基于乙撑双硬脂酸酰胺的SBS改性沥青改性机理研究

2023-04-13曲恒辉李军冯美军李孟田冬军朱辉

中国水运 2023年3期

曲恒辉，李军，冯美军，李孟，田冬军，朱辉

（1.山东高速材料技术开发集团有限公司，山东济南 250014；2.山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250101）

利用高分子量的热塑性高分子材料对道路沥青进行处理后，能够显著提高其抗车辙、低温开裂、抗疲劳等性能。SBS 和SBR 等高分子改性剂在我国已得到广泛应用，而SBS 高分子聚合物的应用最为普遍[1]。SBS 对基质沥青进行聚合物改性，SBS 改性沥青作为一种多相化合物，它的相容是一种特殊的过程相容性，可以在很长一段时间内保持稳定，不会发生明显的相分离，从而使得到的混合物能够具有预期的性能[2]。但SBS 改性剂与基质沥青的物理性能差异很大，导致SBS 改性沥青相容性差、分散不均匀、存储性差，对其加工存储、路用性能及应用范围有很大限制。

为了提高SBS 改性沥青的各项性能，使其表现更好或符合一定的需求，本文选择3 种方法合成的乙撑双硬脂酸酰胺，并与SBS 改性沥青进行复合处理[3]。首先通过离析法评估复合材料的耐久性，并从宏观上反映其相容性；然后借助差示扫描量热法（DSC），对复合改性沥青进行热力学分析，评价其温度稳定性；最后借助红外光谱仪（IR），从微观层面研究复合改性沥青内部官能团的分布情况[4]，借助化学官能团分析揭示SBS 改性剂混合塑料润滑剂后沥青的复合改性机理[5-6]。本研究可为低生热沥青等相关研究提供参考。

1 试验材料

1.1 基质沥青

基质沥青选用SK70#沥青，其常规指标见表1。

表1 基质沥青常规物理性能指标

1.2 塑料润滑剂

塑胶润滑剂分为APL、APE、APR 三种，均为无色、无味的粉末，APL 和APR 是自行开发的塑料润滑剂，APE 中含有更多的乙撑双硬胺脂酸酰胺，APL 是通过对APE 进行羟基修饰，使其具有更多的羟基脂肪酸酰胺，APR 则是由APE 经脱氨后所产生的高级脂肪醇乙撑双硬脂酸酰胺。

1.3 制备塑料润滑剂与SBS 复合改性沥青

首先将基质沥青加热至160℃，使其具有较好的流动性，再向里面添加橡胶油，搅拌均匀，然后将剪切速度提高到2000 转/分，在剪切时添加SBS 改性剂和APL/APE/APR；随后将其加热到175℃，并在3500转/分的剪切速度下进行30 分钟剪切；将温度控制在175℃，调整到搅拌状态，添加稳定剂，再以400 转/分的速度进行搅拌，搅拌时间1 小时。

通过实验室试验，得出APL/APE/APR 的最佳掺入量为1.5%，以达到性能与经济性的要求。SBS 的改性剂用量为3.5%。以上所述的材料都是以沥青质量为标准。下文中SBS 代表SBS 改性沥青，SBS+APL 代表APL/SBS 复合改性沥青，SBS+APE 代表APE/SBS 复合改性沥青，SBS+APR 代表APL/SBS 复合改性沥青。

2 结果与讨论

2.1 热存储稳定性研究

对4 种沥青试样进行离析实验，试验结果如表2所示。

由表2可知，SBS 改性沥青下段部分样品的软化点大于上段部分，而添加塑料润滑剂APL/APE/APR 后，其软化点均为下段部分小于上段部分，且均大于SBS 改性沥青，但4 种试样的软化点差都在2 以下，满足技术规范要求；SBS+APL 在四种试样中表现出最大的复数模量和车辙因子，其相位角度最小，而且都是上部比下部高；SBS+APE 复数模量和车辙因子比SBS+APL 低，但上部比下部小，相位角度稍大，仍然是下部比上段大，而SBS+APR 和SBS 在各方面的性能差异很小，其中复数模量和车辙因子都是下段比上段大，而相位角下段小。总的来说，加入三种塑料润滑剂后，SBS 改性沥青的热存储稳定性没有受到明显的影响。

表2 沥青样品离析指标汇总

2.2 差示扫描量热仪法

利用差示扫描量热仪（DSC）对4 种不同类型的沥青进行了热力学分析，并对其进行了热力相容性试验。DSC 实验的主要参数设置：加热速度为10℃/分钟，在-40～180℃的范围内，N2 作为保护性气体，在实验中首先进行吸热和放热，即先由-40℃上升到180℃，然后再由180℃下降到-40℃。图1显示4 种不同的沥青试样的差示扫描图。

图1 4 种复合改性沥青样品差示扫描图谱

从图1可以看出，4 种不同的沥青试样在吸放热阶段的热流值随温度的变化规律相同，SBS+APL 和SBS+APE 两种沥青在不同的温度条件下，会出现放热峰和吸热峰。图1(a)显示4 种不同的沥青试样的热吸收曲线，发现在吸热阶段，4 种试样的热流值在初始阶段表现为先降后升、后逐渐下降，当温度升高时，SBS 和SBS+APR 会最先出现下一次热流值的拐点，并且在整个吸热过程中出现多个拐点，SBS+APL 也有几个拐点，但SBS+APE 只有一个拐点，而且在高温地区表现出明显的转变。图1(b)显示放热过程中的差示扫描图，4 种沥青试样的热流量都呈现由急剧下降、升高、下降、逐渐升高、逐渐下降、逐渐下降的趋势。结果表明，APL和APE 可以提高SBS 改性沥青吸热峰和放热峰温度，APL 对SBS 改性沥青的热性能有较好的改善作用。

2.3 红外光谱试验方法

对4 种改性沥青样品进行IR 试验，在图2中显示IR 光谱，并且在表3中总结主要的官能团。

图2 沥青样品红外光谱图

表3 沥青样品中键和官能团

从图2可以看出，4 种不同的沥青试样，其IR 谱曲线大致相同，但在一些特定的波数处差别较大，从表3可以看出，4 种不同的沥青试样的IR 吸收峰值分别在3300cm-1、1745cm-1、1635cm-1 和1540cm-1 这4 处存在较大差异，SBS 改性沥青在这4 个波数处未出现吸收峰，而SBS+APL 在3300cm-1、1635cm-1 和1540cm-1 波段处出现峰值，SBS+APE 在3300cm-1 和1635cm-1 波段处出现峰值，SBS+APR 仅在1745cm-1处有峰值出现。结果表明：APR/SBS 复合改性沥青中未含有N 的键和官能团键位，这也是APR/SBS 复合改性沥青高温性能未得到改善的主要因素；APL/SBS 复合改性沥青含有N-H 键，提高了聚合物的内聚力，因此其高温性能要好于APE/SBS 复合改性沥青。