復摻環氧樹脂改性SBS瀝青高溫性能研究

沈源濱，李子豪，周 帥

(重慶交通大學材料科學與工程學院，重慶 400074)

0 引 言

21世紀以來，我國基礎建設不斷發展，特別是交通行業，截止2020年1月，我國公路里程數已突破500萬km。因此，瀝青路面的養護修補技術迎來了發展的黃金時期。

在鋼橋面鋪裝工程中，熱固性瀝青鋪裝材料的出現為橋面的防水抗滑、疲勞車轍抵抗性的提升帶了新的生機。在發達國家熱固性環氧瀝青材料在鋼橋面鋪裝的應用技術已較為成熟，盡管我國起步較晚，大量學者進行了相關研究，也在我國南京長江二橋、廈門跨海大橋等實現了熱固性環氧瀝青的應用。蔣玲收集了大量資料發現我國目前部分大橋面鋪裝采用的環氧瀝青都是采用進口，隨著大橋建設發展，對于環氧瀝青的需求將會加大，因此加快國內針對環氧瀝青的自主研發進度刻不容緩。亢陽等在瀝青中加入馬來酸酐從而改性，使得瀝青和環氧樹脂的相容性顯著提高，同時大大提高了環氧瀝青的高溫疲勞強度；黃衛等采用脂肪族二元酸和脂肪族多聚酸酐作為固化劑摻入到環氧瀝青瀝青中，得到了適合高速公路與橋面鋪裝的環氧瀝青材料；馮黎喆研究了固化劑、增容劑、增韌劑、環氧樹脂的選擇和配比對于環氧瀝青材料離析、黏度、拉伸斷裂強度和斷裂延伸率的影響，實驗結果表明增容劑可以顯著提高瀝青與環氧樹脂的相容性，使得樹脂顆粒在瀝青中粒徑更細小，分布更均勻；環氧樹脂的摻量不斷增加，瀝青的斷裂強度也不斷增加，特別是摻量達到30%以后，增幅明顯，在70%時出現峰值，之后再增加環氧摻量，強度反而下降，同時為了保證瀝青具有較好的韌性，增韌劑的摻量應保證為環氧樹脂的15%。楊永紅通過差示掃描量熱儀(DSC)與掃描電子顯微鏡研究不同環氧樹脂摻量下改性瀝青的玻璃化轉變溫度與斷面微觀結構，結果表明當瀝青量在45%以上時，玻璃化轉變溫度會有下降，固化物的玻璃化轉變溫度會受瀝青含量影響，而環氧瀝青固化物斷面分析顯示瀝青分散相顆粒越細小、分散越均勻，則強度越高。黃坤等研究表明，增加改性瀝青含量對于環氧瀝青的相容性有一定提升，但從經濟層面考慮弊大于利。摻入增容劑可能會改變最終固化物的性能。因此最好采用非極性的長鏈脂肪族多元酸作為環氧瀝青材料固化劑，未來固化劑研究方向也應該是開發低黏度、長鏈脂肪族多元酸的固化劑。陳晨等指出環境和風速會對環氧瀝青混凝土的溫度產生影響，從而影響環氧瀝青的粘度。并制備出一款具有更加良好使用性能的環氧瀝青。

以5%SBS改性瀝青與環氧樹脂為主要原材料制備環氧改性瀝青，通過調整環氧樹脂摻量，利用DSC/TG熱分析技術研究了不同摻量下改性瀝青高溫性能，并對試驗結果進行了討論，提出了最佳配比。

1 材料及實驗

1.1 實驗原料

5%SBS改性瀝青由茂名市維龍石化有限公司提供，性能見表1；環氧樹脂為上海米加占膠粘制品有限公司生產的E-44型環氧樹脂與650型固化劑，性能見表2。

表1 改性瀝青性能

表2 環氧樹脂主要性能

1.2 環氧樹脂復合改性SBS瀝青制備

采用熔融共混法制備環氧樹脂復合改性瀝青，準確稱量SBS改性瀝青(500±10)g置于不銹鋼杯中放入180 ℃恒溫烘箱內加熱至熔融狀態，并保溫1 h左右，保證杯中處于流動狀態，將裝有SBS改性瀝青的不銹鋼杯放在電爐上不斷加熱，稱量瀝青質量分數0、10%、15%、20%、25%、30%的預熱至80 ℃的環氧樹脂加入到杯中，攪拌5 min以上至分散均勻，加入同等質量的固化劑，再攪拌至杯中熔融體呈流動態，開啟剪切乳化攪拌機，將煤油浴鍋中煤油溫度控制在180 ℃，放入不銹鋼杯，設置剪切機轉速5 000 r/min，剪切40 min。剪切完成后放入180 ℃恒溫烘箱中發育30 min得到復摻不同比例環氧樹脂SBS改性瀝青。

1.3 熱重分析實驗

使用德國奈馳公司生產的STA449C(DSC/TG)同步熱分析儀對樣本進行熱分析實驗。將復摻改性瀝青分別取樣不少于30 mg，將適量樣本放入坩堝中，在高純氮氣為保護氣的環境下，以10 K/min的升溫速率由室溫升溫至600 ℃，得到熱重分析曲線。

2 高溫性能

環氧樹脂加入到瀝青后，在固化劑的作用下發生固化反應，產生交聯三維網狀結構，瀝青作為分散相分布在其中，使得兩相復合得到的環氧瀝青材料由熱塑性材料向熱固性材料轉變，從而改善瀝青在高溫下的力學物理性能，提升其高溫穩定性。

2.1 TG實驗結果分析

從圖1中(a)～(f)整體分析，可見，隨著環氧樹脂的摻量不斷增加熱重曲線的變化逐漸平緩，同時質量開始發生明顯變化的溫度逐漸升高，而質量損失的結束點大致保持不變，在500 ℃附近，質量趨于穩定，整個過程隨著環氧樹脂摻量從0～20%不斷增加的過程中，質量損失從80%衰減為70%左右，但當摻量達到30%時，質量損失達到了90%。該結果表示環氧樹脂的加入使得瀝青的高溫性能有明顯提高，且隨著環氧樹脂的增加，高溫性能提升效果越好，但存在一個最佳值，即20%，當超過這個值時，高溫性能又會有所下降。

圖1 環氧樹脂瀝青TG實驗結果

對于這種現象，筆者認為，當環氧樹脂摻量達到一定量時，可以充分形成交聯的三維網狀結構，使得瀝青相可以均勻分散在其中同時也能瀝青相也能與環氧相具有較好的相容性；低于這一值時，不足以形成完整的交聯網絡，而高于這一值時，過得環氧樹脂又會影響瀝青相分散的均勻性。因此當環氧樹脂摻量為20%時，復合相結構最佳，對瀝青高溫性能的改善效果最好。

2.2 DSC實驗結果分析

從圖2中(a)～(f)整體分析，隨著環氧量逐漸增加，整個DSC所占面積越來越大，瀝青所能吸收的熱就越多，這說明加入了環氧樹脂以后，瀝青的高溫性能開始逐漸變好。未添加環氧樹脂時，所有曲線縱坐標都位于0以上，即熱流率大于0，表示全過程基本都在吸熱。隨著環氧量的逐漸增加，在500 ℃附近，出現了小于0的放熱峰，此時瀝青即將全部蒸發。其中，當環氧量為10%時，吸收的熱量總和最高，此時高溫性能為所有組中最好。因此，可認為環氧量在10%左右時，改性瀝青的高溫性能最佳。

圖2 環氧樹脂瀝青DSC實驗結果

環氧加入較少時，吸收峰能量值都較高，隨著環氧的加入，吸收峰的能量值開始逐漸平穩。筆者認為當吸收峰能量值趨近一致時，瀝青的感溫性更好，從此角度分析，環氧量在15%～25%之間時，瀝青的溫度敏感性更好，更不易受到溫度影響而產生突變。

3 結論與展望

高溫性能是環氧復合改性瀝青的重要性能之一，通過熱分析試驗研究了不同摻量環氧樹脂對復合改性瀝青高溫性能的影響，得出下列結論。

(1)瀝青的高溫性能隨著環氧樹脂的增加而提高，且存在一個最佳值，即20%，此時復合相結構最佳，高溫性能最好，超過后性能有所下降。

(2)瀝青所能吸收的熱隨環氧量增加而增加，存在最佳范圍，為15%～25%，此時瀝青的溫度敏感性更好，更不易受到溫度影響而產生突變。

由于時間的限制，僅對環氧樹脂的高溫性能展開了研究。下一步將對環氧樹脂的制備開展探討和研究，同時，對于固化劑對環氧樹脂的影響也需要做進一步的改善。

(1)制備環氧樹脂的方法有很多，期望在未來出現更好的方法用來替代相反法和化學改性法，在滿足性能的同時，盡可能的降低成本，降低對環境的污染。

(2)固化劑對于環氧瀝青的性能有著至關重要的作用。望能夠制備出更多具有特殊效果的固化劑，如水性環氧樹脂固化劑、快速固化劑等，以滿足社會中更多的要求。

(3)結構決定性質，下一步將通過熒光顯微實驗對復摻改性瀝青微觀結構進行研究，進一步了解改性機制機理。