CN110982433A - 一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于拼接界面处治的复合改性剂及其制备方法，属于道路工程建设技术领域，其技术方案要点如下，一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂，包括如下组分：聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青、水、乳化剂、稳定剂、消泡剂和海藻粉；制备方法：S1.制备聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青；S2.将水、乳化剂和稳定剂混合均匀得到皂液；S3.向S2得到的皂液中加入加热的聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青，并加入消泡剂，得到复合改性界面剂。本发明适用于道路工程建设中对于道路修补拼接时使用，具有制备工艺简单、破乳速度快、粘结强度好、施工便捷的优点。

Description

一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及道路工程建设技术领域，特别涉及一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂及其制备方法。
背景技术
高速公路扩建工程中新旧沥青面层拼接缝处治的好坏直接关系到扩建工程中路面的使用寿命。拼缝减弱了面层的整体强度，有可能引起应力的集中并因此引起路面结构的破坏，影响整条路面的使用性能；拼缝的存在也使得雨水可能渗透进入基层甚至路堤，造成道路的水损害，缩短道路寿命，增大养护成本。目前常规高速公路扩建工程中沥青面层拼接缝处治材料主要有乳化沥青和热沥青两种，乳化沥青拼接材料存在与拼接界面粘结强度不足、破乳速度慢、抗水剥离差等问题；热沥青拼接材料存在浪费资源、施工复杂等问题，且施工温度难以控制，新旧沥青面层拼接部位的耐久性不佳。
为了提高拼缝材料的性能，往往会往沥青中掺入改性剂或添加剂。现有聚氨酯类改性乳化沥青拼缝材料存在抗剪切强度不佳、聚氨酯胶黏剂不能吸收乳化沥青中的水分促进乳化沥青破乳等问题；现有水性聚氨酯环氧树脂改性乳化沥青存在合成过程复杂、影响因素较多、均一性难以保证、强度不足等问题。
鉴于此，本发明提供一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂，用于解决现有聚氨酯类改性乳化沥青拼缝材料以及水性聚氨酯环氧树脂改性乳化沥青存在的上述问题，旨在提供一种制备工艺简单、破乳速度快、粘结强度好、施工便捷的新旧沥青面层拼接材料。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂，具有较高的粘结强度、较优的低温抗裂性能，从而确保高速公路扩建后的耐久性；本发明的第二个目的是提供一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂的制备方法，制备方法简单、环保，具有产业价值。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂，按重量份计，包括如下组分：聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青50～60份，水40～50份，乳化剂1.6～2份，稳定剂0.5～5份，消泡剂0.5～1份和海藻粉5～8份；其中消泡剂是为了消除聚氨酯/异氰酸酯基团与羟基进行第一步扩链反应所产生的C02气泡。海藻粉的加入利用海藻粉溶于水后形成类似于纤维的物质，有效提高本发明材料的抗开裂能力和自愈合能力，由于拼接缝的位置大多数需要承载更多的载重，因此需要更强的抗开裂能力以及开裂后的自愈合能力，海藻粉由于其含有大分子蛋白质，分子间以及分子内都具有一定的柔韧性，在微观角度上提高材料的自愈合能力，而其溶于水后产生一些类似于纤维状的物质，能够有效提高材料的抗开裂性能。
进一步的，水的PH值在6.0～8.5之间，所述水的PH值采用盐酸(HCl溶液)调节。
水中所含有的Mg2+、Ca2+可与阴离子乳化剂分子发生化学反应,生成的物质不溶于水,会消耗掉一部分乳化剂,从而对乳化效果产生不利影响。而PH值在6.0～8.5之间时,则不会对乳化剂分子本身造成不利影响。因此，采用HCl溶液调节水溶液的PH值,使乳化剂在水中溶解充分,以达到理想的乳化效果。
进一步的，聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青包括如下组分：基质沥青、聚氨酯预聚体、扩链剂、多链聚烯烃和增容剂。
进一步的，按质量份计，基质沥青100份，聚氨酯预聚体5～10份，扩链剂0.3～0.8份，多链聚烯烃2～7份，增容剂1.5～2份。
进一步的，聚氨酯预聚体吸收所述沥青中的水发生如下两步反应：
-R-NCO+HOH→RNH2+CO2↑(1)；
Figure BDA0002337000540000031
其中R是甲苯、二苯基甲烷、三甲基环己基、二环己基甲烷或三甲基六亚甲基中的任意一种。
进一步的，扩链剂为二胺类扩链剂。
进一步的，聚氨酯预聚体的异氰酸酯基团与所述二胺类扩链剂中的氨基反应如下：
Figure BDA0002337000540000032
其中R是甲苯、二苯基甲烷、三甲基环己基、二环己基甲烷或三甲基六亚甲基中的任意一种；R’是二氯二苯甲烷、二羟基苯胺或二异丙基苯胺中的任意一种。
进一步的，聚氨酯预聚体为聚醚型聚氨酯预聚体。
聚醚型聚氨酯预聚体由多异氰酸酯与聚醚多元醇反应生成，其弹性、延伸率、耐低温以及耐水解性均较好，作改性剂使用能显著提升沥青的低温抗裂性能。
进一步的，二胺类扩链剂为3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯甲烷、乙二胺、N，N-二羟基(二异丙基)苯胺中的任意一种。
二胺类扩链剂主要起延长聚氨酯分子链、提高硬链段含量、扩大分子量的作用。
进一步的，多聚链烯烃为低熔点聚乙烯蜡。
低熔点聚乙烯蜡通过与沥青相容形成骨架网状空间结构，有效提升沥青粘度，改善沥青的高温性能。海藻粉的加入能够与聚乙烯蜡形成协同作用，一方面提高沥青的低温抗裂性能，另一方面还能够平衡沥青的粘度，改善沥青的高温性能和抗车辙性。
进一步的，增容剂为反应性增容剂马来酸酐。
马来酸酐增容剂通过引入强极性反应性基团，增加聚氨酯、沥青、多聚链烯烃的相容性，使之形成稳定的三元复合结构。
进一步的，稳定剂为无机稳定剂和有机稳定剂的混合物。
进一步的，无机稳定剂与有机稳定剂的比例为1：1.5～2。
聚氨酯预聚体与多聚链烯烃两种改性剂的加入,会增加乳化的难度,亦会使乳化沥青的稳定性受到不良的影响。采用无机稳定剂与有机稳定剂的比例为1：1.5～2时，对乳液的储存稳定性的改善作用最显著，制备出的乳液更稳定。
进一步的，无机稳定剂为氯化钙或氯化铵中的任意一种。
进一步的，有机稳定剂是羧甲基纤维素钠或聚乙烯醇中的任意一种。
进一步的，乳化剂是非离子乳化剂与阳离子乳化剂的混合物。
进一步的，非离子乳化剂与阳离子乳化剂的比例为1：4～5。
采用非离子乳化剂与阳离子乳化剂的比例为1：4～5时对改性沥青的乳化更充分，制备的乳液均匀性及稳定性均较好。同时，乳化剂对PH值的适应性更强，能同时乳化多种牌号的沥青。
进一步的，非离子乳化剂是失水山梨醇硬脂酸酯聚氧乙烯醚或聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯中的任意一种或两种的混合物。
采用上述两种非离子乳化剂主要是提升乳化剂对改性沥青的乳化性能及乳液的稳定性。
进一步的，阳离子乳化剂是十八烷基三甲基氯化铵或十六烷基三甲基溴化铵中的任意一种或两种的混合物。
采用上述两种阳离子乳化剂制备出的乳化沥青具有储存稳定性好、对集料的粘附性强等优点。
进一步的，一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂的制备方法，包括如下步骤：
S1.制备聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青；
S2.将水、乳化剂和稳定剂混合均匀得到皂液；
S3.向S2得到的皂液中加入加热的聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青，并加入消泡剂和海藻粉，得到复合改性界面剂。
作为上述制备方法的优选，包括以下步骤：
步骤一，制备聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青；
步骤二，制备皂液，加热水至70～80℃，加入乳化剂、稳定剂、搅拌均匀，得到皂液，保温70～80℃；
步骤三，将制备好的皂液倒入胶体磨中，搅拌20～30s，使皂液润湿胶体磨，然后温度为135～145℃的聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青倒入胶体磨，继续剪切20～30s，并加入消泡剂，得到复合改性界面剂。
进一步的，聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青的制备方法包括如下步骤：
A1.加热沥青，向热沥青中加入增容剂；
A2.向A1中加入多聚链烯烃，搅拌均匀；
A3.向A2中加入扩链剂，搅拌均匀后加入聚氨酯预聚体，得到聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青。
作为上述制备方法的优选方案，制备方法包括以下步骤：
B1，加热基质沥青至135～145℃，将剪切速度设置为2500～3000r/min，加入增容剂，剪切2～3min，得到产物A；
B2，在B1得到的产物A中加入多链聚烯烃，搅拌2～3min，得到产物B。
B3，在B2得到的产物B中加入扩链剂，搅拌2～3min，得到产物C；
B4，在B3得到的产物C中加入聚氨酯预聚体，搅拌5～8min，使聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基团与扩链剂分子链上的氨基、沥青分子链上的羟基充分反应，制得聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青。
通过采用上述技术方案，
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.多链聚烯烃与沥青相容形成骨架空间网状结构，有效提升沥青粘度，改善界面剂的粘结强度，保证拼接部位的耐久性；
2.聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基团吸收基质沥青中的水分产生扩链反应，吸收沥青中的水分，能够促进沥青的破乳，同时使沥青中的水分无需加热蒸发，且不会残留在沥青中，有效提高了界面剂的使用寿命；
3.本发明提供的界面剂在使用了非离子乳化剂的情况下由于聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基团吸收沥青水分，使沥青快速破乳，仍然能达到快裂的效果，减少界面剂的流淌，与施工的配伍性更好；
4.聚氨酯与沥青、水、扩链剂的扩链反应促使了整个体系骨架空间网状结构的形成，延长了沥青的分子链，增强了沥青的柔韧性，提高了混合物的高、低温稳定性，尤其是低温性能。同时，体系中含有的氨基甲酸酯、脲基、醚键等极性基团对拼接界面的黏附性很强，增强复合改性界面剂与拼接界面的粘结强度；
5.多链聚烯烃与聚氨酯复配能兼顾界面剂的高、低温性能，提升新旧沥青路面拼接界面的抗剪性能和抗裂性能，提高拼接部位的耐久性；
6.有机稳定剂与无机稳定剂复配可综合两者的优势，对界面剂稳定性的改善效果更显著；
7.非离子乳化剂与快裂阳离子乳化剂复配对聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青的乳化效果更好，形成的乳液更稳定。
具体实施方式
为了使本发明的上述和其他目的、特征、优点能更明显易懂，下下文特举出较佳实施例。
本具体实施例中所涉及的物料来源如下：
基质沥青：江苏中亿通新材料科技发展有限公司
聚氨酯预聚体：万华化学集团股份有限公司
二胺类扩链剂：淄博华天橡塑科技有限公司
低熔点聚乙烯蜡(多链聚烯烃)：霍尼韦尔综合科技(中国)有限公司马来酸酐：常州维骏塑料新材料有限公司
消泡剂：淄博华天橡塑科技有限公司
有机稳定剂：任丘市冉升化工有限公司
无机稳定剂：任丘市冉升化工有限公司
阳离子乳化剂：任丘市冉升化工有限公司
非离子乳化剂：任丘市冉升化工有限公司
实施例1一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂及其制备方法
一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂，包括聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青、水、乳化剂、稳定剂、消泡剂和海藻粉。
制备一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂
1.制备聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青：(1)加热500g70#基质沥青至135℃，将剪切速度设置为3000r/min，加入7.5g马来酸酐增容剂，剪切2min；再加入15g多链聚烯烃，搅拌2min；再加入1.5g 3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯甲烷扩链剂，搅拌2min；最后加入25g异氰酸酯基团含量为3.3％的聚醚型聚氨酯预聚体，搅拌5min，使聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基团与扩链剂分子链上的氨基、沥青分子链上的羟基充分反应，制得聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青，保温135℃备用；
2.加热200g水至70℃，水的PH值采用盐酸(HCl溶液)调节至6.0，加入8g乳化剂(1.6g失水山梨醇硬脂酸酯聚氧乙烯醚+6.4g阳离子季铵盐类中裂乳化剂)、2.5g稳定剂(0.8g氯化钙+1.7g羧甲基纤维素钠)、搅拌均匀，得到皂液，保温70℃备用；将制备好的皂液倒入胶体磨中，搅拌30s，使皂液润湿胶体磨；
3.然后将温度为135℃的300g聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青倒入胶体磨，继续剪切30s，并加入2.5g消泡剂和5g海藻粉，得到一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂。
实施例1中拼接缝处治材料的性能测试结果如表1和表2所示.
表1实施例1拼接缝处治材料的性能测试结果
Figure BDA0002337000540000091
Figure BDA0002337000540000101
表2新老路面拼接部位跨缝取芯室内劈裂测试结果
Figure BDA0002337000540000102
根据相关的检测数据可以看出，基于本发明提供的拼接界面处治的复合改性界面剂，材料的拉拔强度、剪切强度以及冻融劈裂强度比提高，使得复合改性界面剂能够很好的与新旧沥青路面粘结，从而有效改善拼接界面的粘结效果，提升整体结构的抗水剥离性能，确保扩建后道路的整体性。
实施例2一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂及其制备方法
一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂，包括聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青、水、乳化剂、稳定剂、消泡剂。
制备一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂
1.制备聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青：加热500g70#基质沥青至140℃，将剪切速度设置为2700r/min，加入7.5g马来酸酐增容剂，剪切2min；再加入20g多链聚烯烃，搅拌2min；再加入2.0g 3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯甲烷扩链剂，搅拌2min；最后加入30g异氰酸酯基团含量为3.3％的聚醚型聚氨酯预聚体，搅拌5min，使聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基团与扩链剂分子链上的氨基、沥青分子链上的羟基充分反应，制得聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青，保温140℃备用；
2.加热200g水至70℃，水的PH值采用盐酸(HCl溶液)调节至7.0，加入9g乳化剂(1.5g失水山梨醇硬脂酸酯聚氧乙烯醚+7.5g阳离子季铵盐类中裂乳化剂)、5g稳定剂(2g氯化钙+3g羧甲基纤维素钠)、搅拌均匀，得到皂液，保温70℃备用；将制备好的皂液倒入胶体磨中，搅拌25s，使皂液润湿胶体磨；
3.然后将温度为140℃的300g聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青倒入胶体磨，继续剪切25s，并加入3g消泡剂和8g海藻粉，得到一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂。
实施例2中拼接缝处治材料的性能测试结果如表3和表4所示.
表3实施例2拼接缝处治材料的性能测试结果
Figure BDA0002337000540000111
表4新老路面拼接部位跨缝取芯室内劈裂测试结果
Figure BDA0002337000540000112
根据相关的检测数据可以看出，基于本发明提供的拼接界面处治的复合改性界面剂，材料的拉拔强度、剪切强度以及冻融劈裂强度比提高，使得复合改性界面剂能够很好的与新旧沥青路面粘结，从而有效改善拼接界面的粘结效果，提升整体结构的抗水剥离性能，确保扩建后道路的整体性。
实施例3一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂及其制备方法
一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂，包括聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青、水、乳化剂、稳定剂、消泡剂。
制备一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂
1.制备聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青：加热500g70#基质沥青至145℃，将剪切速度设置为2500r/min，加入7.5g马来酸酐增容剂，剪切2min；再加入25g多链聚烯烃，搅拌2min；再加入3.0g 3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯甲烷扩链剂，搅拌2min；最后加入35g异氰酸酯基团含量为4.3％的聚醚型聚氨酯预聚体，搅拌5min，使聚氨酯预聚体中的异氰酸酯基团与扩链剂分子链上的氨基、沥青分子链上的羟基充分反应，制得聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青，保温145℃备用；
2.加热200g水至70℃，水的PH值采用盐酸(HCl溶液)调节至7.0，加入9g乳化剂(1.8g失水山梨醇硬脂酸酯聚氧乙烯醚+7.2g阳离子季铵盐类中裂乳化剂)、10g稳定剂(4g氯化钙+6g羧甲基纤维素钠)、搅拌均匀，得到皂液，保温70℃备用；将制备好的皂液倒入胶体磨中，搅拌20s，使皂液润湿胶体磨；
3.然后将温度为140℃的300g聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青倒入胶体磨，继续剪切20s，并加入3.5g消泡剂和6g海藻粉，得到一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂。
实施例3中拼接缝处治材料的性能测试结果如表5和表6所示.
表5实施例3拼接缝处治材料的性能测试结果
Figure BDA0002337000540000131
表6新老路面拼接部位跨缝取芯室内劈裂测试结果
Figure BDA0002337000540000132
根据相关的检测数据可以看出，基于本发明提供的拼接界面处治的复合改性界面剂，材料的拉拔强度、剪切强度以及冻融劈裂强度比提高，使得复合改性界面剂能够很好的与新旧沥青路面粘结，从而有效改善拼接界面的粘结效果，提升整体结构的抗水剥离性能，确保扩建后道路的整体性。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂，其特征在于，按质量份计，包括如下组分：聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青50～60份，水40～50份，乳化剂1.6～2份，稳定剂0.5～5份，消泡剂0.5～1份和海藻粉5～8份。
2.根据权利要求1所述的用于拼接界面处治的复合改性界面剂，其特征在于，所述聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青包括如下组分：基质沥青、聚氨酯预聚体、扩链剂、多链聚烯烃和增容剂。
3.根据权利要求2所述的用于拼接界面处治的复合改性界面剂，其特征在于，所述聚氨酯预聚体吸收所述基质沥青中的水发生如下两步反应：
-R-NCO+HOH→RNH2+CO2↑ (1)；
Figure FDA0002337000530000011
其中R是甲苯、二苯基甲烷、三甲基环己基、二环己基甲烷或三甲基六亚甲基中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的用于拼接界面处治的复合改性界面剂，其特征在于，所述扩链剂为二胺类扩链剂。
5.根据权利要求4所述的用于拼接界面处治的复合改性界面剂，其特征在于，所述聚氨酯预聚体的异氰酸酯基团与所述二胺类扩链剂中的氨基反应如下：
Figure FDA0002337000530000012
其中R是甲苯、二苯基甲烷、三甲基环己基、二环己基甲烷或三甲基六亚甲基中的任意一种；R’是二氯二苯甲烷、二羟基苯胺或二异丙基苯胺中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的用于拼接界面处治的复合改性界面剂，其特征在于，所述稳定剂为无机稳定剂和有机稳定剂的混合物。
7.根据权利要求6所述的用于拼接界面处治的复合改性界面剂，其特征在于，所述无机稳定剂与有机稳定剂的比例为1：1.5～2。
8.根据权利要求1所述的用于拼接界面处治的复合改性界面剂，其特征在于，所述乳化剂是非离子乳化剂与阳离子乳化剂的混合物。
9.一种用于拼接界面处治的复合改性界面剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.制备聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青；
S2.将水、乳化剂和稳定剂混合均匀得到皂液；
S3.向S2得到的皂液中加入加热的聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青和海藻粉，并加入消泡剂和海藻粉，得到复合改性界面剂。
10.一种聚氨酯/多链聚烯烃复合改性沥青的制备方法，其特征在于：所述聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青的制备方法包括如下步骤：
A1.加热沥青，向热沥青中加入增容剂；
A2.向A1中加入多聚链烯烃，搅拌均匀；
A3.向A2中加入扩链剂，搅拌均匀后加入聚氨酯预聚体，得到所述聚氨酯/多聚链烯烃复合改性沥青。
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