CN101885867B - 一种热塑性弹性体、其制备方法和用途以及一种复合改性沥青混合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热塑性弹性体、其制备方法和用途，该热塑性弹性体为由含有聚合物、胶粉和添加剂的混合物制成；所述添加剂为沥青。该制备方法简单易行、生产过程污染小、原材料来源广、可连续生产。所得热塑性弹性体中胶粉分散均匀、粒径明显减小、交联密度降低、在混合料生产时可直接投放使用。本发明还提供了一种复合改性沥青混合料及其制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种热塑性弹性体、其制备方法和用途，还涉及一种复合改性沥青混合料及其制备方法。
背景技术
在现有技术中，胶粉应用于沥青路面的技术主要分为湿法和干法两大类。湿法工艺是将胶粉与热沥青高温拌和，制备成橡胶沥青后再与集料混合，干法工艺是将胶粉作为一种替代矿粉的柔性填料与其他石料一起投入拌和锅中搅拌制备成混合料。
在湿法工艺的生产过程中，胶粉能够在高温条件下与沥青充分作用而成为沥青胶结料的一部分，在混合料中可起到粘结作用，因此所得到的橡胶沥青较基质沥青粘度有大幅提高、混合料中的油石比也相应提高。但湿法工艺过程复杂、耗时长、耗能高、烟气污染大、资金设备要求高，并且在生产中需要严格控制剪切搅拌时间，以防止过度降解。同时湿法工艺中要获得性能稳定的橡胶沥青，对胶粉的类型也有一定的选择性，例如多选用含天然胶含量较高(天然胶含量为橡胶总量的60重量％以上)的大车胎胶粉。这些都为湿法工艺的发展带来障碍，影响其进一步的利用。
干法工艺的生产，施工简便、运输方便、操控容易、污染轻微，但在混合过程中胶粉在沥青中的溶胀时间很短，胶粉多以填充料的形态存在于沥青中，少部分溶胀于沥青之中，干法对集料级配和胶粉在混合和施工过程中的体积变化都难以控 制，性能不稳定。
介于湿法和干法各自的优缺点，亟需一种新的胶粉预处理方法，既能在使用中获得湿法工艺达到的改性效果，又可具备干法工艺的低污染、易施工的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热塑性弹性体、制备方法和其用途，该制备方法简单易行、生产过程污染小、原材料来源广、可连续生产。所得热塑性弹性体中胶粉分散均匀、粒径明显减小、交联密度降低、在混合料生产时可直接投放使用。
其中，该热塑性弹性体为由含有聚合物、胶粉和添加剂的混合物制成；所述添加剂为沥青。
该热塑性弹性体的制备方法为将含有聚合物、胶粉和添加剂的混合物进行混炼、挤出、然后造粒。
此外，上述热塑性弹性体可用于制备复合改性沥青混合料。
本发明的另一目的在于提供一种复合改性沥青混合料，其包括热塑性弹性体、矿料和基质沥青，所述热塑性弹性体、矿料和基质沥青的重量比为0.2-1.4∶94-96∶2.9-5.4，所述热塑性弹性体为本发明提供的热塑性弹性体。
上述复合改性沥青混合料的制备方法为使上述热塑性弹性体与热矿料拌合，然后再将拌合后的混合物与液态基质沥青拌合。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明提供的热塑性弹性体，是将含有胶粉、聚合物和沥青的混合物经过混炼和挤出过程中的强剪切作用，使原有的胶粉粒子的粒径减小，结构疏松，胶粉已经在沥青作用下产生预溶胀。因此在使用本发明的热塑性弹性体拌和混合料时，使 达到理想改性效果的时间明显降低，可采用干法工艺生产使用。
(2)本发明的热塑性弹性体的密度可与基质沥青接近，在将该热塑性弹性体与基质沥青混合使用时可以减少离析，提高沥青混合料的稳定性，尤其是马歇尔性能、水稳定性能、高温稳定性能及低温开裂性能等各项性能均很好。
(3)本发明热塑性弹性体的制备方法中，加工生产温度在200℃以下，沥青用量较低，热塑性弹性体的生成过程烟气污染小，进行干法工艺拌制沥青混合料时能快速分散，与湿法工艺相比，更加节能环保。
(4)使用本发明的热塑性弹性体拌制沥青混合料时，对基质沥青的改性效果与湿法工艺相当，但工艺简单、设备资金投入低、可连续生产、运输方便、储存稳定、易推广使用。具有很好的经济效益社会效益。
具体实施方式
以下将详述本发明。
本发明的热塑性弹性体为由含有聚合物、胶粉和添加剂的混合物制成；所述添加剂为沥青。在优选情况下，所述聚合物与胶粉的重量比为5-40∶60-95，所述添加剂占所述聚合物与胶粉的重量和的2％-30％。
本发明的热塑性弹性体中，胶粉优选为由废旧橡胶制备得到的橡胶粉，从而可以达到废物利用和环保的目的。胶粉可以商购得到，也可以将废旧橡胶如轿车、公共汽车、农用车、载重卡车等车辆的废旧的气轮胎通过本领域技术人员已知的常温法、常温湿法、常温助剂法或低温冷冻法等常规方法制备得到。优选废轮胎可为含天然胶较多的大车胎或合成胶含量较高的小车胎。还优选胶粉的技术指标符合《硫化GB/T19208-2008》， 且优选其粒径为10-60目。
本发明中所用聚合物优选为塑料，更优选为热塑性塑料，热塑性塑料加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。所有的热塑性塑料都可用于本发明，但优选所述塑料为聚乙烯如低密度聚乙烯或高密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的一种或多种。
上述塑料优选为回收塑料，以达到废物利用和环保的目的。
本发明中所用沥青可以为石油沥青，优选所述石油沥青的25℃针入度为60-120dmm，软化点为41-46℃，15℃延度≥100cm，还优选为满足《公路沥青路面施工技术规范》中所规定的70号、90号或110号石油沥青。
本发明提供的热塑性弹性体的制备方法包括：将含有聚合物、胶粉和添加剂的混合物按照上述比例，共同加入到炼胶机中，经挤出机挤出，然后造粒。所得到的热塑性弹性体粒子的尺寸优选为4mm以下，且熔融指数大于0.3g/min(190℃，2.16kg)。
根据本发明提供的制备方法，所述混炼、挤出和造粒的操作条件均可以采用本领域技术人员已知的操作条件。例如，所述混炼的温度为80-160℃，混炼时间为3-60分钟。所述挤出的温度为100-200℃。
上述混炼可以在本领域技术人员已知的各种炼胶机中进行，例如该炼胶机可以为密炼机。上述挤出可以在本领域技术人员已知的各种挤出机中进行，例如该挤出机可以为单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。上述造粒可以在本领域技术人员已知的各种造粒设备中进行，例如可以通过冷拉条切粒设备或风冷模面切粒设备进行。
本发明提供的复合改性沥青混合料包括热塑性弹性体、矿 料和基质沥青，所述热塑性弹性体、矿料和基质沥青的重量比为0.2-1.4∶94-96∶2.9-5.4，所述热塑性弹性体为本发明提供的热塑性弹性体。
将本发明的热塑性弹性体用于制备复合改性沥青混合料时，可以首先将热塑性弹性体投入到沥青混合料拌和设备中与140-210℃的热矿料拌合5-30秒，再通过沥青泵喷入液态基质沥青拌合20-90秒，得到复合改性沥青混合料。其中的基质沥青优选为石油沥青，优选为《公路沥青路面施工技术规范》中所规定的70号、90号和110号石油沥青。在本发明中，作为热塑性弹性体中添加剂的沥青与复合改性沥青混合料中的沥青可以相同或不同。
其中的矿料可以为本领域技术人员已知的各种矿料，例如该矿料可以包括粗集料、细集料和矿粉中的一种或多种。
本发明的理论依据主要是：胶粉的结构为紧密交联的网状结构，将其与聚合物在适当温度下在密炼机中通过密炼机的高剪切作用将部分交联网破坏，聚合物将其进行隔离，胶粉因此得到进一步细化，并与聚合物充分混合。加入一定量的沥青，使其参与混合，使胶粉进行预溶胀，可以使热塑性弹性体与基质沥青进行拌料时的相容性更好，能够使热塑性弹性体较快地分散入基质沥青中。
以下将通过实施例来说明本发明的实施方案，但是本发明并不限于这些特定的实施例。其中除非特定指明之外，本申请的百分含量和含量比例均以质量计。
各实施例中所使用的原料：
沥青(用作添加剂和基质沥青)：中海70#沥青；
胶粉，北京泛洋华腾科技有限公司，规格为10目、20目、40目和60目；
低密度聚乙烯(LDPE)，上海精良建材有限公司生产，二级
高密度聚乙烯(HDPE)，上海精良建材有限公司生产，一级；
聚苯乙烯(PS)，上海精良建材有限公司生产，二级；
聚丙烯(PP)，上海精良建材有限公司生产，二级；
矿料，选用AC13C型，其矿料级配见表1：
表1
| 筛孔尺寸，mm | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 试验级配 | 100 | 94.4 | 82.4 | 55.0 | 30.2 | 22.6 | 17.7 | 12.9 | 8.4 | 4.4 |
实施例1
将回收聚乙烯(RPE)4000g、60目胶粉6000g和沥青200g，在橡胶密炼机(南京凯驰机械有限公司)在中90℃下混炼10分钟，使用单螺杆挤出机(张家港市创佳机械有限公司，SJ系列)在120℃下挤出，然后经风冷模面切粒设备(南京广达橡塑机械厂)造粒，得到热塑性弹性体。
实施例2
将低密度聚乙烯(LDPE)1000g、10目胶粉9000g和沥青2000g，在橡胶密炼机中在140℃下混炼5分钟，使用单螺杆挤出机在180℃下挤出，再经冷拉条切粒设备(张家港市联德机械有限公司，QLJ-3型)造粒，得到热塑性弹性体。
实施例3
将高密度聚乙烯(HDPE)2000g、10目胶粉8000g和沥青1000g，在橡胶密炼机中100℃下混炼30分钟，使用单螺杆挤出 机在150℃下挤出，再经冷拉条切粒设备造粒，得到热塑性弹性体。
实施例4
将聚苯乙烯(PS)4000g、40目胶粉6000g和沥青500g，在橡胶密炼机中在120℃下混炼50分钟，使用单螺杆挤出机在130℃下挤出，再经冷拉条切粒设备造粒，得到热塑性弹性体。
实施例5
将聚丙烯(PP)3000g、20目胶粉7000g和沥青1500g，在橡胶密炼机中在110℃下混炼40分钟，使用单螺杆挤出机在180℃下挤出，再经风冷模面切粒设备造粒，得到热塑性弹性体。
实施例6
制备复合改性沥青混合料
将实施例3所得到的热塑性弹性体(37.7g)投入到容纳有160℃热矿料(5100g)的拌和机中干法拌和10秒，再通过沥青泵喷入中海70#基质沥青(212.3g)拌和40秒，得到复合改性沥青混合料。
实施例7
制备复合改性沥青混合料
将所得实施例5热塑性弹性体(50.5g)投入到容纳有150℃的热矿料(5100g)的拌和机中干法拌和30秒，再通过沥青泵喷入中海70#基质沥青(230g)拌和20秒，得到复合改性沥青混合料。
性能测试
1、热塑性弹性体的力学性能测试
将实施例1-5中制备得到的热塑性弹性体注射成标准力学性能样条(4mm厚1A型哑铃型标准试样)进行力学性能测试。测试结果见下表2。
其中，硬度按照《硫化橡胶或热塑性橡胶硬度测试GB/T23651-2009》进行测试；
拉伸强度和伸长率按照《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能测试GB/T528-2009》进行测试；
弹性恢复按照《硫化橡胶回弹性的测定GB/T 1681-2009》进行；
熔融指数按照《热塑性塑料熔体流动速率的标准测试方法ASTM-D-1238》进行测试。
表2实施例1-5样品的力学性能测试值
| 硬度 (ShoreA) | 拉伸强度 (Mpa) | 伸长率 (％) | 弹性恢复 (％) | 熔融指数 (190℃，2.16kg) | |
| 实施例1 | 81 | 5.3 | 167 | 61 | 0.32 |
| 实施例2 | 73 | 3.4 | 123 | 75 | 0.85 |
| 实施例3 | 75 | 4.7 | 136 | 67 | 0.92 |
| 实施例4 | 80 | 5.6 | 135 | 62 | 1.41 |
| 实施例5 | 78 | 4.9 | 124 | 64 | 1.36 |
2、沥青混合料的性能测试
将中海70#沥青与矿料按油石比为4.9％混合，得到中海70#沥青混合料。
将实施例6和7中所得到的复合改性沥青混合料以及中海70#沥青混合料进行常规马歇尔性能、水稳定性能、高温稳定性能及低温开裂性能的测试。测试结果见表3～表6。其中，高温稳定性通过车辙动稳定度指标来体现，低温开裂性能通过低温条件下的小梁弯曲破坏应变的测试来体现。
检测指标定义及检测过程按照交通部行业标准《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》(北京：人民交通出版社，2004年11月出版)执行；
检测方法按照交通部行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG052-2000)》(北京：人民交通出版社，2000年8月出版)执行。
表3马歇尔试验体积指标
| 空隙率 (％) | 矿料间隙率 (％) | 沥青饱和度 (％) | 稳定度 (kN) | 流值 (0.1mm) | |
| 中海70#沥青混合料 | 3.9 | 14.5 | 72.5 | 11.34 | 34.6 |
| 实施例6 | 4.9 | 15.4 | 68.1 | 11.70 | 28.3 |
| 实施例7 | 4.2 | 15.8 | 73.3 | 11.76 | 26.1 |
| 技术标准 | 3～6 | ≥14 | 65～75 | ≥8.0 | 15～40 |
表4水稳定性测试结果
| 标准条件 稳定度 (KN) | 浸水条件 稳定度 (KN) | 残留 稳定度 (％) | 标准条件 劈裂强度 (MPa) | 冻融条件 劈裂强度 (MPa) | 冻融劈裂 抗拉强度比 (TSR)(％) | |
| 中海70#沥青 混合料 | 11.34 | 9.10 | 80.1 | 1.20 | 0.91 | 75.50 |
| 实施例6 | 11.70 | 10.60 | 90.6 | 0.927 | 0.852 | 91.90 |
| 实施例7 | 11.76 | 10.91 | 92.8 | 0.943 | 0.883 | 93.6 |
| 技术标准 | ≥8 | —— | ≥80 | —— | —— | ≥75 |
表5车辙动稳定度指标测试结果
| 动稳定度(次/mm) | |
| 中海70#沥青混合料 | 1012 |
| 实施例6 | 4852 |
| 实施例7 | 5980 |
表6低温小梁弯曲测试结果
| 弯曲试验破坏应变(με) | |
| 中海70#沥青混合料 | 3011 |
| 实施例6 | 3383 |
| 实施例7 | 3561 |
通过上述表3-表6的测试结果可以看出，本发明的热塑性弹性体使复合改性沥青混合料的马歇尔稳定度值有所提高；对复合改性沥青混合料的水稳定性能改善效果明显。其中实施例6的复合改性沥青混合料残留稳定度、冻融劈裂抗拉强度比相对中海70#沥青混合料分别提高了13.1％和21.7％，实施例7的复合改性沥青混合料残留稳定度、冻融劈裂抗拉强度比相对中海70#沥青混合料分别提高了15.9％和24.0％；实施例6、实施例7的复合改性沥青混合料动稳定度分别为中海70#沥青混合料的4.8倍和5.9倍，高温稳定性能大幅提高，抗车辙能力显著增强；实施例6、实施例7的复合改性沥青混合料动低温弯曲应变对比中海70#沥青混合料分别增加了12.4％和18.3％，其低温抗裂性能明显提高。
总之，与中海70#沥青混合料相比，本发明的热塑性弹性体复合改性沥青混合料强度、水稳性、高温稳定性、低温抗裂性等各项性能指标均有所提高，各项检测指标满足《公路沥青路 面施工技术规范》(JTG F40-2004)对高速公路、一级公路的技术要求。
Claims (15)
1.一种热塑性弹性体，其特征在于，该热塑性弹性体为由含有聚合物、胶粉和添加剂的混合物制成；所述添加剂为沥青，所述聚合物与胶粉的重量比为5-40∶60-95，所述添加剂占所述聚合物与胶粉的重量和的2％-30％。
2.根据权利要求1所述的热塑性弹性体，其特征在于，所述聚合物为塑料。
3.根据权利要求2所述的热塑性弹性体，其特征在于，所述塑料为热塑性塑料。
4.根据权利要求2所述的热塑性弹性体，其特征在于，所述塑料为聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的热塑性弹性体，其特征在于，所述聚乙烯为低密度聚乙烯或高密度聚乙烯。
6.根据权利要求2所述的热塑性弹性体，其特征在于，所述塑料为回收塑料。
7.根据权利要求1所述的热塑性弹性体，其特征在于，所述胶粉的粒径为10-60目。
8.根据权利要求1所述的热塑性弹性体，其特征在于，所述沥青为石油沥青，所述石油沥青的25℃针入度为60-120dmm，软化点为41-46℃，15℃延度≥100cm。
9.一种权利要求1所述热塑性弹性体的制备方法，其特征在于，该方法包括：
将含有聚合物、胶粉和添加剂的混合物进行混炼、挤出、然后造粒，所述聚合物与胶粉的重量比为5-40∶60-95，所述添加剂占所述聚合物与胶粉的重量和的2％-30％。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述混炼的温度为80-160℃，混炼时间为3-60分钟，所述挤出的温度为100-200℃。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述造粒后所得的粒子尺寸小于4mm，在温度190℃和载荷2.16kg下的熔融指数大于0.3g/min。
12.权利要求1-8中任一项所述的热塑性弹性体在制备复合改性沥青混合料上的用途。
13.一种复合改性沥青混合料，其包括热塑性弹性体、矿料和基质沥青，所述热塑性弹性体、矿料和基质沥青的重量比为0.2-1.4∶94-96∶2.9-5.4，所述热塑性弹性体为权利要求1-8中任一项所述的热塑性弹性体。
14.一种复合改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，该方法包括：将热塑性弹性体与热矿料拌合，然后再将拌合后的混合物与液态基质沥青拌合，所述热塑性弹性体为权利要求1-8中任一项所述的热塑性弹性体。
15.根据权利要求14所述的复合改性沥青混合料的制备方法，其特征在于，所述热矿料的温度为140-210℃，所述热塑性弹性体与热矿料拌合的时间为5-30秒，所述拌合后的混合物与液态基质沥青拌合的时间为20-90秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |