CN110719940B - 包含热固性反应性化合物的沥青组合物 - Google Patents
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Abstract
一种沥青组合物，其包含基于组合物总重量为0.1‑10.0重量％的选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺‑甲醛树脂的热固性反应性化合物，其中基于组合物总重量，至少18重量％为在石油溶剂中沉降系数大于5000Sved的颗粒。
Description
描述
本发明主要涉及一种沥青组合物，其包含选自聚合MDI、环氧和三聚氰胺-甲醛的热固性反应性化合物作为沥青改性剂，其中基于组合物的总重量，至少18重量％为在石油溶剂中沉降系数大于5000Sved的颗粒。
本发明还涉及一种制备沥青组合物的方法。本发明的沥青组合物表现出增加的沥青功能温度范围和改善的抗变形性能，例如沥青的可用温度范围、增加的弹性和较低的变形潜力。
通常，沥青是一种胶态材料，其包含归类为沥青质和软沥青质的不同分子种类。沥青是粘弹性和热塑性的，在从极冷到极热的温度范围内，其性能会发生变化。沥青在炎热天气下趋于软化，且在极冷情况下趋于破裂。在低温下，沥青会变脆且容易破裂，而在升高的温度下，沥青会软化并丧失物理性能。
分别添加热固性反应性组分作为粘合剂(更一般地称为改性剂)可使得沥青的物理性能在一定温度范围内保持更恒定，和/或在沥青所经受的温度范围内改善物理性能。
分别由添加的粘合剂或改性剂改性的该沥青在现有技术中已经知道多年。然而，在沥青工业中仍然需要改进的沥青。这部分是因为当前已知的聚合物改性的沥青具有许多缺陷。这些包括对例如永久变形(车辙)、弯曲疲劳、湿气、低温操作下弹性降低的敏感性。
WO 01/30911A1公开了一种沥青组合物，其包含基于组合物总重量为约1-8重量％的聚合MDI，其中所述聚合MDI具有至少2.5的官能度。该发明还涉及一种制备所述沥青组合物的方法，其使用小于2小时的反应时间。产物MDI-沥青的形成由产物粘度的增加而度量，或者更优选由动态力学分析(DMA)而度量。
WO 01/30912A1公开了一种水性沥青乳液，其除了沥青和水之外还包含可乳化的多异氰酸酯。其还涉及包含所述乳液的骨料组合物，以及制备所述组合物的方法
WO 01/30913A1公开了一种沥青组合物，其包含基于该组合物总重量为约1-5重量％的聚合MDl基预聚物，其中所述聚合MDl的官能度至少为2.5。其还涉及一种制备所述沥青组合物的方法。
EP 0537638B1公开了聚合物改性的沥青组合物，其包含相对于100重量份沥青为0.5-10重量份的官能化polyoctenamer，以及任选的交联剂，其特征在于polyoctenamer主要为反式polyoctenamer并且含有羧基，以及由例如马来酸衍生的基团。
因此，非常需要提供一种沥青组合物和相关的制备方法，其可避免与现有技术有关的所有缺点，例如有限的可用温度区间、有限的弹性响应和低软化点。
本发明的一个目的是提供一种沥青组合物，其在一定温度范围内具有更恒定的性能，从而显示出改善的物理性能。此外，寻求一种沥青组合物，其显示出增加的可用温度区间(UTI)的增加，降低的不可回复的蠕变柔量(Jnr)，增加的弹性响应，增加的额定载荷，分别在交通水平增加或速度降低的情况下降低的永久沥青形变，良好的附着力，增加的软化点以及减少的针入度。
此外，提供了相应沥青组合物制备方法。
沥青组合物的不同物理性能通过本领域已知的不同测试测量，并在实验部分中详细描述。
弹性响应和不可回复的蠕变柔量(Jnr)是在多重应力蠕变回复(MSCR)测试中计算的，在该测试中，使沥青在固定时间内承受恒定载荷。特定时间段内的总形变以％给出，并且对应于粘合剂弹性的度量。此外，可以测量相位角，其示出了改性粘合剂的改善的弹性响应(减小的相位角)。
使用弯曲梁流变仪(BBR)来测定沥青在低温下的刚度，通常是指沥青的弯曲刚度。在该测试中测定两个参数：蠕变刚度是沥青抗恒定载荷的度量，蠕变率(或m值)是施加载荷时沥青刚度如何变化的度量。如果蠕变刚度过高，则沥青将表现为脆性，并且更可能发生破裂。高m值是理想的，因为温度变化和热应力累积，刚度将较快地变化。高m值表明沥青趋于分散应力，否则应力将累积到可能发生低温开裂的水平。
因此，发现了一种沥青组合物，其包含基于组合物总重量为0.1-10.0重量％的选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺-甲醛树脂的热固性反应性化合物，其中基于组合物的总重量，至少18重量％为在石油溶剂中沉降系数大于5000Sved的颗粒。
根据本发明的另一方面，提供了一种制备沥青组合物的方法，其包括以下步骤：
a)将起始沥青加热到110-190℃的温度，
b)在搅拌下加入所需量的热固性反应性化合物，
c)在步骤b)之后，将反应混合物在110-190℃的温度下搅拌至少2.5小时，
其中所述反应在氧气气氛下进行。
所述方法实现了本发明的目的。此外，提供了沥青组合物用于制备沥青混合料组合物的用途。
令人惊讶地发现，本发明的沥青组合物显示出提高的软化点和降低的针入度，从而导致增加的可用温度区间，增加的弹性响应，良好的附着力和增加的额定载荷，以及减少的沥青永久变形的潜力。
不受该理论的束缚，目前认为这是由于基于组合物总重量为至少18重量％量的颗粒具有大于5000Sved的沉降系数所致。需要胶态结构的特定形貌以获得所得性能。热固性反应性化合物与沥青组分中的酚基、羧基、硫醇基、酸酐基和/或吡咯基或任何反应性基团反应，并将沥青质连接在一起，从而导致所得沥青组合物中的颗粒更大。
在权利要求和说明书中说明了优选的实施方案。应理解的是，优选实施方案的组合处于本发明的范围内。
根据本发明，沥青组合物包含选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺-甲醛树脂的热固性反应性化合物。
通常，本发明所用的沥青可为任何已知的沥青，并且通常涵盖任何沥青复合物。其可为任何称为柏油或沥青的材料，例如馏出物，吹制沥青，高真空和稀释沥青，以及还有例如沥青混凝土，浇铸沥青，沥青砂胶和天然沥青。例如，可使用具有例如80/100或180/220针入度的直接蒸馏的沥青。例如，沥青可不含粉煤灰。
优选地，沥青的针入度为20-30、30-45、35-50、40-60、50-70、70-100、100-150、160-220、250-330或性能等级为52-16、52-22、52-28、52-34、52-40、58-16、58-22、58-28、58-34、58-40、64-16、64-22、64-28、64-34、64-40、70-16、70-22、70-28、70-34、70-40、76-16、76-22、76-28、76-34、76-40，更优选沥青的针入度为30-45、35-50、40-60、50-70、70-100、100-150、160-220或性能等级为52-16、52-22、52-28、52-34、52-40、58-16、58-22、58-28、58-34、58-40、64-16、64-22、64-28、64-34、70-16、70-22、70-28、76-16、76-22，最优选沥青的针入度为40-60、50-70、70-100、100-150或性能等级为52-16、52-22、52-28、52-34、52-40、58-16、58-22、58-28、58-34、64-16、64-22、64-28、70-16、70-22、76-16、76-22。
通常，热固性反应性化合物是可与归类为相应沥青的沥青质和软沥青质的不同分子种类发生化学反应并有助于产生胶态结构的特定形貌的化合物，从而导致沥青的物理性能在宽温度范围内保持更加恒定，和/或甚至改善沥青所经受的温度范围的物理性能。
本发明的热固性反应性化合物选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺-甲醛树脂。
通常，聚合MDI是本领域所已知的，并且称为聚亚甲基聚亚苯基多异氰酸酯，并且还称为聚亚芳基多异氰酸酯或聚苯基甲烷多异氰酸酯。其可包含不同量的异构体，例如4,4'-、2,2'-和2,4'-异构体。优选地，4,4'-MDI异构体的量为26-98％，更优选为30-95％，最优选为35-92％。优选地，聚合MDI的2环含量为20-62％，更优选为26-48％，最优选为26-42％。
其还可包含含有碳二亚胺、脲酮亚胺、异氰脲酸酯、尿烷、脲基甲酸酯、脲或缩二脲基团的改性变体。这在下文全部称为pMDI。优选地，本发明所用的pMDI具有至少2.3，更优选至少2.5，最优选至少2.7，例如2.8、2.9或3.0的平均异氰酸酯官能度。
通常，聚合MDI的纯度不限于任何值，优选本发明所用的pMDI具有1-100ppm，更优选1-70ppm，最优选1-60ppm的铁含量。
通常，环氧树脂是本领域中所已知的，并且根据本发明使用的环氧树脂的化学特性没有特别的限制。优选地，环氧树脂是一种或更多种芳族环氧树脂和/或脂环族环氧树脂；更优选地，环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)、双酚F二缩水甘油醚、环氢化双酚A二缩水甘油醚、环氢化双酚F二缩水甘油醚、双酚S二缩水甘油醚(DGEBS)、四缩水甘油基亚甲基二苯胺(TGMDA)、环氧线型酚醛清漆(环氧氯丙烷和酚醛树脂的反应产物(酚醛清漆))、脂环族环氧树脂如3,4-环氧基环己烷甲酸3,4-环氧基环己基甲基酯和二缩水甘油基六氢邻苯二甲酸酯；最优选地，环氧树脂为双酚A二缩水甘油醚和/或双酚F二缩水甘油醚和这两种环氧树脂的混合物。
通常，三聚氰胺-甲醛树脂是本领域所已知的，并且主要是三聚氰胺与甲醛的缩合产物。取决于所需的应用，其可例如通过与多元醇反应而改性。本发明所用的三聚氰胺-甲醛树脂的化学特性没有特别的限制。
优选地，三聚氰胺-甲醛树脂涉及三聚氰胺水性树脂混合物，其树脂含量基于三聚氰胺水性树脂混合物为50-70重量％，其中三聚氰胺和甲醛以1:3至1:1的摩尔比存在于树脂中，更优选三聚氰胺和甲醛以1:1.3至1:2.0的摩尔比存在于树脂中，最优选三聚氰胺和甲醛以1:1.5至1:1.7的摩尔比存在于树脂中。
三聚氰胺-甲醛树脂可包含1-10重量％的多元醇，优选3-6重量％的多元醇，更优选3-6重量％的C2-C12二醇，例如二甘醇、丙二醇、丁二醇、戊二醇和/或己二醇，特别是二甘醇。
作为其他添加剂，三聚氰胺-甲醛树脂可包含0-8重量％的己内酰胺和0.5-10重量％的2-(2-苯氧基乙氧基)乙醇和/或具有200-1500的平均分子量的聚乙二醇，各自基于水性三聚氰胺树脂混合物。
根据本发明，基于沥青组合物的总重量，沥青组合物中的选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺-甲醛树脂的热固性反应性化合物的量不超过10.0重量％。优选不超过5.0重量％，更优选不超过4.0重量％，最优选不超过3.0重量％，基于沥青组合物的总重量。根据本发明，沥青组合物中的选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺-甲醛树脂的热固性反应性化合物的量为至少0.1重量％，优选为至少0.5重量％，更优选为至少0.7重量％，最优选为至少0.9重量％，基于沥青组合物的总重量。例如，沥青组合物中的选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺-甲醛树脂的热固性反应性化合物的量可为0.5-1.8重量％，0.8-1.7重量％，1.0-1.9重量％，1.1-2.0重量％，1.8-3.2重量％，2.1-3.7重量％，或0.5-2.5重量％。
通常，热固性反应性化合物的量可取决于各沥青的组成。对于针入度低于85的硬质沥青，可能需要较少的热固性反应性化合物，例如pMDI；对于针入度高于85的软质沥青，可能需要较大量的相应热固性反应性化合物，例如pMDI。不受该理论的束缚，目前认为由于不同沥青中沥青质的浓度不同，需要重新调节热固性反应性化合物的量。在对应于针入度高于85的软质沥青中，沥青质被稀释，因此浓度降低，这需要较大量的相应热固性反应性化合物(例如pMDI)和更多的氧化作用，这可通过沥青组合物制备方法中的氧气气氛来提供，以达到更好的性能。
通常，对于针入度低于85(对应于具有至少64的高温极限的性能等级)的沥青，沥青组合物中的选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺-甲醛树脂的热固性反应性化合物的量可为0.1-3.0重量％，优选热固性反应性化合物的量不超过2.5重量％，最优选不超过2.3重量％，特别是不超过2.0重量％，并且热固性反应物的量为至少0.1重量％，优选为至少0.5重量％，更优选为至少0.7重量％，最优选为至少1.0重量％，基于沥青组合物的总重量。
通常，对于针入度高于85(对应于具有64或更低的高温极限的性能等级)的沥青，沥青组合物中的选自聚合MDI、环氧树脂和三聚氰胺-甲醛树脂的热固性反应性化合物的量可为2.0-10.0重量％，优选热固性反应性化合物的量不超过5.0重量％，最优选不超过4.5重量％，特别是不超过4.0重量％，并且热固性反应物的量为至少2.0重量％，优选为至少2.5重量％，更优选为至少2.7重量％，最优选为至少3.0重量％，基于沥青组合物的总重量。
通常，通过改性沥青，可改善就不同物理性能而言的沥青性能，例如可以实现提高的弹性响应。
通过使用本发明的沥青组合物，可以实现从一个等级到另一等级的转变。例如，使用2重量％的热固性反应性化合物对沥青pen 50/70进行改性会导致聚合物改性的沥青25/55-55A，或者更硬的等级，例如pen 20/30或30/45，这取决于相应热固性反应性化合物的相应量。这同样适用于具有pen 70-100的沥青，例如使用2重量％的热固性活性化合物将其转变为pen 50-70；或者使用3重量％的热固性反应性化合物将其转变为PmB 25/55-55A。同样对于性能等级，可以实现更高等级的转变，例如，PG 64-22在用2重量％的相应热固性反应性化合物改性后产生PG70-22。
本发明的沥青组合物的性能(例如分别为提高的软化点和降低的针入度，增加的可用温度区间，增加的弹性响应，良好的附着力和增加的额定载荷以及降低的永久沥青变形的潜力)可取决于相应组合物的具有特定沉降系数(其与粒度直接相关)的颗粒浓度。
根据本发明，沥青组合物具有基于组合物总重量为至少18重量％的在石油溶剂中沉降系数大于5000Sved的颗粒。更优选基于组合物重量为20重量％的在石油溶剂中沉降系数大于5000Sved的颗粒，最优选基于组合物总重量为23重量％的在石油溶剂中沉降系数大于5000Sved的颗粒，在石油溶剂中沉降系数大于5000Sved的颗粒基于组合物总重量可为至多100重量％，优选在石油溶剂中沉降系数大于5000Sved的颗粒的量基于组合物总重量为大于95重量％，更优选基于组合物总重量为不大于90重量％，最优选基于组合物总重量为不大于80重量％。例如，基于组合物的总重量，18-75重量％的颗粒在石油溶剂中的沉降系数为15000-170000Sved；例如，基于组合物的总重量，23-65重量％的颗粒在石油溶剂中的沉降系数为25000-140000Sved；或者，例如，基于组合物的总重量，30-52重量％的颗粒在石油溶剂中的沉降系数为22000-95000Sved。
在本发明的上下文中，石油溶剂油是指CAS号:64742-82-1的高沸点石油溶剂油，其具有18％的芳族化合物基准并且沸点为180-220℃。
沉降系数通过与吸光设备组合的超离心法测定。用350nm的波长测量各组分的沉降和浓度。该方法是本领域所已知的，并在实验部分中详细描述。
本发明的沥青组合物可用作现有技术的任何典型沥青组合物。本发明的沥青组合物尤其可用于生产：
-油漆和涂料，特别是防水涂料，
-用于填充接头和密封裂缝的砂胶，
-用于道路、飞机场、运动场等的铺面的砂浆和热浇注表面，
-与石材混合以提供骨料(包含约5-20％的沥青组合物)，例如沥青混合料，-用于上述铺面的热涂层，
-用于上述铺面的表面涂层，
-温拌沥青(WMA)，
-热拌沥青(HMA)。
此外，本发明涉及一种制备本发明的沥青组合物的方法，其包括以下步骤：
a)将起始沥青加热到110-190℃的温度，
b)在搅拌下加入所需量的热固性反应性化合物，
c)在步骤b)之后，将反应混合物在110-190℃的温度下搅拌至少2.5小时，
其中反应在氧气气氛下进行。
例如，本发明的方法可在步骤a)和/或步骤c)中在110-190℃的温度下进行。优选地，温度为110-180℃，更优选为115-170℃，最优选为120-155℃，例如温度为121-152℃。
通常，步骤a)、b)和步骤c)中的温度为110-190℃，并且在每个步骤中可以不同。优选地，三个步骤的每个步骤中的温度是相同的，并且为110-190℃，更优选相同且为110-170℃，最优选相同且为110-160℃。
根据本发明，在制备沥青组合物的方法的步骤b)中，在搅拌下加入所需量的热固性反应性化合物。基于组合物总重量，该所需量可为0.1-10重量％。
通常，该量也可通过电位滴定法确定，其中测定沥青中的反应性基团的量，并将其与相应热固性化合物的反应性基团的当量相关联。滴定方法是本领域所已知的，并在实验部分详细描述。
通常，来自不同供应商的沥青的组成不同，这取决于原油来自哪个储层，以及炼油厂的蒸馏方法。然而，反应性基团的累积总量可为3.1-4.5mg KOH/g。
例如，具有50-70或70-100的针入度的沥青导致pMDI的化学计量量为0.8-1,2重量％。由于在沥青组合物的制备过程中沥青组分在升高的温度下的氧化敏感性，使用进一步过量的异氰酸酯来与新形成的官能团反应。
根据本发明，工艺步骤c)在步骤b)之后进行。将反应混合物在110-190℃的温度下搅拌至少2.5小时，优选混合时间为至少3小时，更优选混合时间为至少3.5小时，最优选混合时间至少为4小时。混合时间可至多为20小时，优选混合时间不超过15小时，更优选混合时间不超过12小时，最优选混合时间不超过9小时。例如，在添加1-1.5重量％的相应热固性化合物之后，混合时间可为2.5-4小时，例如3小时或3.5小时。例如，在添加1.5-5.0重量％的相应热固性化合物之后，混合时间可为4-6小时，例如4.5小时、5小时或5.5小时。例如，在添加5-10.0重量％的相应热固性化合物之后，混合时间可为6-15小时，例如7小时、7.5小时、8小时、8.5小时、9小时、9.5小时、10小时、10.5小时、11小时、11.5小时、12小时、12.5小时、13小时、13.5小时、14小时或14.5小时。
根据本发明，制备本发明沥青组合物的方法必须在氧气气氛下进行。优选地，氧气气氛中的氧气浓度为1-21体积％，更优选氧气气氛中的氧气浓度为5-21体积％，最优选氧气气氛中的氧气浓度为10-21体积％，例如本发明的方法在空气下或在氧气的饱和气氛下进行。
通常，所述方法不限于在一个反应容器例如容器中进行。在第一步骤中，可在上述条件下，例如在110-190℃的温度下在氧气下，使相应的沥青与热固性反应性化合物反应例如1小时。然后可将沥青冷却，转移到不同的反应容器中，在转移之后加热，以使得在氧气下的总反应时间为至少2.5小时。不受该理论的束缚，目前认为，步骤a)和b)(第一步骤)是将混合物均化并且引发沥青的反应性基团与相应热固性反应性化合物的反应性基团的反应。可将热固性反应性化合物负载到沥青质表面上。概括为步骤c)的第二或额外的加热步骤是通过氧化来辅助交联反应。
本发明沥青组合物的实例
Z1：基于组合物的总重量，1.0-1.8重量％的聚合MDI，其中基于组合物的总重量，18-65重量％为在石油溶剂中具有8000-200000Sved沉降系数的颗粒。
Z2：基于组合物的总重量，1.8-3.2重量％的聚合MDI，其中基于组合物的总重量，22-70重量％为在石油溶剂中具有20000-140000Sved沉降系数的颗粒。
Z3：基于组合物的总重量，1.2-2.2重量％的聚合MDI，其中基于组合物的总重量，33-68重量％为在石油溶剂中具有28000-1000000Sved沉降系数的颗粒。
Z4：基于组合物的总重量，1.2-1.6重量％的聚合MDI，其中基于组合物的总重量，33-85重量％为在石油溶剂中具有25000-150000Sved沉降系数的颗粒。
Z5：基于组合物的总重量，1.5-2.0重量％的聚合MDI，其中基于组合物的总重量，22-58重量％是在石油溶剂中具有20000-250000Sved沉降系数的颗粒。
Z6：基于组合物的总重量，2.3-2.9重量％的聚合MDI，其中基于组合物的总重量，27-82重量％为在石油溶剂中具有12000-370000Sved沉降系数的颗粒。
Z7：基于组合物的总重量，3.0-3.6重量％的聚合MDI，其中基于组合物的总重量，19-62重量％为在石油溶剂中具有15000-135000Sved沉降系数的颗粒。
Z8：基于组合物的总重量，1.6-3.5重量％的聚合MDI，其中基于组合物的总重量，31-50重量％为在石油溶剂中具有17000-500000Sved沉降系数的颗粒。
实施例和对比例
制备沥青组合物的一般程序
将2.5kg表3-6中各等级的沥青在氧气气氛和400rpm下在油浴中(温度设定为150℃)加热至140℃。当达到100℃的内部温度时，将50g根据表3-6的各热固性反应性化合物添加至熔融的沥青中。将反应在140℃下进一步处理420分钟，然后在室温下冷却。将样品分装到罐中以进行进一步测试，并在室温下储存。
对于对比例Comp1、Comp2和Comp3，将2.5kg根据表3-5的各等级的沥青在氧气气氛和400rpm下在油浴(温度设定为150℃)中加热至140℃达420分钟，然后在室温下冷却。将样品分装到罐中以进行进一步测试，并在室温下储存。
对于实施例3(Ex3)，将3000g沥青64-22在密闭容器中在150℃的烘箱中加热2小时。预热的样品为150℃，然后取下盖子，将其绑扎在氧气气氛下的加热罩中。在电加热罩中以20％的混合器速度在沥青中使用温度控制器将温度保持在150℃的△2℃内。当达到150℃的内部温度时，将60g官能度为2.7的pMDI(As20)添加到熔融的沥青中。将反应在150℃下进一步处理150分钟。将样品分装到罐中，然后通过将其加热至150℃而开始测试，并将其与18.9L容器分开。
对于实施例4(Ex4)，将3000g沥青64-22在密闭容器中在150℃的烘箱中加热2小时。预热样品为150℃，然后取下盖子，将其绑扎在氧气气氛下的加热罩中。在电加热罩中以20％的混合器速度在沥青中使用温度控制器将温度保持在150℃的△2℃内。当达到150℃的内部温度时，将60g官能度为2.9的pMDI(As70)添加到熔融的沥青中。将反应在150℃下进一步处理150分钟。将样品分装到罐中，然后通过将其加热至150℃而开始测试，并将其与18.9L容器分开。
对于实施例5(Ex5)，将2.5kg的沥青70-100在氧气气氛和400rpm下在油浴中(温度设定为150℃)加热至140℃。当达到100℃的内部温度时，将45g pMDI As20(1.8重量％)添加到熔融的沥青中。将反应在140℃下进一步处理420分钟，然后在室温下冷却。然后，使用分析型超离心机将样品用于测定沥青组合物的颗粒部分，参见表2。
对于对比例Comp4，将2.5kg的沥青70-100在氧气气氛和400rpm下在油浴中(温度设定为150℃)加热至140℃。当达到100℃的内部温度时，将45g pMDI As20添加到熔融的沥青中。将反应在140℃下进一步处理30分钟，然后在室温下冷却。然后，使用分析型超离心机将样品用于测定沥青组合物的颗粒部分，参见表2。
对于对比例Comp5，将2.5kg的沥青70-100在氧气气氛和400rpm下在油浴(温度设定为150℃)中加热到140℃达30分钟，然后冷却至室温温度。然后使用分析型超离心机将样品用于测定沥青组合物的颗粒部分，参见表2。实施例中所用的热固性反应性化合物
使用了命名为下文As20的2.7官能度或命名为下文As70的2.9官能度的pMDI。
具有相应官能度的pMDI可例如由以下公司购得：Bayer、BASF SE、Huntsmann等。
检测沥青或沥青组合物或沥青混合料的物理性能的方法
实施例的值根据相应的DIN规定进行检测。
所用方法的详细说明：
沥青测试
针入度DIN EN 1426
在该测试中，测量标准针在沥青试样中的针入度。对于低于(330*0,1)[mm]的针入度，测试温度为25[℃]，载荷为100[g]，加载时间为5[s]。如果预期的针入度超过(330*0.1)[mm]，则必须将测试温度降至15[℃]，并保持载荷和加载时间不变。
软化点DIN EN 1427
将两个水平的沥青盘浇铸在带肩的黄铜环中，在液体浴中以受控的速率加热，同时每个盘支撑一个钢球。软化点报告为两个盘软化到足以使每个包裹在沥青中的小球掉落(25±0.4)[mm]距离时的平均温度。
测力延度DIN EN 13589
将沥青浇铸到两端都有环的模具中。将试样在水浴中回火后，将其借助延度计的夹中的环固定。在预先规定的温度(在这种情况下为20[℃])的水浴中，以50[mm/分钟]的速度拉动试样，直到其破裂或达到至少400[mm]。在整个测试期间测量力和形变。
旋转薄膜烘箱测试DIN EN 12607-1
将沥青在瓶子中在烘箱中在163[℃]下加热85[分钟]。将瓶子以15[rpm]的速度旋转，并将加热的空气以4000[mL/分钟]在其最低行程点处吹入每个瓶子。由烘箱测试前后测得的物理测试值的变化确定热量和空气的影响。
压力老化容器DIN EN 14769
将RTFOT的残留物放在标准的不锈钢锅中，并在指定的调节温度(90[℃]、100[℃]或110[℃])下在空气加压至2.10[MPa]的容器中老化20[小时]。根据沥青粘合剂的等级(应用)选择温度。最后，将残留物真空脱气。
动态剪切流变仪(DSR)DIN EN 14770-ASTM D7175
动态剪切流变仪测试系统由平行的板、控制试样温度的装置、加载装置以及控制和数据采集系统组成。
温度扫描DIN EN 14770
该测试的目的是测量沥青粘合剂的复数剪切模量和相位角。该测试包括在规定的频率和温度下将直径为8或25[mm]的试样压在平行金属板之间。在这种情况下，一个平行板相对于另一个平行板以1.59[Hz]和角偏转幅度振荡。必须选择所需的幅度，以使测试在线性行为范围内。在30、40、50、60、70、80和90[℃]下重复该操作。
多次应力蠕变回复测试DIN EN 16659-ASTM D7405
该测试方法用于确定沥青粘合剂在剪切蠕变下的弹性响应和在两个应力水平(0.1和3.2[kPa])和指定温度(50[℃])下回复的存在。该测试使用DSR在恒定应力下以恒定应力加载25[mm]达1[s]，然后回复9[s]。在0.100[kPa]蠕变应力下运行10个蠕变和回复循环，然后在3.200[kPa]蠕变应力下运行10个循环。
弯曲梁流变仪DIN EN 14771-ASTM D6648
该测试用于测量沥青粘合剂的简单支撑棱柱梁的中点挠度，该梁承受施加在其中点的恒定载荷。将棱柱试样放置在温度受控的流体浴中，并以恒定测试载荷加载240[s]。使用计算机数据采集系统监控测试载荷(980±50[mN])和试样的中点挠度随时间的变化。由试样的尺寸、支座之间的距离以及施加到试样达8.0、15.0、30.0、60.0、120.0和240.0[s]的加载时间的载荷，计算出试样中点的最大弯曲应力[s]。通过将最大弯曲应力除以最大弯曲应变，计算出特定加载时间下试样的刚度。
沥青混合料测试
循环压缩测试—TP沥青-StB Teil 25 B1
使用单轴循环压缩测试来确定沥青试样的变形行为。在该测试中，将样品在(50±0.3)[℃]下回火(150±10)[分钟]，该温度与进行测试的温度相同。在回火时间后，将样品放置在通用测试仪上并循环加载。每个循环持续1.7[s]，其中加载时间为0.2[s]，暂停1.5[s]。施加的载荷上限为0.35[MPa]，载荷下限为0.025[MPa]。记录循环数和变形。当完成10.000个载荷循环或变形大于40％时，结束测试。
间接拉伸强度测试—TP沥青-StB Teil 23
沥青混合物的间接拉伸强度测试是通过以指定的变形速率(在这种情况下为50±02[mm/分钟])和测试温度(在这种情况下为15±2[℃])在其垂直直径面上加载圆柱试样而进行的。记录失效时的峰值载荷，并用于计算试样的间接拉伸强度。
用于测定沥青中的反应性基团的电位滴定法：
酸值
将约0.5-1g样品溶解在50ml甲苯中，并用0.1mol/l四丁基氢氧化铵溶液进行电位滴定。可向滴定溶液中加入几滴水以确保足够的电导率。还测定了空白值。
碱值
将约0.5-1g样品溶于50ml甲苯中，并用0.1mol/l三氟甲烷磺酸溶液进行电位滴定。可向滴定溶液中加入几滴水以确保足够的电导率。还测定了空白值。
使用分析型超速离心机(AUC)测定沥青组合物的颗粒部分
为了测定沥青组合物的颗粒部分，进行了使用分析型超离心机的分级实验。使用Beckman Optima XL-1(Beckman Instruments，Palo Alto，美国)进行沉降速度测试。使用集成的扫描UV/VIS吸收光学系统。选择350nm的波长。在石油溶剂(CAS号：64742-82-1)中稀释后，在约0.2g/L的浓度下测量样品。为了检测可溶和不可溶部分，离心速度在1000rpm和55,000rpm之间变化。
使用标准分析软件(SEDFIT)确定沉降系数的分布(定义为具有介于s和s+ds之间的沉降系数的物质的重量分数)以及一种沉降级分的浓度。记录整个径向浓度分布随时间的变化，并将其转换为沉降系数g的分布。沉降系数以Sved为单位(1Sved＝10-13秒)。沥青组合物的颗粒部分是通过定量快速和慢速沉降级分在所用波长下的光吸收来确定的。
表1：使用分析型超离心机测定实施例1(Ex1)和对比例(Comp1)的沥青组合物的颗粒部分的结果，浓度为基于各组合物总重量以重量％计的颗粒。
表2：使用分析型超速离心机测定实施例5(Ex5)以及对比例Comp2、Comp4和Comp5的沥青组合物的颗粒部分的结果，浓度为基于各组合物总重量以重量％计的颗粒。
表3：实施例1至2和对比例Comp1至Comp2的沥青组合物，制备后的沥青组合物的物理性能、刚度和未老化的m值。
表4：实施例1至2和对比例Comp1至Comp2的沥青组合物，制备后的新鲜沥青组合物的软化点以及使用旋转薄膜烘箱测试(RTFOT)的短时老化后的刚度和m值。
表5：实施例3至4和对比例Comp3的沥青组合物，制备后的沥青组合物的物理性能，根据AASHTO M320检测的可用温度区间以及相应的所得沥青等级。
表6：实施例6至7和对比例Comp3的沥青组合物，制备后的沥青组合物的物理性能，根据AASHTO M320检测的可用温度区间以及相应的所得沥青等级。
本发明的沥青改性导致了改善的性能，即软化点增加和针入度减少。对于硬等级的沥青，该改性比软等级的沥青更明显。通过使起始沥青变硬，弹性行为得以改善，这可由MSCR结果以及相位角偏移看出。与未改性沥青相比，该材料通常在低温下变得更硬(这由蠕变刚度的轻微增加所检测到)，同时m值减小。为了确定改性沥青是否可能更早地破裂，进行了短时老化并测量了蠕变刚度以及蠕变率。在RTFOT(短时老化)后，改性沥青在-10℃和-25℃下的蠕变刚度的增加不如未改性沥青那么多。改性pen 70-100在-25℃下的m值增加。
沥青混合料的结果：
沥青混合料试样的制备：
所选的粒度测定曲线为SMA 8S。
表7：不同骨料尺寸[mm]的质量百分比
| 骨料尺寸[mm] | ≤0,063 | 0,063 | 0,125 | 0,71 | 2 | 5,6 | 8 | 11,2 |
| [M.-％] | 9,2 | 3,3 | 6,6 | 6,6 | 19,3 | 49,3 | 5,9 | 0,0 |
| 通过[M.-％] | - | 9,2 | 12,4 | 19,0 | 25,6 | 44,9 | 94,1 | 100,0 |
选择用于制备试样的骨料的材料名称为：
表8：骨料的材料名称和等级
| 名称 | 交付等级 |
| 石灰石 | 填料—0/0.063 |
| 碧玄岩 | 细骨料—0/2 |
| 辉绿岩 | 粗骨料—2/5 |
| 辉绿岩 | 粗骨料—5/8 |
为了制备沥青混合料，使用TP沥青-StB Part 35规范。执行以下程序：组分的回火
将表8中列出的各骨料在150℃±5[℃]下回火8[h]。对于实施例Ex10，将沥青pen50-70在氧气气氛下在搅拌下加热至150℃。当达到150℃的内部温度时，将2重量％的pMDIAs20添加到熔融的沥青中。将反应在150℃下进一步处理5小时，然后在150℃±5[℃]下密封改性沥青。对于对比例Comp6，将沥青pen 50-70在氧气气氛下在搅拌下加热至150℃。将反应在150℃下进一步处理5小时，然后将沥青在150℃±5[℃]下密封。
混合组分
在150℃±5[℃]的温度下，按以下顺序混合石材砂胶沥青：1.粗骨料；2.具有碎砂的填料；3.纤维；4.干混2[分钟]；5.预先搅拌各沥青或改性沥青，然后添加到混合物中；6.在30[rpm]下混合3[分钟]。
储存
在混合后，将混合物在比压实温度高10[℃]下储存至多3[h]。
制备和压实试样
为了制备和压实样品，使用TP沥青-StB Part 33规范。该规范阐述了在实验室中使用滚压机(Walzsektor-
)制备试样的程序。
为了制备试样，将热混沥青混合料倒入板中，并借助滚压机进行压实。板长320[mm]，宽为260[mm]，高为至少40[mm]。板的高度取决于特定测试所需的试样尺寸。
为了将板压实，设备(机器，模具和压机)必须在80[℃]的温度下回火，而压实期间的混合物温度如下(表9)。
表9：混合物的压实温度和储存温度的概述
| 制备期间的压实温度 | 混合物的储存温度 |
| 普通沥青为135±5[℃](根据TL沥青-StB) | 145±5[℃]，至多3[h] |
| PmB为145±5[℃](根据TL沥青-StB) | 155±5[℃]，至多3[h] |
锯切试样
在制备板之后，必须将这些锯成所需的尺寸。尺寸取决于测试。不同测试所需的样品尺寸如下(表10)。
表10：取决于沥青测试的试样的大小和数量
根据Ex1的基于pMDI改性沥青pen 50-70的沥青混合料的物理性能单轴循环压缩测试(T＝50[℃]；σ＝0.35[MPa])
该测试确定了由于循环压缩载荷引起的沥青混合料的变形行为。感兴趣的值是变形从恒定变形率转变为进行性变形时的拐点。
表11：实施例10(Ex10)和对比例Comp6的沥青混合料组合物，结果：nw：拐点处的载荷循环；εw：拐点处的形变。
| 变型 | nw | εw |
| Comp6 | 1.002 | 3,378 |
| Ex10 | 3.307 | 3,579 |
用pMDI改性沥青导致沥青混合料(Ex10)的拐点向右移动至nw：3307；相比之下，Comp6的未改性沥青混合料的nw：1002。在改性后，载荷循环数急剧增加。
循环间接拉伸强度测试
该测试用于研究沥青混合料的疲劳行为。在圆柱试样的垂直直径面上垂直加载。在试样上加载事先确定的不同载荷。
表12：显示了实施例10(Ex10)和对比例Comp6的沥青混合料组合物的循环间接拉伸强度测试的结果。
与Comp6的未改性沥青混合料相比，改性的沥青混合料Ex10可承受更多的载荷，这可由较高的加载循环数看出。该测试证明本发明的改性沥青组合物和所得的改性沥青混合料组合物的优异弹性性能。
Claims (20)
1.一种沥青组合物，其基于组合物总重量包含0.1-10.0重量％的选自聚合MDI的热固性反应性化合物，其中基于组合物的总重量，至少18重量％为在石油溶剂中沉淀系数大于5000Sved的颗粒。
2.根据权利要求1所述的沥青组合物，其中基于组合物的总重量，超过20重量％为在石油溶剂中具有10000-1000000Sved沉淀系数的颗粒。
3.根据权利要求1所述的沥青组合物，其中聚合MDI具有至少2.5的官能度。
4.根据权利要求2所述的沥青组合物，其中聚合MDI具有至少2.5的官能度。
5.根据权利要求1所述的沥青组合物，其中基于组合物的总重量，聚合MDI的量为0.5-2.0重量％。
6.根据权利要求2所述的沥青组合物，其中基于组合物的总重量，聚合MDI的量为0.5-2.0重量％。
7.根据权利要求3所述的沥青组合物，其中基于组合物的总重量，聚合MDI的量为0.5-2.0重量％。
8.根据权利要求4所述的沥青组合物，其中基于组合物的总重量，聚合MDI的量为0.5-2.0重量％。
9.根据权利要求1-8中任一项的沥青组合物，其中基于组合物的总重量，聚合MDI的量为2.0-5.0重量％。
10.根据权利要求1-8中任一项的沥青组合物，其中聚合MDI具有至少2.7的官能度。
11.根据权利要求9的沥青组合物，其中聚合MDI具有至少2.7的官能度。
12.根据权利要求1-8中任一项所述的沥青组合物，其中聚合MDI的铁含量为1-80ppm。
13.根据权利要求10的沥青组合物，其中聚合MDI的铁含量为1-80ppm。
14.一种制备根据权利要求1-13中任一项所述的沥青组合物的方法，其包括以下步骤：
a)将起始沥青加热到110-190℃的温度，
b)在搅拌下加入所需量的热固性反应性化合物，
c)在步骤b)之后，将反应混合物在110-190℃的温度下搅拌至少2.5小时，
其中反应在氧气气氛下进行。
15.根据权利要求14所述的方法，其中温度为110-150℃。
16.根据权利要求14所述的方法，其中步骤a)和步骤c)中的温度相同并且为110-150℃。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其中温度为110-150℃，并且在添加步骤b)之后将反应混合物搅拌至少4小时。
18.根据权利要求14-16中任一项所述的方法，其中反应的结束通过IR光谱法确定。
19.根据权利要求17所述的方法，其中反应的结束通过IR光谱法确定。
20.根据权利要求1-13中任一项所述的沥青组合物用于制备沥青混合料组合物的用途。
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