回收聚乙烯農(nóng)膜瀝青改性劑的制備及其在高速路面瀝青中的應(yīng)用

摘" 要：以回收聚乙烯（PE）農(nóng)膜為基材，利用材料復(fù)合原理，通過(guò)熔融造粒制備高性能PE直投式-瀝青改性劑，并將PE改性劑用于制備改性瀝青并測(cè)試其性能。研究結(jié)果顯示，隨著高性能PE改性劑摻量增加，改性瀝青的耐老化性能變好，可達(dá)到甚至優(yōu)于SBS改性瀝青。因此，高性能回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑在國(guó)內(nèi)大量的工程項(xiàng)目中試驗(yàn)應(yīng)用，對(duì)滿足國(guó)家綠色交通政策要求、推動(dòng)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

關(guān)鍵詞：回收聚乙烯農(nóng)膜；改性劑；基質(zhì)瀝青；改性瀝青；性能分析

中圖分類號(hào)：U214.75" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）17-0069-04

Abstract： Based on the recycled PE agricultural film as the base material， high performance PE direct cast asphalt modifier was prepared by melting granulation using the principle of material composite， and PE modifier was used to prepare modified asphalt and test its performance. The results show that the aging resistance of the modified asphalt becomes better with the increase of high performance PE modifier content， and can reach or even be better than the SBS modified asphalt. Therefore， the high-performance recovery of PE agricultural film asphalt modifier has been tested and applied in a large number of domestic engineering projects. In order to meet the requirements of the national green transportation policy， it is of great significance to promote the sustainable development of the environment.

Keywords： recycled PE agricultural film; modifier; asphalt; modified asphalt; performance analysis

公路是國(guó)家戰(zhàn)略安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱保障，同時(shí)也是規(guī)模宏大的基礎(chǔ)性設(shè)施。目前，瀝青道路SBS（橡膠）改性技術(shù)加工過(guò)程需添加大量工業(yè)硫磺和糠醛油，會(huì)產(chǎn)生并排放大量的二氧化硫（SO2）等氣體，嚴(yán)重?fù)p害施工人員肝臟和呼吸系統(tǒng)，破壞人體免疫力，并對(duì)環(huán)境和人體健康帶來(lái)極大的危害[1]。

塑料具有輕盈、耐用、易加工等特點(diǎn)，是目前人類應(yīng)用的第一大材料品種（按體積劃分）。其中，我國(guó)每年使用的PE（聚乙烯）材料約400萬(wàn)t，其中農(nóng)用PE農(nóng)膜有150萬(wàn)t。目前使用的農(nóng)用膜均未回收，巨量的農(nóng)用殘膜造成了嚴(yán)重的土地污染[2-3]。國(guó)家發(fā)改委將廢塑料無(wú)害化再生利用列入國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品[4]。2017年農(nóng)業(yè)部出臺(tái)了《農(nóng)膜回收行動(dòng)方案》。因此，將農(nóng)膜回收并資源化利用，也已成為解決PE塑料污染的一條出路。

本文以回收PE農(nóng)膜替代SBS的瀝青混合料改性劑系列技術(shù)，利用材料復(fù)合、熔融技術(shù)原理，通過(guò)熔融造粒制備高性能PE直投式-瀝青混合料改性劑。既防止了SBS應(yīng)用過(guò)程的大氣污染問(wèn)題，又為解決農(nóng)膜垃圾提供了廣闊的市場(chǎng)，變廢為寶，為大規(guī)模農(nóng)膜垃圾的回收再利用提供新的途徑。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 主要原料

1）回收PE農(nóng)膜，由深圳天坤元環(huán)保科技有限公司從新鄭農(nóng)戶處回收。

2）石油樹(shù)脂，C911-140，北京順達(dá)化工有限責(zé)任公司。

3）瀝青，70號(hào)A級(jí)重交瀝青，SK公司。

4）瀝青，70號(hào)A級(jí)重交瀝青，昆侖能源有限公司。

5）改性硅藻土，G40，廣東永豐化工有限公司。

6）其他助劑，市售。

1.2" 主要儀器與設(shè)備

1）電子精密天平，JA12002，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司。

2）臥式混合機(jī)，CH1000，北京塑料機(jī)械廠。

3）雙螺桿擠出機(jī)，φ35 mm，長(zhǎng)徑比為36∶1，南京科亞化工成套裝備有限公司。

4）切粒機(jī)，JDSB，張家港市聯(lián)眾機(jī)械有限公司。

5）瀝青攪拌器，300 L，三泰環(huán)?？萍加邢薰?。

6）電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，Instron 5900，美國(guó)英斯特朗公司。

7）電子掃描電鏡，NOVA nanoSEM 200，荷蘭FEI公司。

8）傅里葉紅外光譜儀，IRTracer-100，日本島津公司。

1.3" 回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑及改性瀝青的制備

回收后的PE農(nóng)膜殘膜經(jīng)機(jī)械撕裂成10～20 cm小片，分離殘余植物枝葉，振動(dòng)篩分離土壤和石子。按40∶50∶5∶10的比例稱取回收PE農(nóng)膜殘膜、石油樹(shù)脂、改性硅藻土及其他助劑。將各原料一同倒入臥式攪拌機(jī)中進(jìn)行混合?；旌瞎卜譃?次，先在室溫下混合5 min，再在40～50 ℃下混合3 min，最后在165～170 ℃下混合5 min。將混合好的原材料用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，經(jīng)冷卻、切粒，所得到的粒料即為回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑[5]。

先將瀝青加熱到160～180 ℃，然后將前述所得到的回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑加入到液態(tài)瀝青中，先快速攪拌30 min，再高速剪切30 min，得到初始PE改性瀝青。保持160～180 ℃的環(huán)境，將攪拌得到的PE改性瀝青靜置1～2 h，則可得到成品PE改性瀝青。為了考察回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑對(duì)改性瀝青性能的影響，分別制備了4%、5%、6%、7%和8%的改性瀝青材料。同時(shí)，為了對(duì)比PE改性劑與常用的SBS改性劑的性能，使用相同工藝同步制備了SBS改性劑含量分別為3%、4%和5%的改性瀝青材料。

成品PE改性瀝青的制備工藝流程圖如圖1所示。

1.4" 性能測(cè)試

回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑的性能應(yīng)滿足JT/T 860.1—2013《瀝青混合料改性添加劑 第1部分抗車轍劑》的要求，微觀形貌使用電子掃描電鏡觀察。改性瀝青的紅外光譜使用傅里葉紅外光譜儀測(cè)試，老化性能按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑的微觀形貌

圖2顯示了回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑的沖擊斷裂面放大300倍的微觀形貌。

由圖2可知，回收PE與石油樹(shù)脂融合較好，未見(jiàn)明顯的分層。這是因?yàn)镻E與石油樹(shù)脂同為石油基高分子材料，可以從分子尺度上進(jìn)行分子鏈段纏繞，因此在宏觀上，斷裂面出現(xiàn)了高分子材料猛然受到?jīng)_擊而斷裂形成的拔絲現(xiàn)象，拔絲現(xiàn)象分布均勻，未出現(xiàn)大面積的光滑分層面。另外，裸露在外的硅藻土顆粒在斷裂面表面分布均勻。這說(shuō)明在改性劑的制備過(guò)程中，硅藻土在高分子基體中得到了較好且均勻分散，這是硅藻土的表面改性增加了無(wú)機(jī)-高分子的界面相容性的緣故。

2.2" 回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑及改性瀝青的紅外光譜及熒光顯微分析

由圖3（a）與（b）對(duì)比可知，回收PE農(nóng)膜改性瀝青的紅外光譜和基質(zhì)瀝青基本相同，說(shuō)明回收PE農(nóng)膜改性瀝青中沒(méi)有生成與基質(zhì)瀝青不同的官能團(tuán)，回收PE農(nóng)膜改性劑與瀝青沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此回收PE農(nóng)膜改性劑對(duì)瀝青的改性是一種物理改性，其改性本質(zhì)是通過(guò)回收PE農(nóng)膜改性劑在瀝青中吸收輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的高溫高速剪切后均勻分布于瀝青中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了瀝青整體的穩(wěn)定度，進(jìn)而使其綜合性能得到提高。

由圖4可知，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的高溫高速剪切工藝后制備得到的回收PE農(nóng)膜改性瀝青，PE改性劑大小基本一致，并且在基質(zhì)瀝青中分散十分均勻。

2.3" 改性瀝青的老化性能

瀝青及瀝青混合料在整個(gè)施工環(huán)節(jié)中，經(jīng)過(guò)加熱和外部環(huán)境的綜合作用，必將經(jīng)歷一個(gè)短期老化和長(zhǎng)期老化的過(guò)程，對(duì)路面的使用質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。本論文以瀝青膠結(jié)料為出發(fā)點(diǎn)，室內(nèi)采用薄膜烘箱在163 ℃高溫下，對(duì)改性瀝青高溫加熱模擬老化，并對(duì)老化瀝青進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，針對(duì)2種不同的基質(zhì)瀝青，隨著回收PE農(nóng)膜改性劑摻量增加，改性瀝青老化后質(zhì)量變化均在0.05%以內(nèi)，可認(rèn)為基本無(wú)變化；25 ℃針入度比和5 ℃延度呈增加趨勢(shì)，表明在一定范圍內(nèi)，回收PE農(nóng)膜改性劑添加量越高，改性瀝青的耐老化性能越好。

針對(duì)2種不同的基質(zhì)瀝青，隨著SBS改性劑添加量增加，25 ℃針入度和5 ℃延度亦呈增加趨勢(shì)，表明在一定范圍內(nèi)，SBS改性劑添加量越高，改性瀝青的耐老化性能越好。

縱向?qū)Ρ然厥誔E農(nóng)膜改性劑改性瀝青和SBS改性瀝青老化后性能，當(dāng)回收PE農(nóng)膜改性劑達(dá)到一定摻量時(shí)，回收PE農(nóng)膜改性瀝青可達(dá)到與SBS改性瀝青基本相當(dāng)?shù)男阅?，甚至略?yōu)于SBS改性瀝青。

3" 國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用匯總

目前，該回收PE農(nóng)膜瀝青改性劑已經(jīng)在國(guó)內(nèi)得到了大量的推廣應(yīng)用，表2為國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用匯總情況。

4" 結(jié)論

回收PE農(nóng)膜改性劑是一種瀝青路面改性升級(jí)新技術(shù)，根據(jù)改性瀝青的性能試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。回收PE農(nóng)膜對(duì)瀝青的改性是一種物理改性，沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在一定范圍內(nèi)，回收PE農(nóng)膜改性劑摻量越高，改性瀝青的耐老化性能越好，可達(dá)到甚至優(yōu)于SBS改性瀝青。因此，在國(guó)內(nèi)大量的工程項(xiàng)目中試驗(yàn)應(yīng)用，為滿足國(guó)家綠色交通政策要求，推動(dòng)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展及綠色交通建設(shè)具有重大的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘇凱，徐斌，于曉曉.廢塑料改性瀝青的研究進(jìn)展[J].石油瀝青，2020，34（6）：10-20.

[2] 張加凡，梁靜，羅守楊，等.農(nóng)田殘膜污染現(xiàn)狀及其治理對(duì)策[J].土壤與作物，2022，11（4）：385-397.

[3] 張金瑞，任思洋，戴吉照，等.地膜對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響及其污染控制[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，55（20）：3983-3996.

[4] 戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄[EB/OL].http：//www.gov.cn/xinwen/2018-09/22/5324533/files/dcf470fe4eac413cabb686a51d080eec.pdf

[5] 張鵬，尹振羽.廢舊輪胎再生橡膠粉對(duì)瀝青物理性能及流變性能的影響[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，38（2）：57-64.