PE对沥青的改性--聚乙烯和聚乙烯胶粉复合改性沥青的实验

JournalofShenyangJianzhuUniversity(NaturalScience)

󰀁Mar.󰀁2007Vol󰀁23,No󰀁2

文章编号:1671-2021(2007)02-0267-04

聚乙烯和聚乙烯胶粉复合改性沥青的实验

张巨松1,王文军1,赵宏伟2,王󰀁红2

(1󰀁沈阳建筑大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110168;󰀁2󰀁沈阳市城乡建设委员会,辽宁沈阳1101)

摘󰀁要:目的研究聚乙烯(polyethylene,PE)、胶粉复合改性沥青的韧性、相容性能,以及抗老化性能.方法通过高速剪切法使PE分散于沥青中,在混溶的过程中加入相容剂,使其和PE发生接枝反应不至于发生团聚行为,通过拉伸试验和薄膜烘箱试验比较基质沥青和改性沥青的韧性和抗老化性能.结果经过物理化学方法改性过的PE改性沥青韧性得到改善,相容剂在沥青和PE互容的过程中起着显著的作用;经过改性的沥青抗老化性明显提高.结论酸酐类相容剂通过与PE进行接枝反应可明显改变其与沥青的相容性,相对于基质沥青,经过PE改性的沥青韧性及抗老化性能明显提高。关键词:PE;改性沥青;相容性;韧性;抗老化性中图分类号:TU502󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁高分子聚物作为优良的沥青改性剂得到越来越广泛的运用,作为高聚物改性剂中树脂类改性剂代表的PE备受重视[1-3].PE既可以提高沥青的高温和抗老化性能,又可以改善沥青的韧性,尤其是在能源短缺的今天,大量回收的PE可以作为沥青改性剂,解决󰀁白色污染󰀁问题,所以PE作为沥青改性剂又能带来环境效益[4-6].但是PE改性沥青存在着一个难以解决的问题就是PE和沥青的相容性问题.目前通过高速剪切工艺和胶体磨工艺已经能将PE分散于沥青当中,但是由于沥青和PE的溶解度参数相差较大,导致被分散的PE在沥青中随着时间的推移会出现团聚的现象

[7-11]

生产;低密度聚乙烯,废旧食品包装塑料袋;相容剂,酸酐类化合物.

仪器:JB90-D型强力电动搅拌机;高速沥青剪切仪;SY1.5C型恒温双数显沥青延度仪;DF-5型电脑全自动沥青软化点仪;X󰀁-3型光学显微镜;KD-5型微机控制电子试验机.1󰀁2󰀁实验方法

(1)高、低温性

高温性:对沥青试样进行软化点实验,测量PE改性沥青和PE+4%的60目胶粉复合改性沥青的软化点与PE掺量之间的关系.

低温性:对沥青试样进行低温(5󰀁)延度实验,测量PE改性沥青和PE+4%的60目胶粉复合改性沥青的低温(5󰀁)延度与PE掺量之间的关系.

(2)相容性

对改性沥青进行离析和体式显微镜实验.(3)韧性

将制备好的沥青试样置于15󰀁恒温水浴中保持1h左右,然后将试样以5cm/min的速度进

.笔者的主要目的就是通过化学手段对

PE进行接枝改性,降低PE和沥青溶解度参数差,防止PE团聚,并对PE改性沥青的其它性能进行分析.

1󰀁实验原料和方法

1󰀁1󰀁原料和设备

原料:AH-90沥青,盘锦北方沥青有限公司

󰀁󰀁收稿日期:2006-10-15

基金项目:辽宁省教育厅项目(2020830)

作者简介:张巨松(1962-),男,教授,博士,主要从事透水路面、地铁混凝土材料研究.

268󰀁

沈阳建筑大学学报(自然科学版)第23卷

行拉伸试验,测量其拉伸性能.

(4)抗老化性

将基质沥青和4.5%PE+4%胶粉改性沥青进行薄膜烘箱实验,对比两者各方面性能的变化.

0.5cm,而PE胶粉复合改性沥青则从9.6cm降到了3.8cm.

胶粉的加入增加了沥青的低温延度,其原因为在低温条件下,基质沥青中分子流动性下降,分子间距离缩短,分子间作用力增加,脆性增加,当改性沥青处于拉伸状态时,起到应力集中作用的胶粉颗粒容易引起大量银纹和剪切带,这些银纹或剪切带往往终止于另一胶粉颗粒,同时银纹和银纹相遇时,会使银纹转向或支化,这些过程大大延缓了材料的破坏作用.另外,由于低温下沥青模量大于胶粉模量,当银纹转化为裂缝时,界面处存在胶粉颗粒,它跨越裂缝两岸阻碍了裂缝的进一步扩大,同时还吸收了断裂时剩余的能量,所以PE胶粉复合改性沥青的低温性能比PE改性沥青优越.

2󰀁2󰀁PE和沥青的相容性

各不同配方PE改性沥青相容性效果如表1,各试样所对应的显微透光实验图片如图3所示.

表1󰀁PE改性沥青离析实验

编号abcdef

配方󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁基质沥青1.5%PE改性沥青4.5%PE改性沥青

4.5%PE改性沥青+相容剂4.5%PE+4%胶粉改性沥青

4.5%PE+4%胶粉改性沥青+相容剂

离析试验现象无团聚现象无团聚现象厚的全面结皮边缘有轻微结皮(较厚)薄的全面结皮边缘有轻微结皮(较薄)

2󰀁实验结果与分析

2󰀁1󰀁PE掺量对沥青高、低温性的影响

PE掺量对沥青高温性的影响:通过改性沥青的软化点实验得图1,PE和PE胶粉复合改性沥青的软化点在聚乙烯掺量为0~6%随着PE的掺量增大而增加,但是PE改性沥青的软化点比PE胶粉复合改性沥青的软化点高.

当PE在机械作用下分散于沥青中时,PE中晶态转为非晶态,为了降低表面能会吸附沥青中的部分饱和分,并在这些轻质组分作用下发生溶胀,通过吸附和溶胀,使沥青的聚集态结构组成由溶胶型、溶胶凝胶型向凝胶型结构转化,大大改变沥青的粘弹性质,导致软化点增高,改善了沥青的高温性能.PE胶粉复合改性沥青由于胶粉的加入部分改变了沥青的连续网状结构使沥青向溶胶型转化,所以黏度降低,软化点增幅较小.

󰀁󰀁由表1可知,基质沥青和PE含量为1.5%的改性沥青经过离析实验后,表面无团聚现象,从图

图1󰀁软化点温度和改性剂掺量关系

片上看,(a)图中无任何不容物,(b)图中的少量PE在沥青中分散均匀,这是由于(a)图试样没有引入聚合物,不存在相容性问题,而(b)图试样中的少量PE经过机械搅拌后在沥青中分散均匀,由于PE颗粒相距较远,没有发生团聚现象;离析实验中(c)图试样表面全部结皮,且较厚,这是因为PE和沥青的溶解度参数相差较大,搅拌停止后,在表面张力的作用下PE颗粒发生团聚行为,最终浮于沥青表面;加入相容剂的(d)图试样中

图2󰀁低温(5󰀁)延度和改性剂掺量关系

PE分散均匀,PE颗粒接触较紧密,没有发生大规模团聚现象,由于相容剂的加入,使得PE颗粒表面发生了接枝反应,PE颗粒和沥青的溶解度参数差减小,表面张力减小,所以PE颗粒能够较好地

󰀁󰀁PE掺量对沥青低温性的影响:由改性沥青低温(5󰀁)延度实验得图2,随着PE掺量的增加,PE改性沥青低温(5󰀁)延度从7.3cm降到了

第23卷张巨松等:聚乙烯和聚乙烯胶粉复合改性沥青的实验

269󰀁

分散于沥青中而不发生团聚行为,离析实验中(d)图试样表面只有边缘有轻微结皮也说明了这个问题;(e)图试样在离析试验中有薄的全面结皮,其显微照片显示PE在沥青中以团聚形式存在,这说明了胶粉的加入一定程度上阻碍了PE凝胶结构的形成,使得PE不能发生大规模团聚,但是胶粉不能保证PE在沥青中以细颗粒形式分散均匀,与改性的目的相差较远;(f)图试样中PE颗粒

较细且分散得均匀,离析试验中(f)图试样只有边缘有轻微结皮,说明了此试样中PE和沥青相容性很好.相容剂起着改性PE颗粒表面的作用,使得PE颗粒与沥青的溶解度参数差减小,以便很好地相容,另外,在胶粉的作用下PE颗粒在沥青中分散得更稳定,不易形成团聚现象.所以,相容剂和橡胶粉的复合使用更有利于PE在沥青中的分散.

图3󰀁改性沥青显微透光试验(400󰀁)

2󰀁3󰀁PE掺量对沥青韧性的影响

经由沥青的拉力实验得图4,4.5%PE改性沥青最大拉力为34.66N,对应的伸长量为26.9cm;4.5%PE+4%胶粉复合改性沥青的最大拉力为19.38N,对应的伸长量为16.74cm;基质沥青最大拉力为7.3N,对应的伸长量为9.49cm.

青抗拉性能最差.PE的加入使沥青的聚集态结构由溶胶型向溶胶凝胶型的连续结构转变,沥青在拉伸状态时PE分子呈单向有序状态分布,由于PE大分子链的韧性使得沥青试样不容易断裂,所以4󰀁5%PE改性沥青拉伸性能最好.2󰀁4󰀁抗老化性

基质沥青经过薄膜烘箱试验后得图2数据,5󰀁延度从9cm下降到2.1cm,针入度有所下降,而软化点上升了大约2󰀁,质量损失为0.368%;PE胶粉复合改性沥青经过薄膜烘箱实验后,5󰀁延度从4.8cm下降到4.2cm,针入度有所下降,而软化点上升了大约19.8󰀁,质量损失为0󰀁321%.

比较两者的5󰀁延度下降值,基质沥青下降了6.9cm,而改性沥青下降了0.6cm,虽然改性

图4󰀁改性沥青韧性实验

󰀁󰀁三种沥青材料的最大拉力F比较结果为:4󰀁5%PE改性沥青>4.5%PE+4%胶粉改性沥青>基质沥青.三种材料的F/L值比较结果为:4.

5%PE改性沥青>4.5%PE+4%胶粉改性沥青>基质沥青.比较结果发现4.5%PE改性沥青的韧性最优越,4.5%PE+4%胶粉改性沥青次之,基质沥

沥青初始延度值小于基质沥青,但是其最终延度值要大于基质沥青,而其延度比又明显高于基质沥青.另外,改性沥青质量损失小于基质沥青,说明沥青中油分的挥发要小于基质沥青.这两个重要指标明显说明聚乙烯胶粉复合改性沥青的抗老化性能比基质沥青优越.

270󰀁

沈阳建筑大学学报(自然科学版)

表2󰀁沥青试样薄膜烘箱实验

分类

TFOT试验前TFOT试验后

TFOT试验前TFOT试验后

延度/cm9.02.14.84.2

针入度/0.1mm20.1/58.520.1/58.529.514.6

延度比/%2387.5

针入度比(25󰀁)/%

5949.5

软化点/󰀁46.8.761.881.6

第23卷

质量损失/%0.3680.321

基质PE+4%胶粉

3󰀁结󰀁论

(1)PE改性沥青和PE胶粉复合改性沥青的高温性能在最大PE掺量为6%的实验范围内随着PE掺量的增加而改善,而低温性能则相反,但PE胶粉复合改性沥青的低温性能要优于PE改性沥青.

(2)PE通过与相容剂反应,能够与沥青更好地相容;胶粉的加入使得PE在沥青中更稳定.

(3)拉伸实验表明:PE改性沥青的韧性最好,PE胶粉复合改性沥青次之,而基质沥青最差.

(4)PE胶粉复合改性沥青的抗老化性优于基质沥青.参考文献:

[1]󰀁沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人

民交通出版社,2001.

[2]󰀁郑长江,李铁虎.路用改性沥青材料的路用性能

[J].材料导报,2004(2):59-60.

[3]󰀁SinanHinislioglu,EmineAgar.Useofwastehigh

[9]󰀁[10]󰀁[7]󰀁[8]󰀁[5]󰀁[6]󰀁[4]󰀁

densitypolyethyleneasbitumenmodifierinasphaltconcretemix[J].Materialsletters,2004(58):267-271.

王仕峰,查伟斌.LDPE改性沥青的研究[J].中国塑料,2001(3):51-53.

原建安.PE改性沥青中几个问题的讨论[J].西安公路交通大学学报,1999(1):13-16.

邱欣,张敏江,薛亮.地区透水沥青路面路用性能研究[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2005(1):204-207.

骆光林,方长青.包装废PE改性沥青的研究[J].包装工程,2005(2):31-32.

GiovanniPolacco,StefanoBerlincioni.AsphaltMod-i

ficationwithdifferentpolyethylene-basedpolymers[J].EuropeanPolymerJournal,2005(41):2831-2844.

许传路,王哲.改性聚乙烯对沥青影响分析与探讨[J].石油沥青,2006(1):65-69.

高光涛,朱玉堂.储存稳定的LDPE/SBS共混物改性沥青的制备[J].公路交通科技,2002(6):28-31.

[11]󰀁StastnaJ,ZanzottoL.Viscosityfunctioninpolymer-modifiedasphalts[J].JournalofColloidandinterfaceScience2003(259):200-207.

TheStudyonPerformanceofAsphaltModifiedwithPolyethylene

andRubberPowder

ZHANGJusong1,WANGWenjun1,ZHAOHongwei2,WANGHong2

(1󰀁SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China;2󰀁ArchitecturalComnit-teeofshengang,shengang1101,China)

Abstract:Thepaperresearchesintotheperformanceoftoughnessandconsistencyandant-iaging.Forthe

sakeofpreventingreunitingofpolyethylene,thepolyethyleneisdispersedwithrapidcuttingandtheadmix-tureisadded,whichcangraftintopolyethyleneinmillingprocess.Comparethetoughnessandant-iaging

performanceofcrudeasphaltandmodifiedasphaltbypul-lstrengthandTFOTexperiment.Thetoughness

andant-iagingperformanceofthepolyethyleneisimprovedafterbeingmodifiedbyphysicalandchemicalmethod.Theadmixtureplaysanimportantroleinmillingpolyethyleneandasphalt.Theseriesofanhydridecanimprovetheconsistencybetweenasphaltandpolyethylenebygraftingintopolyethylene.Incomparisonwiththecrudeasphalt,thetoughnessandant-iagingperformanceofmodifiedasphaltimprovedevidently.

Keywords:polyethylene;modifiedasphalt;consistency;toughness;ant-iaging