聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的高溫流變性能研究

摘要 為提升基質(zhì)瀝青的物化性能，增強(qiáng)其在不同服役環(huán)境條件下的適應(yīng)性，文章采用聚氨酯預(yù)聚物對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行了改性。首先，通過分析聚氨酯預(yù)聚物摻量對(duì)改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度指標(biāo)的影響，確定了聚氨酯預(yù)聚物改性劑的最佳摻量。然后，通過動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)研究了聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的高溫流變性能。最后，借助熒光顯微鏡（FM）試驗(yàn)觀察聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的微觀相態(tài)，分析了聚氨酯（PU）在改性瀝青體系中的分布狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚氨酯在改性瀝青體系中具有良好的分散性，且對(duì)瀝青的高溫流變性能有顯著提升。綜合考慮改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)及熒光分布結(jié)果，推薦聚氨酯預(yù)聚物改性劑的最佳摻量為8%。

關(guān)鍵詞 改性瀝青；聚氨酯預(yù)聚物；最佳摻量；高溫流變性能

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0114-03

0 引言

改性瀝青的路用性能是影響瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素。基于這一狀況，提高瀝青路面的通行質(zhì)量和使用壽命是研究者們對(duì)道路瀝青的物性化進(jìn)行研究（即聚合物改性瀝青）的目的。其中，聚氨酯（PU）改性劑的出現(xiàn)為道路領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種新的思路[1-2]。

聚氨酯的全稱為聚氨基甲酸酯，其原料的主要成分是多元醇和多異氰酸酯[3-4]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)PU在道路領(lǐng)域的應(yīng)用作了相關(guān)研究。例如，孫敏等[5]通過動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試（DMA）、差示掃描量熱試驗(yàn)（DSC）等試驗(yàn)說明PU預(yù)聚體中的多異氰酸酯與基質(zhì)瀝青中的芳香族化合物發(fā)生了加成反應(yīng)，改善了瀝青性能；房明等[6]通過改變合成參數(shù)制備了聚氨酯預(yù)聚物，并分析了各參數(shù)對(duì)聚氨酯改性瀝青性能的影響，進(jìn)而確定預(yù)聚物的合成工藝。

該研究制備了不同聚氨酯預(yù)聚物摻量的改性瀝青，首先，通過針入度、軟化點(diǎn)、延度指標(biāo)研究確定了聚氨酯預(yù)聚物改性劑的最佳摻量。其次，通過動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)研究了聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的高溫流變性能。最后，利用熒光顯微鏡（FM）試驗(yàn)觀察聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的微觀相態(tài)，分析了其改性機(jī)理。

1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青。試驗(yàn)選用中國(guó)石油化工股份有限公司（SINOPEC）生產(chǎn)的東海牌70#基質(zhì)瀝青，其基本物理性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）聚氨酯。采用的聚氨酯是由山東某公司生產(chǎn)的聚氨酯預(yù)聚體，由聚醚多元醇和異氰酸酯聚合而成。采用聚氨酯預(yù)聚體主要有以下優(yōu)點(diǎn)：1）性能優(yōu)良，有很實(shí)用的物理性能；2）環(huán)保，施工污染和環(huán)境污染少；3）應(yīng)用方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示：

（3）擴(kuò)鏈劑。選用4，4'-亞甲基二（2-氯苯胺），簡(jiǎn)稱MOCA，作為擴(kuò)鏈劑，呈淡黃色粉末狀，易溶，可快速溶于酮和酯類；方便儲(chǔ)存，常溫下即可儲(chǔ)存。

該試驗(yàn)共剪切制備了4%、8%、12%、16%、20%五個(gè)不同摻量的PU改性瀝青，依次命名為4%-PUMA、8%-PUMA、12%-PUMA、16%-PUMA、20%-PUMA。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青三大指標(biāo)分析

開展25℃針入度、軟化點(diǎn)、5℃延度試驗(yàn)。PU摻量對(duì)聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青（PUMA）三大指標(biāo)的影響趨勢(shì)分別如圖1、圖2、圖3所示：

從圖1～3可以看出，隨著預(yù)聚物摻量的增加，聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)逐漸升高，延度逐漸降低。這表明，預(yù)聚物的摻加，增加了瀝青的黏度，使瀝青變硬，提高了瀝青的高溫性能；當(dāng)預(yù)聚物摻量為8%時(shí)，PUMA的軟化點(diǎn)較基質(zhì)瀝青有顯著升高，且此時(shí)延度較基質(zhì)瀝青減小不大；當(dāng)預(yù)聚物摻量大于8%時(shí)，軟化點(diǎn)隨摻量增加而增長(zhǎng)的速率變慢，但延度隨摻量增加而迅速降低。綜合考慮功能性和經(jīng)濟(jì)性，推薦8%作為聚氨酯預(yù)聚物的最佳摻量。

2.2 聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青高溫流變性能分析

通過DSR測(cè)定復(fù)數(shù)剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化，結(jié)果分別如圖4和圖5所示：

從圖4、圖5可以看出，PUMA復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子均隨溫度升高而降低，這是由于在溫度升高時(shí)，瀝青彈性組分減少，黏性組分增加，最終導(dǎo)致抵抗剪切變形的能力減弱。同時(shí)，PUMA的復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子均隨預(yù)聚物摻量的增加而增大，且在摻量為8%時(shí)具有明顯突變：當(dāng)摻量小于8%時(shí)，相較于基質(zhì)瀝青，其復(fù)數(shù)剪切模量增大了70.2%、車轍因子增大了2.3倍；當(dāng)摻量為8%時(shí)，相較于基質(zhì)瀝青，其復(fù)數(shù)剪切模量增大了69.8%、車轍因子增大了1.6倍；當(dāng)摻量大于8%后，性能變化差異開始縮小。這表明，聚氨酯預(yù)聚物顯著提升了PUMA的高溫流變性能。

2.3 聚氨酯預(yù)聚物改性瀝青熒光顯微鏡分析

熒光顯微鏡不會(huì)改變?yōu)r青的物理和化學(xué)狀態(tài)，而是直觀地反映了瀝青基體中改性劑的形狀、大小和分布。瀝青在計(jì)算機(jī)生成的圖像中顯示為黑色，而改性劑顯示為熒光黃綠色，因此，熒光顯微鏡可用于通過觀察黑色和熒光黃綠色顆粒的分布反映聚氨酯預(yù)聚物和瀝青的相容性。采用熒光顯微鏡（Olympus BX41系列）對(duì)改性瀝青進(jìn)行觀察，選用400倍的放大倍率，得到不同預(yù)聚物摻量下的改性瀝青的熒光圖像，結(jié)果如圖6所示：

從圖6可以看出，預(yù)聚物摻量在4%～20%范圍時(shí)，其在PUMA體系中均呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)。但是，當(dāng)預(yù)聚物摻量為4%和8%時(shí)，改性劑在瀝青中分散性最好；當(dāng)預(yù)聚物摻量為12%和16%時(shí)，預(yù)聚物改性劑在瀝青中的分散性能變差，開始出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；而當(dāng)預(yù)聚物摻量達(dá)到20%時(shí)，預(yù)聚物由于摻量過高而出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，分散性較差。由此可以看出，隨著預(yù)聚物摻量的增加，瀝青與聚氨酯預(yù)聚物共混體系的微觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化。考慮預(yù)聚物改性瀝青體系中的分散狀態(tài)，推薦8%為最佳摻量。

3 結(jié)論

（1）隨聚氨酯預(yù)聚物摻量的增加，PUMA體系的針入度減小，軟化點(diǎn)升高，復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子明顯增大，這表明預(yù)聚物的加入能夠提升瀝青的高溫性能。

（2）聚氨酯預(yù)聚物摻量在4%～20%范圍時(shí)，預(yù)聚物在PUMA體系中均呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，且隨預(yù)聚物改性劑摻量的增加，預(yù)聚物在PUMA體系中的分散性逐漸變差。

（3）綜合考慮PUMA的性能提升和經(jīng)濟(jì)性，推薦聚氨酯預(yù)聚物最佳摻量為8%。

參考文獻(xiàn)

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