聚烯烃/橡胶高温动态脱硫及反应耦合稳定沥青的机理研究

The properties of asphalt at high and low temperatures could be improved significantly by the incorporation of polyolefin and waste rubber, respectively. However, they are easily floating up or settling down in the hot asphalt, which present a challenge to the engineering applications. The current stabilization methods are costly and hard to control. Based on our previous research on polymer reactive blending and modified asphalt, a simple and effective method will be established to prepare the stable polyolefin/rubber modified asphalt. The rubber will be dynamically devulcanized at high temperature, finely dispersed and evenly grafted in the polyolefin by reactive extrusion. The devulcanized blend will be reactively co-stabilized in the asphalt by intensifying interfacial interactions,adjusting density and reducing the size. The following content will be investigated: the rubber devulcanization rule in the polyolefin, the relationship between devulcanizaiton and size reduction, the interactions between the devulcanized rubber and polyolefin, the movement and structure change of the carbon black, the structure and properties of reactively modified asphalt. The structure evolution of the polyolefin and rubber will be traced during the dynamic devulcanization, asphalt modification and hot storage. In order to find out the stable mechanism, the relationship between structure change and stability will be established. The research will provide a new way out to promote the application of polyolefin and rubber (include the hybrid waste) in the asphalt.

聚烯烃和废橡胶能分别赋予沥青优异的高温性能和低温性能，并兼具环保、低成本优势。然而，它们在热沥青中的上浮和下沉离析难题束缚了其工程应用，现有稳定方法存在调控难、成本高的缺点。本课题基于我们在聚合物反应共混及改性沥青上的研究基础，建立一套简单、有效的方法制备高稳定的聚烯烃/橡胶改性沥青。首先用反应挤出法将硫化胶粉在聚烯烃中快速高温动态脱硫细化及均匀接枝，然后再将其反应共混于沥青中，达到强化界面结合、中和密度、颗粒细化等耦合稳定效果。系统研究胶粉在聚烯烃中的动态脱硫规律，脱硫过程与胶粉破碎细化的关系，分析脱硫胶与聚烯烃的相互作用、炭黑迁移及结构变化规律，探讨脱硫橡胶反应共混改性沥青的过程及其结构与性能关系。跟踪聚烯烃和胶粉在动态脱硫、改性沥青及热贮存时的结构演化，阐明微观结构变化与宏观稳定性的关系，力图揭示稳定机制，从而为聚烯烃、废橡胶及其难回收混杂物在沥青中的稳定化、高性能化应用提供新思路。

当前巨量(近亿吨/年)的废橡塑材料处置不当会造成严重自然灾害，急需环保、高值化处置。其在公路沥青中的大量应用既可有效处置又提升公路质量。但是，废橡塑的混杂、交联和不稳定等问题造成其在热沥青中难分散、难稳定，束缚工程上的标准化应用和检测。我们在理论上建立了一套高温动态脱硫耦合稳定沥青的原理和方法，并中试实现稳定化工程应用。具体内容和成果如下：. 首先，获得了聚烯烃、废橡胶改性沥青规律。基于大量聚烯烃、橡胶改性沥青的结构与性能研究，建立了其改性规律，并首次阐明了橡胶在沥青中的结构演化、类型和及其相互作用新机理。. 其次，获得了废橡胶在螺杆挤出过程中结构演化过程和机理。系统研究了典型轮胎橡胶再生或浅度裂解行为，阐明了轮胎橡胶的脱硫解交联、炭黑迁移过程，表征了剥离炭黑的表面化学组成及结构，明确了其与聚烯烃的结合行为。通过橡胶在聚烯烃中的动态脱硫规律及相互作用研究，找到脱硫程度与粒径细化的关系。. 再次，建立了聚烯烃/橡胶改性沥青耦合稳定机理及延伸。通过挤出和接枝法实现了聚烯烃和动态脱硫细化橡胶的结合，调节二者比例达到了耦合稳定化。跟踪了聚烯烃和橡胶在动态脱硫、改性沥青及热贮存时的结构演化，建立了结构变化与稳定性的关系，揭示了稳定机制。通过此机制，突破了SBS、POE等改性沥青稳定化难题。. 然后，获得了橡胶改性沥青的室内外老化机理。通过热氧老化和自然环境老化，分析了SBS、不同脱硫程度橡胶和沥青老化过程中结构与性能演化，明晰了老化机理，为设计耐老化的橡胶改性沥青奠定基础。. 最后，实现了聚烯烃/橡胶稳定化复合改性沥青的中试及其混合料性能评价、应用。基于原理设计了废橡塑基热塑性弹性体及其改性沥青，显示普适稳定、节能和环保的特点，且优于常规的SBS改性沥青。建立了中试生产线并应用于实体工程，效果良好。. 研究成果达到预期要求，为聚烯烃、橡胶及其难回收的混杂物在沥青中的稳定化、高性能化应用提供新思路和基础理论支撑，突破了废橡塑改性沥青规模化应用的瓶颈。