毛 成 史保浩 彭俊文 唐浪辉
(1.四川交投设计咨询研究院有限责任公司 成都 610041;2.西南交通大学土木工程学院 成都 610031; 3.道路工程四川省重点实验室 成都 610031)
双螺杆挤出造粒机常见于挤出制品的成型加工中,目前也被广泛用于新型复合材料的成型研究之中。邢立华等[1]用双螺杆挤出机制备出丁腈橡胶/尼龙12热塑性弹性体,刘心勐等[2]使用双螺杆挤出机制备高熔体强度塑料聚丙烯PP,可见双螺杆挤出造粒机在热塑性弹性体的制备研究方面具有很大的潜力。SBS改性剂作为道路行业最常使用的热塑性弹性体材料,通过使用合适的原材料及配合比,也可以由双螺杆挤出造粒机成型出性能良好的复合改性剂。
树脂类高黏沥青的制备通常以SBS和树脂为核心,试验发现,SBS、C9石油树脂,以及油类物质充分混合后可以经过双螺杆挤出造粒机成型出质地均匀、稳定性良好的胶粒状样品。因此,本文尝试采用双螺杆挤出造粒机将SBS、C9石油树脂、工业废油成型为复合改性剂,然后再制备出高黏沥青。并探究此高黏沥青与常规制备方法得到的高黏沥青的性能差异,最后与市面上其他类型的复合改性剂制备的高黏沥青性能进行对比。
1.1 试验原材料
1.1.1改性沥青
选取4.2%SBS掺量的改性沥青为主体沥青(简称4.2SBS)进行后续高黏SBS改性沥青的制备,其中4.2SBS改性沥青技术指标见表1。
表1 4.2SBS改性沥青
1.1.2SBS改性剂
SBS为中石化巴陵石化生产的线型SBS-1301(YH791型),其基本性能指标见表2。
表2 SBS改性剂性能指标
1.1.3C9石油树脂
C9石油树脂(碳九石油树脂)是以裂解制乙烯装置的副产物C9馏分为主要原料,其软化点为135 ℃左右,呈热塑性黏稠液体或固体。还具有脆性、增黏性、黏结性,以及可塑性。向沥青中添加C9石油树脂可以提高其黏度。
1.1.4工业废油
工业废油(下简称废油)由成都本邦路桥新材料公司提供,其基本技术指标见表3。
表3 工业废油技术指标
1.2 改性沥青制备方法
目前比较常见的高黏改性沥青制备方法为熔融共混法,即向加热至流动状态下的改性沥青依次加入改性剂、石油树脂,以及油类等,最后经过剪切机高速剪切和发育得到高黏沥青。本文在采用熔融共混法的同时,在改性沥青制备过程中加入双螺杆挤出机挤出处理工艺。具体地,首先将SBS改性剂、C9石油树脂、废油三者进行预混合,然后通过挤出机挤出并造粒。在此基础上将复合改性剂样品采用熔融共混法加入改性沥青中制备得到高黏改性沥青。
1.2.1基于双螺杆挤出机的复合改性剂制备过程
首先将SBS改性剂、C9石油树脂、废油3种原材料在搅拌桶中进行初步混合,充分搅拌混合料确保其均匀混合,初步拌和的混合料见图1a)。然后将混合好后的原料送入双螺杆挤出机拌合模块,混合料在挤出机内经过双螺杆挤出机进一步混合、加热,双螺杆挤出造粒机加热剪切模块见图1b)。挤出机内混合料经充分混合加热后,其中SBS改性剂经过双螺杆剪切被进一步降低分子量,经过剪切、熔融、塑化等过程,其中固体C9树脂会变为流态与SBS改性剂和废油充分融合最终被挤出,挤出温度在120～140 ℃之间。
图1 混合改性剂制备过程
经双螺杆挤出机处理后,原料以胶条状成品挤出,此时得到的条状成品温度过高,无法成型,需要将它们牵引到冷却水槽中进行冷却定型,冷却后的胶条状改性剂更加稳定,拥有一定的力学性能。
冷却定型后,改性剂需要经过干燥处理,干燥后样品呈条状。使用切粒机对冷却后的样品进行剪切造粒操作,最终得到均匀易融的复合颗粒状样品(下简称为复合改性剂)。
通过挤出造粒方法,可以将SBS改性剂、C9石油树脂、废油三者制成均匀混合的复合样品,这些样品具有良好的弹性和韧性,且易溶于沥青中,可以极大节省后续改性沥青生产中高速剪切所需的时间和能耗。
1.2.2高黏改性沥青的制备方法对比
复合改性剂制备高黏沥青和普通高黏沥青的制备均采用熔融共混法,只是制备参数(温度、时间)存在不同。2种高黏沥青不同制备方法参数对比见表4。
表4 高黏改性沥青的2种不同制备方法对比
1.3 实验方案与方法
1.3.1实验方案
作为预防性养护技术之一,超薄罩面技术具有良好的经济效益与社会效益,已广泛应用于路面维修养护当中[3]。一些复合改性高黏沥青常见于超薄罩面技术中,复合改性高黏沥青的制备是通过在主体沥青中添加一定剂量的改性剂、相容剂及其助剂来实现的。在普通高黏沥青的制备中,高黏沥青改性剂的核心成分是SBS,但由于SBS自身成本较高,为了节约成本,也会添加部分树脂材料。树脂类材料具有黏附性高、力学性能强、成本低等优点[4]。在道路行业,主要使用的树脂还是合成类树脂。C9石油树脂在提高沥青软化点的同时可以增加改性沥青的稠度,达到调节改性沥青针入度的目的[5]。目前已有部分学者进行了树脂类高黏沥青的研究[6-7],然而C9石油树脂在提高沥青黏度的同时也会降低沥青的延度等低温性能[8]。除了添加C9石油树脂外,本文通过采用性能良好且成本较低的工业废油改善沥青组分,提高其低温性能,促进SBS溶解,防止沥青离析。
由于该配比下SBS改性剂掺量高,沥青性能优异,为了得到性能优异的高黏沥青,本文结合其他地区超薄磨耗层地方标准对高黏沥青[9-11]的要求,以及四川地区的气候、交通量、路面类型等因素,对高黏沥青标准要求的基础上进一步提高了超薄磨耗层对高黏沥青的相关指标要求,高黏沥青指标要求见表5。
表5 高黏沥青指标要求
本论文采用PG分级为76-22的4.2SBS改性沥青为主体沥青,在此基础上将部分SBS改性剂替换为C9石油树脂,同时加入废油改善沥青的中、低温性能。为了满足表 5所提出的60 ℃动力黏度指标要求,需要在主体改性沥青的基础上继续加入一定掺量的SBS改性剂,初步选定其掺量为内掺30,40,50份。同时C9石油树脂的部分加入一方面可以代替部分SBS改性剂节约成本,另一方面C9石油树脂在内掺10份及以上时可显著提高复合改性剂在双螺杆挤出机下的成型强度和成型效果,使复合改性剂更容易于被切粒。工业废油的加入可以改善C9石油树脂对延度的不利影响,综合考虑提出以下3种高黏改性沥青的配比方案进行试验,高黏沥青配合比见表6。
表6 高黏沥青配合比 份
将以上3种配方采用普通高黏改性沥青制备方法分别制备高黏改性沥青并测试对比3种配方下的高黏沥青综合性能。在满足表5要求的基础上确定最优配合比。将3种高黏沥青原材料(SBS改性剂、树脂、废油)按照最优配合比下的比例使用双螺杆挤出造粒机制备成复合改性剂。然后将复合改性剂按此配合比下对应比例加入主体沥青4.2SBS改性沥青中,制备成高黏复合改性沥青,并与普通高黏沥青性能做对比,探究复合改性剂对高黏沥青的影响。
1.3.2基本性能试验
沥青普通物理性能包括针入度、软化点、延度三大指标,测试3种性能的试验方法简单易操作,结果可以直观反映出沥青的基本性能。旋转法测定道路沥青在不同温度范围内的表观黏度。试验参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[12](以下简称《实验规程》)中的T0604、T0606、T0605。
本文利用薄膜烘箱加热试验模拟短期热氧老化过程,评价高黏改性沥青的抗老化性能,试验参照 《实验规程》中的T0609。
沥青黏韧性试验,其标准试验温度为25 ℃、拉伸速率为500 mm/min,获得黏韧性和韧性2个评价参数。试验参照《实验规程》中的T0624、T0625。
沥青的60 ℃动力黏度可较好评价对沥青的高温路用性能。试验参照《实验规程》中的T0620。
2.1 3种配方下高黏沥青性能对比
3种配合比下高黏沥青的三大指标值见图2～图4。
图2 不同配合比下高黏沥青针入度值
图3 不同配合比下高黏沥青软化点值
图4 不同配合比下高黏沥青延度值
由图2～图4可见,随着SBS改性剂掺量的增多,沥青软化点一定程度上得到提高,而C9石油树脂虽然会降低针入度和延度,但由于废油的加入,其延度和针入度明显改善。
3种配方下高黏沥青的60 ℃动力黏度值图见图5。由图5可知,随着SBS改性剂的增加,其动力黏度逐渐增加,SBS减少后,C9石油树脂也可以增加改性沥青的60 ℃动力黏度。根据3种配方下的动力黏度值可知,配比一中的SBS掺量偏少,动力黏度值偏小,不满足本文所提出的动力黏度指标要求。采用配比三(SBS掺量为50份)时其动力黏度最大,但考虑到SBS的成本远高于C9石油树脂,且此配方下的延度过低,亦不符合本文所提出的指标要求,综合考虑在配方二的基础上考虑挤出机成型效果及便于切粒的前提稍作改善,最终确定基于本文所提出的高黏沥青指标要求下的高黏沥青最优配合比见表7。
图5 不同配合比下高黏沥青60 ℃动力黏度值
表7 高黏改性沥青最优配合比 份
2.2 普通改性剂与复合改性剂制备的高黏沥青性能对比
为了探究通过复合改性剂制备的高黏沥青和普通高黏改性沥青的性能差异,分别对此2种不同制备方法下得到的高黏沥青指标进行测试,按照表7中的配合比对2种不同方法制备出的高黏改性沥青性能测试并对比。首先对高黏改性沥青老化前的三大指标和老化后的三大指标和黏韧性基本性能展开对比,不同制备方法下的高黏沥青三大指标(老化前)图见图6、不同制备方法下的高黏沥青三大指标即黏韧性(老化后)图见图7。
图6 不同制备方法下的高黏沥青3大指标(老化前)
图7 不同制备方法下的高黏沥青3大指标和黏韧性(老化后)
由图6和图7可知,2种不同制备方法下的老化前的三大指标基本相同。老化后的复合改性剂制备的高黏沥青软化点更高,这可能与在制备高黏沥青之前复合改性剂中的C9石油树脂在双螺杆挤出机内已经被充分搅拌有关。其余指标比普通高黏改性沥青略低,但均满足本文所提出的高黏沥青指标要求。
不同制备方法下高黏改性沥青旋转黏度和动力黏度指标分别见图8、图9。
图8 不同制备方法下的高黏沥青的旋转黏度值
图9 不同制备方法下的高黏沥青60 ℃动力黏度
综合以上指标可以看出,高黏复合改性沥青的135,165 ℃布氏旋转黏度基本相同,2种制备方法对其布氏旋转黏度基本无影响。使用复合改性剂制备的高黏沥青的60 ℃动力黏度有一定的提升。可能是在复合制备过程中双螺杆挤出机对SBS进行充分剪切,提前降低了其分子量,同时将C9石油树脂和油充分融合,一定程度上改善了其动力黏度值。
2.3 自制复合改性剂与市面产品对比
为进一步了解此挤出机生产的复合改性剂样品的改性效果,将最优配比下制备的复合改性剂样品与市面上的一些复合颗粒改性剂产品分别制备成高黏改性沥青并比较其性能,其中,所使用的这些改性剂产品与本文自制的复合改性剂形态及物理性质相接近,且均属于树脂类型改性剂,但具体使用的树脂类型可能不同,其组成成分和比例也有差异。分别为样品1号、样品2号、样品3号及本文自制样品4号。
2.3.1不同复合改性产品软化点指标对比
采用不同复合改性剂制备的高黏沥青软化点指标见图10。市面上产品制备的高黏沥青软化点普遍在100 ℃以下,相比于市面上的产品,自制样品制备的高黏沥青软化点十分优异且远大于本文所提软化点指标的要求。
图10 采用不同复合改性剂制备的高黏沥青软化点
2.3.2不同复合改性产品延度指标对比
采用不同复合改性剂制备的高黏沥青延度指标见图11。
图11 采用不同复合改性剂制备的高黏沥青延度
此3种产品制备的高黏沥青延度平均值为44 cm左右,自制复合改性剂制备的高黏沥青的软化点、延度指标良好,超过了3种产品的平均值且达到了本文所提延度指标的要求。
2.3.3不同复合改性剂产品韧性指标对比
采用不同复合改性剂制备的高黏沥青韧性指标见图12 。
图12 采用不同复合改性剂制备高黏沥青韧性值
相比于市面上的产品,1号和3号样品的韧性指标均不符合要求。自制样品的韧性指标良好,且达到了本文所提韧性指标的要求。
2.3.4不同复合改性剂产品动力黏度指标对比
采用不同复合改性剂制备的高黏沥青60 ℃动力黏度指标见图13。由图13可知,4种复合改性剂的动力黏度相差很大,其中3号产品制备的高黏沥青动力黏度最高,为416 470 Pa·s,但是其软化点、延度、韧性相比于本文自制样品偏低;1号产品的溶解度极差,远不如自制样品的溶解度(自制样品的熔融指数为24.63 g/10 min,溶解性能良好),在本文的制备方法下(剪切机6 000 r/min、剪切时间20 min)仍然难以溶解,导致动力黏度过低。2号样品的延度、软化点和韧性指标均符合要求,但60 ℃动力黏度偏低,仅63 141 Pa·s。综上所述,本文的自制复合改性剂相比于市面上常见的改性剂产品依然具有良好的性能。
图13 采用不同复合改性剂制备的高黏沥青60 ℃动力黏度值
1) 通过挤出机造粒成型的样品可知,SBS改性剂、C9石油树脂和工业废油三者可以通过挤出机造粒成型出均匀、稳定性良好的复合改性剂,且易溶解于主体沥青(熔融指数为24.63 g/10 min),使用此复合改性剂制备高黏沥青可大幅缩短制备过程所需的剪切时间,减少大量能耗。
2) 本文中最优配合比下的高黏复合改性沥青性能优异,其各项指标均远超标准中超薄磨耗层对高黏沥青的要求,且该复合改性剂能够达到市面上常见产品性能的标准。
3) 通过对比基于复合改性剂和普通改性剂2种不同高黏沥青制备方法得到的高黏沥青性能,发现在2种不同的制备方法下高黏沥青的老化前后的基本指标(针入度、延度、软化点)、质量损失、针入度比、黏韧性、韧性、布氏旋转黏度均无显著的差别,且均达到本文所提出的高黏沥青的指标要求,在此基础上其60 ℃动力黏度还有所提升。
4) 通过双螺杆挤出机成型的复合改性剂可以制备出性能优良的高黏改性沥青。这对于满足超薄磨耗层的要求具有潜在的应用前景,同时也为高黏沥青的制备方法提供有益的参考和指导。
猜你喜欢 石油树脂废油双螺杆 基于废油燃烧的节能装置湖北农机化(2020年18期)2020-11-23双螺杆挤压对沙米复合粉理化及糊化特性的影响中国粮油学报(2019年4期)2019-07-12放射性废油处理技术研究山东化工(2017年7期)2017-09-16新加坡：废油回收商须持营业执照东西南北(2017年2期)2017-02-22石油树脂应用与改性研究分析化工管理(2016年33期)2016-03-14我国填补了C9氢化石油树脂产业的空白合成材料老化与应用(2015年3期)2015-03-22自洁型非对称同向双螺杆挤出机混合分析中国塑料(2014年8期)2014-10-17双螺杆挤出炸药模拟物的流场模拟分析及实验研究火炸药学报(2014年5期)2014-03-20双螺杆食品挤压流动过程数值模拟机电产品开发与创新(2014年4期)2014-03-11石油树脂国内外市场发展情况及分析杭州化工(2013年1期)2013-11-14