CN1119382C - 基于现场共混聚合物的稳定化的沥青组合物 - Google Patents

基于现场共混聚合物的稳定化的沥青组合物 Download PDF

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Abstract

通过使用包含可溶于或相容于沥青相中的聚苯乙烯链段的弹性三嵌段共聚物将通常不相容的苯乙烯聚合物稳定地渗入进沥青中。渗入连续沥青相中的弹性三嵌段共聚物提供了完全分散到沥青中的聚苯乙烯区域结构或使所述颗粒聚苯乙烯稳定而不从沥青中分离出来的接受单元。

Description

基于现场共混聚合物的稳定化的沥青组合物
                      本发明领域
本发明涉及一种将聚苯乙烯(PS)或PS-基的塑料与作为分散剂的弹性体或橡胶混合以形成一种新的稳定的沥青组合物的方法,它包括:
a)沥青,
b)本身与沥青不相容的PS-基塑料(PS均聚物或PS共混物或接枝共聚物),和
c)含有苯乙烯的与沥青相容的弹性三嵌段共聚物。
体现在这种组合物中的原理适用于如此处所述的熔融态时与聚苯乙烯相容的其它聚合物。
                      本发明背景
PS或PS-基塑料是最常使用的热塑性聚合物,并产生大量可回收的边角料。与其它聚合材料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)以及乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)一样,由于其在工作温度范围内具有高的劲度,因而PS也似乎很适合加入沥青中,并藉此有效地提高沥青的劲度和强度。然而很不幸的是,PS具有与那些在热贮存期间不能显著增加沥青粘合剂和共混物的弹性或分散体极快地与各种不同类型的沥青发生分层的其它聚合材料类似的问题。此外,由于PS的具有高的熔体强度的刚性分子链的各种固有结构特征,人们已发现甚至使用高的剪切力也很难将其分散到沥青中。虽然将PS-基边角热塑性塑料作为沥青改性剂的考虑在经济上具有吸引力,但上述的各种障碍已限制了这种应用。
许多年来,在建筑业上人们已熟知单独或与其它物质结合使用将聚合物(塑料或橡胶)用作沥青改性剂。在沥青改性上许多这样的应用已取得不同程度的成功。对于每一种产品而言成功的程度主要取决于加工的难易、聚合物与沥青的相容性以及取决于沥青组合物最终的性能。这些先有技术的应用已向本领域技术人员提供了对沥青各种性能进行改性的许多方法,即:
(a)通过利用各种塑料如PE、PP及其共聚物,以其结晶性和混合的容易来获得沥青的劲度和强度;
(b)通过使用各种不同的合成弹性体如聚氨酯、氯丁橡胶、NBR、EPDM和苯乙烯嵌段共聚物(如SBS、SIS、SB和SEBS)来改善沥青在高的工作温度下的弹性回复率和粘度,并通过根据其化学组成选择与沥青相容的聚合物来改善在低的工作温度下的挠性;
(c)通过加入各种不同类型的操作油和/或用无机酸处理粘和剂以改善聚合物对沥青的相容性;
(d)通过将各种使橡胶(大多数为丁二烯-基的共聚物)硫化的各种不同的交联剂加入到沥青中以增加化学相互作用并获得可溶混的上胶的沥青;和
(e)通过控制Eva中聚合物组分如乙酸乙烯酯(VA)的比例来修整PE共聚物(如EVA),这将增强其作为沥青改性剂的相容性及性能。
另外,先有技术(美国专利第5,280,064号和5,494,966号,并转让给本文中的受让人)也公开了从不相容的塑料(使用高MW的PE)和可相容的橡胶组分中现场生产与沥青可高度溶混的共聚物的反应法。当该现场制备的弹性体试剂作为沥青改性剂单独或混合使用时,人们发现它对于PE-基塑料和丁二烯-基弹性体具有稳定剂的功能(WO94/22957,转让给本文中的受让人)。
虽然还有其它类型述于先有技术中作为沥青改性剂用途的聚合物,但两种类型的聚合物即PE及其共聚物(作为塑料领域的典型)和苯乙烯-二烯共聚物(作为橡胶领域的典型)在沥青工业中仍是最有用的改性剂,然而只有当使用在别处所述的技术将它们稳定或相容于沥青中时才是如此。
聚苯乙烯(PS)塑料代表着从晶体均聚物、增韧的接枝共聚物到共混物或具有各种橡胶的合金的一系列刚性聚苯乙烯-基产品。PS塑料的刚性和高的熔体强度使得其很难被分散进入热的液体沥青中。一旦停止搅拌,则在高的剪切力下产生的粗分散相将很快地发生分离。在所有与塑料用作沥青改性剂有关的先有技术中,本发明人知道没有一种涉及任何类型的聚苯乙烯刚性塑料用于此目的。
在与弹性改性剂有关的先有技术中,许多已公开了通过苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)的连续聚合的顺序化学操作所制得的通常称为热塑性橡胶(TR)的苯乙烯嵌段共聚物以及苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯(SIS)体系的应用。
如Holden等人在1967年Maclaren的国际橡胶会议记录汇编中所公开的,TR分散体可以从苯乙烯链段的物理交联进入三维网络中将其强度和弹性提供给沥青。可通过苯乙烯聚合的嵌段(或三嵌段共聚物的聚苯乙烯链段)的附聚作用形成为三维丁二烯、乙烯/丁烯或异戊二烯聚合的橡胶基料提供物理交联的细微的区域结构(domains)(小至nm的数量级)来得到该结果。在所有相关的先有技术中我们知道,增强沥青性能改性剂的苯乙烯嵌段共聚物的化学结构与用作分散剂和/或相容剂的可促进另一种分离的聚合物分散和/或稳定的苯乙烯嵌段共聚物的化学结构无关。具体地说,大部分先有技术将注意力集中在可使苯乙烯嵌段共聚物与沥青相容的各种方法上。
                      本发明概要
根据本发明,通过使用很容易分散或溶解于沥青中的、包含与沥青相容的、含有苯乙烯的弹性共聚物的三嵌段共聚物,可以将通常与沥青不相容并易于从中分离的苯乙烯和苯乙烯衍生物的均聚物或共聚物稳定地分散在沥青中。
因此,在本发明的一个方面中,提供一种稳定的沥青组合物,它包含:
一连续的沥青相,
含有聚苯乙烯链段并在所述沥青相中稳定和相容的弹性三嵌段共聚物,和
在熔融态下可与分散在所述沥青相中的聚苯乙烯溶混、并且通常与所述沥青相不相容的分散的颗粒聚合物相,通过所述三嵌段共聚物稳定而不从所述沥青相中分离。
该沥青可溶的含有苯乙烯链段的弹性共聚物起到一种双重功能,即:(1)实现通常与沥青不相容的聚苯乙烯-基刚性聚合物的均匀分散,和(2)提供苯乙烯区域结构作为接受单元,用于使分散的聚苯乙烯-基刚性聚合物不从沥青中分离出来而与沥青保持稳定。由于弹性三嵌段共聚物在沥青中的稳定或相容性而完全分散在沥青中的聚苯乙烯区域结构使得通常不相容的聚苯乙烯大分子通过将聚苯乙烯颗粒接受进所述区域结构中而渗入沥青中。一旦聚苯乙烯大分子被共混并随分散的聚苯乙烯水平的增加而增大,则上胶的沥青连续相中的区域结构将变大。
                   本发明的总叙述
此处所用的术语“(地)沥青(bitumen)”意指一类天然或人造的、主要由高分子量烃组成的黑色或深色的(固态、半固态或粘性)胶结物质,其中,沥青、焦油、木沥青和沥青岩是典型的物质。此处所用的术语“(石油)沥青(asphalt)”意指深褐色至黑色的胶结物质,稠度方面为固态或半固态,其中主要成分为天然的沥青等或在石油加工中获得的残余物。
通过丁二烯橡胶链段在其中相容或可溶或能够与沥青相容或能够溶于沥青的弹性三嵌段共聚物来提供很容易分散或稳定于沥青中的苯乙烯弹性共聚物的区域结构。弹性三嵌段共聚物可包含约20%-约80%、优选约24%-约45%的末端苯乙烯嵌段。
可用的嵌段共聚物的实例包括苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯三嵌段聚合物(SEBS)和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)。这些三嵌段聚合物可用来形成沥青中刚性苯乙烯聚合物的稳定分散体。
可用于本发明组合物中的弹性嵌段共聚物的分子量(Mn)为约30,000-约375,000,优选为约75,000-约275,000。
根据本发明稳定分散于沥青中的刚性苯乙烯聚合物可以是聚苯乙烯均聚物,如晶体聚苯乙烯和聚苯乙烯泡沫,或者可以是接枝共聚物和与各种橡胶的物理共混物/合金,或者可以是苯乙烯衍生物的聚合物,如聚(α-甲基苯乙烯)、聚(对-叔丁基苯乙烯)和聚氯苯乙烯。该刚性苯乙烯聚合物也可以包含苯乙烯-基的刚性共聚物,如聚(苯乙烯-共-乙酸乙烯酯)和聚(苯乙烯-共-乙烯基噻吩)。所述苯乙烯聚合物可以是天然或回收的聚合物,包括苯乙烯聚合物的掺合的共混物。
SEBS、SBS或SIS三嵌段共聚物也可以用来代替聚苯乙烯以分散和形成其它聚合物的稳定分散体,条件是在熔融态下该聚合物与聚苯乙烯可溶混,因此可通过聚苯乙烯区域结构来接收颗粒。一种这样的聚合物是聚苯醚(PPO),它很难分散于沥青中,但在熔融态下可以任何比率与聚苯乙烯相溶混,并且通过区域结构的效应可以分散和渗入沥青中。
这种苯乙烯聚合物的分子量为约40,000-约1,400,000、优选为约100,000-约300,000。
在沥青中可以以任何所需的量提供与待分散的通常不可分散的聚合物量一致的沥青可相容的弹性三嵌段共聚物,以及通过分散的聚合物将所需的性能赋予沥青。一般而言,分散于沥青中的弹性三嵌段共聚物的量可为沥青组合物的约1%(重量)-约20%(重量),优选为约3%(重量)-约15%(重量)。通常分散于沥青中的苯乙烯聚合物的量可为沥青组合物的约1%(重量)-35%(重量),优选为约3%(重量)-约15%(重量)。
本发明稳定的沥青组合物在约100℃-约200℃的高温下不表现出相分离的趋势,并在没有搅拌的情况下仍保持稳定,也即该组合物不表现出分散的颗粒相从连续的沥青相中分离出来的趋势。
本发明稳定的沥青组合物也可以数次冷却至室温,重新加热至约160℃或更高至约200℃并在如此高的温度下保持数天而分散的颗粒相没有任何相分离的迹象。
可以以任何方便的方式制得刚性苯乙烯聚合物或其它在熔融态下可与连续沥青相中的聚苯乙烯溶混的刚性聚合物的稳定分散体。通常通过将弹性三嵌段共聚物溶解于沥青中以建立起细微的聚苯乙烯区域结构(小至nm的数量级)以及在连续沥青相中的交联橡胶基料来首先将弹性三嵌段共聚物均匀地渗入沥青中。然后在约150℃-约200℃,优选约170℃-约180℃的温度下将聚苯乙烯或其它聚合物加到组合物以分散于其中(可在高剪切力的条件下完成)。如上所述,弹性三嵌段共聚物的苯乙烯组分提供区域结构,它首先有助于苯乙烯聚合物分散在连续沥青相中,其次有助于稳定分散的苯乙烯聚合物而不从连续沥青相中发生相分离现象。或者可将弹性三嵌段共聚物和刚性苯乙烯聚合物同时共混进沥青中以提供稳定的组合物。
此处所提供的稳定的沥青组合物可用作所有类型铺路的铺路材料,以及应用于屋顶薄膜、木瓦、防水薄膜、密封剂、填缝材料、铸封用树脂和防护涂饰剂。铺路材料一般包括粒料,如碎石砾、沙等以及沥青组合物。类似地,根据本发明组合物的最终用途,使用加入沥青组合物的其它添加剂。例如,通过加入各种适宜的填料如石棉、碳酸酯、二氧化硅、木纤维、云母、硫酸盐、粘土、颜料和/或阻燃剂如氯化蜡可得到屋顶材料。对于龟裂填料的应用,最好加入氧化物。
                         实施例进行一系列的实验以试图提供熔融的聚苯乙烯在沥青中稳定的分散体。
在两种不同的沥青(沥青1、沥青2)中分别使用不同的聚合物体系进行八次试验,并评价各个性能。通过组合物在具有温度控制器的热分级(hot stage)中约160℃下停留约3小时后显微镜观察(放大倍数为400X)各样品的形态学来评价所得体系的贮存稳定性。通过这种方法,从热分级期间形态学特征随时间的变化中可以追踪和确定聚苯乙烯在沥青中的分散性及其在高温下的稳定性。
下表1给出了各试验所用的材料及所得的结果:
                                           表1
组分                                    试验序号
1  2  3  4  5  6  7  8
沥青1 96  96  0  92  0  0  96  92
沥青2 0  0  96  0  92  92  0  0
聚苯乙烯 4  0  0  4  4  4  0  4
SBS 0  4  4  4  4  4  0  0
SEBS 0  0  0  0  0  0  4  4
0  0  0  0  0  0.15  0  0
性能针入度4℃针入度25℃软化点,℃粘度,cp,135℃ ---- 4612587788 478651988 4110589988 --641300 4373641250 --44363 4211049425
稳定性 不稳定*  稳定  不稳定  稳定  不稳定  稳定  稳定  稳定
*不能完全地分散在AC中
用于各试验中的聚苯乙烯是一种粒状形式的晶体聚苯乙烯塑料(PS,熔体指数:5克/10分钟,由Polysar Limited提供),而两种三嵌段共聚物是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)热塑性橡胶(Europrene solT 161 B,30%结合苯乙烯,70%结合丁二烯,由Enichem ElastomersAmerica Inc.制造)和苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯(SEBS)热塑性橡胶(Kraton G 1652,30%结合苯乙烯,70%结合乙烯/丁烯,由ShellChemicals Inc.制造)。使用基于相同粘度等级的两种沥青粘接剂源(沥青1和沥青2):用于试验1、2、4、7和8的沥青1具有167dmm的针入度(25℃时)、40℃的软化点和195厘泊的布洛克菲尔德粘度(135℃),而用于试验3、5和6的沥青2具有148dmm的针入度(25℃时)、45℃的软化点和233厘泊的布洛克菲尔德粘度(135℃)。
在试验1中,在约185℃下,使用具有Brinkman Polytron Mixer的高剪切力2小时将单独的聚苯乙烯(4份/100总重量份)分散于沥青中。从共混时的混合物中所取的样品表明,由于聚苯乙烯的各种固有性能即其不溶性、刚性和高的熔体强度,甚至使用高的剪切力也很难将其分散在液态沥青中。如由显微镜观察所证实,一旦停止搅拌,所得的粗的分散体很快从沥青中分离出来。
在试验2和3中,在试验1中所用的相同条件下,分别将单独的SBS(4份/100总重量份)分散于沥青1和沥青2中。SBS很容易分散于两种沥青源中。然而对于这两个在热分级中的样品的显微镜观察结果表明,SBS与沥青1相容,但与沥青2不相容(见表1)。
在试验4和5中,在与其它试验所用的相同条件下,分别将聚苯乙烯(4份/100总重量份)与SBS(4份/100总重量份)的混合物分散于沥青1和沥青2中。在试验4和5间的比较中,各样品的显微镜观察结果表明,虽然两种情况中聚苯乙烯的分散性得到了显著的提高,但聚苯乙烯分散体在含有溶解的SBS嵌段共聚物、在沥青中为聚苯乙烯分散体提供接受区域结构的沥青(沥青1)中才变得稳定。分散的区域结构的大小随聚苯乙烯浓度的增加而增大。
在SBS/沥青2/PS体系中,聚苯乙烯仍从沥青2粘合剂中分离出来,因为与沥青不相容的SBS在沥青介质中无法提供稳定的苯乙烯区域结构,除非通过其它方法如使用反应剂,如元素硫(见试验6)来使SBS本身与沥青相容。
在试验7和8中,在与其它试验所用的相同条件下,将聚苯乙烯(4份/100总重量份)与取代SBS的SEBS(4份/100总重量份)的混合物分散于沥青1中。SEBS与沥青1相容,并能够起到分散剂和稳定剂的作用以提供一种稳定的沥青组合物(见表1的结果)。
                   本公开概要
总结本公开,本发明提供了用于通过提供分散于沥青中、通常与沥青相容的弹性三嵌段共聚物并且是苯乙烯弹性共聚物来将通常不相容的苯乙烯聚合物(特别是刚性苯乙烯聚合物)稳定地分散于沥青中的新的体系。在本发明的范畴内,各种修改是可能的。

Claims (7)

1.一种稳定的沥青组合物,它包含一连续的沥青相,且其特征在于包含:
含有聚苯乙烯链段、分子量为30,000至375,000的并在所述沥青相中被稳定和相容了的弹性三嵌段共聚物,所述弹性三嵌段共聚物在所述沥青组合物中的量为组合物的1-20重量%,和
在熔融态下可与分散在所述沥青相中的弹性三嵌段共聚物中的聚苯乙烯链段溶混的并且通常与所述沥青相不相容的、分子量为40,000至1,400,000的、分散的颗粒刚性聚苯乙烯均聚物或其衍生物相,它通过所述三嵌段共聚物被稳定而不从所述沥青相中分离,所述刚性聚苯乙烯基聚合物的量为沥青组合物的1-35重量%。
2.权利要求1的组合物,其特征在于所述弹性三嵌段共聚物选自苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
3.权利要求1或2所要求的组合物,其特征在于所述弹性三嵌段共聚物的量为3-15重量%,而所述分散的颗粒刚性聚合物的量为3-15重量%。
4.权利要求1或2的组合物,其中所述弹性体嵌段共聚物的分子量为75000至275000。
5.权利要求4的组合物,其中所述聚苯乙烯均聚物或其衍生物分子量为100,000至300,000。
6.形成稳定的沥青组合物的方法,其特征在于:
完成含有聚苯乙烯链段的、分子量为30000至375000、且占组合物1至20重量%的弹性三嵌段共聚物与可与沥青中熔融态的聚苯乙烯链段相混溶的刚性聚苯乙烯均聚物或其衍生物之间的混合,混合时温度为150℃-200℃,以便将所述聚苯乙烯均聚物或其衍生物溶于或相容于沥青中的三嵌段共聚物的聚苯乙烯链段相,其聚苯乙烯均聚物或其衍生物的分子量为40,000至1400,000,在组合物中的含量为1至35重量%;使聚苯乙烯均聚物或其衍生物粒化并使聚苯乙烯均聚物或其衍生物稳定而不从沥青中分离出来。
7.权利要求6所要求的方法,其特征在于所述温度为170℃-180℃。
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