聚氨酯改性沥青的改性技术及相容性研究

陈 芳， 杨秋菊， 段 婷， 马莲霞

(新疆交通建设集团股份有限公司， 乌鲁木齐 830000)

随着我国道路交通量增大，重载交通不断增多，沥青路面的早期破坏现象逐年增多[1]。改性沥青因良好的使用性能逐渐替代基质沥青在高速公路建设中被广泛应用[2]，改性剂也逐渐从传统的SBS、SBR等逐渐发展到环氧树脂、聚氨酯等[3-6]。聚氨酯材料具有较好的耐久性，作为一种热固性材料，该类型改性剂已逐渐得到了业内关注[7-8]。研究者通过剪切法、胶体磨法以及化学改性等手段将聚氨酯改性剂和基质沥青混合并改性，不仅研发出相应的改性装置，还在改性技术上取得了一定进步[9-12]，但改性剂在基质沥青中分散均匀性一直是改性沥青的难点。

本文将在不同的剪切温度、剪切速率、剪切反应时间下，探讨聚氨酯改性沥青的制备方法，并对其改性的3种基质沥青的改性效果进行研究，分析改性剂掺量对改性沥青性能、改性剂在基质沥青中分散稳定性的影响。

1 原材料

采用美国壳牌90#、韩国SK90#、克拉玛依90#基质沥青，其技术指标如表1所示。试验选取的聚氨酯为市场某公司生产的聚氨酯预聚体和扩链剂组合而成，两者的技术指标如表2和表3所示。考虑到基质沥青与聚氨酯改性剂的相容性，试验采用了性能指标如表4所示的相容剂。

表1 基质沥青技术指标

表2 聚氨酯预聚体技术指标

表3 扩链剂技术指标

表4 相容剂技术指标

2 改性沥青制备

在制备改性沥青的过程中，试验温度、剪切速率、剪切反应时间等都会影响制备改性沥青的技术性能，因此需对3种基质沥青的改性条件进行研究。基于既有相关研究，初步拟定制备方案：1) 将基质沥青在130 ℃温度下、1 500 rmp剪切速率下剪切10 min；2) 加入2%的相容剂，在相同的剪切速率下反应0.5 h；3) 加入0.5%的扩链剂，以相同的条件反应0.5 h后，加入6%的预聚体，剪切1.5 h；4) 在110 ℃的环境箱内放置2 h，得到聚氨酯改性沥青[13-14]。

2.1 试验温度

试验温度对改性沥青的制备至关重要，温度过高或过低都会影响基质沥青、聚氨酯的性能变化以及两者的相容性。分别在120 ℃、130 ℃、140 ℃、150 ℃、160 ℃等5个温度下进行试验制备，控制剪切速率为1 500 rmp，剪切时间为1.5 h，制备完成后在110 ℃的环境箱内放置2 h。不同试验温度条件下制得改性沥青后，测其25 ℃针入度、5 ℃延度及软化点等指标，结果如图1所示。

由图1可以看出，随着改性温度的升高，聚氨酯改性3种基质沥青的25 ℃针入度均表现为先减小后增大，在130 ℃时达到谷值；5 ℃延度均表现为先增大后减小，在130 ℃时达到峰值；3种改性沥青的软化点变化相对平缓，波动相对较小，但均在130 ℃时达到较大值。主因是随温度的升高，整个混合体系的粘度下降，改性剂和基质沥青的反应较为充分，其性能表现较为良好[15]。随着温度的持续升高，改性剂的分子结构遭到破坏，基质沥青的分子组成也会受到影响，两者的结合效果较差，改性效果反而变弱。根据图1试验结果，130 ℃是较为适宜的改性温度。

2.2 剪切速率

较大的剪切速率会使聚氨酯改性剂在基质沥青中分散得更为均匀，改性剂和基质沥青分子结构间的作用更为紧密，但是如果速率过大，反而会破坏改性剂的分子结构，这对改性作用极为不利，因此需要寻找一个适宜的剪切速率。试验制备在130 ℃条件下，控制剪切速率为1 300 rmp、1 500 rmp、1 700 rmp、1 900 rmp、2 100 rmp，剪切时间为1.5 h，制备完成后在110 ℃的环境箱内放置2 h。不同剪切速率条件下制得改性沥青后，测其25 ℃针入度、5 ℃延度及软化点等指标，结果如图2所示。

(a) 针入度

(b) 延度

(c) 软化点

从图2可知，3种改性沥青的针入度、延度和软化点均表现为先增大后减小，在1 500 rpm条件下出现峰值，而针入度则在1 700 rpm条件下出现峰值。考虑到针入度在1 500 rpm条件下的数值与 1 700 rpm条件下相差较小，综合比较后认为剪切速率宜为1 500 rpm。

(a) 针入度

(b) 延度

(c) 软化点

2.3 反应时间

在一定的温度和剪切速率下，较长的剪切时间则会使得改性剂与基质沥青的混合和反应更加充分，但在较高的试验温度下，反应时间过长则会导致沥青老化，剪切过度等不利影响。因此，试验制备在温度为130 ℃、剪切速率为1 500 rmp的条件下，控制剪切时间为0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h，制备完成后在110 ℃的环境箱内放置2 h。不同反应时间条件下制得改性沥青后，测其25 ℃针入度、5 ℃延度及软化点等指标，结果如图3所示。

从图3可知，3种改性沥青的软化点呈先增大后减小的趋势，但这种变化相对幅度较小；三者的延度则明显先增大后减小，在聚氨酯改性SK90#沥青上体现得尤为显著；三者的针入度则呈先减小后增大的趋势，这种变化也相对较为平缓。考虑到较高的软化点和较大的延度值，根据图3所示结果，选择剪切反应1.5 h较为合理。

(a) 针入度

(b) 延度

(c) 软化点

3 聚氨酯改性沥青的性能

在确定了聚氨酯改性3种90#基质沥青的基本条件后，考虑到不同的聚氨酯改性剂掺量带来的改性效果及其与基质沥青的相容性，对不同聚氨酯掺量在改性沥青中的分散稳定性进行探讨。

3.1 不同掺量的影响

在温度为130 ℃、剪切速率为1 500 rmp的条件下，在3种基质沥青中掺加2%、4%、6%、8%等不同掺量的聚氨酯改性剂，并与未掺加聚氨酯的空白试样进行对比(即掺量为0)，控制剪切时间1.5 h，制备完成后在110 ℃的环境箱内放置2 h。不同掺量下制得改性沥青后，测其25 ℃针入度、5 ℃延度及软化点等指标，结果如图4所示。

(a) 针入度

(b) 延度

(c) 软化点

由图4可见，随着聚氨酯改性剂的掺量增加，3种改性沥青基本性能指标的变化趋势基本一致，但3种改性沥青的针入度逐渐下降，延度和软化点逐渐增大。当掺量小于2%时，3种改性沥青基本指标的变化均不明显；当掺量超过2%时，软化点的变化趋势明显增大；当掺量超过6%时，其变化趋缓，且3种改性沥青的软化点反而略有降低，聚氨酯改性克拉玛依基质沥青的延度也稍有下降。从图4还可以看出，当聚氨酯改性剂的掺量在2%～6%之间时，SK90#改性沥青的针入度小于壳牌90#改性沥青和克拉玛依90#改性沥青，而延度和软化点大于两者，表现出较好的性能。

3.2 分散稳定性评价

如果聚氨酯改性剂与基质沥青的相容性较差，必然会导致制备的改性沥青出现离析现象，反映在改性沥青的性能上就是技术指标的变异性较大。聚氨酯掺量的增大也会提高改性沥青中的改性剂含量，过多的改性剂会增大其在基质沥青中的分散度，进而影响改性沥青的储存稳定性，为此，对不同掺量的聚氨酯含量在3种基质沥青中的分散稳定性进行评价。取贮存在烧杯中不同层位的改性沥青，加热后对其针入度和软化点进行测试，结果如图5和图6所示。

图5 不同掺量下改性沥青针入度差值

图6 不同掺量下改性沥青软化点差值

从图5和图6可以看出，随着掺量的增加，3种改性沥青的针入度差值和软化点差值逐渐增大，表明掺量增多确实会导致聚氨酯改性剂在基质沥青中的分散稳定性下降，当掺量超过6%时，针入度差值和软化点差值增大的趋势变大，结合图4分析，推荐聚氨酯改性剂的掺量控制在6%为宜。此外，随着掺量的增加带来改性剂分散稳定性下降的过程中，聚氨酯改性剂改性SK90#基质沥青的针入度差值和软化点差值增大的趋势是三者中相对较小的，即其分散稳定性下降相对较缓，这表明聚氨酯改性剂在本文选择的3种基质沥青中，与SK90#基质沥青的相容性最佳[16]。

4 结论

1) 聚氨酯改性剂在不同试验条件下对3种基质沥青的改性效果研究表明，改性的试验温度为130 ℃、剪切速率为1 500 rpm、剪切反应时间为1.5 h时，其与SK90#基质沥青的相容性相对较好。

2) 聚氨酯改性剂的掺量会提高改性沥青的改性效果，但过多的掺量会导致改性剂在基质沥青中的分散稳定性下降，致使改性沥青出现离析，其掺量占基质沥青的6%较为适宜；聚氨酯改性剂在SK90#、壳牌90#、克拉玛依90#三种基质沥青的相容性中，与SK90#的相容性最佳。