苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物改性乳化瀝青的工藝條件優(yōu)化

曾 勤，陳建福，黃慧珍

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建漳州 363000)

瀝青延度是在一定溫度下瀝青斷裂前擴(kuò)展或伸長(zhǎng)的能力，是瀝青柔韌性的反映。瀝青延度值是表征瀝青路面性能指標(biāo)，與路面低溫開(kāi)裂以及抗疲勞等性能有一定的相關(guān)性，在低溫下瀝青的延度值越大，則瀝青的抗裂性能越好［1－2］。用聚合物對(duì)瀝青改性是提高道路瀝青低溫延度的途徑之一，可以使瀝青低溫抗裂性和抗疲勞能力得到較大改善，對(duì)于提高北方寒冷地區(qū)道路瀝青的使用性能具有重要意義［3－4］。

筆者以改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的低溫延度為指標(biāo)，考察了影響SBS改性乳化瀝青的工藝條件，得到了性能優(yōu)良的改性瀝青。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

石油瀝青，工業(yè)級(jí)，齊魯石化有限公司;苯乙烯－丁二烯－苯乙烯嵌段共聚物(SBS)，工業(yè)級(jí)，茂名石化有限公司;Span80、Tween60，均為化學(xué)純，天津大茂化學(xué)試劑廠;氯化鈣，分析純，西隴化工股份有限公司;其他試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

高速剪切乳化機(jī)，上海全簡(jiǎn)機(jī)電有限公司;JJ－1電動(dòng)攪拌器、恒溫水浴鍋，金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠;SYD－4508型延伸度試驗(yàn)器，武漢昂特威爾科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將一定量的SBS顆粒和瀝青分別置于適量的正己烷中，得到SBS溶液和瀝青溶液，將兩種溶液混合并高速攪拌，得到改性瀝青溶液;將乳化劑(Span80與Tween60混合物，兩者質(zhì)量比3∶1)、蒸餾水、穩(wěn)定劑混合加熱，制得乳化劑水溶液。將改性瀝青溶液倒入乳化劑水溶液中，置于高速剪切乳化機(jī)中并調(diào)至所需速率，剪切一定時(shí)間后減壓蒸餾除去溶劑，得到穩(wěn)定性較好的SBS改性乳化瀝青。

1.4 產(chǎn)物性能測(cè)試

按JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T 0605—2011的規(guī)定測(cè)定瀝青5℃時(shí)的低溫延度。

2 結(jié)果與討論

2.1 SBS用量對(duì)低溫延度的影響

SBS用量是影響乳化瀝青低溫延度的重要因素。當(dāng)SBS用量較小時(shí)，SBS與乳化瀝青呈單相體系;隨著SBS用量增加，SBS與乳化瀝青形成混溶狀態(tài)，形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了SBS與乳化瀝青相之間的界面能，使得SBS能穩(wěn)定地分散在瀝青中［5］，乳化瀝青的低溫延度較好。

實(shí)驗(yàn)固定乳化劑用量(以瀝青質(zhì)量計(jì)，下同)4%、穩(wěn)定劑用量0.1%，考察SBS用量對(duì)乳化瀝青低溫延度的影響，結(jié)果如圖1所示。隨著SBS用量增加，乳化瀝青的低溫延度也增加;當(dāng)SBS用量達(dá)到6%時(shí)，乳化瀝青的低溫延度達(dá)到最大;之后繼續(xù)增加SBS用量，乳化瀝青的低溫延度降低。從改性效果和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮，SBS最佳用量為6%。

圖1 SBS用量對(duì)低溫延度的影響

2.2 乳化劑用量對(duì)低溫延度的影響

乳化劑由親油基和親水基組成，能吸附在瀝青顆粒上，從而降低瀝青與水界面的表面張力，使形成的乳濁液均勻、穩(wěn)定。當(dāng)乳化劑用量較小時(shí)，瀝青與水界面的表面張力不能充分降低，使得乳液中瀝青顆粒粒徑大小不均，乳化效果較差，穩(wěn)定性不好，低溫延度也差;隨著乳化用量增加，瀝青顆粒表面的乳化劑吸附量增加，乳化劑分子的親油、親水基團(tuán)分別與瀝青、水相結(jié)合，使得瀝青與水的表面張力降低，乳液趨向于穩(wěn)定［6］，使低溫延度增加;若乳化劑用量過(guò)多，體系中會(huì)形成大量的增容膠束，反而使得低溫延度降低。

固定SBS用量6%、穩(wěn)定劑用量0.1%，考察乳化劑用量對(duì)乳化瀝青低溫延度的影響，結(jié)果如圖2所示。隨著乳化劑用量增加，乳化瀝青的低溫延度也增加;當(dāng)乳化劑用量為4%時(shí)，乳化瀝青的低溫延度達(dá)到最大;之后繼續(xù)增加乳化劑用量，乳化瀝青的低溫延度減小。因此，乳化劑的最佳用量為4%。

圖2 乳化劑用量對(duì)低溫延度的影響

2.3 穩(wěn)定劑用量對(duì)低溫延度的影響

穩(wěn)定劑促使瀝青與SBS產(chǎn)生交聯(lián)，使得混合體系的網(wǎng)絡(luò)更發(fā)達(dá)，更有利于抵抗外力。增加穩(wěn)定劑用量，使混合體系的交聯(lián)點(diǎn)增加，交聯(lián)密度增大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更發(fā)達(dá)，抵抗外力變形能力增強(qiáng)，從而使得低溫延度增大。但穩(wěn)定劑用量過(guò)多，使交聯(lián)密度過(guò)大，交聯(lián)點(diǎn)間距離變短，反而抑制了瀝青分子鏈段的伸展，導(dǎo)致瀝青基材的脆性增加，降低了瀝青的低溫延度［7－8］。

固定SBS用量6%、乳化劑用量4%，考察穩(wěn)定劑用量對(duì)乳化瀝青低溫延度的影響，結(jié)果如圖3所示。隨著穩(wěn)定劑用量增加，乳化瀝青的低溫延度也增加;當(dāng)乳化劑用量為0.1%時(shí)，乳化瀝青的低溫延度最大;之后繼續(xù)增加乳化劑用量，乳化瀝青的低溫延度減小。因此，穩(wěn)定劑的最佳用量為 0.1%。

圖3 穩(wěn)定劑用量對(duì)低溫延度的影響

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，探討各單因素和多因素交互作用對(duì)改性瀝青低溫延度的影響。選用L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，以SBS用量(A)、乳化劑用量(B)和穩(wěn)定劑用量(C)為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取3水平進(jìn)行優(yōu)選，以改性瀝青的低溫延度為考察指標(biāo)，通過(guò)極差和方差分析，確定SBS改性乳化瀝青的最佳工藝參數(shù)。正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1，結(jié)果見(jiàn)表2，方差分析見(jiàn)表3。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表L9(34)

從表2極差分析可知，影響因素顯著性由大到小依次為:SBS用量、乳化劑用量、穩(wěn)定劑用量。優(yōu)化理論最佳工藝條件為 A3B2C3，即 SBS用量7%、乳化劑用量4%、穩(wěn)定劑用量0.09%。由表3可知，在 F0.05顯著水平條件下，SBS用量、乳化劑用量、穩(wěn)定劑用量對(duì)改性乳化瀝青的低溫延度的影響均較為顯著，說(shuō)明在考察的制備工藝中，3個(gè)因素對(duì)目標(biāo)產(chǎn)物的低溫延度均有重要影響。此外，從表3中F值大小可得出，影響改性乳化瀝青低溫延度的3個(gè)因素主次排序:A(SBS用量)＞B(乳化劑用量)＞C(穩(wěn)定劑用量)，這與極差分析結(jié)果一致。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

2.5 最佳工藝條件驗(yàn)證

由以上實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知，改性乳化瀝青的優(yōu)化條件為:SBS用量7%、乳化劑用量4%、穩(wěn)定劑用量0.09%。在此條件下進(jìn)行6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)最佳工藝條件的重現(xiàn)性，結(jié)果見(jiàn)表4。SBS改性乳化瀝青的低溫延度重現(xiàn)性良好，優(yōu)化條件下所得的低溫延度值均大于其他條件下(見(jiàn)表2)乳化瀝青的低溫延度值，且該工藝條件穩(wěn)定、可靠。

表4 最佳工藝條件重復(fù)實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)，得到用SBS改性乳化瀝青的最佳工藝條件:SBS用量7%、乳化劑用量4%、穩(wěn)定劑用量0.09%。在此最佳工藝條件下，改性乳化瀝青的低溫延度可達(dá)57.5 cm，且該工藝條件重現(xiàn)性好。

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