定PU树脂含量；通过分析聚氨酯改性沥青中

各指标变化情况，对其性能进行评价【2】。

二、研究内容

聚氨酯改性沥青的性能评价指标主要包括：粘度、软化点、渗入度、延度、

弹性恢复等指标。研究发现，粘度是聚氨酯改性沥青最重要的性能指标，随着温

度的升高，粘度增加；软化点随温度的升高而降低，当温度达到160℃时，软化

点低于180℃；弹性恢复随温度的升高而降低。综合考虑粘度、软化点、弹性恢

复等指标，采用5℃延度指标来评价聚氨酯改性沥青的高温稳定性。为了更好地

评价聚氨酯改性沥青及其复合改性沥青性能，采用多种高分子聚合物与聚氨酯进

行复合改性沥青，分析聚氨酯改性沥青和高分子聚合物复合改性沥青的性能特点，为今后进一步研究聚氨酯改性沥青提供参考。

聚氨酯改性沥青是以普通沥青为基础，加入聚氨酯的改性剂，改变其物理性

能的一种新型沥青制品。这种改性后的沥青比未改性的原始沥青具有更高的延度、拉伸率和抗冻特性，其吸附性和散热性也大大提高，可克服气候变化、受温度影

响小等特点，是具有很好的可调性和耐磨性的新型沥青制品【3】。随着PCL用量

的增加，聚氨酯改性沥青粘度降低，软化点升高；随着PPG用量的增加，聚氨酯

改性沥青针入度降低、延度升高、软化点降低。当PCL用量为40%时，聚氨酯改

性沥青具有较好的综合性能。将不同比例的聚氨酯和不同分子量的聚合物进行复

合改性后，采用动态剪切流变试验（DSR）对其进行性能评价。结果表明，随着

聚氨酯用量的增加，聚氨酯改性沥青粘度增加，而弹性恢复下降；当PCL用量为30%时，聚氨酯改性沥青弹性恢复最好。采用DSR评价聚氨酯与高分子聚合物的

复合改性效果。

三、研究方法

（1）基于三大指标评价聚氨酯改性沥青性能。首先，针对聚氨酯改性沥青

的三大指标评价，由于不同类型的聚氨酯改性沥青具有不同的性能，因此需要选

取不同类型聚氨酯改性沥青进行性能评价。（2）针对聚氨酯改性沥青与高分子

聚合物复合改性沥青的协同效应，需要选取不同类型的复合改性剂进行研究。最后，针对复合改性剂与橡胶类、石油树脂类改性剂的协同效应研究，需要选取不

同类型的橡胶类进行研究。在聚氨酯改性沥青材料模型的构建过程中，需要分析

其分子链结构，以便能够更好地模拟其性能。通常情况下，采用傅里叶红外光谱

仪（FTIR）、差示扫描量热仪（DSC）、热重分析仪（TGA）等设备来分析聚氨酯

改性沥青分子链结构及性能【4】。傅里叶红外光谱仪（FTIR）可以测定橡胶、沥

青及高分子聚合物的官能团结构，热重分析仪可以测定高分子聚合物及橡胶的热

分解温度、质量损失等热学参数。差示扫描量热仪（DSC）可以测定聚氨酯改性

沥青在不同温度下的粘度，通过绘制曲线来计算其高温粘度。（3）基于性能指

标分析聚氨酯改性沥青与高分子聚合物复合改性沥青性能。例如，为了研究聚氨酯、橡胶类、石油树脂类改性剂对复合改性沥青性能的影响，需要分别选择三种

不同类型的改性剂进行研究。根据材料模型分析结果，可以发现不同类型的聚氨

酯改性沥青都存在共同特征，因此需要确定其共同特征后再进行研究。例如，橡

胶类和石油树脂类改性剂可以将聚氨酯改性沥青与橡胶类、石油树脂类改性剂进

行协同效应研究；橡胶类改性剂和石油树脂类改性剂可以将聚氨酯改性沥青与橡

胶类进行协同效应研究；橡胶类改性剂和石油树脂类改性剂可以将聚氨酯改性沥

青与橡胶类进行协同效应研究。因此，需要确定不同类型的偶联剂、高分子聚合物、橡胶类、石油树脂等改性剂与聚氨酯的协同效应【5】。

四、结果与分析

通过以上分析，聚氨酯改性沥青的综合性能指标均得到了有效改善，主要表

现在：（1）软化点从120℃提高至130℃，粘度从6300Pa·s提高至6600Pa·s，粘度指数从5.76提高至7.08;（2）低温延度从25.8cm提高至51.3cm，低温延

度得到明显改善；（3）高温抗车辙能力得到明显增强；（4）软化点、粘度和粘

度指数随着聚氨酯掺量的增加而增加，软化点上升幅度大于粘度和粘度指数的变

化幅度，这与聚氨酯改性沥青的高温性能及改性机理有关；（5）聚氨酯改性沥

青的储存稳定性优于SBS改性沥青。其中，PBAT含量为30%时，聚氨酯改性沥青

储存稳定性最好，且PBAT含量越高，其储存稳定性越好；（6）耐老化性能方面：随着PBAT含量的增加，聚氨酯改性沥青耐老化性能逐渐增加。当PBAT含量为50%时，聚氨酯改性沥青耐老化性能最佳。实际上发现，随着PBAT含量增加，聚氨

酯改性沥青的各项指标都呈增长趋势。在一定范围内（如10%～30%），随着

PBAT含量的增加，各项指标均呈增长趋势。

五、结语