超支化聚合物改性环氧沥青聚集态结构控制与低温增韧机理

Thermosetting epoxy asphalt, which has great mechanical properties and high temperature stability, is one of the preferred paving materials on the deck of steel bridges. However, non-repaired brittle crack probably propagates in glassy epoxy asphalt for its high modulus and brittleness in cold environment. Toughness modification is an effective method to avoid brittle fracture occurring in epoxy asphalt at low temperature. However, if utilizing toughness modification methods of thermoset resin for toughening epoxy asphalt, such as introducing rubbers, thermoplastic resins or nanoparticles, more difficulties for epoxy asphalt mixture building would be caused with the increased viscosity, poor dispersion and compatibility of these modified epoxy asphalt. In this application, epoxy asphalt will be modified with hyperbranched polyborate (HBPB) which has low solution viscosity, massive functional end groups, controllable compatibility and toughening effect with the thermosetting materials. Rheology, compatibility, curing reaction and mechanical properties of the different end-group HBPB modified epoxy asphalts will be investigated; aggregation structure evolution and toughness mechanism at low temperature of HBPB modified epoxy asphalt also will be analyzed. New method and theoretical basis for high performance modification of epoxy asphalt would be obtained through this investigation.

热固性环氧沥青具有优异的力学性能和高温稳定性，是钢桥面铺装首选铺面材料之一，但其低温玻璃态时模量很高且性质较脆，在过高载荷下易发生脆断且无法熔融修复。增韧是预防环氧沥青低温脆断，使环氧沥青兼具高、低温大跨度温度范围内性能优良的重要途径。但若将传统的热固性树脂增韧方法移植到环氧沥青增韧改性，如引入橡胶、热塑性树脂或纳米粒子，极有可能出现粘度增大、分散困难、相容性不好等问题，给环氧沥青混合料铺装带来更多困难。因此，本项目采用溶液粘度低、端基易于修饰、与基体相容性可控且具有阻燃效果的超支化聚硼酸酯(HBPB)对环氧沥青进行增韧改性。通过对HBPB端基结构的可控修饰，研究不同端基HBPB对改性环氧沥青流变性、相容性、固化反应性以及力学性能的改性作用，探讨不同端基HBPB改性环氧沥青固化过程中的聚集态结构演变机制，分析低温增韧机理，为环氧沥青铺面材料的高性能化改性提供新思路和理论依据。

本研究组自主开发合成出一种高温铺装环氧沥青用新型胺类固化体系。采用该固化体系制备的环氧沥青具有优越的力学性能和高温稳定性，但其低温玻璃态时模量很高且性质较脆，在过高载荷下易发生脆断且无法熔融修复。增韧是预防环氧沥青低温脆断，使环氧沥青兼具高、低温大跨度温度范围内性能优良的重要途径。苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)是道路铺面沥青中常用的改性剂，将其引入环氧沥青增韧改性时能够起到一定的增韧改性作用，且能够改善环氧沥青的相容性。但由于SBS分子量较大且为长链分子，不可避免的增大了环氧沥青固化过程中的粘度。本研究组又采用脂肪族超支化聚酯(H102)和芳香族超支化聚酯(H202)作为模型化合物，对自主开发的高温慢固化环氧沥青进行了探索性改性研究。在环氧沥青体系中加入1、3、5wt%的H102或H202，固化物的断裂伸长率(23℃)可显著提高。我们又以H102为模型化合物，对其端基经过烷基修饰后，再用于环氧沥青的改性研究工作，不仅能够起到一定的增韧作用，还能够明显降低环氧沥青在固化过程中的粘度。HBPB是具有含硼芳香结构的耐高温阻燃型超支化聚合物，在对环氧沥青体系进行改性研究时发现，HBPB端基结构是影响其改性环氧沥青流变性、相容性、固化工艺性以及力学性能的重要因素之一。将HBPB端基修饰后用于环氧沥青改性研究，可使其拉伸强度减小且断裂伸长率大幅增加，树脂相和沥青相的相容性也得到改善，对阻燃性亦有潜在的改善作用。因此，采用溶液粘度低、端基易于修饰、对基体增韧效果显著的超支化聚合物(HBP)对环氧沥青进行增韧改性，通过对HBP端基结构的可控修饰，研究不同端基HBP对改性环氧沥青流变性、相容性、固化反应性以及力学性能的改性作用，能够为环氧沥青铺面材料的高性能化改性提供新思路和理论依据。