木屑生物油复配树脂粘结剂的性能研究

摘要：文章以木屑为原料制备木屑生物油，设计正交试验优选生物油的制备工艺，将生物油与环氧树脂混合制备木屑生物油/环氧树脂粘结剂，并将该粘合剂掺入沥青中制备改性沥青（5%-BRA），研究三种粘合剂（90#基质沥青、木屑生物油/环氧树脂粘结剂、5%-BRA）的软化点和针入度指标及高低温性能。结果表明：木屑生物油在最佳制备条件下的产油率为53.47%;5%-BRA的针入度小于90#基质沥青，而软化点呈相反趋势;木屑生物油/环氧树脂粘结剂具有较大的弹性模量，其掺入能增加基质沥青的弹性成分。此外，木屑生物油/环氧树脂粘结剂和5%-BRA在高温下具有较好的抗车辙性能，与基质沥青和5%-BRA相比，该粘结剂在-15 ℃及-10 ℃的低温性能较为优异，而-5 ℃的低温性能较差。

关键词：木屑生物油;环氧树脂;90#基质沥青;高低温性能

0 引言

沥青在环氧树脂改性沥青中的作用是降低树脂的刚度和脆性[[1-4]。但沥青是不可再生资源，已逐渐枯竭，因此，用性能与沥青相似的废料替代环氧树脂改性沥青中的沥青基体能缓解路面对沥青的需求。

已有研究表明，木屑生物油可用于替代沥青并提高其高温性能[5-8]，且具有代替石油沥青作为环氧树脂改性沥青材料的潜力[9-11]。因此，本研究首先以木质纤维素类生物质为原料，采用热液化技术制备木屑生物油，通过正交试验研究其制备工艺;其次将木屑生物油代替沥青与环氧树脂、固化剂等物质混合制备木屑生物油/树脂复合粘结剂，进一步研究木屑生物油/树脂复合粘结剂的高低温性能。

1 材料和试验

1.1 木屑生物油/环氧树脂粘结剂制备

木屑生物油制备方法参照文献[12]，木屑生物油/环氧树脂粘结剂的制备方法参照文献[13]。在整个制备过程中，固化剂、环氧树脂、消泡剂和催化剂的掺量分别占木屑生物油质量分数的40%、23%、0.3%和1%。

1.2 木屑生物油/环氧树脂改性沥青制备

为了全面分析木屑生物油/环氧树脂的性能，本研究将5%的木屑生物油/环氧树脂作为沥青改性剂掺入到90#基质沥青中，利用高速剪切机在135 ℃下搅拌混合物30 min，木屑生物油复配树脂粘结剂的性能研究/张晓蕾[=JP2]即得木屑生物油/环氧树脂改性沥青，标记为5%-BRA。

1.3 试验参数

采用90#基质沥青（A级道路用沥青）作为性能对照组，其基本技术指标见表1。木屑生物油/环氧树脂改性沥青的三大指标、高低温性能根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTC E20-2011）进行测试。

2 结果与讨论

2.1 木屑生物油制备工艺研究

本研究以产油率为评价指标，溶剂配比（乙醇∶丁醇）、反应温度和时间为影响因素，设计正交试验优化木屑产油的提取工艺，结果如表2所示。从表2可以看到，不同因素对木屑产油率的影响程度为：溶剂配比>反应时间>反应温度，说明溶剂配比是引起木屑产油率变化的最主要因素，这是因为乙醇与丁醇具有强扩散能力，导致其能充分渗透到木屑结构内部，促进反应中间体的生成。反应时间是造成产油率变化的次要因素，原因是反应时间过低，反应不完全，反应时间过高则会导致中间体及大分子产物二次分解，不利于木屑生物油生成。

因此，木屑生物油的最佳制备条件为：溶剂配比2∶1，反应时间为50 min，反应温度为250 ℃。在该工艺条件下进行验证试验，木屑产油率为53.47%，这与文献[12]所制的木屑生物油产油率接近。

2.2 木屑生物油/环氧树脂粘结剂的性能研究

2.2.1 物理指标

测试90#基质沥青与5%-BRA的软化点和针入度指标，如图1所示。从图1可以看到，与90#基质沥青相比，5%-BRA的针入度、软化点较大，这是因为相较于石油沥青，木屑生物油/环氧树脂黏度较小，其掺入会减少高标号沥青的黏度，对基质沥青产生硬化效应，导致沥青老化。然而两样品的软化点和针入度指标差值均较小，满足规范要求，可认为5%-BRA的软化点和针入度指标接近90#基质沥青。

2.2.2 高温性能

2.2.2.1 相位角

90#基质沥青、木屑生物油/环氧树脂粘结剂及5%-BRA的相位角测试结果如图2所示。从图中可看出，基质沥青的相位角均高于另外两个粘结剂，这表明木屑生物油/环氧树脂粘结剂及5%-BRA中存储模量比例得到提高，木屑生物油/环氧树脂粘结剂的存在使沥青粘弹性能发生变化，增加基质沥青的弹性成分。其中，在0～30 rad/s范围内，5%-BRA的相位角大于木屑生物油/環氧树脂粘结剂，而30～100 rad/s范围内，则呈现相反的趋势，说明木屑生物油/环氧树脂粘结剂在高频下具有较大的弹性模量。此外，整体而言，90#基质沥青的相位角趋近于90°，说明黏度显著，这与90#基质沥青作为高标号沥青相一致，木屑生物油/环氧树脂粘结剂及5%-RBA材料趋近于50°，表明两种粘结剂具有较明显的弹性。

2.2.2.2 复数剪切模量

本研究使用动态剪切流变仪测试了90#基质沥青、木屑生物油/环氧树脂粘结剂及5%-BRA在不同温度范围内的复数剪切模量（如图3所示）。由图3可知，在52 ℃～58 ℃范围内，木屑生物油/环氧树脂粘结剂的复数剪切模量小于90#基质沥青和5%-BRA。但当温度>58 ℃时，木屑生物油/环氧树脂粘结剂和5%-BRA的复数剪切模量均大于基质沥青，说明两个样品在高温下具有较好的抗车辙性能，两类粘结剂对温度的敏感性低于90#基质沥青。对于路面来说，温度敏感性越低，路面在高温下发生低温开裂或永久变形的可能性越小。此外，在72 ℃～82℃范围内，木屑生物油/环氧树脂粘结剂的复数剪切模量大于5%-BRA，表明木屑生物油/环氧树脂粘结剂的高温性能更为优异。

2.2.3 低温性能

本研究利用弯曲蠕变试验（BBR）测试了90#基质沥青、木屑生物油/环氧树脂粘结剂及5%-BRA的极限劲度模量S和蠕变速率m（如图4所示）。从图4可以看到，三种粘结剂劲度模量均≤300 MPa，蠕变速率>0.3，表明粘结剂低温抗裂性能较好。其中，90#基质沥青与5%-BRA样品的S在-15 ℃及-10 ℃明显大于生物油/环氧树脂粘结剂，在-5 ℃时，明显小于该粘结剂，而m值呈现相反趋势。说明木屑生物油/环氧树脂粘结剂-15 ℃及-10 ℃的低温性能优于另外两种粘结剂，而其-5 ℃的低温抗裂性与另两种粘结剂相比较差。

3 结语

（1）正交试验结果表明：木屑生物油的最佳制备条件为：溶剂配比2∶1，反应时间为50 min及反应温度为250 ℃。在该工艺条件下木屑产油率为53.47%。

（2）木屑生物油/环氧树脂较小的黏度会对基质沥青产生硬化效应，导致5%-BRA的针入度小于90#基质沥青，软化点大于90#基质沥青。

（3）流变和弯曲梁试验结果表明：木屑生物油/环氧树脂粘结剂的掺入能增加基质沥青的弹性成分。此外，木屑生物油/环氧树脂粘结剂和5%-BRA在高温下具有较好的抗车辙性能，与基质沥青和5%-BRA相比，在-15 ℃及-10 ℃的低温性能更为优异。

（4）本文对木屑生物油/环氧树脂粘结剂及其5%掺量的改性沥青的三大指标及高低温性能做了分析，对这种新型粘合剂的开发具有一定的指导意义，但未来还需对该粘合剂的微观性能，不同掺量对沥青的改性作用及制备经济成本等进行更深入的探索。

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