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廢塑料改性瀝青相容性與穩(wěn)定性

文檔作者：王瑋王替陳候杰文檔來源： 1．四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院 2．四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3．重慶路面科技有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年02月16日
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2013年第3期 西南公~XINANGONGLU
廢塑料改性瀝青相容性與穩(wěn)定性
王瑋 王替 陳候杰
(1．四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院成都610017，
2．四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建鞏Z-．A-一征系 成都611130，
3．重慶路面科技有限公司 重慶40133 1)
【摘要】廢塑料PE改性瀝青的相容性及熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性能問題是制約廢塑料PE改性瀝青大規(guī)模推廣應(yīng)
用的重要因素之一。對(duì)PE與瀝青之間的相容性及熱穩(wěn)定性問題和現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對(duì)其改善途徑作了歸納和
總結(jié)，并展望PE改性瀝青的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。
【關(guān)鍵詞】改性瀝青；廢塑料PE；相容性；熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性
【中圖分類號(hào)】U416．217 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
0 引 鬲
由于塑料工業(yè)的發(fā)展以及廢塑料的大量產(chǎn)生，
塑料(以聚乙烯PE為代表)改性瀝青已成為當(dāng)今改
性瀝青技術(shù)中之新秀，在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快。廢塑料
PE在聚合物改性技術(shù)的發(fā)展之初就已經(jīng)被廣泛的應(yīng)
用于實(shí)際工程中 ”，例如美國(guó)用線性低密度聚乙烯改
性瀝青，使它們有較高的抗拉強(qiáng)度、耐寒性和抗蠕
變性；在歐洲用聚乙烯PE改性瀝青已獲專利，其名
稱為“NOVOPHALT” ，在歐洲一些國(guó)家鋪設(shè)高等
級(jí)路面多條，并向外承包加工改性瀝青工程。日本
利用廢聚乙烯邊角料改性瀝青，大大提高瀝青低溫時(shí)
的柔韌性和耐久I生，使路面在冬季不會(huì)因嚴(yán)寒而出現(xiàn)明
顯的裂縫、斷口、坑槽，且易于鋪設(shè)。我國(guó)也于20世
紀(jì)90年代初引進(jìn)了奧地利N0v0PHALT改性瀝青
技術(shù) ，國(guó)內(nèi)對(duì)PE改性瀝青進(jìn)行了廣泛的研究和應(yīng)
用，在實(shí)體工程中有所應(yīng)用，如用PE和SBS復(fù)合改性
鋪筑了首都機(jī)場(chǎng)高速路及八達(dá)嶺高速公路等。此后，
國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)PE改性瀝青技術(shù)進(jìn)行深入研究。
目前，國(guó)內(nèi)外的各項(xiàng)研究和很多的重點(diǎn)項(xiàng)目應(yīng)用
情況均表明 ，廢塑料PE改性瀝青具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)
定性，極大地提高了抗車轍能力，能夠有效地減少瀝
青路面的各種永久變形而造成的破壞。但廢塑料PE改
性瀝青存在著一個(gè)難以解決的問題就是PE和瀝青的相
容性問題。由于廢塑料中各種塑料類型復(fù)雜、性質(zhì)差
異大，再加上塑料本身的聚合特性，瀝青和PE的溶解
仃
度參數(shù)相差較大，導(dǎo)致被分散的PE在瀝青中隨著時(shí)間
的推移會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚，使得廢塑料PE改『生瀝青的離析現(xiàn)
象嚴(yán)重 ” 。這也是導(dǎo)致廢塑料PE改性瀝青難于實(shí)現(xiàn)
工廠化生產(chǎn)的主要原因，工程上的應(yīng)用還僅僅停留在
現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)使用的模式，影響大規(guī)模的推廣應(yīng)用。
1 PE一瀝青離析原理及相容性原理
03"
1．1 離析原理分析
根據(jù)“相似相容”理論，PE與瀝青在極性、分子
量、密度、溶度參數(shù)、表面張力等5方面均不相似” ，
在聚合物改性瀝青體系中，由于PE屬于非極性結(jié)晶
聚合物，分子排列緊密，分子問作用力大，鏈結(jié)構(gòu)
規(guī)整，PE顆粒之間容易相互吸引而聚集，同時(shí)瀝青
密度大于聚合物密度，并且高溫下聚合物吸收瀝青
中的油后體積膨脹，兩者之間密度差進(jìn)一步增大，
因此PE改性瀝青在高溫存放過程中，PE改性劑聚合
物顆粒聚集粗化，當(dāng)粒徑達(dá)到一定尺寸后，在重力
作用下瀝青下沉聚合物上浮，下層瀝青中則極少有
改性劑存在，改性瀝青發(fā)生了重度離析。所以廢塑
料PE改性劑在PE改性瀝青中很難處于一種穩(wěn)定狀
態(tài)，即很難形成穩(wěn)定的體系。
1．2 相容性原理分析
為了改善聚合物改性瀝青的離析問題，國(guó)內(nèi)外
研究提出了聚合物改性瀝青反應(yīng)性共混改性技術(shù)。
PE一瀝青反應(yīng)性共混改性技術(shù)是通過加入增容劑、
王瑋，王蕾，陳候杰：廢塑料改性瀝青相容性與穩(wěn)定性
交聯(lián)劑等添加劑或者通過在PE分子中引入可以與瀝
青反應(yīng)的活性官能團(tuán)等方法，使瀝青與PE在共混過
程中發(fā)生交聯(lián)、接枝等化學(xué)反應(yīng)，在瀝青與PE之間
引入化學(xué)鍵，一方面是為了提高改性效果，降低
PE用量；另一方面是為了改善PE與瀝青之間的相容
性，提高改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性 。
廢塑料PE改性瀝青中的兩種主要成分(瀝青和
PE)從熱力學(xué)角度上講是不相容的，在密度、粘度
和分子量上也有著較大的差異，有不同的性質(zhì)。王
濤” 通過總結(jié)聚合物改性瀝青的機(jī)理得知，通?？?
以通過兩種方法來提高PE改性劑與基質(zhì)瀝青的相容
性：一種是添加穩(wěn)定劑；另一種是添加相容劑。如
果把穩(wěn)定劑加入到改性瀝青中，PE改性劑在瀝青中
易與穩(wěn)定劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)
構(gòu)，從而阻止PE改性劑和瀝青發(fā)生離析，此類穩(wěn)定
劑屬于化學(xué)反應(yīng)活性高的交聯(lián)劑，含氧、氮、硫、
磷等原子；而相容劑的加入能夠促使PE改性劑在基
質(zhì)瀝青中充分溶解和溶脹，溶脹和溶解的結(jié)果是使
PE改性劑分散得更均勻。相容劑和PE改性劑之間的
作用僅僅是一種物理作用，作用力比較弱，即使，
加人相容劑之后，改性劑還是很有可能與瀝青發(fā)生
離析。因此，相容劑和穩(wěn)定劑共同作用則可以阻止
PE改性劑和瀝青的離析，得到穩(wěn)定的PE改性瀝青。
2 PE與瀝青的相容性及熱穩(wěn)定性現(xiàn)
狀分析
傳統(tǒng)的PE改性瀝青是通過攪拌、剪切等物理方
法將PE均勻地分散于瀝青中，PE與瀝青并沒有明顯
的化學(xué)反應(yīng)，僅僅是物理意義上的共存共融。但是
由于瀝青與PE之間的分子量、粘度、極性及溶解度
參數(shù)等性質(zhì)差異較大，PE一瀝青共混體系是熱力學(xué)
不相容的，即PE改性瀝青在熱儲(chǔ)存過程中自發(fā)地發(fā)
生相分離，形成PE改性劑富集相和瀝青富集相。雖
然通過物理共混的方式進(jìn)行，簡(jiǎn)單易行，但是簡(jiǎn)單
的共混存在問題：
(1)聚合物改性劑用量較大、成本較高；
(2)相容性及存儲(chǔ)穩(wěn)定性較差，改性劑與瀝青
之間缺少必要的化學(xué)鍵相連，長(zhǎng)期存放容易分層，
影響改性瀝青的效果；
(3)道路施工時(shí)需要特殊的共混設(shè)備。
改性瀝青中所謂的相容性是要求體系不發(fā)生離
析，聚合物改性劑以細(xì)小顆粒穩(wěn)定、均勻地分布在
瀝青中。廢塑料PE改性瀝青的制備和使用期間的主
要問題是PE在瀝青中的均勻分散和PE改性瀝青的存
儲(chǔ)穩(wěn)定性 。
為解決PE改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性問題，國(guó)內(nèi)外科
研人員對(duì)此進(jìn)行了大量研究。劉克、楊錫武等人” 在
進(jìn)行關(guān)于聚乙烯改性瀝青技術(shù)問題的探討時(shí)發(fā)現(xiàn)，用
高速剪切機(jī)將12．5g聚乙烯在180'E下細(xì)化分散于250g
瀝青中后自然靜止冷卻(室溫12％)。僅10多分鐘后
瀝青表層便聚集了大量顆粒。完全冷卻以后劈開觀察
其斷面，上部為粗糙顆粒層而中下部與基質(zhì)瀝青相
似，界面十分明顯。所以聚乙烯不能自然保持微粒狀
持久均勻分散于瀝青之中，即缺乏存儲(chǔ)穩(wěn)定性。
目前國(guó)內(nèi)由于存儲(chǔ)穩(wěn)定性差迫使PE改性瀝青必
須隨配隨用，若想使用PE改I生瀝青就必須租用昂貴的
大型細(xì)化設(shè)備并運(yùn)送至施工冶場(chǎng)，難以實(shí)現(xiàn)工廠化的
大規(guī)模生產(chǎn)，這對(duì)于項(xiàng)目上大規(guī)模推廣應(yīng)用有一定的
局限性，必將影響到PE改性瀝青的推廣應(yīng)用。
3 PE一瀝青間相容性及熱穩(wěn)定性的
改善途徑
目前國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于提高廢塑料PE改性瀝
青的相容性及熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性的途徑及方向主要有以
下幾個(gè)方面：
(1)選擇相容性好的基質(zhì)瀝青。
通常認(rèn)為高標(biāo)號(hào)瀝青更容易穩(wěn)定PE，此觀點(diǎn)基于
瀝青的膠體理論。根據(jù)瀝青膠體理論，固態(tài)瀝青質(zhì)周
圍吸附樹脂成為膠團(tuán)，膠團(tuán)均勻分散于油分當(dāng)中，
PE微粒同樣會(huì)吸附樹脂及輕質(zhì)組分，這已通過趙可等
人的試驗(yàn)得以證實(shí)。楊錫武、劉克、楊大田 在分析
PE改性瀝青的幾個(gè)問題時(shí)，認(rèn)為如果瀝青中沒有足夠
的輕質(zhì)組分來裹附PE，PE微粒便會(huì)相互聚集結(jié)團(tuán)。
許世展等人 在進(jìn)行PE改性瀝青理論分析及其
試驗(yàn)研究時(shí)，分析認(rèn)為PE的良溶劑是芳香分類溶
劑，芳香分含量高的瀝青與PE的混融性好、離析作
用也小、穩(wěn)定性高，同時(shí)瀝青的力學(xué)性質(zhì)亦好。目
前，通常采用高標(biāo)號(hào)低粘度的瀝青進(jìn)行改性，這樣
摻入PE后，可利用PE改性瀝青高溫抗變形能力好的
特點(diǎn)，而與此同時(shí)改性后瀝青的低溫柔性好的特點(diǎn)
2，
西南公路
也可以體現(xiàn)出來，從而保證了整體的改性效果。但
這種做法是沒有什么理論依據(jù)的，只是憑著人們的
經(jīng)驗(yàn)，高標(biāo)號(hào)的瀝青往往飽和分含量過高，而芳香
分含量少，不利于瀝青與改性劑的混融，往往會(huì)使
得改性效果大打折扣，改性劑的作用不能發(fā)揮。實(shí)
際上用PE改性的高標(biāo)號(hào)瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性同樣會(huì)產(chǎn)
生明顯的離析，其原因在于瀝青自身本已達(dá)到膠體
平衡，外摻PE微粒能爭(zhēng)奪到的輕質(zhì)組分十分有限。
熊萍、郝培文等人 在SBS改性瀝青中摻加芳油
后達(dá)到了儲(chǔ)存穩(wěn)定的目的，這也說明僅靠瀝青自身
的輕質(zhì)組分來穩(wěn)定是不夠的。但是摻加芳油的方案
對(duì)PE改性瀝青卻行不通。因?yàn)镻E的分子鏈堆砌極為
緊密，常溫下成晶態(tài)。即使是改性瀝青制作溫度下
(180～200℃ )，輕質(zhì)組分也難以滲入PE分子鏈間
而使其溶脹。沒有溶脹改性瀝青的穩(wěn)定就難以保
障。這是PE改性瀝青穩(wěn)定性的獨(dú)特難點(diǎn)。
根據(jù)溫度高于70~C時(shí)PE可溶解于石蠟，有人認(rèn)
為石蠟基原油生產(chǎn)的瀝青與PE相容性較好，石蠟基
瀝青與PE的相容性好是因?yàn)镻E和石蠟的溶解度參數(shù)
比較接近的緣故。奧地利RF公司試驗(yàn)表明，PE改性
多蠟瀝青效果明顯。這也從側(cè)面說明了PE與多蠟瀝
青的相容性較好。
(2)PE類型的選擇。
常用于道路瀝青改性劑的是LLDPE(線型低密
度聚乙烯)和LDPE(低密度聚乙烯)。這兩種聚乙
烯的主要特征是分子結(jié)構(gòu)不是很規(guī)整，在長(zhǎng)鏈上帶
有較多的甲基支鏈和烷基側(cè)鏈，主鏈含有許多支
鏈，這兩種聚乙烯含有多分支的樹枝狀結(jié)構(gòu)。也正
是由于不規(guī)整的分子結(jié)構(gòu)以及多分支支鏈排列的存
在，才使瀝青的粘度大大提高，并大大改善了改性
瀝青與集料的粘附性 。
當(dāng)PE改性劑和基質(zhì)瀝青在160℃～180~C的高溫
下共融時(shí)，由于LDPE本身熔點(diǎn)低，結(jié)晶度小，且具
有和瀝青中蠟成分相似的極性及相近的溶度參數(shù)，
瀝青中蠟分子將滲人聚乙烯結(jié)構(gòu)內(nèi)部使聚乙烯體積
膨脹，從而使低密度聚乙烯的結(jié)晶度進(jìn)一步降低。
另一方面，因溶脹舒展開了聚乙烯分子長(zhǎng)鏈在高
溫、機(jī)械共混作用下，其分子量降低，從而為聚乙
烯均勻分散混溶于瀝青中提供必要的條件 糾。同時(shí)
LDPE密度更接近于瀝青，所以二者混溶以后相對(duì)不
易產(chǎn)生離析。
22
(3)改善加工工藝。
聚合物改性瀝青性質(zhì)的研究中，除了研究聚合物
品種及基質(zhì)瀝青的選擇對(duì)改性瀝青性能的影響外，研
究聚合物改性瀝青的加工工藝對(duì)改性瀝青性能的影響
也是一個(gè)很重要的課題，聚合物改性瀝青的路用性能
直接受加工工藝的影響。目前，聚合物瀝青生產(chǎn)方法
使用最多的是母體法和直接剪切法，即熔融研磨法。
熔融研磨法是目前國(guó)內(nèi)外研究最多的，并且也是最為
成熟的加工方法之一，它是采用復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備對(duì)聚
合物與瀝青的共混體系進(jìn)行高速研磨、剪切混合的方
法，生產(chǎn)設(shè)備主要包括高速剪切設(shè)備、高速研磨機(jī)、
膠體磨等。同時(shí)，影響PE改性瀝青性能的工藝技術(shù)因
素還有：加料順序、加工溫度、加工時(shí)間。
加工工藝研究主要以貯存穩(wěn)定性作為評(píng)價(jià)指
標(biāo)，確定加料順序和最短的加工時(shí)間、最低的加工
溫度，即要保證改性瀝青有良好的貯存穩(wěn)定性，又
要避免改性瀝青過度老化。
奧地利的改性瀝青的卓越技術(shù)主要是靠其剪切
能力優(yōu)良的分散設(shè)備，Heatech技術(shù)是采用剪切稀釋
與膠體磨加工相結(jié)合的工藝，獲得了分散良好的改性
瀝青 。縱觀聚合物改性瀝青的發(fā)展歷史可知 ，
為提高聚合物改性瀝青的使用性能，其中很重要的
一方面是以開發(fā)改性瀝青的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)T藝，
包括工藝參數(shù)的優(yōu)化。
(4)對(duì)PE改性劑進(jìn)行加工處理，使之與炭黑等
共混，減小PE與瀝青的密度差，降低分離度。
高光濤、張隱西等人 在進(jìn)行炭黑對(duì)聚合物改性
瀝青貯存穩(wěn)定性的影響的研究分析時(shí)，認(rèn)為引起PE改
性瀝青高溫相分離的一個(gè)重要因素是PE改性劑與瀝青
的密度差，該密度差導(dǎo)致改性瀝青在貯存和運(yùn)輸過程
中更易發(fā)生相分離，進(jìn)而造成改性瀝青性能不均和施
工困難等問題。炭黑作為主要補(bǔ)強(qiáng)劑與橡膠混煉時(shí)，
在剪切力作用下能夠吸附橡膠形成部分結(jié)合橡膠(又
稱炭黑凝膠)，由于炭黑密度為1．80～1．85mg·m～，比
聚合物和瀝青的密度大，而在炭黑和聚合物的混煉過
程中，一部分聚合物與炭黑表面產(chǎn)生化學(xué)和物理的牢
固結(jié)合，炭黑的存在可提高填充聚合物的密度，減小
了聚合物與瀝青的密度差。從而使得PE與炭黑混煉膠
改I生瀝青高溫貯存穩(wěn)定性得以提高。
(5)選擇合適的相容劑和穩(wěn)定劑。
傳統(tǒng)的PE改性技術(shù)僅僅是靠簡(jiǎn)單攪拌和剪切等
王瑋，王蕾，陳候杰：廢塑料改性瀝青相容性與穩(wěn)定性
物理意義上的共存共融，兩者之間沒有明顯的化學(xué)
反應(yīng)。而在新的反應(yīng)性共混改性技術(shù)中，采取選擇
合適的相容劑和穩(wěn)定劑，通過化學(xué)接枝等方法，增
強(qiáng)改性劑的活性，易與瀝青發(fā)生化學(xué)鍵合反應(yīng)，以
達(dá)到不再分離的改性效果。
孫大權(quán)， 呂偉民等人 認(rèn)為：反應(yīng)性聚合物改
性瀝青是通過加入穩(wěn)定劑、交聯(lián)劑等添加劑使聚合
物與瀝青之間發(fā)生交聯(lián)、接枝等化學(xué)反應(yīng)，改善聚
合物與瀝青間的相容性，從而形成網(wǎng)絡(luò)化整體結(jié)
構(gòu)，不僅從根本上解決了聚合物改性瀝青的熱儲(chǔ)存
穩(wěn)定性問題，而且可以大幅度提高改性瀝青的性
能。為了提高改性瀝青的性能，特別是提高其高溫
性能和貯存穩(wěn)定性，利用瀝青中含有的芳環(huán)化合
物、雜環(huán)化合物等的反應(yīng)性對(duì)瀝青進(jìn)行化學(xué)改性已
成為改性瀝青發(fā)展的重要方向之一。
同時(shí)，Hesp等人 提出了位阻穩(wěn)定方法，得到
了貯存穩(wěn)定的PE改性瀝青產(chǎn)品，其穩(wěn)定體系中的主
要組成部分為胺基封端的丁二烯一丙烯睛共聚物
(ATBN)。趙可等人 通過選用烯烴類聚合物
(DL)和聚二烯烴(DXJ)兩種助劑分別與PE改性
劑和瀝青膠溶，同時(shí)使DL與DXJ之間通過官能團(tuán)間
的化學(xué)反應(yīng)而穩(wěn)定結(jié)合，形成空間位阻，抑制改性
劑的自聚，提高PE改性瀝青的貯存穩(wěn)定性。
4 前景展望
(1)廢塑料PE改性瀝青具有優(yōu)良的路用性能，
在道路工程中有著很好的發(fā)展前景，但目前由于儲(chǔ)
存穩(wěn)定性差導(dǎo)致項(xiàng)目上的大規(guī)模推廣應(yīng)用具有一定
的局限性，有待進(jìn)一步研究。
(2)反應(yīng)性共混改性技術(shù)可以解決聚合物改性
瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性問題，已經(jīng)成為改性瀝青制備
技術(shù)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向之一。
(3)根據(jù)大量的研究表明：等密度法、空間位
阻法等方法均能夠有效地解決PE改性瀝青相容性及離
析嚴(yán)重的問題，其原理清晰，為工業(yè)化生產(chǎn)的工藝設(shè)
計(jì)及過程控制提供了基礎(chǔ)，但目前相容劑、穩(wěn)定劑等
助劑的選擇有待進(jìn)一步優(yōu)化，以尋求最佳配方。
廢塑料PE改性瀝青技術(shù)的研究對(duì)我國(guó)瀝青路
面發(fā)展具有重要的意義，特別在提高瀝青路面質(zhì)
量，有效解決白色污染方面。但如何改善廢塑料
PE改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性能，實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，
這既是目前研究的一個(gè)瓶頸，也是迫切需要解決
的問題，這將影響著廢塑料PE改性瀝青的大面積
推廣應(yīng)用。
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