張?jiān)銎?彭江* 朱永彪 孫佳 王力 呂文江

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 教育部特殊地區(qū)公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710064) (2.中國(guó)電力建設(shè)集團(tuán) 北京 100089)(3. 陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司 陜西西安 710075)

隨著我國(guó)公路交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)瀝青材料提出了越來(lái)越高的要求，不同類型的瀝青改性劑層出不窮[1]。其中，以SBS為代表的熱塑性聚合物是目前應(yīng)用效果最好，也是使用最廣泛的瀝青改性劑[2-3]。然而大量的研究表明，SBS和瀝青之間并沒有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，而是均勻地分散、吸附在瀝青中，僅僅是物理意義上的共存共融，屬于熱力學(xué)不相容體系，在生產(chǎn)、熱儲(chǔ)存和使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生聚合物離析或降解的現(xiàn)象，致其熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性不高[4-5]。

聚氨酯(PU)彈性體具有耐磨損、耐老化、強(qiáng)度高、低溫柔性好等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。同時(shí)，PU預(yù)聚體和瀝青在高溫及加入擴(kuò)鏈交聯(lián)劑的條件下會(huì)發(fā)生固化反應(yīng)，形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為一種均勻穩(wěn)定的全新聚合物改性瀝青[8]。本研究嘗試以聚醚型聚氨酯預(yù)聚體(2143JM-PU)以及擴(kuò)鏈交聯(lián)劑3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)和定量的稀釋劑制備PU改性瀝青，為開發(fā)新型高性能PU改性瀝青材料提供參考和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

SK-90#道路石油瀝青(基質(zhì)瀝青)，韓國(guó)SK集團(tuán)；環(huán)保型活性稀釋劑PU-10、聚醚型聚氨酯預(yù)聚體2143JM-PU(NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4.3±0.2)%)，張家港源邦化工材料有限公司；3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)，濟(jì)寧華凱樹脂有限公司；I-C型SBS改性瀝青，山東坤達(dá)公路材料有限公司。

1.2 聚氨酯(PU)改性瀝青的制備

將500 g基質(zhì)瀝青置于烘箱中加熱至120～130 ℃軟化后置于加熱爐上，120～130 ℃下使用高速剪切機(jī)(轉(zhuǎn)速2 000 r/min)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行剪切攪拌。將已加熱至120 ℃熔化的14 g MOCA緩慢加入瀝青中剪切攪拌5 min，再將10.5 g稀釋劑PU-10加入瀝青中剪切攪拌5 min，最后將175 g預(yù)熱至90 ℃的PU預(yù)聚體緩慢加入到瀝青中剪切攪拌5 min，并將混合均勻的PU改性瀝青置于100 ℃的烘箱中保溫2 h，得到PU改性瀝青。其中，PU預(yù)聚體摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的35%，MOCA和稀釋劑摻量分別為PU預(yù)聚體質(zhì)量的8%和6%。

1.3 性能測(cè)試儀器與方法

采用德國(guó)Bruker公司的Vertex70型紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析；采用Veeco公司的DI Nanoscope IV型原子力顯微鏡(AFM)進(jìn)行測(cè)試，選用圖像分辨率更高，且試樣受到的剪切力破壞較小的輕敲模式；采用英國(guó)馬爾文儀器公司的Bohlin Gemini動(dòng)態(tài)剪切流變儀分別對(duì)PU改性瀝青以及SBS改性瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)試驗(yàn)，溫度掃描試驗(yàn)時(shí)，掃描頻率固定為頻率10 rad/s，溫度掃描范圍為40～80 ℃，升溫速率為2 ℃/min；頻率掃描試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)溫度固定為60 ℃，荷載作用頻率范圍為0.1～10 rad/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 PU改性瀝青紅外光譜分析

基質(zhì)瀝青、2143JM-PU、PU改性瀝青的紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 基質(zhì)瀝青、2143JM-PU和PU改性瀝青紅外光譜圖

由圖1可知，基質(zhì)瀝青和PU改性瀝青的紅外光譜圖呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)相似，部分吸收峰僅僅表現(xiàn)出吸收強(qiáng)度上的差別。同時(shí)，在2143JM-PU的紅外光譜圖中2 274 cm-1處出現(xiàn)的異氰酸酯基(NCO基)特征峰，在PU改性瀝青的紅外光譜圖中完全消失，且本研究中MOCA的量不足以將2143JM-PU中的NCO基完全反應(yīng)，表明2143JM-PU中的NCO基還與基質(zhì)瀝青中的活性基團(tuán)反應(yīng)，證明了PU改性瀝青在改性過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

2.2 PU改性瀝青的微觀構(gòu)造分析

兩種瀝青AFM形貌圖如圖2所示。

圖2 基質(zhì)瀝青與PU改性瀝青AFM形貌圖

由圖2可見，基質(zhì)瀝青和PU改性瀝青的形貌圖中均分布有“蜂形”結(jié)構(gòu)，基質(zhì)瀝青的“蜂形”結(jié)構(gòu)多且分布較為密集，而PU改性瀝青相對(duì)較少，且PU改性瀝青的“蜂形”結(jié)構(gòu)的形態(tài)相比于基質(zhì)瀝青顯得更為狹長(zhǎng)，分布也更為均勻。這說(shuō)明PU的加入會(huì)改變?yōu)r青質(zhì)與基質(zhì)瀝青中其他組分之間的相互作用，使周圍的瀝青分子能夠很好地將其溶解分散，從而形成更加穩(wěn)定的PU改性瀝青體系。

2.3 PU改性瀝青與SBS改性瀝青流變性能比較

將PU改性瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行溫度掃描和頻率掃描試驗(yàn)，得到復(fù)數(shù)剪切模量G*以及相位角δ隨溫度及荷載作用頻率變化的試驗(yàn)結(jié)果，見圖3和圖4。

圖3 不同改性瀝青的G*和δ隨溫度變化情況

圖4 不同改性瀝青的G*和δ隨頻率變化情況

由圖3和圖4可知，在相同的溫度及荷載作用頻率條件下，PU改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*大于SBS改性瀝青的，說(shuō)明PU的加入有效改善了瀝青的高溫抗變形能力，抗車轍能力較SBS改性瀝青得到明顯提高；在相同溫度及荷載作用頻率下，PU改性瀝青的相位角δ要遠(yuǎn)小于SBS改性瀝青的相位角δ，說(shuō)明PU的加入使得瀝青的粘彈性能改變，增加瀝青體系中的彈性成分，提高了體系的高溫性能，相比于SBS改性瀝青其高溫穩(wěn)定性能更好；且相較于SBS改性瀝青，隨著溫度升高及荷載作用頻率的加快，PU改性瀝青的G*、δ曲線變化趨勢(shì)更加平緩，斜率更小，說(shuō)明PU的加入有效降低了改性瀝青體系對(duì)溫度及荷載作用頻率變化的敏感性。

3 結(jié)論

(1)由紅外光譜分析可知，預(yù)聚體中的異氰酸酯基還與基質(zhì)瀝青中的活性基團(tuán)反應(yīng)，說(shuō)明PU改性瀝青中具有化學(xué)改性過(guò)程。

(2)原子力顯微鏡試驗(yàn)分析表明，PU的加入形成了更加穩(wěn)定的PU改性瀝青體系。

(3)通過(guò)DSR試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，PU改性瀝青的高溫抗變形能力較SBS改性瀝青有明顯的提升，且PU的加入有效降低了體系對(duì)溫度變化以及荷載作用頻率的敏感性。