SEBS改性沥青的制备与性能研究

王 明，余红伟，马海花，魏 徵

(1.海军工程大学理学院 化学与材料系，湖北 武汉 430033；2.平顶山市环境监测中心站，河南 平顶山 467000)

沥青混合料是各级道路建设用材之一，近年来，随着公路运输负荷越来越大，对沥青综合性能也提出了更高的要求，改性沥青能有效地改善路用性能，因而其研究与应用越来越受到人们的关注。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)嵌段聚合物改性沥青是目前应用较为广泛的聚合物改性沥青之一[1]，但是由于不饱和键的存在，SBS改性沥青在较为恶劣的光热条件下性能下降较快，极大地影响了道路使用寿命[2]。将SBS进行选择加氢后得到的SEBS用于沥青改性，在提高耐光氧老化、高低温等综合性能方面比SBS更优，不足之处在于原料昂贵，掺量不宜太大，SEBS改性沥青的推广应用受到较大限制[3]。因此从降低SEBS掺量和保证沥青的改性效果角度出发，研究SEBS的最佳掺量及剪切温度十分必要。

1 实验部分

1.1 原料

基质沥青：70#，广东茂名石化有限公司；SEBS：YH-501型，岳阳石化有限公司；糠醛抽出油、WD-7型稳定剂等助剂均为市售品。基质沥青和SEBS的基本性能指标分别如表1和表2所示。

表1 70#基质沥青性能指标

表2 岳阳石化公司SEBS基本性能参数

1.2 仪器设备

电热恒温水温箱：HS-2型，北京市永光明仪器有限公司；针入度试验器：SYD-2801C型，上海恒勤仪器设备有限公司；软化点仪：SYD-2806E型，上海恒勤仪器设备有限公司；延伸度仪：SY-1.5B型，低温型，河北迪奥试验仪器有限公司；扫描电镜：TM-3030型，天津科学仪器有限公司；高速剪切乳化机：弗鲁克/FM300，上海恒勤仪器设备有限公司。

1.3 SEBS改性沥青制备

(1) 人工匀化处理：将基质沥青放入180 ℃的烘箱中加热融化，恒温30 min后加入SEBS及糠醛抽出油，人工搅拌10～20 min得到初产物。

(2) 剪切乳化：将初产物在160～180 ℃下高速剪切30 min，转速设定为5 000 r/min，而后加入WD-7型稳定剂，人工搅拌10 min。

(3) 二次发育：将所得产物放入180 ℃的烘箱中溶胀发育1 h，制备完成。

1.4 性能测试

沥青延度按照GB/T 4508—2010进行测定，拉伸速度为5 cm/min，温度为15 ℃；针入度按照GB/T 4509—2010进行测定，温度为15 ℃；软化点按照GB/T 4507—2014进行测定，钢球质量为3.52 g，加热速度为5 ℃/min。

2 结果与讨论

通过分析SEBS改性沥青的相关特点，结合国内外已有的研究成果[4-5]，设定SEBS的掺量分别为3%、4%、5%、6%、7%(质量分数)，剪切温度分别为160 ℃、165 ℃、170 ℃、175 ℃、180 ℃。通过测定改性沥青的相关性能指标确定SEBS的最佳掺量及剪切温度。

2.1 15 ℃时延度实验

改性沥青延度随SEBS掺量、温度的变化曲线如图1所示。

(a) SEBS掺量

温度/℃(b) 剪切温度图1 不同SEBS掺量、剪切温度下改性沥青的延度曲线

从图1(a)可以看出，改性沥青的延度随SEBS掺量的增加呈现出先增大后减小的变化；当SEBS掺量为5%、剪切温度为175 ℃时，改性沥青的延度达到最大值66.7 cm。原因是SEBS在沥青的轻质组分中溶胀后形成相互“包埋”的空间网络结构，在外力作用下容易产生平行形变而使外界应力得到有效消散，延度增大，当进一步提高SEBS的掺量，溶胀达到饱和，过量的SEBS粒子游离在沥青之中，低温固化后产生微区、孔洞，在拉力作用下极易形成裂纹，导致改性沥青的延度下降[6]。从图1(b)可以看出，相同SEBS掺量的改性沥青，随着剪切温度的升高，其延度值逐渐增大，在170～175 ℃达到最大值后呈现出逐渐降低的变化趋势，原因是温度升高使沥青发生老化。

2.2 针入度实验

标准针垂直穿入沥青试样的深度值即为沥青的针入度，反映了沥青在具体测试温度下的稠度，针入度越小，表明沥青的硬度越大[7]，25 ℃时针入度实验结果如图2所示。

w(SEBS)/%(a) SEBS掺量

温度/℃(b) 剪切温度图2 不同SEBS掺量、剪切温度下改性沥青的针入度曲线

从图2(a)可以看出，剪切温度一定，随着SEBS掺量的增加(掺量为3%～6%)，改性沥青的针入度急剧下降。这是因为SEBS对沥青中轻质组分进行吸附，进而发生溶胀，并在物理交联的作用下形成稳定的三维网络结构，当SEBS掺量进一步增加，溶胀达到饱和，沥青针入度下降趋势逐渐变缓，因此，对SEBS的掺量应控制在6%以内，掺量过高，体系黏稠度太大，不利于分散施工，同时成本也变高。

从图2(b)可以看出，在SEBS掺量一定的条件下，改性沥青的针入度随着剪切温度的升高逐渐减小，剪切温度的升高，促进了SEBS与沥青的溶胀，物理交联作用更加充分。剪切温度超过175 ℃后，改性沥青发生了一定程度的老化，针入度急剧增大。

2.3 软化点实验

软化点是沥青混合料的高温指标，用来表征沥青的高温稳定性。本实验采用环球法，钢球质量为3.52 g，实验结果如图3所示。

w(SEBS)/%(a) SEBS掺量

温度/℃(b) 剪切温度图3 不同SEBS掺量、剪切温度下改性沥青的软化点曲线

从图3(a)可以看出，随着SEBS掺量的增加，改性沥青的软化点也呈现出急剧上升趋势，表明SEBS对改性沥青软化点的提高效果明显。从图3(b)可以看出，随着剪切温度的提高，相同SEBS掺量下的改性沥青软化点相差并不大，可见剪切温度对软化点的影响较小，相互协同作用并不明显。进一步增加SEBS掺量，提高剪切温度，改性沥青的软化点趋于平缓。从节约成本的角度出发，SEBS的掺量应控制在6%以内，并选取较低的剪切温度。

2.4 SEBS改性沥青最佳工艺的确定

在最佳剪切温度的选取上，从改性沥青延度、软化点、针入度的变化规律可以明显看到，170 ℃、175 ℃条件下各项性能指标相差不大，故从经济性考虑，从温度最低的角度出发，确定改性沥青的最佳剪切温度为170 ℃。

选取剪切温度为170 ℃，结合图1(b)、图2(b)、图3(b)，SEBS掺量为5%、6%时的各项性能指标如表3所示。

表3 2种SEBS掺量在170 ℃条件下的沥青性能指标

由表3可知，SEBS掺量为 5%与6%时的延度值基本相同，而提高16.7%的SEBS掺量，针入度提高不到1.7%，软化点下降3.4%，故在保证改性沥青效果的基础上，从节约SEBS原料、追求效益的角度出发，应选取SEBS的掺量为5%为宜。

2.5 沥青改性前后的微观形貌

沥青的微观形貌及改性剂的分布情况如图4所示。

(a) 基质沥青(×1 000)

(b) SEBS掺量为5%的改性沥青(×1 000)

从图4(a)可以看到，基质沥青均匀分布，表面较为致密，大体符合均相结构的特征。经SEBS改性后的沥青，表面有众多SEBS粒子，经扩散作用与沥青构成亚稳态的两相界面过渡层[8]，如图4(b)所示。在图4(c)中的较高放大倍数下，观察到SEBS和沥青之间的界面层非常模糊，几乎消失不见，SEBS颗粒和沥青之间没有明显的界限，这种较好的相互黏结复相结构，极大地提高了改性沥青的抗变形能力。经高速剪切作用，SEBS颗粒与其它改性助剂能较均匀地分布在沥青中，形成相互缠结的网络结构，使改性沥青高低温延度性能得到明显改善。

3 结 论

(1) 提出了SEBS改性沥青的制备工艺，其主要包括了人工均匀化、剪切乳化、溶胀、二次发育等过程。

(2) 确定了SEBS改性沥青的最佳剪切温度及SEBS掺量。

(3) SEBS颗粒通过与沥青中轻质组分相互溶胀，形成相互缠结的互穿网络结构，进而改善沥青高低温性能。

参 考 文 献：

[1] 张小林，程金星，陶影，等.新型热塑性弹性体SEBS及其改性的研究进展[J].弹性体，2005，15(6):72-76.

[2] 钱春香，解建光，王鸿博.SBS和SEBS改性沥青及混合料抗老化性能[J].东南大学学报(自然科学版)，2005，35(6):945-949.

[3] 王明，余红伟，魏徵.橡胶粉/SBS复合改性沥青研究进展[J].弹性体，2016，26(2):86-90.

[4] SAMUEL ZAPIEN CASTILLO，RIVERA-ARMENTA J L，CHAVEZ-CINCO M Y，et al.Physical and rheological properties of asphalt modified with SEBS/montmorillonite nanocomposite[J].Construction & Building Materials，2016，106:349-356.

[5] POLACCO G，MUSCENTE A，BIONDI D，et al.Effect of composition on the properties of SEBS modified asphalts[J].European Polymer Journal，2006，42(5):1113-1121.

[6] 郑传峰，陈浩，苏俊省，等.SEBS改性沥青实验研究[J].公路工程，2011，36(2):34-37.

[7] 高军，佘万能.新型热塑性弹性体SEBS[J].化工新型材料，2004，32(4):21-24.

[8] OUYANG C，WANG S，ZHANG Y，et al.Thermo-rheological properties and storage stability of SEBS/kaolinite clay compound modified asphalts[J].European Polymer Journal，2006，42(2):446-457.