CN104693565B - 一种可稳定存储的复合废胶粉粒子及其制备方法 - Google Patents
一种可稳定存储的复合废胶粉粒子及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种可稳定存储的复合废胶粉粒子及其制备方法，先对低目数的胶粉进行深度脱硫降解，制备高脱硫度再生胶，然后再利用按照一定比例掺加高目数胶粉和高脱硫度再生胶及少量的交联剂，制备复合废胶粉粒子。这种复合废胶粉粒子，高脱硫度再生胶中的线性大分子均匀裹附于胶粉表面，同时利用交联剂的微交联作用，形成一种线性大分子‑交联结构的“核壳”结构。这种结构中的大量线性分子可以在沥青中相互缠结，继而形成稳定的胶粉‑沥青网状结构，达到制备稳定存储的胶粉改性沥青的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合废胶粉粒子及其制备方法，属于废橡胶的循环再生利用领域。
背景技术
聚合物改性沥青因其优异的高低温性能，是公认的优良路面材料，而废胶粉改性沥青是近年研究的热点。国内外用胶粉改性沥青铺设公路已有多年的历史。尤其是美国的成功实践表明：废橡胶粉改性沥青路面比纯沥青路面减薄一半，而其使用寿命却提高一倍，其可以提高路面的耐热、耐寒性，并可以减少噪音、防湿滑、碎冰雪，提高安全系数，尤其价格低廉。废胶粉的加入可以增强韧性，能有效的吸附沥青中的油蜡，减少游离蜡的含量，使沥青的感温性下降，粘结性提高。用废胶粉改性沥青不仅价格便宜，而且某些性能优于SBS改性沥青。
近些年，我国对胶粉改性沥青也开展了一些研究工作。尽管如此，国内的试验工作表明，胶粉改性沥青存在改性过程中胶粉老化严重，胶粉不易分散，改性沥青高温粘度大而导致的流动性差，储存过程中胶粉容易与沥青由于界面结合不佳而导致胶粉与沥青分层离析等主要问题，虽然国内废胶粉改性沥青已经有小规模应用，但是由于这些问题难于解决，时至今日，未有大规模化的厂拌胶粉改性沥青生产面世。
胶粉改性沥青热储存不稳定主要表现在：
(1)胶粉与沥青界面结合不好导致胶粉与沥青分层离析
(2)胶粉改性沥青热存过程中由于胶粉的继续降解而导致改性沥青的软化点等各项指标的衰减。
目前，国内外针对胶粉改性沥青性能的改进也进行了进一步的研究，但仍存在各种问题。CN101805524公开了一种高温耐储存的废橡胶粉改性沥青制备方法。该方法首先利用双螺杆的共混作用使一定比例的废塑料(PE)与胶粉在100-180℃条件下共混挤出橡塑共混粒子，然后将一定比例的胶粉与上述橡塑共混粒子掺入基质沥青制备改性沥青。该方法橡塑共混粒子的含有较高比例的废塑料，虽然添加了少量的相容剂，但是由于PE的低温脆性及与沥青的极度不相容，会直接影响改性沥青的低温延度进而影响沥青混合料的低温性能。CN103146206A公开了一种储存稳定的复合改性沥青的制备方法。该方法首先利用双螺杆的共混作用将一定比例的SBS与胶粉复合共混制备SBS/胶粉粒子，然后将一定比例的SBS以及SBS胶粉复合粒子掺入基质沥青制备改性沥青。该方法过程中掺入部分的SBS会直接导致改性沥青的成本增加，同时，在180-300℃的高温、强剪切条件下复合SBS与胶粉，会直接导致SBS的降解，直接影响这部分SBS在改性沥青中的功效。CN101824226A公开了一种热储存稳定的废旧轮胎胶粉改性沥青的制备方法。该方法首先利用硅烷偶联剂的水溶液对胶粉进行涂覆，然后对涂覆后的胶粉进行沥青改性。该方法利用水溶液涂覆胶粉，大量的水溶液会残留在胶粉之间，这些水分在改性沥青时会迅速蒸发形成大量蒸汽，引发沥青溢罐形成生产事故，同时价格昂贵的硅烷偶联剂会直接提升改性沥青成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题的不足，提出一种能在沥青中均匀分散、高温稳定存储的复合废胶粉粒子及其制备方法。本方法工艺过程简单，环保，不仅可以大量消耗废橡胶，消除废橡胶再利用过程中的二次污染，同时可以实现改性沥青连续化生产，改性沥青高低温性能指标优异，且高温储存稳定。
本发明技术方案如下：
一种可稳定存储的复合废胶粉粒子的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)将质量比为100：3-20：0.3-4的低目数橡胶粉、软化油、活化剂于高速搅拌机中预处理后加入到第一阶螺杆挤出机，物料压力在2-20MPa，反应5-20min后从口模连续挤出高脱硫度再生橡胶；
(2)将所述高脱硫度再生橡胶加入第二阶螺杆挤出机，再加入高目数橡胶粉和交联剂，其中高目数橡胶粉、高脱硫度再生橡胶、交联剂的质量比为20-50:50-80:0.1-0.6，机筒压力2-20MPa，挤出、造粒制备复合废胶粉粉粒子；
其中所述低目数橡胶粉为5-30目，高目数橡胶粉为40-200目。
螺杆挤出机为双螺杆挤出机或单螺杆挤出机。
优选的所述第一阶螺杆挤出机为同向平行双螺杆挤出机，长径比20-60，螺杆直径30-120，控制双螺杆不同区段温度在100-380℃，控制螺杆转速在10rpm-300rpm，；所述第二阶螺杆挤出机为单螺杆挤出机，长径比15-40，螺杆直径50-120，控制机筒温度在80-200℃，螺杆转速10-200rpm。
所述预处理优选为在50-100℃下搅拌10-30min。
所述橡胶粉优选为废轮胎、废力车胎、废输送带、废胶鞋中的一种或几种。
所述软化油优选为松焦油、环烷油、妥尔油、芳烃油、松香中的一种或几种。
所述活化剂优选为苯基二硫化物、苯硫酚、多烷基苯酚二硫化物、十八烷基胺中的一种或几种。
优选的所述高脱硫度再生橡胶的溶胶含量大于80％，门尼粘度小于1，溶胶分子量大于1万，凝胶交联密度低于5×10-5，多分散系数PDI大于5。
所述的交联剂优选为硫磺粉、促M、TMTD、金属氧化物中的一种或几种。
根据以上所述的制备方法制备的复合废胶粉粒子。
有益效果：
本发明提出了利用双螺杆挤出机的高温、强剪切作用先对低目数的胶粉进行深度脱硫降解，制备高脱硫度再生胶，然后再利用单螺杆挤出机的低温、共混作用按照一定比例掺加高目数胶粉和高脱硫度再生胶及少量的交联剂，制备复合废胶粉粒子。这种复合废胶粉粒子，高脱硫度再生胶中的线性大分子均匀裹附于胶粉表面，同时利用交联剂的微交联作用，形成一种线性大分子-交联结构的“核壳”结构。这种结构中的大量线性分子可以在沥青中相互缠结，继而形成稳定的胶粉-沥青网状结构，达到制备稳定存储的胶粉改性沥青的目的。具体如下：
(1)利用双螺杆挤出机制备高脱硫度再生橡胶，可有效地控制传统的废橡胶再利用过程中产生的废水、废气等“二次污染”，属于真正意义上的废橡胶环保型再生利用；
(2)利用单螺杆挤出机的均匀分散，高脱硫度再生胶可以均匀的物理裹附在胶粉粒子表面，同时利用交联剂的微交联，促使高脱硫度再生胶与胶粉粒子形成微化学交联，继而形成稳定的“核壳”结构，这种“核壳”结构在沥青中相互缠结，形成稳定的网状结构，达到改善胶粉改性沥青存储稳定性的目的；
(3)高脱硫度再生橡胶，线性分子含量高(高于80％)，平均分子量大(大于1万)，多分散系数大(PDI＞5)，凝胶交联密度小。由于PDI大，其中的小分子量溶胶与基质沥青的芳香份类似，在改性沥青时可以补充由于胶粉粒子溶胀导致的芳香份缺失，改善改性沥青的高温粘度，便于改性沥青生产、运输和拌合；
(4)高脱硫度再生橡胶，其表观很黏，门尼粘度很低，不便于储存、运输，加入普通胶粉混合、造粒后，可以解决这种难题，便于高脱硫度再生胶的包装、储存和运输。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的内容，将通过具体实施例进一步详细地说明。
下面将通过仅使用普通橡胶粉的对比例1、2，与按照本发明方法制备的胶粉粒子进行改性的实施例1-11进行对比，示出使用本发明的胶粉粒子改性与普通胶粉改性的性能差异。
以下实施例中的稳定剂采用硫磺粉、氧化锌、硬脂酸、TMTD的复合稳定剂，其质量比为：硫磺粉80wt％，氧化锌5wt％，硬脂酸10wt％，TMTD5wt％，稳定剂也可以是硫磺粉、含硫化合物中的一种或几种的混合物。交联剂采用硫磺粉。
以下实施例中高度脱硫再生胶制备用的胶粉为5目的全胎子午胶胶粉，也可以是小轿车胎、力车胎、输送带胶粉。
以下实施例中改性沥青的高目数胶粉为40目的全胎子午胶胶粉，也可以是小轿车胎、力车胎、输送带胶粉。
以下实施例中高度脱硫再生胶用的软化油为环保型松焦油，也可以是妥尔油、环烷油、松香、芳烃油中的一种。
以下实施例中高度脱硫再生胶用的活化剂为420，也可以是450、480或者是二苯基二硫、苯硫酚、十八烷基胺中的一种或几种混合物。
以下实施例中，将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比于高速搅拌机中在80℃左右预处理20min左右,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，控制双螺杆不同区段温度在100-380℃。其中，第一段：150-200℃，第二段：250-300℃；第三段：300-350℃；第四段：300-350℃；第五段：150-200℃。控制螺杆转速在20-70rpm。反应5-20min后从口模连续挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机。同时通过料斗计量加入高目数胶粉和交联剂的均匀混合物，控制单螺杆挤出机机筒温度在100-150℃；控制螺杆转速30-100rpm。均匀挤出后，经过水冷造粒制备复合废胶粉粒子。
对比例1：
按基质沥青重量比称取20％40目橡胶粉，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
对比例2：
按基质沥青重量比称取25％40目橡胶粉，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例1：
将5目橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：5：2于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为80：20：0.1加入40目胶粉，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取30％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例2：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：10：1于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为70:30:0.3加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取30.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例3：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：15：3于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为60:40:0.5加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取30.2％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例4：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：5：1于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为60:40:0.6加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取30.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例5：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：5：3于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为80:20:0.2加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取30.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例6：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：18：0.5于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为75:25:0.2加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取35.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例7：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：3：4于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为70:30:0.2加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取40.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例8：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：20：0.3于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为65:35:0.2加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取40.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例9：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：5：2于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为60:40:0.2加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取35.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例10：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：5：2于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为55:45:0.2加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取30.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
实施例11：
将橡胶粉、软化油、活化剂按照重量比为100：5：2于高速搅拌机中在70℃预处理15min,计量加入到第一阶双螺杆挤出机，经剪切、反应后从口模挤出高度脱硫再生胶。随后，高度脱硫再生胶通过连接器计量进入到第二阶单螺杆挤出机，同时调整料斗进料速度按照高度脱硫再生胶、40目胶粉、交联剂重量比为50:50:0.2加入40目胶粉和交联剂，均匀混合、挤出，经过水冷造粒制备复合胶粉粒子。按基质沥青重量比称取25.1％复合胶粉粒子，加入到基质沥青中快速搅拌15min，随后搅拌加入0.4％的稳定剂，利用胶体磨研磨1遍(10min)，并在170-175℃下孕育4小时，制得改性沥青并测试改性沥青性能。
表1高脱硫度再生胶物理性能
表2改性沥青性能
将实施例中改性沥青材料加入到沥青混合料中，通过马歇尔实验、高温稳定性实验、水稳定性实验、低温抗裂性能实验，实验结果如下：
表1和表2可以看出，高脱硫度再生胶与胶粉复合粒子改性沥青的热储存稳定性要明显优于普通胶粉改性沥青的热储存稳定性，同时，本发明的复合胶粉粒子的各项改性沥青指标优于或不差于普通胶粉改性沥青且掺量可大大提升而不影响高温粘度，便于生产施工。不同掺量的交联剂对胶粉复合粒子的热储存稳定性存在影响，过高或过低的交联剂会直接影响改性沥青的热储存稳定性以及改性沥青高低温性能。此外，不同脱硫程度的再生胶复合胶粉粒子对改性沥青的高低温性能，对改性沥青高温粘度以及热储存稳定性的影响尤为显著。复合胶粉粒子中的高脱硫度再生胶的比例对改性沥青的各项指标有非常显著的影响，软化点、低温延度以及热储存稳定性的影响尤为显著。复合胶粉粒子中的高脱硫度再生胶的比例越高、低温延度越好，而热储存稳定性也随之变好。但是，过高比例的高度脱硫再生胶会影响胶粉复合粒子的包装、存储以及运输的便捷性。总之，在本发明限定的范围内，各性能能够得到一个综合的提高。
表3可以看出，与普通废胶粉改性沥青混合料相比(对比例1、2)，本发明制备的沥青混合料的油石比基本与之持平，具备较好的经济性。同时，与普通废胶粉改性沥青混合料相比(对比例1、2)，本发明制备的沥青混合料的水稳定性更优异，且抗高温车辙稳定性以及低温开裂性能指标也更加优异。
本发明的复合胶粉粒子改性沥青很好的解决了单纯胶粉改性沥青的热储存稳定性不佳的问题，其改性沥青及混合料的高低温性能指标整体明显优于普通胶粉改性沥青，也解决了高度脱硫再生胶的包装、存储、运输难题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，采用前述的优选工艺条件、质量比和不同添加剂组分进行多组试验，均可得到上述改良的结果。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种可稳定存储的复合废胶粉粒子的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)将质量比为100：3-20：0.3-4的低目数橡胶粉、软化油、活化剂于高速搅拌机中预处理后加入到第一阶螺杆挤出机，所述的第一阶螺杆挤出机为双螺杆挤出机，控制双螺杆不同区段温度在100-380℃，物料压力在2-20MPa，反应5-20min后从口模连续挤出高脱硫度再生橡胶；
(2)将所述高脱硫度再生橡胶加入第二阶螺杆挤出机，再加入高目数橡胶粉和交联剂，其中高目数橡胶粉、高脱硫度再生橡胶、交联剂的质量比为20-50:50-80:0.1-0.6，机筒压力2-20MPa，挤出、造粒制备复合废胶粉粉粒子；
其中所述低目数橡胶粉为5-30目，高目数橡胶粉为40-200目。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述预处理为在50-100℃下搅拌10-30min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述橡胶粉为废轮胎、废输送带、废胶鞋中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述软化油为松焦油、环烷油、芳烃油、松香中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述活化剂为苯基二硫化物、苯硫酚、多烷基苯酚二硫化物、十八烷基胺中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的交联剂为硫磺粉、促进剂M、促进剂TMTD、金属氧化物中的一种或几种。
7.根据权利要求1-6任一所述的制备方法制备的复合废胶粉粒子。
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