弹性体及其复合材料改性沥青的性能研究

论文摘要

随着现代交通事业的发展,高等级公路建设步伐加快,对高性能、低成本改性沥青的需求越来越大。聚合物改性剂由于其可改善沥青的高温刚性、低温柔性以及温度敏感性,一直是人们研究的热点,但改性沥青高温贮存不稳定、改性成本高等缺点限制了其推广应用。本文采用熔融共混法与种子乳液聚合法,分别制备了丁苯橡胶/蒙脱土（SBR/MMT）、丁苯嵌段共聚物/蒙脱土（SBS/MMT）复合材料改性剂和核壳结构聚丁二烯粒子接枝苯乙烯（PB-g-PS）、聚丁二烯粒子接枝苯乙烯及沥青组分（PB-g-PS/Asphalt）的接枝聚合物改性剂,利用高速剪切法研制出力学性能好、高温贮存稳定的SBR/MMT改性沥青、SBS/MMT改性沥青、PB-g-PS改性沥青及PB-g-PS/Asphalt与SBR协同改性沥青,系统地研究了各种改性沥青的物理机械性能、相态结构、贮存稳定性及流变学性质,探讨了它们的改性机理,揭示了其贮存稳定性和力学性能改善的内在原因。第一,采用熔融插层法制备了SBR/MMT复合材料改性剂,利用高速剪切法获得了力学性能好、稳定化、低成本的SBR/MMT改性沥青。XRD、TEM研究表明,弹性体SBR与无机蒙脱土形成了插层型或剥离型结构的复合材料。考察了不同质量比SBR/MMT改性沥青的结构与性能,发现当SBR与MMT的质量比为3/5时,改性沥青的性能最好,剥离型结构复合材料对改性沥青性能的改进贡献较大。荧光显微镜的形貌观察显示,SBR/MMT复合材料以微球形结构、呈点阵状分布在基质沥青中,形成了以改性剂为分散相,以基质沥青为连续相的单相连续结构。高温贮存稳定性实验表明,在一定SBR/MMT质量比和掺量范围内,SBR/MMT改性沥青高温贮存稳定,离析差均小于2.5℃。尤其是,SBR/MMT改性沥青具有较高的复数模量（G*）和较低的损耗因子（Tanδ）,说明SBR/MMT复合材料改性剂改善了基质沥青的黏弹性,可使其在高温下的弹性明显增加,温度敏感性减弱,高温抗车辙能力提高。第二,研制了高性能、稳定化的SBS/MMT复合材料改性沥青。XRD、TEM研究分析发现,当SBS与MMT质量比为5/1时,形成剥离型结构复合材料,其它比例为插层型复合材料。系统考察了不同质量比的SBS/MMT复合材料对改性沥青性能的影响,比较了SBS改性沥青、SBS/MMT复合材料改性沥青,SBS、MMT简单混合改性沥青的结构与性能,发现SBS与MMT形成复合材料以后能更显著地提高改性沥青的物理性能和改善贮存稳定性。质量比为5/5的SBS/MMT复合材料改性沥青的各项物理性能最佳,高温贮存稳定性最好,上下段软化点的离析差仅为0.4℃。荧光显微镜分析发现,SBS/MMT复合材料改性剂在基质沥青中分散效果良好,即在高温贮存以后也没有沉降和聚集现象发生。动态力学性能分析发现,SBR/MMT改性沥青具有较高的复数模量（G*）和较低的损耗因子（Tanδ）,同时复数模量（G*）随温度升高而下降、损耗因子（Tanδ）随温度的升高而上升的趋势都趋缓,表明SBS/MMT复合改性剂改善了基质沥青的黏弹性。第三,采用种子乳液聚合法制备了核壳结构PB-g-PS接枝聚合物沥青改性剂,并首次在PB-g-PS的聚合过程中引入沥青成分合成了PB-g-PS/Asphalt聚合物粒子。对比考察了S/B不同质量比的PB-g-PS、PB-g-PS/Asphalt改性沥青的物理性能及贮存稳定性,利用SEM进行了改性沥青的形貌观察,并应用示差扫描量热法（DSC）对沥青的改性效果进行了定性分析。结果表明：核壳结构接枝聚合物对沥青的高温性能改善效果显著,对低温性能的改善效果不明显；当S/B的质量比为30/70时,核壳接枝聚合物对沥青的改善效果最佳；PB-g-PS/Asphalt改性沥青的高温稳定性要明显好于PB-g-PS改性沥青,说明沥青成分的引入提高了核壳接枝聚合物与基质沥青的相容性。第四,以PB-g-PS/Asphalt聚合物粒子为增容剂,制备了高低温性能均较好的PB-g-PS/Asphalt、SBR协同改性沥青。通过对改性沥青的物理性能、高温贮存稳定性和橡胶相分散状态等的分析,发现PB-g-PS/Asphalt的增容效果明显,它使SBR改性沥青的相态结构发生了变化,增加了SBR吸收沥青中饱合小分子的能力,提高了SBR与沥青中的胶质和沥青质作用的几率,进而改善了基质沥青的各项性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 沥青
• 1.2.1 沥青的化学组成
• 1.2.2 沥青的物理性质
• 1.2.3 沥青的主要用途
• 1.3 改性沥青
• 1.3.1 沥青改性剂
• 1.3.2 聚合物改性沥青（PMA）
• 1.4 本论文研究目的、意义及内容
• 1.4.1 研究目的及意义
• 1.4.2 研究内容
• 第2章 SBR/MMT复合材料改性沥青的制备和性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原料与实验设备
• 2.2.2 SBR/MMT复合材料及其改性沥青的制备
• 2.2.3 XRD试验
• 2.2.4 TEM测试试验
• 2.2.5 物理机械性能测试
• 2.2.6 相形态观察
• 2.2.7 贮存稳定性的测试
• 2.2.8 动态力学性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 SBR/MMT复合材料的结构
• 2.3.2 改性沥青的性能分析
• 2.3.3 相形态分析
• 2.3.4 动态力学性能分析
• 2.4 小结
• 第3章 SBS/MMT复合材料改性沥青的制备和性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 原料与实验设备
• 3.2.2 SBS/MMT复合材料及其改性沥青的制备
• 3.2.3 SBS,MMT混合改性沥青的制备
• 3.2.4 XRD实验
• 3.2.5 TEM实验
• 3.2.6 物理性能测试
• 3.2.7 相形态观察
• 3.2.8 贮存稳定性的测试
• 3.2.9 动态力学性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 SBS/MMT复合材料的结构
• 3.3.2 改性沥青的物理机械性能分析
• 3.3.3 高温贮存稳定性分析
• 3.3.4 相形态分析
• 3.3.5 动态力学性能分析
• 3.4 小结
• 第4章 PB-G-PS接枝共聚物的合成与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 主要原料及仪器
• 4.2.2 PB-g-PS接枝共聚物的合成
• 4.2.3 PB-g-PS接枝共聚物接枝度和接枝效率的表征
• 4.2.4 红外光谱分析
• 4.2.5 微观形态观察
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 不同引发体系下的乳液接枝聚合
• 4.3.2 红外光谱分析表征
• 4.3.3 PB-g-PS和PB-g-PS/Asphalt形态结构
• 4.4 小结
• 第5章 核壳结构PB-G-PS粒子改性沥青的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 主要原料及仪器
• 5.2.2 PB-g-PS改性沥青的制备工艺
• 5.2.3 物理性能测试
• 5.2.4 贮存稳定性测试
• 5.2.5 示差扫描量热分析（DSC）
• 5.2.6 相形态观察
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 PB-g-PS改性沥青的物理性能
• 5.3.2 改性沥青TFOT前后的性能变化
• 5.3.3 PB-g-PS改性沥青的感温性
• 5.3.4 PB-g-PS改性沥青的热稳定性
• 5.3.5 DSC实验结果分析
• 5.3.6 相形态结构分析
• 5.4 小结
• 第6章 核壳结构PB-g-PS/Asphalt粒子与SBR协同改性沥青的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 主要原料
• 6.2.2 改性沥青的制备
• 6.2.3 物理性能测试
• 6.2.4 贮存稳定性测试
• 6.2.5 相形态观察
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 PB-g-PS/Asphalt用量对改性沥青性能的影响
• 6.3.2 PB-g-PS/Asphalt用量对高温贮存稳定性的影响
• 6.3.3 PB-g-PS/Asphalt对改性沥青相形态结构的影响
• 6.3.4 改性机理分析
• 6.4 小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文
• 简历