CN110455841A - 一种沥青及其改性剂的微观结构分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种沥青及其改性剂的微观结构分析方法，属于改性沥青微观结构分析技术领域，主要解决了目前只使用一种表征方法无法全面、立体、清晰地分析沥青及其改性剂的微观结构的问题。本发明首先制备SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青的中子小角散射样品，对样品做中子小角散射测试，得到初始实验数据并进行处理，从而获得绝对强度散射曲线，然后通过对各样品地绝对强度散射曲线进行不同模型的拟合以定量地分析SBS改性剂、基质沥青、SBS改性沥青的微观结构。通过对沥青及其改性剂微观结构的分析，可以更好地揭示SBS改性沥青的改性机理，建立改性沥青微观结构和其宏观性能的关系，从而能更好地提高SBS改性沥青的性能以及沥青路面的服务水平和使用寿命。

Description

一种沥青及其改性剂的微观结构分析方法
技术领域
本发明是一种沥青及其改性剂的微观结构分析方法，属于改性沥青微观结构分析技术领域。
背景技术
沥青是道路施工的主要材料，与水泥路面相比，沥青路面具有行车舒适、平稳而低噪音、维修方便等优点，是各国高速公路建设的首选。近年来，我国的经济取得了飞速的发展，城市汽车保有量的急速提升，高速公路车流量的逐年增大，给各级道路的使用带来了新的挑战，尤其对高等级公路沥青路面性能的要求越来越严，但是沥青路面在高温季节容易泛油，低温季节容易开裂，使路面的服务水平和使用质量受到影响。为了提高沥青材料的性能，一种新型的沥青-改性沥青应运而生。目前，聚合物改性沥青是最常见的改性沥青是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性沥青。它可以明显改善沥青在感温性、高温稳定性、低温抗裂性、抗老化性能方面存在的问题。鉴于SBS改性沥青在我国的广泛使用，研究其改性机理是十分有必要的，而对沥青及其改性剂的微观结构的分析有助于改性机理的研究。
沥青是由原油中提炼而出的，包含上百万种分子，是石油种相对分子量最大，组成结构最为复杂的部分。当SBS加入到基质沥青中后，SBS颗粒吸收、溶胀了沥青中的轻质组分，形成了立体网状结构，改变了沥青原有的成分和组织架构。同时，改性沥青属于高分子聚合物混合材料，微观分子构造十分的复杂难以分析。因此，在改性沥青的微观化学组成和宏观性能之间建立直接关系是具有挑战性的。
然而，沥青的微观结构与其组分密切相关，而且对沥青及其改性剂的性能和发展也有很大的影响。目前有多种技术可以用来表征沥青微观结构，包括像沥青分散相的尺寸和形状等的参数。最常用的表征沥青微观结构的技术是显微镜，如光学显微镜(OM，包括荧光显微镜)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)等。由于基质沥青和改性剂的折射率相差较大，OM法是目前分析改性剂对基质沥青微观结构影响的最广泛、最有效的方法，但在应用过程中存在制样困难和显微结构表征不清楚等缺陷。
研究表明，可以通过SEM和TEM观察到分散在饱和分和芳香分连续相中的沥青质胶束的亚微米胶体结构，沥青质胶束的尺寸通常在几纳米到几百纳米的之间。但是SEM和TEM的主要的缺点是它只能观测局部区域，可能会产生较大的统计误差，同时，被测样品在成像前需要在溶剂中溶解，这可能会影响沥青胶束的微观结构。
AFM是利用原子级的探针来提供有关样品表面的结构信息。通过AFM技术在沥青表面可以观察到各种微观结构，如细观结构，片状结构，蜂状结构的胶束等。但是，AFM存在只能探测改性沥青表面的微观结构的限制。因此，仅用二维表面微观结构来代表沥青的微观结构是存在问题的。
近年来，散射的测试方法，如X射线和小角度中子散射(SANS)可以克服上述直接成像技术的许多局限性。X射线散射显示了沥青中3～6nm的多分散的沥青质颗粒，但低对比度限制了沥青微观结构的测量。而中子小角散射作为一种纳米材料的研究手段开始广泛应用起来，它是一种无损探测材料内部纳米结构特征的有效工具，它可以探测到几个到几百纳米尺度范围内的信息，在定量表征含能材料内部多相界面、孔洞分布特征方面具有广泛应用价值。
综上所述，目前的显微镜技术存在只能表面、局部地表征沥青的微观结构的问题，同时也存在着检测技术会影响沥青微观结构的问题，因此，当前如何更加全面、精确地表征改性沥青的微观结构，解决运用显微镜技术所存在的问题已经成为研究改性沥青微观结构的重点之一。
本发明利用中子小角散射测试可以解决显微镜和X射线衍射测试方法用来表征改性沥青微观结构存在的问题的优势，同时有研究者使用SANS技术对沥青质微观结构进分析，验证了SANS是研究沥青及其改性剂微观结构的一种可行方法。因此，本发明提出了一种利用中子小角散射试验并对得出数据进行整理以分析基质沥青及其改性剂微观结构的方法。
发明内容
(1)技术问题
本发明提供了一种沥青及其改性剂的微观结构分析方法，该方法从研究基质沥青及SBS嵌段共聚物的纳米级的结构的角度来研究改性沥青的微观结构，从而解决了目前使用OM显微结构表征不足；SEM、TEM只能观测到局部信息；AFM只能检测到表面的微观结构的问题，即解决了只用一种表征方法无法全面、立体、清晰、定量、准确地分析沥青及其改性剂的微观结构的问题。
(2)技术方案
鉴于目前用于表征SBS改性沥青微观结构的检测技术存在着精准性差的问题，本发明主要利用中子小角散射试验，本发明提供了一种沥青及其改性剂的微观结构分析方法，从而能更好地建立改性沥青微观结构与宏观性能的关系，使SBS改性能力得到提高。本发明技术方案如下：首先制备SBS、基质沥青和SBS改性沥青的中子小角散射样品，然后对待测样品做小角散射测试，测得SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青各试验样品原始试验数据和中子小角散射谱，以及非样品的原始试验数据，利用中子小角散射谱并对中子小角散射实验数据进行处理，从而获得SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青的绝对强度散射曲线，最后通过对绝对强度散射曲线进行不同的拟合以分析SBS、基质沥青、SBS改性沥青的微观结构。
(3)有益效果
由于现代公路交通量大，单轴轴载重，超载重载车辆增多，交通趋于渠化，普通的基质沥青难以满足高等级公路的使用要求，近年来新建的高速公路大多采用了聚合物改性沥青作为结合料。在聚合物改性剂中，热塑性弹性体是改性沥青首选的改性剂，其中SBS应用最广泛，占改性沥青总量的60％以上，它具有提高沥青路面高温抗车辙、低温抗开裂、抗水损害、抗剥落、耐久性的综合性能，而SBS改性沥青的微观结构组成影响了其宏观性能。因此，分析SBS改性沥青的微观结构具有十分重要的意义。
本发明提供了一种基质沥青、SBS改性剂以及SBS改性沥青的微观结构分析方法，主要是利用中子小角散射的测试方法来研究其纳米级结构。相对于其它表征技术，中子小角散射技术作为改性沥青复杂微结构研究的工具有几个独特的优点：一是中子对同位素敏感，进而利用特有的衬度变换技术结合绝对散射强度测量，可分类、定量地获取沥青及其改性剂内部的复杂微结构；二是中子在材料中具有良好的穿透能力，对于改性沥青这种复合材料都能够进行无损测量，且能统计性地获取样品的微结构信息；三是中子散射谱仪具有较大的样品空间，容易对样品进行温度、力学环境加载，可以原位研究改性沥青的微结构演化。
因此，本发明提供了一种直接、快速地表征沥青及其改性剂的微观结构的方法，以更好地揭示并完善了SBS改性沥青的改性机理，本发明测定的沥青及其改性剂的微观形态特征的重要参数，可用于进一步建立改性沥青微观结构和其宏观性能的关系，从而能更好、更准确地提高SBS改性沥青的性能，提高沥青路面的服务水平和使用寿命。
具体实施方式
本发明提供了一种沥青及其改性剂的微观结构的分析方法，具体实施步骤如下：
(1)分别称取一定量SBS改性剂和基质沥青，加热沥青至170℃，加SBS改性剂，经高速剪切搅拌制备不同SBS掺量的改性沥青试样；
(2)将SBS粉末置于的中子小角散射试验仪的专用样品容器中，轻轻振动使SBS改性剂粉末均匀饱满地分布于样品盒中，并保证SBS改性剂粉末被压实，用塑料薄膜封好，制得SBS改性剂的中子小角散射散射试验样品；
(3)将基质沥青和SBS改性沥青加热至流动状态，倒入石英样品盒中，用两片平行的玻璃片将沥青试样夹成1mm厚的表面平整、厚度均匀的中小小角散射试验样品，做好密封措施；
(4)对制备的SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青试验样品在不同温度下进行中子小角散射试验，包括透过率测量、本底测量和样品测量，测得SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青各试验样品原始试验数据和中子小角散射谱，以及非样品的原始试验数据；
(5)依据试验获得的各样散射谱，对测得的各样品的中子小角散射原始试验数据依次进行扣本底修正和绝对强度修正，获得SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青试验样品的绝对强度散射曲线，以分析SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青的微观结构；
(6)对基质沥青的绝对强度散射曲线作分形-核-壳(fractal-core-shell)模型的拟合，对SBS改型和SBS改性沥青的绝对强度散射曲线作微乳静态散射(Teubner-Strey)模型的拟合，将得到的SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青拟合曲线与SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青的绝对强度散射曲线作对比，进一步定量地分析SBS改性剂、基质沥青的微观结构。

Claims (1)

1.一种沥青及其改性剂的微观结构的分析方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
(1)分别称取一定量SBS改性剂和基质沥青，加热沥青至170℃，加SBS改性剂，经高速剪切搅拌制备不同SBS掺量的改性沥青试样；
(2)将SBS粉末置于的中子小角散射试验仪的专用样品容器中，轻轻振动使SBS改性剂粉末均匀饱满地分布于样品盒中，并保证SBS改性剂粉末被压实，用塑料薄膜封好，制得SBS改性剂的中子小角散射散射试验样品；
(3)将基质沥青和SBS改性沥青加热至流动状态，倒入石英样品盒中，用两片平行的玻璃片将沥青试样夹成1mm厚的表面平整、厚度均匀的中小小角散射试验样品，做好密封措施；
(4)对制备的SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青试验样品在不同温度下进行中子小角散射试验，包括透过率测量、本底测量和样品测量，测得SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青各试验样品原始试验数据和中子小角散射谱，以及非样品的原始试验数据；
(5)依据试验获得的各样散射谱，对测得的各样品的中子小角散射原始试验数据依次进行扣本底修正和绝对强度修正，获得SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青试验样品的绝对强度散射曲线，以分析SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青的微观结构；
(6)对基质沥青的绝对强度散射曲线作分形-核-壳(fractal-core-shell)模型的拟合，对SBS改型和SBS改性沥青的绝对强度散射曲线作微乳静态散射(Teubner-Strey)模型的拟合，将得到的SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青拟合曲线与SBS改性剂、基质沥青和SBS改性沥青的绝对强度散射曲线作对比，进一步定量地分析SBS改性剂、基质沥青的微观结构。
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