CN112824456B - 一种改性道路沥青材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种道路沥青材料，按重量份计包括以下原料组分：石油基质沥青100份；生物质重油10～30份；热塑性聚氨酯1～5份；相容剂1～10份。本发明同时提供了上述道路沥青材料的制备方法，包括将生物质重油加入到基质沥青中，持续搅拌发育；再将其加入到氧化装置釜中，通入空气进行氧化反应；之后再加入热塑性聚氨酯材料，剪切，然后加入相容剂材料，搅拌发育，得到改性道路沥青材料。本发明的道路沥青工艺可显著提高该沥青材料的高温性能，尤其是软化点及抗车辙性能，弥补生物质重油抗车辙性能差的缺陷，复合改性得到的沥青产品综合性能优异。并且有效利用了低附加值资源，属于环保型改性沥青材料。
Description
技术领域
本发明属于沥青技术领域，具体涉及一种改性的道路沥青材料及其制备方法。
背景技术
随着经济的快速发展，高等级公路及建筑行业对沥青材料的需求不断增加。当前所用的沥青绝大部分为从原油中提炼的石油沥青，地球上石油的储量有限且不可再生，由于过度开采和使用，石油资源将逐渐枯竭，导致石油沥青的价格一直维持在较高的水平。同时，石油沥青的大量使用也会对环境造成严重影响，这些因素无疑将影响与制约沥青路面的发展前景。
生物资源与石油资源都是基于生物质而来，不过生物资源具有可再生及绿色环保等优点。近年来世界各地都在发展高效、无污染的生物质能，对其利用方式也趋近多样化，其中生物质快速热解制取生物油是生物质能高效利用的方法之一。用生物资源替代石油资源不仅在技术上可行，而且符合可持续发展的要求。生物沥青是以农林业产品及废弃物、生活有机废弃物、能源作物等生物质材料为原料，经过热裂解、调合等工艺制备而成的类似于石油沥青的胶结料，其具有可再生、清洁、经济环保等性能。用生物沥青替代传统的石油沥青，可显著提升沥青的低温柔型和抗开裂性能，提升沥青材料的延展性，同时取代部分石油沥青，降低对石油资源的依赖性，大大减少沥青的生产成本，这对节约资源和环境保护意义重大。然而，生物沥青软化点低、黏度小，高温抗车辙能力有限，难以得到广泛应用。
热塑性聚氨酯弹性体（TPU），以其优异的性能和广泛的应用，已成为重要的热塑性弹性体材料之一。据统计，每年都会产生大量的热塑性TPU废弃物，如何将其高效利用目前已成为一个难题。
CN109735120A公开了一种改性生物沥青材料及其制备方法与用途，其选用特定的改性剂，提高了生物沥青的软化点和黏度，添加的矿物纤维具有强度高、耐高温等优异性能，提高了生物沥青的抗形变能力。但生物沥青材料本身产量偏低，高温性能差，且通常矿物纤维是在沥青与石料热拌和时才会加入，提前加入生物沥青中很有可能造成分层现象，该专利未对该问题进行解释，也未进行离析试验分析。
CN106433730A公开了一种沥青轻度氧化的加工方法，通过在原料沥青中加入一定量的聚合物改性剂、糠醛抽出油及氧化剂，通入空气并在一定温度下的加热搅拌和剪切，得到了一种轻度氧化的改性沥青。该方法得到的沥青软化点较高、延伸度性质较好，但该方法采用的混合剪切、额外添加高锰酸钾等氧化剂、加热发育等过程较为复杂，所添加的SBS聚合物、糠醛抽出油对于道路沥青的制备来说，成本过高。
CN107434917A通过将生物质资源转化为适于制备生物沥青的生物油，并将制得的生物油与丁苯橡胶/废胶粉联合利用制备性能更优的生物沥青材料，与单纯地以生物质为原料制备的生物沥青相比，该专利制备的生物沥青在高低温性能均有一定的优势。但是该材料针入度过小，低温延伸度性能差，沥青性能表征不全面，加入的胶粉及橡胶类物质与生物质沥青相容性未作考察。
综上，现有技术主要是针对由生物质热处理得到的生物沥青进行相应改性，虽然一定程度上可以提高生物沥青的性能，但生物沥青产量低、产品质量不稳定，其高温抗车辙性能较差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种改性道路沥青材料及其制备方法。本发明的改性道路沥青材料应用于道路铺装、路面养护等方面，以有效改进沥青材料的综合性能，特别是高温性能，软化点和抗车辙性能。显著的弥补生物质重油抗车辙性能差的缺陷。使得改性得到的道路沥青产品综合性能优异，同时利用了可再生资源，是一种环保型沥青材料。
本发明第一方面提供了一种改性道路沥青材料，按重量份计，包括以下原料组分：
石油基质沥青100份；
生物质重油10～30份；
热塑性聚氨酯1～5份；
相容剂1～10份。
进一步，生物质重油按重量份计优选为12～25份；
进一步，热塑性聚氨酯按重量份计优选为2～4份；
进一步，相容剂按重量份计优选为3～8份；
进一步，所述生物质重油是以树木和采伐加工剩余物为生物质原材料，采用热液化方法制备而得到。优选生物质原材料经热解、蒸馏处理后的大于120℃生物油残留物。
进一步，所述热塑性聚氨酯简称TPU，是一种(AB)n型嵌段线性聚合物，A为高分子量(1000~6000)的聚酯或聚醚，B为含2~12直链碳原子的二醇。所述TPU主要为聚酯型TPU，密度为1.10～1.25 g/cm3，拉伸强度为30~60 MPa。热塑性聚氨酯优选采用热塑性聚氨酯废弃物。
进一步，所述相容剂为一种可以提高热塑性聚氨酯与生物道路沥青相容性的液体混合物。优选为润滑油基础油在溶剂精制过程中的抽出油；优选糠醛精制抽出油、酚精制抽出油中的至少一种。
进一步，所述基质沥青选自常压或减压蒸馏所得渣油和/或沥青，其中，针入度（25℃，100g，5s，1/10mm）为55~130，优选为AH-50、AH-70、AH-90沥青或满足JTGF40-2004规范中对50A、70A、90A道路石油沥青技术要求的基质沥青。
本发明第二方面还提供了生物氧化改性沥青材料的制备方法，其包括如下步骤：
（1）制备生物质重油；
（2）将步骤（1）得到的生物质重油加入到基质沥青中，持续搅拌发育，得到生物质重油改性沥青材料；将得到的生物质重油改性沥青材料加入到氧化装置釜中，通入空气进行氧化反应，得到生物道路沥青。
（3）将热塑性聚氨酯材料加入生物道路沥青中，剪切，然后将相容剂材料加入其中混合均匀，搅拌发育，得到改性道路沥青材料。
进一步，步骤（1）中制备生物质重油为将生物质材料进行热解得到生物油，之后进行常压蒸馏，收集大于120℃生物油残留物。生物质材料为木屑、树叶、枝丫木片等以树木和采伐加工剩余物为主的材料。热解前优选先进行粉碎处理。
进一步，步骤（1）所述热解过程为采用流化床装置进行的生物质快速分解反应，反应温度控制在400~550℃，优选430~520℃。
进一步，步骤（2）所述生物质重油加入到基质沥青之前加热至温度为60~100℃；基质沥青预先加热至温度为130~150℃；两者混合后发育时间1~5h，优选条件：搅拌发育2~3h。
进一步，步骤（2）氧化反应的氧化温度为160~280℃，氧化时间为1~12h，空气流量为10~100M3·M-3·h-1；进一步优选，氧化反应的氧化温度为190~250℃，氧化时间为3~9h，空气流量为30~80M3·M-3·h-1。
进一步，步骤（3）中剪切后升温至160~170℃，再加入相容剂搅拌均匀，所述剪切的剪切转速为1000~5000rpm，加入相容剂后搅拌发育的转速为500~1000rpm。
与现有技术相比，本发明提供的改性道路沥青材料及其制备方法具有如下优点：
本发明的道路沥青工艺可显著提高该沥青材料的高温性能，尤其是软化点及抗车辙性能，弥补生物质重油抗车辙性能差的缺陷，复合改性得到的沥青产品综合性能优异。并且制备成本低廉、改性效果好，是一种环保型沥青材料。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本发明的技术方案，但并不局限于以下实施例。
实施例1
（1）将松树木屑材料粉碎后，采用流化床试验装置对其进行快速热解反应，反应温度500℃，得到生物油材料。对所得生物油进行常压蒸馏，收集大于120℃馏分油，得到生物质重油。
（2）将12重量份生物质重油加热至80℃，加入到100重量份140℃的石油基质沥青中，在加热温度150℃、300 rpm条件下将两者混合后发育2 h，得到生物质重油改性沥青，其中，所述石油基质沥青针入度（25℃，100g，5s，1/10mm）为61。将得到的生物质重油改性沥青加入到氧化装置釜中，进行空气氧化反应，氧化温度为220℃，氧化时间为5h，空气流量为60M3·M-3·h-1。反应完成后倒出沥青样品，得到生物道路沥青。
（3）在上述生物道路沥青中加入2重量份热塑性聚氨酯废弃物材料，在160℃条件下剪切搅拌30 min，转速为2000 rpm；剪切完毕后，缓慢加入3重量份相容剂（糠醛精制抽出油），在转速600 rpm条件下搅拌发育3 h，即得改性道路沥青材料A1。其中所述热塑性聚氨酯废弃物为聚酯型TPU，是一种(AB)n型嵌段线性聚合物，A为高分子量(1000~6000)的聚酯或聚醚，B为含2~12直链碳原子的二醇。密度为1.20 g/cm3，拉伸强度为50 MPa。
实施例2
（1）将松树木屑材料粉碎后，采用流化床试验装置对其进行快速热解反应，反应温度450℃，得到生物油材料。对所得生物油进行常压蒸馏，收集大于120℃馏分油，得到生物质重油。
（2）将18重量份生物质重油加热至100℃，加入到100重量份135℃的石油基质沥青中，在加热温度150℃、300 rpm条件下将两者搅拌调合3 h，得到生物质重油改性沥青，其中，所述石油基质沥青针入度（25℃，100g，5s，1/10mm）为61。将得到的生物质重油改性沥青加入到氧化装置釜中，进行空气氧化反应，氧化温度为260℃，氧化时间为7h，空气流量为40M3·M-3·h-1。反应完成后倒出沥青样品，得到生物道路沥青。
（3）在上述生物道路沥青中加入3重量份热塑性聚氨酯废弃物材料，在160℃条件下剪切搅拌30 min，转速为2000 rpm；剪切完毕后，缓慢加入5重量份相容剂（酚精制抽出油），在转速600 rpm条件下搅拌发育3 h，即得改性道路沥青材料A2。其中所述热塑性聚氨酯废弃物为聚酯型TPU是一种(AB)n型嵌段线性聚合物，A为高分子量(1000~6000)的聚酯或聚醚，B为含2~12直链碳原子的二醇。密度为1.25 g/cm3，拉伸强度为60 MPa
实施例3
（1）将松树木屑材料粉碎后，采用流化床试验装置对其进行快速热解反应，反应温度520℃，得到生物油材料。对所得生物油进行常压蒸馏，收集大于120℃馏分油，得到生物质重油。
（2）将25重量份生物质重油加热至70℃，加入到100重量份145℃的石油基质沥青中，在加热温度150℃、300 rpm条件下将两者搅拌调合2 h，得到生物质重油改性沥青，其中，所述石油基质沥青针入度（25℃，100g，5s，1/10mm）为61。将得到的生物质重油改性沥青加入到氧化装置釜中，进行空气氧化反应，氧化温度为180℃，氧化时间为10h，空气流量为90M3·M-3·h-1。反应完成后倒出沥青样品，得到生物道路沥青。
（3）在上述生物道路沥青中加入4重量份热塑性聚氨酯废弃物材料，在160℃条件下剪切搅拌30 min，转速为2000 rpm；剪切完毕后，缓慢加入8重量份相容剂（酚精制抽出油），在转速600 rpm条件下搅拌发育3 h，即得改性道路沥青材料A3。其中所述热塑性聚氨酯废弃物为聚酯型TPU，是一种(AB)n型嵌段线性聚合物，A为高分子量(1000~6000)的聚酯或聚醚，B为含2~12直链碳原子的二醇。密度为1.10 g/cm3，拉伸强度为30 MPa
比较例1
所述材料制备方法及配方同实施例2，唯一区别在于不添加生物质重油，即得复合改性沥青材料A4。
比较例2
所述材料制备方法及配方同实施例2，唯一区别在于不经过空气氧化反应过程，即得复合改性沥青材料A5。
比较例3
所述材料制备方法及配方同实施例2，唯一区别在于不添加TPU废弃物材料，即得复合改性沥青材料A6。
测试例
将上述实施例及比较例中的样品的性能进行测试，得到的结果如表1所示，其中改性沥青标准参照JTG F40-2004规范对聚合物改性沥青I类（SBS）改性沥青的技术要求，上述实施例及比较例中的样品针入度在60~80之间，故应满足I-C类改性沥青技术要求。
表1 改性道路沥青材料的组成（重量份）
| 项目 | 生物质重油 | 石油基质沥青 | TPU | 相容剂 | 沥青材料 |
| 实施例1 | 12 | 100 | 2 | 3 | A1 |
| 实施例2 | 18 | 100 | 3 | 5 | A2 |
| 实施例3 | 25 | 100 | 4 | 8 | A3 |
| 比较例1 | - | 100 | 3 | 5 | A4 |
| 比较例2 | 18 | 100 | 3 | 5 | A5 |
| 比较例3 | 18 | 100 | - | 5 | A6 |
表2 改性道路沥青材料主要性质
| 沥青材料 | 基质沥青 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 | I-C类技术要求 |
| 针入度25℃/0.1mm | 61 | 66 | 68 | 69 | 67 | 79 | 77 | 60~80 |
| 针入度指数PI | -1.1 | 1.8 | 1.5 | 1.4 | 1.1 | -0.9 | -0.6 | ≥-0.4 |
| 软化点/℃ | 47.7 | 93.5 | 92.8 | 92.2 | 91.2 | 54.0 | 64.0 | ≥55 |
| 延度5℃/cm | - | 45 | 46 | 48 | 20 | 30 | 27 | ≥30 |
| 延度10℃/cm | 45 | - | - | - | - | - | - | - |
| 储存稳定性，48h软化点差/℃ | - | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 3.1 | 2.5 | 2.6 | ≤2.5 |
| TFOT后针入度比（25℃） | 65.8 | 76.1 | 75.5 | 76.1 | 68.7 | 65.1 | 65.2 | ≥60 |
表3 改性道路沥青材料车辙因子|G*|/sinδ（kPa）
| 温度/℃ | 基质沥青 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 |
| 64 | 3.62 | 8.06 | 7.88 | 7.97 | 6.05 | 6.01 | 5.96 |
| 70 | 1.95 | 4.17 | 4.01 | 4.16 | 2.17 | 2.06 | 3.70 |
| 76 | 0.91 | 1.77 | 1.18 | 1.75 | 1.17 | 1.03 | 1.66 |
| 82 | 0.65 | 1.12 | 1.10 | 1.11 | 0.86 | 0.72 | 1.03 |
由表1中可见，本发明的改性道路沥青材料综合性能较好，在加入聚合物改性剂的量非常少的情况下，其表征高温性能的软化点远高于普通改性沥青；同时，低温下延度性质好，材料的储存稳定性可以满足聚合物改性沥青的相关技术要求。由表3可看出得到的改性道路沥青产品抗车辙性能非常好，其综合性能优异，同时利用了可再生资源，是一种环保型路面使用的改性沥青材料。
Claims (11)
1.一种改性道路沥青材料的制备方法，其特征在于，按重量份计，采用的原料组分包括：
石油基质沥青100份；
生物质重油10～30份；
热塑性聚氨酯1～5份；
相容剂1～10份；
所述改性道路沥青材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）制备生物质重油；
（2）将步骤（1）得到的生物质重油加入到石油基质沥青中，持续搅拌发育，得到生物质重油改性沥青材料；将得到的生物质重油改性沥青材料加入到氧化装置釜中，通入空气进行氧化反应，得到生物道路沥青；
（3）将热塑性聚氨酯材料加入生物道路沥青中，剪切，然后将相容剂材料加入其中混合均匀，搅拌发育，得到改性道路沥青材料；
步骤（1）中制备生物质重油为将生物质材料进行热解得到生物油，之后进行常压蒸馏，收集大于120℃生物油残留物；热解过程为采用流化床装置进行的生物质分解反应，反应温度控制在400~550℃；
步骤（2）氧化反应的氧化温度为160~280℃，氧化时间为1~12h，空气流量为10~100M3·M-3·h-1；
所述热塑性聚氨酯是一种(AB)n型嵌段线性聚合物，A为高分子量的聚酯或聚醚，B为含2~12直链碳原子的二醇；
所述相容剂为润滑油基础油在溶剂精制过程中的抽出油。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，生物质重油按重量份计为12～25份；热塑性聚氨酯按重量份计为2～4份；相容剂按重量份计为3～8份。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，A为分子量为1000~6000的聚酯或聚醚。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性聚氨酯密度为1.10～1.25 g/cm3，拉伸强度为30~60 MPa。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述相容剂为糠醛精制抽出油、酚精制抽出油中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，生物质分解反应的反应温度控制在430~520℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述生物质重油加入到基质沥青之前加热至温度为60~100℃；基质沥青预先加热至温度为130~150℃；两者混合后发育时间1~5h。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，两者混合后搅拌发育2~3h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氧化反应的氧化温度为190~250℃，氧化时间为3~9h，空气流量为30~80M3·M-3·h-1。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中剪切后升温至160~170℃，再加入相容剂搅拌均匀，所述剪切的剪切转速为1000~5000rpm，加入相容剂后搅拌发育的转速为500~1000rpm。
11.一种根据权利要求1-10任一所述的制备方法制备的改性道路沥青材料。
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