張增平 彭江* 朱永彪 孫佳 王力 呂文江

(1.長安大學(xué) 教育部特殊地區(qū)公路工程重點實驗室 陜西西安 710064) (2.中國電力建設(shè)集團 北京 100089)(3. 陜西省交通建設(shè)集團公司 陜西西安 710075)

隨著我國公路交通建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對瀝青材料提出了越來越高的要求，不同類型的瀝青改性劑層出不窮[1]。其中，以SBS為代表的熱塑性聚合物是目前應(yīng)用效果最好，也是使用最廣泛的瀝青改性劑[2-3]。然而大量的研究表明，SBS和瀝青之間并沒有發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，而是均勻地分散、吸附在瀝青中，僅僅是物理意義上的共存共融，屬于熱力學(xué)不相容體系，在生產(chǎn)、熱儲存和使用過程中會發(fā)生聚合物離析或降解的現(xiàn)象，致其熱儲存穩(wěn)定性不高[4-5]。

聚氨酯(PU)彈性體具有耐磨損、耐老化、強度高、低溫柔性好等優(yōu)點[6-7]。同時，PU預(yù)聚體和瀝青在高溫及加入擴鏈交聯(lián)劑的條件下會發(fā)生固化反應(yīng)，形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，成為一種均勻穩(wěn)定的全新聚合物改性瀝青[8]。本研究嘗試以聚醚型聚氨酯預(yù)聚體(2143JM-PU)以及擴鏈交聯(lián)劑3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)和定量的稀釋劑制備PU改性瀝青，為開發(fā)新型高性能PU改性瀝青材料提供參考和依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 主要原料

SK-90#道路石油瀝青(基質(zhì)瀝青)，韓國SK集團；環(huán)保型活性稀釋劑PU-10、聚醚型聚氨酯預(yù)聚體2143JM-PU(NCO質(zhì)量分數(shù)(4.3±0.2)%)，張家港源邦化工材料有限公司；3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷(MOCA)，濟寧華凱樹脂有限公司；I-C型SBS改性瀝青，山東坤達公路材料有限公司。

1.2 聚氨酯(PU)改性瀝青的制備

將500 g基質(zhì)瀝青置于烘箱中加熱至120～130 ℃軟化后置于加熱爐上，120～130 ℃下使用高速剪切機(轉(zhuǎn)速2 000 r/min)對基質(zhì)瀝青進行剪切攪拌。將已加熱至120 ℃熔化的14 g MOCA緩慢加入瀝青中剪切攪拌5 min，再將10.5 g稀釋劑PU-10加入瀝青中剪切攪拌5 min，最后將175 g預(yù)熱至90 ℃的PU預(yù)聚體緩慢加入到瀝青中剪切攪拌5 min，并將混合均勻的PU改性瀝青置于100 ℃的烘箱中保溫2 h，得到PU改性瀝青。其中，PU預(yù)聚體摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的35%，MOCA和稀釋劑摻量分別為PU預(yù)聚體質(zhì)量的8%和6%。

1.3 性能測試儀器與方法

采用德國Bruker公司的Vertex70型紅外光譜儀進行紅外光譜分析；采用Veeco公司的DI Nanoscope IV型原子力顯微鏡(AFM)進行測試，選用圖像分辨率更高，且試樣受到的剪切力破壞較小的輕敲模式；采用英國馬爾文儀器公司的Bohlin Gemini動態(tài)剪切流變儀分別對PU改性瀝青以及SBS改性瀝青進行動態(tài)剪切流變(DSR)試驗，溫度掃描試驗時，掃描頻率固定為頻率10 rad/s，溫度掃描范圍為40～80 ℃，升溫速率為2 ℃/min；頻率掃描試驗時，試驗溫度固定為60 ℃，荷載作用頻率范圍為0.1～10 rad/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 PU改性瀝青紅外光譜分析

基質(zhì)瀝青、2143JM-PU、PU改性瀝青的紅外光譜圖如圖1所示。

圖1 基質(zhì)瀝青、2143JM-PU和PU改性瀝青紅外光譜圖

由圖1可知，基質(zhì)瀝青和PU改性瀝青的紅外光譜圖呈現(xiàn)出的變化趨勢相似，部分吸收峰僅僅表現(xiàn)出吸收強度上的差別。同時，在2143JM-PU的紅外光譜圖中2 274 cm-1處出現(xiàn)的異氰酸酯基(NCO基)特征峰，在PU改性瀝青的紅外光譜圖中完全消失，且本研究中MOCA的量不足以將2143JM-PU中的NCO基完全反應(yīng)，表明2143JM-PU中的NCO基還與基質(zhì)瀝青中的活性基團反應(yīng)，證明了PU改性瀝青在改性過程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

2.2 PU改性瀝青的微觀構(gòu)造分析

兩種瀝青AFM形貌圖如圖2所示。

圖2 基質(zhì)瀝青與PU改性瀝青AFM形貌圖

由圖2可見，基質(zhì)瀝青和PU改性瀝青的形貌圖中均分布有“蜂形”結(jié)構(gòu)，基質(zhì)瀝青的“蜂形”結(jié)構(gòu)多且分布較為密集，而PU改性瀝青相對較少，且PU改性瀝青的“蜂形”結(jié)構(gòu)的形態(tài)相比于基質(zhì)瀝青顯得更為狹長，分布也更為均勻。這說明PU的加入會改變?yōu)r青質(zhì)與基質(zhì)瀝青中其他組分之間的相互作用，使周圍的瀝青分子能夠很好地將其溶解分散，從而形成更加穩(wěn)定的PU改性瀝青體系。

2.3 PU改性瀝青與SBS改性瀝青流變性能比較

將PU改性瀝青和SBS改性瀝青進行溫度掃描和頻率掃描試驗，得到復(fù)數(shù)剪切模量G*以及相位角δ隨溫度及荷載作用頻率變化的試驗結(jié)果，見圖3和圖4。

圖3 不同改性瀝青的G*和δ隨溫度變化情況

圖4 不同改性瀝青的G*和δ隨頻率變化情況

由圖3和圖4可知，在相同的溫度及荷載作用頻率條件下，PU改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*大于SBS改性瀝青的，說明PU的加入有效改善了瀝青的高溫抗變形能力，抗車轍能力較SBS改性瀝青得到明顯提高；在相同溫度及荷載作用頻率下，PU改性瀝青的相位角δ要遠小于SBS改性瀝青的相位角δ，說明PU的加入使得瀝青的粘彈性能改變，增加瀝青體系中的彈性成分，提高了體系的高溫性能，相比于SBS改性瀝青其高溫穩(wěn)定性能更好；且相較于SBS改性瀝青，隨著溫度升高及荷載作用頻率的加快，PU改性瀝青的G*、δ曲線變化趨勢更加平緩，斜率更小，說明PU的加入有效降低了改性瀝青體系對溫度及荷載作用頻率變化的敏感性。

3 結(jié)論

(1)由紅外光譜分析可知，預(yù)聚體中的異氰酸酯基還與基質(zhì)瀝青中的活性基團反應(yīng)，說明PU改性瀝青中具有化學(xué)改性過程。

(2)原子力顯微鏡試驗分析表明，PU的加入形成了更加穩(wěn)定的PU改性瀝青體系。

(3)通過DSR試驗分析發(fā)現(xiàn)，PU改性瀝青的高溫抗變形能力較SBS改性瀝青有明顯的提升，且PU的加入有效降低了體系對溫度變化以及荷載作用頻率的敏感性。