橡胶粉改性沥青的分析

橡胶粉SBS改性沥青的分析

用橡胶粉生产改性沥青或用部分橡胶粉同热塑性丁苯橡胶SBS共混从而使生产成本降低，其他文章中已有很多的介绍，包括其改性机理、操作工艺、原材选料等已被广大使用者所接受。对用户来说，某种材料应用后所生产的产品质量越高，生产成本越低就表明这种材料越好，这种工艺方法越好。本篇是在前几章内容基础上，结合国家GB/18242标准实际，更进一步分析橡胶粉、SBS对沥青改性理论，希望读者给予指导。

沥青是重要的建筑防水材料，要求沥青能在高低温条件下有足够机械强度和热稳定性或长时间使用又具有抗老化能力、抗裂性、抗变形等，只有将沥青改性才能做到。经过很多种的沥青改性试验，就目前世上存在的物美价廉改性剂是聚合物橡胶，热塑性丁苯橡胶SBS。将聚合物橡胶与沥青共混，其聚合物分子受到沥青中芳香烃、饱和烃的作用发生熔胀或溶解，而均匀分散在沥青中形成了共混体系，这个共混体系称“物理共混”。在物理共混中并没有化学作用的发生，仅是物理作用。要求聚合物和沥青有较好的相溶性、相容性、溶解性、分散性，以求有很好的物理混合。

㈠聚合物改性沥青的“相溶性”

相溶性是一种热力学概念。相溶性是指沥青与聚合物或多种聚合物按不同比例混合，都可形成均匀共混体系的能力，不会发生离析、分层、或相分离的稳定体系，处于热力学的平衡状态，有很好的相溶性。改性沥青共混体系中自由能量的变化是很重要的。沥青分子之间的相互作用能大于聚合物分子之间的相互作用能，且两相很容易溶解，放出能量，形成热力学的稳定体系。自由能变化公式如下；

△G=△H-T△S

式中：△G—改性沥青共混自由能变化；

△H—聚合物分子之间相互作用能；

△S—沥青分子之间相互作用能；

T—改性沥青共混温度。

如果聚合物分子之间的相互作用能大于沥青分子之间的相互作用能，若使其相溶就必须外加能量，即；吸收热能才可实现共混。在热力学共混体系中，能满足热力学条件的沥青是少之又少。沥青自身就是一个热力学不稳定体系。从沥青材料上看，沥青是分散相，沥青中的油分是介质，而沥青质同沥青油分互不相溶，很容易发生絮凝，是憎液性的。由于沥青质和树脂质是亲液性的，树脂质和油分又是亲油性关系，从而形成了沥青的稳定体系。橡胶粉、热塑性丁苯橡胶等聚合物材料同沥青材料一样，同样是热力学不稳定体系，只有部分沥青中的组分同聚合物有亲合作用，大部分沥青组分与聚合物是不相溶的，是一个不相溶体系。这种部分相溶的不稳定体系可用动力学的方法去完备热力学上的不相溶，仍能形成一个稳定的聚合物改性沥青共混体系。

㈡聚合物改性沥青的“相容性”

相容性指聚合物同沥青共混过程中的加工工艺，是指沥青同聚合物共混过程中相互分散的能力和材料各组分相对稳定程度。如果分散能力足够大时，各组分相对稳定程度就会很大。如橡胶粉、SBS同沥青共混同时加大共混时的分散能力

仍可做到热力学、动力学体系的稳定体系。表明橡胶粉、SBS等聚合物与沥青共混物在他们之间有一定的“相容性和相溶性”。因沥青组成的成分比较复杂，沥青分子量分布又很宽，经过增加适当的稳定条件，就可做到沥青共聚物的稳定体系。沥青同聚合物之间的相容性，就是指工艺上的相容性或动力学上的相容性。在物理共混过程，主要考虑材料的相容性，而不是相溶性。这是由于化学组分、结构、分子量、极性大小等多方面因素存在的原因。沥青和胶粉、SBS等聚合物之间达到很理想的相溶性是非常困难的。相容性较好的共聚物改性沥青，聚合物的粒子都很细很均匀的分散在沥青中，不会发生相分离和分层、絮状和结团等现象。橡胶粉同SBS加入沥青中混合，橡胶的粒子在250μm(60目)～180μm(80目)之间，共聚物改性沥青的微观结构将呈现细腻而均匀地分布状态，宏观上表现为有较大的回弹率、软化点升高、针入度减小、粘度增稠等。所以选则橡胶粉时要控制橡胶粒径的均匀度。橡胶粉粒径质量并不是相容性首要条件，这只是一般条件。而首要条件则是沥青，由于沥青的化学组分含量不同，化学结构不同，沥青同共聚物相容性也不相同，要求沥青中要有相容性较好的结构组成成分。为了提高橡胶粉、SBS同沥青共混有较好的相容性，沥青中饱和分和芳香分含量要高，沥青质含量要少。这是因为沥青混合料中的饱和分、芳香分对橡胶粉粒子、SBS等聚合物起溶胀作用，而芳香分还会起到对聚合物的促进增容作用。沥青质同聚合物共混时相容性很差，同时还有絮凝的作用。

㈢聚合物改性沥青的“溶解性”

若得到最佳聚合物改性沥青，聚合物在沥青中要有非常好的溶解性。溶解性的好坏和聚合物、沥青自身溶解度参数有关。溶解度参数是聚合物和沥青之间融溶的重要指标，融溶较好的改性沥青，其相溶性和相容性也非常好。溶解度参数是聚合物改性沥青内聚能密度的平方根，即为；

式中：δ—溶解度参数；

△E—共聚材料组分内聚能差；

V—共混材料组分摩尔体积；*1

改性沥青共混的相溶能力与共混物组分内聚能和组分内聚能差值有关，内聚能差值越小，各组分之间的相溶性越好。由此说橡胶粉，SBS等高分子材料的溶解度参数δ与使用的沥青溶解度参数相近时，二者就有较好的相溶性。

*1—摩尔体积称克分子体积。符号是Vm，定义公式；Vm=V/n。式中V为系统的体积，n为这一系统中某基本单元的物质的量。如果两种以上的聚合物混溶时，那么混溶程度取决于两种材料的溶解度参数之差的二次方。在非级性体系中混合热焓*2与溶解度参数之间的关系为；

△H=K·［δ1-δ2］2

式中；△H—混合热焓；

K—常数；

δ1、δ2—两种不同材料的溶解度参数。

式中可看出，当δ1=δ2时，△H=0时，混溶无热效应，混溶效果较好。当

两种材料的溶解度参数相差越大，而△H＜0时，混溶过程为吸热过程，吸热越多越不利于混溶。通常［δ1-δ2］＜1.5都能很好的混溶，如［δ1-δ2］＞1.5混溶性比较差，只能部分溶解。

*2—热焓是体系的一个状态函数，是与体系能量相关联的物理量，用符号H 表示，单位是焦耳。体系只有膨胀功而无其他功的等压过程所吸收的热等于体系焓的增量，即；△H。

组份饱和烃芳香烃树脂质沥青质溶解度参数8.48 10.75 11.45 10.94

饱和烃11.6

芳香烃28.6

树脂质52.0

沥青质7.8

根据组分百分比,利用下面公式可求得该沥青的平均溶解度参数δ；

δA=10.02

对于某些橡胶同沥青相混，经溶解度参数之差看就可看出两者之间的溶融状况。如，丁苯橡胶的溶解度参为δR=8.1，那丁苯橡胶与上面的沥青溶解度参之差为；

［δR-δA］=1.92

说明丁苯橡胶在这种沥青中溶解性较差，只有部分溶解。而热塑性丁苯橡胶SBS同沥青共混效果是不一样的，SBS橡胶是嵌段聚合物，其中；

硬性苯乙烯段δS=9.1

软性丁二烯段δ1=8.4

嵌段聚合物中有一个段能在沥青中溶解，则该部分嵌段就会对另一个嵌段起到增容作用，使整体SBS橡胶在沥青中溶解。当沥青中芳烃含量足够高时将有利于SBS橡胶的溶解。

㈣聚合物改性沥青的“分散性”

改性沥青性能取决于聚合物在沥青中的分散性，而分散性的好坏取决于聚合物在沥青中的含量、分布状态、颗粒大小和极性的强弱。

⑴聚合物“掺量”

聚合物在沥青中的掺加量多少决定着改性沥青的形态结构类形。当掺量较少时沥青为分散介质，即；沥青为连续相，聚合物为分散相。呈现出了沥青本来的特性，沥青并没有得到改性。随聚合物掺量不断增加，达到沥青中树脂质、油分可承载融溶的掺量时，沥青将被聚合物特性所取代，这时的聚合物成为连续相，具有聚合物本身性质，使沥青性能变得强度高，弹性大，永久变形小等。聚合物加入到沥青中，首先是分散或溶胀于沥青的软沥青中，从沥青中析出树脂质和油