CN113265154A - 一种改性乳化沥青及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改性乳化沥青及其制备方法，属于道路沥青技术领域。首先制备丁苯胶乳和改性MCM‑41介孔材料作为改性乳化沥青的主要改性原料，结合白炭黑、纳米二氧化硅等改性助剂对基础沥青进行改性。制备的丁苯胶乳与基础沥青相容性好，使得改性乳化沥青具有稳定性好、不分层等优点。MCM‑41是具有2~10nm六方孔道的有序介孔材料，改性后介孔表面与介孔通道均可与沥青发生结合和缠绕，对改进沥青的力学性能有明显改善。可以有效与基础沥青形成交联网络结构形成新的胶体结构体系，显著提高基础沥青的高温稳定性并改善低温抗裂性，制备的改性乳化沥青软化点高、针入度适中、延度大。本发明的改性乳化沥青制备方法简便易行，操作便利，适合大规模生产应用。

Description

一种改性乳化沥青及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种改性沥青，具体涉及一种SBR改性乳化沥青及其制备方法，属于道路沥青制备技术领域。

背景技术

从20世纪30年代开始，沥青路面因其表面平整、噪音低、弹性好和运输量大等优点被广泛应用于路面建设。在沥青路面中，沥青层起着保护路面结构和传递路面压应力的作用，沥青层的质量是影响道路使用者安全和舒适度的决定性因素之一。但是随着沥青路面使用时间不断增加，由于沥青本身存在的低温脆性和高温流动性等特点，使得沥青路面在使用过程中容易出现严重的低温开裂、坑糟和车辙等问题，这种温度敏感性严重限制了沥青道路的使用，也给我国沥青道路地修复增加了成本。因而，为了提高道路沥青的性能，提高沥青路面的服务寿命，人们开始通过添加改性剂来改善沥青的各项性能。

沥青的改性剂主要包含有添加剂、矿物质填料和高分子聚合物。添加剂，包括抗氧化剂和抗剥落剂，如有机酸皂、胺型或酚型抗氧化剂或阴、阳离子型或非离子型表面活性剂，可提高沥青粘附性、耐老化或抗氧化能力。矿物质填料, 如硅藻土、石灰、水泥、炭黑、硫磺、木质素、石棉和炭棉等, 对沥青进行物理改性, 可提高沥青抗磨耗性、内聚力和耐候性。由重复小分子链构成的高分子聚合物也是改性沥青最常见的改性剂，通过加入聚合物改性，沥青路面展现出良好的抗车辙和耐撕裂稳定性，同时高分子聚合物的加入也降低了沥青路面的疲劳损耗性和温度敏感性。高分子聚合物改性沥青，按照改性剂的不同一般可分为三类：（1）热塑性橡胶类，即热塑性弹性体, 主要是嵌段共聚物, 如SBS、SIS、SE/BS，是目前世界上最为普遍使用的道路沥青改性剂；（2）橡胶类，如NR、SBR、CR、BR、IR、SIR 及SR等，其中SBR应用最为广泛；（3）树脂类，如EVA,、PE、PVC、PP 及PS。

通常，人们使用粉末丁苯橡胶（PSBR）来改性沥青，相对橡胶块来讲，具有加工工艺简便、成本较低，能够实现生产连续化和节能环保等优点。但是粉末橡胶的制备成本和设备要求比较高，或者在储存过程中易出现凝聚、胶粉质量下降等缺点。为解决此问题，本发明提供了一种改性乳化沥青，可以有效地与基础沥青形成交联网络结构，形成新的胶体结构体系，使得沥青的性能得到全面改善。再加上其他组分的协同作用，使得改性沥青具有很好的稳定性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种改性乳化沥青及其制备方法，所制备的改性乳化沥青具有很好的稳定性，软化点高、针入度适中、延度大，制备方法简便易行，操作便利。

为了实现本发明目的，本发明采用以下技术路线来实现：

一种改性乳化沥青，由以下重量份数的组分制得：

丁苯胶乳 10～30份；

改性MCM-41介孔材料 2～9份；

白炭黑 10～17份；

纳米二氧化硅 6～10份；

90号基础沥青 60～70份。

其中所述的丁苯胶乳由以下工艺制备而成：

将不锈钢耐压聚合釜与真空泵/氮气系统相连，连续通氮气10~20min，然后关闭氮气阀，依次向聚合釜中加入乳化剂、去离子水。启动搅拌，将转速调至300~350r/min，而后将除水精制后的丁二烯和苯乙烯依次加入到聚合釜。启动加热装置，釜内温度达到35~40℃时，加入引发剂，反应7.5~8h后停止反应，得到丁苯胶乳。

优选的，所述的乳化剂为十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠的混合物。

优选的，所述的乳化剂十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠的混合物中十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠的质量比为1:1.2~1.5。

优选的，所述丁二烯和苯乙烯的质量比为1.5~2:1。

优选的，所述引发剂为亚硫酸氢钠和过硫酸钾摩尔数为1:1的混合物。

优选的，所述引发剂的用量为丁二烯和苯乙烯质量的0.1~0.5%。

其中所述的改性MCM-41介孔材料由以下工艺制备而成：

将脱气后的MCM-41介孔材料置于无水乙醇中，然后加入KH560硅烷偶联剂，密闭搅拌1~2h后，真空干燥处理2~4h，得到硅烷偶联剂改性的MCM-41介孔材料。

优选的，所述引MCM-41介孔和KH560硅烷偶联剂的质量比1:1~1.05。

本发明改性乳化沥青的制备方法如下：

S1：制备丁苯胶乳；

S2：制备改性MCM-41介孔材料；

S3：制备SBR改性乳化沥青：按照配比称取丁苯胶乳、改性MCM-41介孔材料、白炭黑、纳米二氧化硅依次加入混料罐，常温常压下，以200～250r/min的速度搅拌均匀，然后将60~70份90号基础沥青加入到混料罐，将体系升温至80~160℃，以300～400r/min转速搅拌2～3h后，即得到本发明所述SBR改性乳化沥青。

本发明的有益效果：

（1）本发明制备的丁苯胶乳与基础沥青相容性好，使得本发明SBR沥青具有稳定性好、不分层等优点。具有良好稳定性，软化点高、针入度适中、延度大。

（2）本发明制备的改性MCM-41介孔材料是具有2~10nm六方孔道的有序介孔材料，硅烷偶联剂改性后的介孔表面与介孔通道均可与沥青发生结合和缠绕作用，对改进沥青的力学性能有明显作用。因此，不仅起着填料的作用，更主要的是改性作用，可以显著提高基础沥青的高温稳定性并改善低温抗裂性。

（3）本发明制备的丁苯胶乳与改性MCM-41介孔材料可以有效地与基础沥青形成交联网络结构，形成新的胶体结构体系，使得沥青的性能得到全面改善。

（4）本发明的改性乳化沥青沥青制备方法简便易行，操作便利，适合大规模工业化生产应用。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例，实施例不应视作对本发明保护范围的限定。

实施例1

本发明提供一种改性乳化沥青，由以下重量份数的组分制得：

丁苯胶乳 10份；

改性MCM-41介孔材料 2份；

白炭黑 10份；

纳米二氧化硅 6份；

90号基础沥青 60份。

本发明改性乳化沥青的制备方法如下：

（1）制备丁苯胶乳：将不锈钢耐压聚合釜与真空泵/氮气系统相连，连续通氮气10min，然后关闭氮气阀，依次向聚合釜中加入0.6kg十二烷基苯磺酸钠、0.72kg十二烷基硫酸钠和12.2kg去离子水。启动搅拌，将转速调至300r/min，而后将除水精制后的3.2kg丁二烯和2.13kg苯乙烯依次加入到聚合釜。启动加热装置，釜内温度达到35~40℃时，加入1.16g亚硫酸氢钠和4.17g过硫酸钾引发剂，反应7.5h后停止反应。

（2）制备改性MCM-41介孔材料：

将脱气后的0.65kgMCM-41介孔材料置于2L无水乙醇中，然后加入0.65kgKH560硅烷偶联剂，密闭搅拌1h后，真空干燥处理2h，得到硅烷偶联剂改性的MCM-41介孔材料。

优选的，MCM-41介孔和KH560硅烷偶联剂的质量比1:1.05。

（3）制备SBR改性乳化沥青：

将10份丁苯胶乳、2份改性MCM-41介孔材料、10份白炭黑、6份纳米二氧化硅依次加入混料罐，常温常压下，以200r/min的速度搅拌均匀，然后将60份90号基础沥青加入到混料罐，将体系升温至80℃，以300r/min转速搅拌2h后，即得到本发明所述的改性乳化沥青。

实施例2

本发明提供一种改性乳化沥青，由以下重量份数的组分制得：

丁苯胶乳 20份；

改性MCM-41介孔材料 4份；

白炭黑 12份；

纳米二氧化硅 7份；

90号基础沥青 65份。

本发明改性乳化沥青的制备方法如下：

（1）制备丁苯胶乳：将不锈钢耐压聚合釜与真空泵/氮气系统相连，连续通氮气15min，然后关闭氮气阀，依次向聚合釜中加入0.6kg十二烷基苯磺酸钠、0.84kg十二烷基硫酸钠和13.2kg去离子水。启动搅拌，将转速调至320r/min，而后将除水精制后的3.5kg丁二烯和2.06kg苯乙烯依次加入到聚合釜。启动加热装置，釜内温度达到35~40℃时，加入2.44g亚硫酸氢钠和8.65g过硫酸钾引发剂，反应7.5h后停止反应。

（2）制备改性MCM-41介孔材料：

将脱气后的0.65kgMCM-41介孔材料置于2L无水乙醇中，然后加入0.66kgKH560硅烷偶联剂，密闭搅拌1~2h后，真空干燥处理3h，得到硅烷偶联剂改性的MCM-41介孔材料。

（3）制备SBR改性乳化沥青：

将20份丁苯胶乳、4份改性MCM-41介孔材料、12份白炭黑、7份纳米二氧化硅依次加入混料罐，常温常压下，以240r/min的速度搅拌均匀，然后65份90号基础沥青加入到混料罐，将体系升温至120℃，以350r/min转速搅拌2.5后，即得到本发明所述的改性乳化沥青。

实施例3

本发明提供一种改性乳化沥青，由以下重量份数的组分制得：

丁苯胶乳 30份；

改性MCM-41介孔材料 9份；

白炭黑 17份；

纳米二氧化硅 10份；

90号基础沥青 70份。

本发明改性乳化沥青的制备方法如下：

（1）制备丁苯胶乳：将不锈钢耐压聚合釜与真空泵/氮气系统相连，连续通氮气10~20min，然后关闭氮气阀，依次向聚合釜中加入0.6kg十二烷基苯磺酸钠、0.9kg十二烷基硫酸钠和14.5kg去离子水。启动搅拌，将转速调至350r/min，而后将除水精制后的4.2kg丁二烯和2.1kg苯乙烯依次加入到聚合釜。启动加热装置，釜内温度达到35~40℃时，加入6.87g亚硫酸氢钠和24.3g过硫酸钾引发剂，反应8h后停止反应。

（2）制备改性MCM-41介孔材料由以下工艺制备而成：

将脱气后的0.65kgMCM-41介孔材料置于2L无水乙醇中，然后加入0.68kgKH560硅烷偶联剂，密闭搅拌2h后，真空干燥处理4h，得到硅烷偶联剂改性的MCM-41介孔材料。

（3）制备SBR改性乳化沥青：

将30份丁苯胶乳、9份改性MCM-41介孔材料、17份白炭黑、10份纳米二氧化硅依次加入混料罐，常温常压下，以250r/min的速度搅拌均匀，然后将70份90号基础沥青加入到混料罐，将体系升温至160℃，以400r/min转速搅拌3h后，即得到本发明所述的改性乳化沥青。

对比例1

仅将丁苯胶乳替换为丁苯橡胶粉末，其他同实施例1。

对比例2

仅将改性MCM-41介孔材料替换为纳米炭黑，其他同实施例1。

对比例3

仅不使用改性MCM-41介孔材料，其他同实施例1。

对比例4

仅不使用纳米二氧化硅，其他同实施例1。

性能测试：

分别将实施例1-3和对比例1-4中所得的改性沥青表征性能如下：

通过上表可以看出，本发明制备的SBR沥青较90#基础沥青，软化点有明显提升，表明通过添加本发明制备的丁苯胶乳、改性MCM-41介孔材料等，能够实现橡胶网络增强作用，提高了沥青的高温性能。延度有所提高，说明本发明SBR沥青的韧性有所提升，有效改善了基础沥青的低温开裂现象。针入度较基础沥青有所下降，低温不容易开裂、高温不容易变软。仅将丁苯胶乳换成丁苯粉末，软化点有所下降，针入度高、延度下降，对基础沥青的改性效果不明显，见对比例1。仅将改性MCM-41介孔材料替换为纳米炭黑，针入度高、延度改善不明显，见对比例2。不使用改性MCM-41介孔材料和不使用纳米二氧化硅时，对90#基础沥青的改性效果也不明显，分别见对比例3和对比例4。本发明的SBR沥青具有很好的稳定性，软化点高、针入度适中、延度大。

Claims (10)

1.一种改性乳化沥青，其特征在于由下述原料制得，所述份数均为重量份:

丁苯胶乳 10～30份；

改性MCM-41介孔材料 2～9份；

白炭黑 10～17份；

纳米二氧化硅 6～10份；

90号基础沥青 60～70份。

2.一种制备如权利要求1所述的改性乳化沥青的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：制备丁苯胶乳；

S2：制备改性MCM-41介孔材料；

S3：制备改性乳化沥青，按照配比称取丁苯胶乳、改性MCM-41介孔材料、白炭黑、纳米二氧化硅依次加入混料罐，常温常压下，以200～250r/min的速度搅拌均匀，然后将配比量的90号基础沥青加入到混料罐，将体系升温至80~160℃，以300～400r/min转速搅拌2～3h，即得所述的改性乳化沥青。

3.如权利要求2所述的一种改性乳化沥青的制备方法，其特征在于步骤S1所述丁苯胶乳的制备方法包括以下步骤：将不锈钢耐压聚合釜与真空泵/氮气系统相连，连续通氮气10~20min，然后关闭氮气阀，依次向聚合釜中加入乳化剂、去离子水；启动搅拌，转速300~350r/min，而后将除水精制后的丁二烯和苯乙烯依次加入到聚合釜；启动加热装置，釜内温度达到35~40℃时加入引发剂，反应7.5~8h后停止反应，即得所述的丁苯胶乳。

4.如权利要求3所述的一种改性乳化沥青的制备方法，其特征在于：所述的乳化剂为十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠的混合物。

5.如权利要求4所述的一种改性乳化沥青的制备方法，其特征在于：所述的乳化剂混合物中十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠的质量比为1:1.2~1.5。

6.如权利要求3所述的一种改性乳化沥青的制备方法，其特征在于：所述丁二烯和苯乙烯的质量比为1.5~2:1。

7.如权利要求3所述的一种改性乳化沥青的制备方法，其特征在于：所述引发剂为亚硫酸氢钠和过硫酸钾摩尔数为1:1的混合物。

8.如权利要求3或7任意一项所述的一种改性乳化沥青的制备方法，其特征在于：所述引发剂的用量为丁二烯和苯乙烯质量的0.1~0.5%。

9.如权利要求2所述的一种改性乳化沥青的制备方法，其特征在于步骤S2所述改性MCM-41介孔材料的制备方法包括以下步骤：将脱气后的MCM-41介孔材料置于无水乙醇中，然后加入KH560硅烷偶联剂，密闭搅拌1~2h后，真空干燥处理2~4h，得到硅烷偶联剂改性的MCM-41介孔材料。

10.如权利要求9所述的一种改性乳化沥青的制备方法，其特征在于：所述的MCM-41介孔和KH560硅烷偶联剂的质量比1:1~1.05。