SBS改性沥青中试装置工艺流程的研究(精)

SB S 改性沥青中试装置工艺流程的研究
彭永恒邰连河季辉
黑龙江交通高等专科学院 (哈尔滨市 150050
赵晶张肖宁
哈尔滨建筑大学 (哈尔滨市
摘要 :通过用自行研制的 SBS ,
步研究。

, 因而 , 通过掺加 SBS 对它们进行改性时 , , 对应于每一种基质沥青来说 , 并不是加工 , 、 , 而是都有一最佳工艺时间。

这一结论对今后 SBS 改。

关键词 :SBS 改性沥青工艺效果基质沥青
在 SB S 改性沥青性质的研究中 , 除 SB S 品种及基质沥青的选择外 , SB S 改性沥青加工工艺是最为重要的因素之一。

不同的加工工艺将直接影响到 SB S 改性沥青的各种力学性能、贮存性能及耐老化性能等。

同时由于沥青材料是由一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和这些碳氢化合物的非金属 (氮、硫、氧衍生物所组成的混合物 , 结构极其复杂。

且不同品种的基质沥青的化学组成、胶体结构差别较大。

因而不同的基质沥青掺入 SB S 后 , 其加工工艺应差别较大。

SB S 在沥青中分散是一个物理和物理化学过程。

由于沥青是一种复杂的由高分子烃类组成的有机胶结材料 , 聚合物 SB S 也是高分子材料 , 其平均分子量远高于沥青 , 且分子结构极性不同 , 随聚合物类型不同存在很大的差异。

而沥青又是一个从饱和分到沥青质 , 分子量大小、分子极性大小 (即芳香度连续分布的多元成份并存的复杂体系 , 要想使这两种材料成为均匀分布的可供工程使用、性质稳定的材料 , 不是一件容易的事。

国外就 SB S 改性沥青的研究及开发应用进行了几十年的探索。

无论从改性沥青的设备还是加工工艺来说 , 都积累了成熟的经验 , 取得了很多研究成果。

我国对 SB S 改性沥青的研究起步较晚 , 但发展速度很快。

我国大多数 SB S 改性沥青的研究成果还处于实验室研究阶段 , 不具备工业化生产能力。

尤其是在改性沥青设备及加工工艺方面的研究 , 显得不足。

收稿日期 1996— 10— 15
1997年 12月石油沥青 PETROL EUM A SPHAL T 第 11卷第 4期
1
①溢料口
⑤法兰端面⑦叶轮
⑧磨丝⑨动齿βκ定齿βλ间隙调节套βµ冷却套βν入料端盖βο冷却入水口βπ循环管路βθ阀体
由于热塑性弹性体 SB S 优良的物理化学性能 , 使各国应用其作为改性沥青结合料很为普遍。

我国各研究部门分别进行了 SB S 改性沥青的探索性研究。

由于 SB S 分子量远大于 PE 、 A PP 、 SBR 等塑料、橡胶类聚合物材料 , 其值可达几十万。

致使与沥青均匀混溶更为困难。

我国现有的 SB S 改性沥青的研究成果 , 其工艺特点实质上都是采用一定量的溶剂预先溶解 SB S , 以提高其在沥青中的分散性能。

但这些方法的弊端是 :由于 SB S 与基质沥青的相溶性很差 , 它们之间没有很好地与沥青均匀分散 , 导致多项力学指标改变不显著。

究其原因主要是加工工艺不过关。

我国与世界改性沥青技术的差距 , 应该说是改性沥青混溶设备及加工工艺的差距所致。

基于上述现状 , 本文研制了一种供中试使用的 SB S 改性沥青分散装置 , 并对其加工工艺进行了初步探索。

1改性效果与改性剂同沥青相溶性的关系运用现代沥青化学组成和化学热力学的研究成果。

假定沥青是以固态沥青质为溶质相和液态软沥青质为溶剂相的混合体系。

这
的关系〔 1〕。

,
S
体系 , 、聚合物 SB S 在沥青中。

从热力学角度来看 , 相溶性是指两种或两种以上的物质按任意比例都能形成均质体系的能力。

这种相溶性可以用溶解度参数来判断。

溶解度参数由 H ildeb rand 首先提出 , 它是表征简单液体相互作用强度特征的有效数值 , 其有用性已经推广到聚合物——聚合物体系〔 2〕。

能够完成满足热力学相溶条件形成均质的互溶体系是极少的 , 大多数混合体系均不能满足热力学相溶条件 , 尤其是聚合物 SB S 的分子量很大 , 而沥青的分子量相对于 SB S 来说较小。

所以它们之间的相溶性较差。

所形成的混合体系为亚微观结构上的多相体系。

沥青本身就是一个多相体系 , 其中沥青质是分散相 , 油分是连续相 , 而树脂是起到了保护作用。

当把沥青看作是一种材料 , 在与 SB S 进行混合时 , 由于沥青自身结构十分复杂 , 只有部分与聚合物有相亲作用 , 能够与沥青均匀分散 , 大部分组分与 SB S 是不相溶的。

但由于沥青材料的分子量分布很宽。

因此从工艺角度来讲 , 仍有一定的工艺相溶性。

92
第 4期彭永恒等 1SBS 改性沥青中试装置工艺流程的研究
所谓工艺相溶性 , 即是通过工艺手段使不相溶的两种物质均匀分散。

讨论 SB S 与沥青的相溶性时 , 指的都是工艺相溶性。

并且相溶的优劣 , 并不能完全代表改性效果。

综上所述 , 在 SB S 改性沥青中 , 除了它们之间所具备的适当的热力学相溶性以外 , 工艺相溶性是至关重要的。

2 SB S 在沥青中的分散性
在改性沥青中 , 聚合物的比例较少 (本文采用的 SB S 掺量为 6% 。

因此 , 它们之间的相溶性可以理解为 SB S 在基质沥青中的溶解。

这种溶解包括两个过程 ,
程 ,
用 200
丝状 ,
用
改性时 , SB S 能够很均匀地分散到沥青中甚至形成相互交联的网络结构。

不但在一定程度上可以改善其高温性能 , 而且能够明显地改善沥青的低温变形能力 , 表现出改性沥青低温延度的提高 (见表 1 。

试验选用两种沥青 , 即韩国沥青 (H G , 欢喜岭沥青 (HXL , 对基质沥青的延度
指标 , 日本出产小试改性沥青分散装置所改性沥青的性能指标 (XHXL 、 XH G 及自行研制的中试沥青分散装置所改性沥青的性能指标 (ZHXL 、 ZH G 进行比
较。

表 1延度指标
项目 H G XH G ZH G HXL XHXL ZHXL 5℃ , c m 16 7℃ , c m 285057185559 15℃ , c m >1006266>1006065 25℃ , c m >1007068>1006569
从流变学角度来讲 , 沥青材料在一定的变形速度下 , 流动速度大于变形速度时 , 材料作均匀流动延伸为细丝而不断裂。

当其允许流动速度低于变形速度时 , 沥青材料产生缩颈而断裂。

低温下 , 沥青的流动速度变慢 , 但是它与均匀分散呈交联
或部分交联状的橡胶丝的扭结作用增强 , 通过剪应力的传递 , 由仍呈弹性的橡胶承受拉力 ,
出较大的变形能力
, , 也〔 3〕。

所以 , SB S , 可以通。

从上述分析可以看出 , SB S 能否有效地改善沥青的性能 , 除了它们之间的相
溶性之外 , 与 SB S 在沥青中的分散状态有着密切的关系。

如果忽视 SB S 在沥青中的分散状态 , SB S 的改性作用会降低到最小 , 甚至有负作用。

影响分散状态的直接原因主要是混溶设备及工艺方法了。

聚合物 SB S 分散质量是受一些因素影响的 , 但最主要的是取决于用于搅拌的剪切速率 , 当 SB S 加到热沥青中 , 沥青马上开始渗透 , 进入 SB S 粒子中 , 引起
SB S 的苯乙烯团逐渐溶胀 , 一但这时对溶胀的 SB S 加入全力剪切 , 不容怀疑在理想的拌合时间内会得到令人满意的分散体系。

这样对沥青中足可分散的 SB S 要求有中间体中较高的剪切搅拌器〔 4〕。

以上所引用的壳牌公司的活 , 足以说明 , 我们现在对 SB S 改性沥青的研究及认识程度基本上与国外吻合。

剩下的问题就
是如何搞好混溶设备的研制及探索出一条比较适宜的混溶掺合工艺了。

03石油沥青 1997年第 11卷
3 SB S 改性沥青的形态结构及最佳工艺的确定
在对 SB S 改性沥青进行中试装置的剪切加工及低温发育后 , 可用光学显微镜直接观察其共混物的形态结构。

本文使用国产光学显微镜 , 放大倍数采用 200倍。

操作方法采用制片法 , 将样品在剪切期间及低温发育后的改性沥青制成薄片(在玻璃片上。

然后通过透衬光系统进行观察并拍摄照片。

照片中 , 作为分散相的基质沥青呈白色 , 作为连续相的 SB S 呈黑色。

使沥青弥散于 SB S 所形成的网状结构之中 (如图 2、图 3。

图 2
未发育改性沥青
图 3发育后改性沥青
图 2是 ZH G (或 ZHXL 沥青剪切后 (未发育的在混溶过程中分阶段取样后的示
意图。

图 3是 ZH G ((或 ZHXL 沥青低温发育后的示意图。

(1 SB S “大网为主” 阶段 , 在混溶剪切
初期 , SB S 呈网络状 , 极大部分连续 , 少部分已被断开。

且有少量 SB S 小颗粒游离于沥青介质之中。

(2 “沥青填网” 阶段 , 在混溶剪切中期 ,
沥青不断地扩散入网 , 使 SB S 分散状态不断趋于均匀 , 沥青粒子继续在填充残网和填充 SB S 。

(3 “ SB S 均匀分散” 阶段 , SB S 改性沥
青非常均匀地分散到沥青中 , 且能形成网络结构。

SB S 为连续相、沥青为
分散相 , 使基质沥青分散于 SB S 及空隙中。

, ZH G 在剪切 6h , ZHXL 在剪切 10h 后 , 在低温下发育 20h , 其结构状态非常均匀 , 以后变化趋于稳定。

因此 , 仅从显微镜下观察及拍摄照片的结果看 , ZH G 改性沥青的最佳工艺时间应为 6h , 而 ZHXL 应为 10h 。

4 SB S 改性沥青的粘韧性与最佳工艺的确
定
SB S 改性沥青存在三种区域结构 :SB S
相、沥青相、两相之间的界面层 (又称过渡层。

界面层结构对共混物的力
学性能有决定性的影响。

所谓界面层结构 , 主要系指在界面层两相之间 , 粘结力的性质、界面层的组
成、界面层的厚度。

SB S 与沥青之间具备几种程度不同的混溶性。

例如 :完全混溶、混溶性极好、部分混溶且混溶程度较大 , 部分混溶且混溶程度适
中。

正是由于混溶的差异性 , 直接影响到两者分子链段之间的扩散程度。

同时
决定了相互扩散的浓度 (即界面层的厚度〔 3〕。

SB S 改性沥青是相结构共混物 , 组分之间的相互作用主要发生在界面层 , 适中以上程度的混溶性构成两相之间具
有较大的相
1
3第 4期彭永恒等 1SBS 改性沥青中试装置工艺流程的研究
互粘结作用和链段之间相互扩散作用。

界面张力小 , 两相之间能“润湿”和“接触”到位 , 界面厚度也相应适中或偏厚 , 界面层呈弥散状态。

因此 , SB S 改性沥青粘结能力增大 , 增韧改性效果显著。

当 SB S 与基质沥青具有混溶程度适中的部分混溶性 , 所获得的 SB S 分散状态大小适宜时 , 导致改性沥青的各种力学性能明显增加。

反之 , 混溶程度较差或极易混溶 , SB S 颗粒分散粗糙或过于细化 , 都将使得改性沥青力学性能降低。

, ,
5所示。

由图中可见 ZH G 改性沥青在 6h 粘韧性出现一个峰值 , 以后逐渐平
缓降低。

而 ZHXL 在 10h 粘韧性最大 , 以后时间的粘韧性指标虽然未予描述 , 但从以前所做的粘韧性随时间变化结果看 , 超过 10h 后 ZHXL 改性沥青的粘韧性指标是平缓下降的。

由此可见 ZH G 改性沥青在剪切 6h 。

ZHXL 改性沥青在剪切 10h 后 , 改性沥青的分散状态趋于均匀 , 且 SB S 有部分网状结构形成 , 使得粘韧性指标处于最大数值。

这一结论与显微镜下观察到的结果及拍摄照片的结果是一致的。

5沥青的化学组成结构与最佳工艺的确定大量的试验研究成果已经证明 :沥青的分子量与沥青的物理性能有着密切的关系 , 平均分子量愈大 , 则针入度愈小 , 软化点愈高 , 粘度愈大。

并呈准线性关系。

另外 , 峰值分子量与沥青的粘度和软化点呈现相当好的线性关系。

图 4G
图 5 ZHXL 粘韧性随时间变化曲线
沥青的小分子量组分的含量与沥青的物理性质也有着密切的关系。

小分子量愈高 , 则针入度愈大 , 软化点愈低 , 粘度愈小。

但是由于时间的关系 , 没有来得及作 GPC 分析。

这里仅就吸附色谱法对 H G 、 HXL 两种基质沥青的四组分法分离出来的四种组分对 SB S 改性沥青的影响与工艺关系进行初步探索。

四组分含量见表 2。

表 2两种基质沥青四组分含量
项目 S A R A t 韩国 (H G 2816429143361235170欢喜岭 (HXL 27709152
通过前面的分析及试验不难发现 , 即在同一中试装置条件下 , 通过掺入 SB S 进行沥
23石油沥青 1997年第 11卷
第4期青改性。

在相同的掺配工艺、相同的掺量 ( 6% SB S 条件下, 不同的基质沥青所需的工艺时间不同。

这种差异的原因何在呢? 我们自然地想到了与基质沥青的化学组成有关。

由表 2 我们可以得出初步结论: 芳香分含量高, 沥青质的含量低的基质沥青 ( 如 H G 所需的加工时间就相应地短些。

反之, 加工时间就相应地长些 ( 如这个结论与传统观点: 沥青中芳香分 HXL 。

含量高, 沥青质含量低与 SB S 的相溶性就好些是一致的。

对于本文所研制的中试装置, 对应不同的基质沥青与 SB S 改性沥青所需的加工工 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 lt, the d isp ersan t cond it ion and p rop ert ies of m echan 2 ics w eren ’ bet ter by long t im e p roduced, and a ll had a best p rocess t im e. It w a s t la rge, the d ifference of p roduct p rocess w a s la rge w hen p u t SB S in to the ba sic a s2 m ean ingfu l fo r the study of SB S m od ified a sp ha lt. Keywords: SB S m od ified a sp ha lt P rocess R esu lt B a sic a sp ha lt 彭永恒等 1 SB S 改性沥青中试装置工艺流程的研究 33 艺来讲, 仅就显微镜下观察及拍摄照片的结果来分析, 以及粘韧性试验及沥青四组分化学分析来判断, 显得不够全面。

还须对其分子量分布情况、高温、低温下粘度随不同工艺时间来选择最佳工艺较全面。

这方面的工作有待于今后进行更加深入细致的研究。

参考文献 1吕伟民·关于聚合物改性沥青〈节译〉 ·石油沥 2改性沥青译文集·重庆交通科研所, ( 1992 3郭青筠等·EVA 增强增韧机理的研究·专题情 4T he Shell B itum en H andbook, 1985 Zhao J ing Zhang X iaon ing 青, 198813 报资料。