CN104356660A - 一种耐紫外老化sbr改性沥青及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耐紫外老化SBR改性沥青及其制备方法，其特征在于，所述耐紫外老化SBR改性沥青由质量分数为7～30%的紫外阻隔改性剂颗粒混合质量分数为70～93%的基质沥青制成；所述紫外阻隔改性剂颗粒由SBR改性剂、镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料、相容剂和再生胶经过密炼混合设备捏合混炼制成，其中各原料所占质量百分数为：镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料20%～60%；再生胶25%～35%；相容剂12%～18%；SBR改性剂25%～45%。本发明所制得的改性沥青，既能耐夏季高温、冬季低温严寒，同时对高原地区紫外光线起到物理反射、屏蔽以及化学吸收的良好作用，可减少路面早期病害，大大延长沥青路面的使用寿命，可用于高原地区高等级公路建设。

Description

一种耐紫外老化SBR改性沥青及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路工程的改性沥青技术领域，尤其是适用于西藏高原地区紫外光线较强地区的改性沥青及其制备方法。

背景技术

西藏自治区平均海拔4000米以上，是青藏高原的主体部分，有着“世界屋脊”之称。拉萨每年平均日照时数为3005小时左右。这里大气薄弱，水汽尘埃含量少，透明度好。当阳光透过大气层时，能量耗损，因而是全国太阳辐射最多的地区。西藏地区是全世界范围内紫外光照最强的地区之一。沥青是一种有机大分子材料，极易受到紫外光辐射的影响而发生光氧老化，进而劣化沥青基材料的服役性能，大大缩短其使用寿命。如在紫外线作用下沥青变硬变脆，导致沥青路面产生裂缝、车辙、坑槽、剥落等病害，在紫外线较强的地区，一些路面使用2-3年即需大修，使用寿命缩短80％。紫外光老化也易使沥青基防水材料的低温柔韧性明显降低，在冬季低温下难以适应基层的冷缩而出现开裂。另一方面，紫外光老化使沥青基材料挥发出大量毒性有机物(如苯并芘等)，对环境造成严重危害。紫外线辐射量一般占太阳总辐射量的5％-7％，但因其能量高，致使沥青基材料的紫外光老化问题十分严重，尤其是占我国国土面积2/3以上的西部高原地区紫外线辐射量是其它地区的3-4倍以上，这些地区沥青路面和沥青基防水材料的紫外光老化问题更为突出。沥青路面老化破坏严重，国道、省道上的断头路比较多，现有公路的通行能力差，除青藏公路外，其他干线公路因多种病害阻断情况相当严重。

紫外光引起能量密度高、破坏性强，对SBS改性沥青结构和性能影响较大，常规改性沥青不能适应于当前西藏、青海等高原地区紫外线强烈的气候特点，专利CN102190957A提出利用镁铝基层状双羟基符合金属氢氧化物优良的紫外光反射性能来改善SBS改性沥青涂盖料的耐紫外老化性能，专利CN200810204209.4提出在沥青中复合紫外吸收剂来改善沥青的耐紫外老化性能。然而，该化合物在改性沥青温度达到180℃——190℃高温混合后容易发生挥发、分解等化学变化，不能达到理想的效果。另外，上述技术均为理论上的探讨，在实际应用中，该材料在作为添加剂在耐紫外老化改性沥青生产加工中，与改性沥青这种高分子化合物难以混溶，很容易发生离析，导致运输槽罐车和沥青拌合系统因堵塞而导致设备瘫痪。因此该材料在耐紫外老化改性沥青中的应用存在较大的技术难题。

发明内容

本发明目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种具有优异的力学性能和耐紫外老化性能的SBR改性沥青及其制备方法，使得该产品既能耐夏季高温、冬季低温严寒，同时对紫外光线起到物理反射、屏蔽以及化学吸收的良好作用。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种耐紫外老化SBR改性沥青，所述耐紫外老化SBR改性沥青由质量分数为7～30％的紫外阻隔改性剂颗粒混合质量分数为70～93％的基质沥青制成；所述紫外阻隔颗粒由SBR改性剂、镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料、相容剂和再生胶经过密炼混合设备捏合混炼制成，其中各原料所占质量百分数为：镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料20％～60％；再生胶25％～35％；相容剂12％～18％；SBR改性剂25％～45％。

以上比例是根据各种材料在沥青中的最优掺配比例而设定的，同时考虑了造粒的难易性程度。以上材料可通过造粒过程一次性掺配好，无需在后期添加沥青过程中再补充添加，因此工序简洁有效。其中紫外阻隔材料添加太低对沥青的性能影响效果有限，而添加量太大则容易发生沉淀；再生胶是根据紫外阻隔材料的添加量而进行调整；SBR改性剂添加含量是根据常规改性沥青工程应用实践经验而确定的；相容剂添加含量是根据粒子的物理状态而确定的，太少则混合物粒子难以掺混在一起，而太多则所造颗粒过软，在双螺旋挤出机上难以挤出颗粒形状。

根据气候条件选择沥青路面所用的基质沥青标号是个技术性很强的问题，如果根据夏天炎热气候的要求，应该尽量选用硬一些的沥青，而为了满足冬季寒冷气候条件的需要，又应该选用软质沥青。参照国内外路面设计规范，各气候分区的沥青分级范围要求值如下表所示：

表1 各地气候分区的沥青分级范围

根据气候条件的不同，西藏地区道路沥青适合用70号、90号、110号，故本发明优选基质沥青为70#、90#或110#重交沥青。

所述SBR改性剂为丁苯橡胶。

所述镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料由镁铝双氢氧化物层板和层间碳酸根构成多级叠加的层状结构，属于阴离子型层状粘土，属六方晶系，具体的组成为Mg_1-XAl_X(OH)₂(CO₃)_X/2·mH₂O，其中下标X指的是金属元素的含量变化，0.2≤X≤0.33；m值代表结晶水的数量，0≤m≤2。

所述的相容剂为糠醛抽出油，利用其高芳烃组分可改善橡胶的加工和使用性能。

所述的再生胶为以橡胶制品中已硫化的废料为原料，经过脱硫加工成能重新使用的橡胶。

本发明还公开了上述耐紫外老化SBR改性沥青的制备方法，包含如下步骤：

(1)按照以下组分重量百分比配比称取原料：

镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料 20％～60％；

再生胶 25％～35％；

相容剂 12％～18％；

SBR改性剂 25％～45％；

(2)将上述原料放入密炼机中密炼15～25分钟，温度控制145℃～165℃；

(3)将上述密炼后的原料放入双螺杆挤出机中，控制双螺杆挤出机的转速为200～500转/分钟,温度为155℃～175℃，熔融后进行挤出造粒，得到紫外阻隔改性剂颗粒；

(4)加热基质沥青至155℃～165℃，向基质沥青中添加占总质量分数为7～30％的步骤(3)中所制紫外阻隔改性剂颗粒，先在高速剪切机中进行剪切，转速为3000～5000rpm，剪切0.5～1小时，然后进行搅拌，温度控制155℃～165℃，搅拌2～5小时，即制成性能稳定的适应于高原地区的耐紫外老化SBR改性沥青。

与现有技术相比，本发明的优异效果是：

紫外阻隔紫外阻隔材料是层状双羟基符合金属氢氧化物，由带正电荷的主体层板和层间阴离子通过非共价键的相互作用组装而成的一类阴离子层状粘土，其层板主体元素及层间客体粒子的种类和数量具有可调变性，晶型结构和晶粒尺寸具有可调控性，当层板的层数大于一定数值时，紫外线穿过多级层板的层状结构时会产生多级反射和多级吸收作用，能够有效阻隔紫外光；故该材料通过对紫外线具有物理屏蔽和紫外吸收的双重作用，可阻隔屏蔽90％以上紫外线。

但是，该紫外阻隔材料是一种复合材料，自身密度较大，常温下呈白色粉末状，与沥青的组分之间难以直接发生交联反应即与沥青不能互容，即便在高温情况下经高速剪切、搅拌处理后，仍然会在静置24小时内从沥青中沉淀下来，因此在使用过程中容易发生沉淀及离析，大大影响了该材料的使用效果。针对上述问题，本发明突出优势是提供了一种预先复合再改性的方法，具体是首先利用密炼机和螺杆挤出机将SBR改性剂、镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料、再生胶、相容剂等材料预先混合后再造粒，得到紫外阻隔改性剂颗粒，然后用高速剪切设备将此紫外阻隔改性剂颗粒经动态硫化加工后微细分散到基质沥青中，最终得到稳定的适合高原气候特点的耐紫外老化SBR改性沥青。

首先，造粒的作用减少了材料与沥青材料的密度差，使得紫外阻隔材料这种复合材料不会发生沉淀和离析现象，具体是：在粒子中，再生胶中含有约30％的炭黑，该炭黑成分一方面能与改性剂SBR发生结合；同时炭黑有效成分能在高温密炼状态中发生化学键断裂重组，能作为催化剂促使沥青与紫外阻隔材料中的羧甲基纤维素钠、木质素磺酸钠等偶联剂发生系列物化反应，进而使阻隔材料与沥青发生交联反应，减小了密度差，避免沉淀和离析情况的发生，规避了将紫外阻隔材料直接加入沥青中带来的沉淀、分布不均、罐车和导管堵塞等技术问题。另外，SBR改性剂分散在再生胶中，可减少SBR颗粒的碰撞集聚，使得改性沥青的稳定性大幅度提高。

进一步地，通过对紫外阻隔材料和再生胶、SBR改性剂、相容剂等材料进行造粒，还可以达到以下两个方面的效果：

一方面，再生胶化学成分中含有炭黑，其对紫外线有很好的屏蔽作用,同时炭黑的表面基团(如羰基、羟基和醌基等)为其交联提供了更多的活化基团,使其耐紫外老化改性沥青内部的交联结构发生了变化，能对沥青的热氧老化产生较强的抵御能力，具体变化是：炭黑表面有某些基团，如羰基、羟基和醌基等，这些基团会与沥青及改性剂中活泼的分子链发生反应，形成键合作用，因此比表面积大的炭黑可以有效降低沥青的不稳定因素，减少老化的可能性；其次沥青和改性剂中的高分子链会缠结或者吸附在炭黑表面，发生物理作用，炭黑的比表面积越大，可以为沥青中高分子的缠结提供更多的物理作用，这不仅对改性剂起到了补强作用，还降低了分子链的流动性，减少发生降解反应的可能性，进而提高了材料耐老化性能。

另一方面，SBR改性剂与紫外阻隔材料的物化交联反应。对于SBR改性剂弹性体来说，紫外阻隔材料中的金属阳离子能形成离子交联键，在自由基引发下，可与改性剂基体材料发生接枝交联，形成的纳米粒子既可增加交联物中的化学交联又可增加物理交联，耐紫外老化改性沥青的强度和韧性同时得到较大的提高，这是传统的补强剂难以做到的使得产品既可获得较高的拉伸强度和撕裂强度，又可获得较好的耐老化性。

故，与现有技术相比，本发明的优异效果是：本发明首先制得紫外阻隔改性剂颗粒，然后通过高速剪切设备快速分散到基质沥青中，经过精确设计出的配方和比例，各原料相互作用，解决了紫外阻隔材料难利用的问题，不但显著提高基质沥青材料的高低温性能，还能显著提高材料的耐紫外老化性能，可减少路面早期病害，大大延长沥青路面的使用寿命，可用于高原地区高等级公路建设。

附图说明

图1是本发明耐紫外老化SBR改性沥青的制备方法；

图2是本发明使用的紫外阻隔材料的结构和组成原理示意图；

图3是本发明使用的紫外阻隔材料对紫外线的多级阻隔、吸收和屏蔽原理示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

具体实施例1：

按照以下组分重量称取原料：镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料2kg、再生胶2kg、相容剂1kg、丁苯橡胶2kg，其中镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料由江阴瑞法化工公司生产，所述镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料由镁铝双氢氧化物层板和层间碳酸根构成多级叠加的层状结构，属于阴离子型层状粘土，属六方晶系，具体的组成为Mg_1-XAl_X(OH)₂(CO₃)_X/2·mH₂O，其中下标X指的是金属元素的含量变化，0.2≤X≤0.33；m值代表结晶水的数量，0≤m≤2。将上述原料放入高密炼机中进行密炼20分钟；温度控制150℃。将混合的原料放入双螺杆挤出机中造粒，控制螺杆机的转速为300转/分钟,温度为165℃，熔融后进行挤出造粒。

加热基质沥青至155℃，其中所述基质沥青为70#重交沥青；向上述基质沥青中添加上述紫外阻隔颗粒10％，在高速剪切机中进行剪切，转速为4500rpm，剪切1小时。然后进行搅拌，温度控制155℃，搅拌3小时。即可制成性能稳定的适应于高原地区的耐紫外老化SBR改性沥青。

采用紫外老化箱对上述材料进行紫外老化试验，其中紫外线强度为1200uw/cm2，老化温度为60℃，老化时间为6天。试验结果如下：

沥青种类

软化点增量

延度保留率

老化后针入度比

	(℃)	(％)	(％)
				普通SBR改性沥青	33	45.6	55
耐紫外老化SBR改性沥青	13	54.6	63

将普通SBR改性沥青与耐紫外老化SBR改性沥青试验结果进行对比可以看出，紫外阻隔材料对改性沥青软化点的增量的减小作用比较明显，其紫外阻隔作用在沥青中起到作用。软化点的增量越小，紫外阻隔作用更强；延度保留率也得到了提高19.7％。老化后针入度比值提高同样明显，从55％提高至63％。各项指标均得到了提高，从而说明该材料对SBR改性沥青的紫外耐老化能力有明显的增强作用。另外，该产品在老化后，无沉淀和离析情况发生，保证了较好的高温稳定性。

具体实施例2：

按照以下组分重量称取原料：镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料1.5kg、再生胶2kg、相容剂1.6kg、丁苯橡胶1.8kg，其中镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料由江阴瑞法化工公司生产，所述镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料由镁铝双氢氧化物层板和层间碳酸根构成多级叠加的层状结构，属于阴离子型层状粘土，属六方晶系，具体的组成为Mg_1-XAl_X(OH)₂(CO₃)_X/2·mH₂O，其中下标X指的是金属元素的含量变化，0.2≤X≤0.33；m值代表结晶水的数量，0≤m≤2。将上述原料放入高密炼机中进行密炼25分钟；温度控制155℃。将混合的原料放入双螺杆挤出机中造粒，控制螺杆机的转速为500转/分钟,温度为160℃，熔融后进行挤出造粒。加热基质沥青至155℃，其中所述基质沥青为90#重交沥青；向上述沥青中添加上述紫外阻隔颗粒15％，在高速剪切机中进行剪切，转速为4000rpm，剪切1小时。然后进行搅拌，温度控制155℃，搅拌4小时。即可制成性能稳定的适应于高原地区的耐紫外老化SBR改性沥青。

采用紫外老化箱对上述材料进行紫外老化试验，其中紫外线强度为1200uw/cm2，老化温度为60℃，老化时间为6天。试验结果如下：

将普通SBR改性沥青与耐紫外老化SBR改性沥青试验结果进行对比可以看出，紫外阻隔材料对改性沥青软化点的增量的减小作用同样比较明显。软化点的增量越小至36％；延度保留率也得到了提高13.4％。老化后针入度比值提高从55％提高至63％。从而说明该材料对SBR改性沥青的紫外耐老化能力有明显的增强作用。另外，该产品在老化后，无沉淀和离析情况发生，同样也保证了较好的高温稳定性。

Claims (7)

1.一种耐紫外老化SBR改性沥青，其特征在于，所述耐紫外老化SBR改性沥青由质量分数为7～30％的紫外阻隔改性剂颗粒混合质量分数为70～93％的基质沥青制成；所述紫外阻隔颗粒由SBR改性剂、镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料、相容剂和再生胶经过密炼混合设备捏合混炼制成，其中各原料所占质量百分数为：镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料20％～60％；再生胶25％～35％；相容剂12％～18％；SBR改性剂25％～45％。

2.根据权利要求1所述的耐紫外老化SBR改性沥青，其特征在于，所述基质沥青为70#、90#或110#重交沥青。

3.根据权利要求1所述的耐紫外老化SBR改性沥青，其特征在于，所述SBR改性剂为丁苯橡胶。

4.根据权利要求1所述的耐紫外老化SBR改性沥青，其特征在于，所述镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料由镁铝双氢氧化物层板和层间碳酸根构成多级叠加的层状结构，属于阴离子型层状粘土，属六方晶系，具体的组成为Mg_1-XAl_X(OH)₂(CO₃)_X/2·mH₂O，其中下标X指的是金属元素的含量变化，0.2≤X≤0.33；m值代表结晶水的数量，0≤m≤2。

5.根据权利要求1所述的耐紫外老化SBR改性沥青，其特征在于，所述的相容剂为糠醛抽出油。

6.根据权利要求1所述的耐紫外老化SBR改性沥青，其特征在于，所述的再生胶为以橡胶制品中已硫化的废料为原料，经过脱硫加工成能重新使用的橡胶。

7.如权利要求1～6任意一项所述的耐紫外老化SBR改性沥青的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：

(1)按照以下组分重量百分比配比称取原料：

镁铝层状双氢氧化物紫外阻隔材料20％～60％；

再生胶 25％～35％；

相容剂 12％～18％；

SBR改性剂 25％～45％；

(2)将上述原料放入密炼机中密炼15～25分钟，温度控制145℃～165℃；

(3)将上述密炼后的原料放入双螺杆挤出机中，控制双螺杆挤出机的转速为200～500转/分钟,温度为155℃～175℃，熔融后进行挤出造粒，得到紫外阻隔改性剂颗粒；

(4)加热基质沥青至155℃～165℃，向基质沥青中添加占总质量分数为7～30％的步骤(3)中所制紫外阻隔改性剂颗粒，先在高速剪切机中进行剪切，转速为3000～5000rpm，剪切0.5～1小时，然后进行搅拌，温度控制155℃～165℃，搅拌2～5小时，即制成性能稳定的适应于高原地区的耐紫外老化SBR改性沥青。