木质素基聚氨酯改性沥青防水涂盖料的制备及性能研究

2018-10-19李新

新型建筑材料 2018年8期

李新

（呼伦贝尔市公路管理局，内蒙古呼伦贝尔 021008）

近年来，聚合物改性沥青防水卷材凭借其优异的高低温性能在建筑防水工程中起到举足轻重的作用[1]，目前我国聚合物改性沥青防水卷材用的改性剂主要为热塑性弹性体SBS及APP，但这类聚合物改性材料的成本普遍偏高，制备工艺复杂且与沥青之间的相容性低，热力稳定性较差[2-3]。基于以上传统改性沥青防水卷材用聚合物改性剂的缺点，国内外建筑防水专家正寻求研制一种全新的环保且性能优良的沥青聚合物改性剂，其中聚氨酯（PU）因具有弹性高、耐老化、高低温性能优良等诸多优点而受到广泛关注，但目前聚氨酯的制备方法大都以石油基多元醇为主反应物，制备成本高，反应过程复杂，生产过程易引起环境污染，这些缺点限制了其在聚合物改性沥青防水卷材中的广泛应用[4-6]。木质素是一种天然可再生高分子材料，普遍存在于工、农业废弃物中，价格较低，其分子链上存在大量的醇羟基与酚羟基，反应活性较高，因而可被用作主反应物参与聚氨酯的合成，不仅可以制备出性能优越、环保低价的木质素基聚氨酯，还可以减少传统聚氨酯合成过程中引起的环境污染[7-8]，但目前国内外鲜有将木质素基聚氨酯应用于聚合物改性沥青防水卷材的报道。

本文利用羟基含量丰富的高沸醇木质素部分代替常规反应物聚醚多元醇，在沥青基体中与甲苯异氰酸酯进行交联反应，形成木质素基聚氨酯改性沥青，并对其进行了相关物理性能测试；在木质素基聚氨酯改性沥青的基础上，采用粉煤灰及滑石粉2种不同的填料制备出木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料，研究其高低温性能，并通过热氧老化及紫外老化试验，研究木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料的耐老化性能。

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1 试验

1.1 主要原材料

沥青：SK-70#道路石油沥青，其基本技术性能见表1；聚醚多元醇：DV125，北京某化工厂；高沸醇木质素：羟值为178.14 mg KOH/g；扩链剂：3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯甲烷（MOCA），无锡鼎泰化工有限公司，分析纯；预聚体：甲苯二异氰酸酯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司，分析纯；有机金属类催化剂；稳定剂；粉煤灰；滑石粉。

表1 沥青的技术性能指标

1.2 木质素基聚氨酯改性沥青的制备

首先将预先称量好的高沸醇木质素置于80℃的鼓风干燥箱中烘干2 h备用；将SK-70#道路石油沥青加热熔融，随后在160℃的温度下按比例缓慢添加聚醚多元醇DV125、高沸醇木质素、稳定剂和MOCA等试剂，并同时利用高速剪切机共剪切约45 min；最后将配制好的液化TDI及催化剂缓慢滴入至混合沥青中，继续高速剪切，待体系充分发育后，即得到不同掺量的木质素基聚氨酯改性沥青。

1.3 木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料的制备

工程项目竣工结算审计是对基本建设项目竣工结算编制，及有关经济活动的真实性、合法性、效益性进行审计监督和评价的过程，工程审计是工程造价控制的重要环节，是提高建筑项目管理水平的内在动力，是工程建设项目资金真实性、合法性、效益性的重要保障。

1.4 性能测试方法

木质素基聚氨酯改性沥青的相关物理性能根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行测试。

木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料的针入度参照GB/T 4509—2010《沥青针入度测定法》，低温柔度试验参照GB/T 328.14—2007《建筑防水卷材试验方法第14部分：沥青防水卷材低温柔性》进行测试。

热氧老化性能测试：首先将木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料加热至充分熔融，然后立即将熔融状态的改性沥青涂盖料浇注至150 mm×25 mm×3 mm的矩形模具中，待冷却至室温并成型后，将试件移至70℃的试验箱内进行老化，老化试验时间分别设置为5、10、15、20 d，最后对热氧老化后的试件进行软化点增量及低温柔度降低量测试。

紫外老化试验测试：将制备好的木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料（50±1）g倒入Φ140 mm×9.5 mm的圆盘中，然后置于紫外老化试验箱内。试验温度设置为45℃，光源采用600 W的紫外线高压汞灯，老化试验时间分别设置为2、4、6、8 d，最后对紫外老化后的试件进行软化点增量及低温柔度降低量测试。

由图2可看出：（1）2种木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料的低温柔度变化趋势基本相同，都随填料掺量的增加而逐渐下降；（2）在相同掺量下，掺粉煤灰的改性沥青涂盖料的低温柔度明显高于滑石粉，这可以从二者的微观结构与历经大小做出解释：粉煤灰作为一种球状结构，其颗粒粒径为1～10 μm，而滑石粉则呈现为层片状结构，粒径为10～30μm，在低温条件时，滑石粉因其较大的层片状结构会限制沥青涂盖料的弯曲蠕变行为，进而对其低温柔度造成不利影响。综合考虑沥青涂盖料的高低温性能及成本因素，沥青涂盖料中填料的掺量宜控制为35%。

2 结果与讨论

2.1 木质素基聚氨酯掺量对改性沥青性能的影响

根据规范中的试验规程，对改性沥青进行相关性能测试，测试结果如表2所示。

表2 木质素基聚氨酯改性沥青的性能测试结果

由表2可知：

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（1）当木质素基聚氨酯的掺量逐步增加时，改性沥青的软化点呈上升趋势，而针入度则逐渐下降，这说明当基质沥青中加入木质素基聚氨酯后，改性沥青的表观黏度逐渐降低，相反地，改性沥青的稠度与硬度随之变大，表明木质素基聚氨酯的掺入会明显改善改性沥青的高温稳定性。究其原因，可能是因为在木质素基聚氨酯能够与沥青中的活性成分产生物理化学反应，生成高度交联的聚合物，与此同时，这些聚合物逐渐发生溶胀作用，吸附能力极大增强，最终形成性能稳定的空间网络状结构，因而使得改性沥青的高温稳定性显著提升。

（2）当木质素基聚氨酯的掺量处于0～14%范围内，其低温（5℃）延度呈现出较为明显的上升趋势，表明木质素基聚氨酯的掺入能提高沥青在低温条件下的柔度，增强改性沥青抵抗低温抗拉变形能力，因而木质素基聚氨酯对沥青的低温性能有着积极的影响。值得注意的是，当掺量超过14%后，低温延度的增幅已经明显变小，这可能是因为当木质素基聚氨酯掺量过高时，生成的聚合物会在沥青体系中分散不均匀，进而引起改性沥青在低温条件下受力不均，造成材料的应力集中现象，影响其低温性能。综合考虑改性沥青的高低温性能及材料成本，木质素基聚氨酯的掺量不宜进一步增加，在后续的试验中将其掺量设置为14%。

由图1可知：（1）2种木质素基聚氨酯改性沥青的软化点变化趋势基本相同，都随填料掺量的增加而逐渐上升，表明粉煤灰或滑石粉能有效改善沥青涂盖料的高温性能；（2）在相同掺量下，粉煤灰对沥青涂盖料软化点的影响作用明显优于滑石粉，这主要是因为相较于滑石粉，粉煤灰吸附沥青中油分的能力更强，相应地减少了沥青涂盖料中的油分比例，改性沥青体系的黏稠度变大，沥青涂盖料的高温性能也随之提高。

2.2 填料对木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料性能的影响

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将上述制备的木质素基聚氨酯改性沥青加热至熔融状态，并在180～190℃的油浴锅内用高速剪切机搅拌约2 h，使得改性沥青呈均匀分散状态，随后加入称量好的粉煤灰或者滑石粉，在180～190℃的温度下继续低速搅拌30 min，即制备出木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料。

沥青涂盖料是沥青防水卷材的重要组成部分，因而其性能的优劣会直接影响到沥青防水卷材产品的性能，本文根据相关试验规范，对掺有不同粉煤灰和滑石粉的木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料的物理性进行测试。图1为不同掺量的粉煤灰和滑石粉对木质素基聚氨酯改性了沥青涂盖料软化点的影响。图2为不同掺量的粉煤灰和滑石粉对木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料针入度的影响。

图1 填料对木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料软化点的影响

（3）木质素基聚氨酯能够有效提升改性沥青的弹性恢复性能，当木质素基聚氨酯掺量为18%时，改性沥青的弹性恢复率达到了80.6%，已经优于规范的要求。这主要是因为，木质素基聚氨酯吸收沥青中的油分后，会发生溶胀现象，并进一步形成彼此搭接的网络结构，改性沥青呈现出良好的弹性，并且随木质素基聚氨酯掺量的增加，回弹性能越显著，而这种回弹性能有利于缩短沥青防水卷材的自愈合时间。弹性恢复性能反映了改性沥青体系内部团聚力的大小，在相同外力作用条件下，弹性恢复率越大，表明改性沥青的自愈合能力越强。对于沥青防水卷材而言，其在施工与使用过程往往会被钉子、尖锐工具等破坏变形，若改性沥青的弹性恢复率不达标，易造成漏水、渗水等现象，严重影响了沥青防水卷材的正常使用，因而用于防水卷材的改性沥青需具备较优的弹性恢复性能。

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图2 填料对木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料低温柔度的影响

2.3 填料对木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料热氧老化性能的影响

沥青涂盖料的耐热老化性能是评定沥青防水卷材长期使用性能优劣的重要指标，因而对掺有2种不同填料的木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料的耐热氧老化性能进行测试。图3为2种不同填料制备的木质素基聚氨酯沥青改性沥青涂盖料在经受热氧老化后软化点增量的变化趋势。图4为2种不同填料制备的木质素基聚氨酯沥青改性沥青涂盖料在经受热氧老化后低温柔度降低量的变化趋势。

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图3 木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料热氧老化后软化点增量的变化趋势

由图3可知：（1）2种填料制备的改性沥青涂盖料软化点增量与老化时间的关系曲线变化趋势基本相同，都随老化时间的延长而逐渐上升，这表明在热氧老化过程中，沥青涂盖料中的沥青轻质组分会逐渐挥发，使得沥青的稠度与硬度不断变大，从而影响了沥青涂盖料的使用性能；（2）当热氧老化时间相同时，掺粉煤灰的改性沥青涂盖料的软化点增量明显低于滑石粉，表明由粉煤灰作为填料制备的木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料具有较优的耐热氧老化性能，这主要是因为粉煤灰吸附沥青中轻质油分的能力强于滑石粉，因而在热氧老化过程中，沥青中的轻质油分挥发量相对较少，因而改性沥青涂盖料的软化点增量相对较小。

图4 木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料热氧老化后低温柔度降低量的变化趋势

由图4可知：（1）2种填料制备的改性沥青涂盖料低温柔度降低量与老化时间的关系曲线变化趋势基本相似，都随老化时间的延长而逐渐增大，这表明在热氧老化过程中，沥青涂盖料在低温条件时的脆性会更加明显，低温性能会出现一定程度的下降；（2）当热氧老化时间相同时，与软化点增量相似，由粉煤灰制备的改性沥青涂盖料的低温柔度降低量也低于滑石粉，这也表明由粉煤灰作为填料制备的木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料具有较优的耐热氧老化性能。

2.4 填料对木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料紫外老化性能的影响

在沥青防水卷材长期使用过程中，易受到外界自然环境的影响，尤其是紫外光照射，易对防水卷材中的沥青材料造成紫外老化，从而引起沥青防水卷材变脆、开裂，极大地影响了沥青防水卷材的正常使用。因此，对掺有2种不同填料的木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料的紫外老化性能进行测试，结果见图 5、图 6。

由图5、图6可知，与热氧老化试验相似，掺粉煤灰的木质素基聚氨酯改性沥青涂盖料紫外老化后的软化点增量和低温柔度降低量均明显低于滑石粉，表明以粉煤灰作为填料制备的改性沥青涂盖料仍然具有较优的抗紫外老化性能，分析原因，这可能也是因为在紫外老化过程中，相较于滑石粉，粉煤灰吸附了更多的沥青油分，减少了沥青轻质组分的挥发，从而一定程度上延缓了沥青的紫外老化进程。