基于原位成纤的SBS/PE复合改性沥青微观形态调控及其机理研究

The dispersion and morphology of polymer modifier are key factors for the effect of modified asphalt. This project proposes a shearing-extruding two-step process to prepare polymer modified asphalt. Firstly, the polymer is dispersed in the base asphalt by high speed shearing to obtain pre-formed polymer fiber/asphalt blends. Then, a twin-screw extruder is used to prepare modified asphalt in-situ fibrillation composites which microfibers have high aspect ratio and are uniformly distributed in asphalt. In this project, the surface modified SBS/ packaging waste PE is used as modifier. Investigating the influence of shearing process and estrusion parameters on the formation and morphology of polymer microfibers and analyzing the mechanism of tensile stress and the shear stress in polymer/ asphalt viscoelastic system. In additional, through studying the polymer drop-fiber transition behavior and building a in-situ fibrillation model to find out its principles. To verify the interaction process between polymer microfiber modifier and asphalt molecules, the influence law of polymer micro-fiber polymer morphology and distribution on the properties of modified asphalt are studied combined with the structural characteristics and dispersed phase of modified asphalt system, interface compatibility of matrix, and the principle of polymer fibrillation. Eventually, revealing the mechanism of in situ polymer fibrillation modified asphalt. The purposes of this project open a novel idea to exploit excellent comprehensive properties of modified asphalt and provide a new theoretical and experimental basis for revealing the modification mechanism.

聚合物改性剂的分散状态及其微观形貌是沥青改性效果的重要影响因素。本项目拟先通过高速剪切将聚合物分散在基质沥青中获得预成纤聚合物/沥青共混体系，再利用双螺杆挤出制备微纤分布均匀、长径比大的原位成纤改性沥青复合材料。本项目以表面改性的SBS/包装废PE复合颗粒为改性剂，研究剪切工艺、挤出参数对聚合物微纤的形成及其微观形貌的影响，分析聚合物/沥青粘弹体系中拉应力和剪切应力的作用过程；研究聚合物滴-纤转变行为，建立聚合物在基质沥青中的原位成纤模型，弄清其原位成纤原理；分析聚合物微纤形貌及分布状态对改性沥青性能的影响规律，并结合改性沥青体系的结构特性、分散相和基体的界面兼容性及聚合物成纤原理，探明聚合物微纤与基质沥青分子之间的相互作用过程，最终深入揭示基于原位成纤的聚合物改性沥青机理。本项目的意义在于为开发综合性能优异的改性沥青材料开辟新思路，为沥青改性机理的揭示提供新的理论基础和实验依据。

本项目主要以包装废聚乙烯（WPE）、丁苯橡胶（SBR）、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、无机纳米碳酸钙等材料，对基质沥青分别进行了单一和复合改性，协同发挥纳米材料和聚合物的优势，改善基质沥青的各项性能，并阐明其改性机理，具有重要的科学意义和应用价值。首先利用WPE和SBR分别进行单一改性，系统地分析了WPE改性沥青中改性工艺因素变化对改性沥青性能的影响；接着探究了SBR对煤沥青和石油沥青的改性机理，结果表明WSBR对沥青有很好的改性效果，由于多元共聚物SBR与SBS结构相似且常作为包装材料使用，为SBS与其他包装材料复合进行改性提供了理论依据。再利用SBS和WPE对沥青进行复合改性，采用共混挤出法和高速剪切法制备了WPE/SBS复合材料及复合材料改性沥青，结果表明其复合改性效果良好，但发现WPE在沥青中存在团聚现象。然后采用聚合物基纳米复合材料改性沥青，通过加入纳米碳酸钙，减少了SBS的团聚现象，通过性能分析，确定了最佳制备工艺。同时比较纳米碳酸钙纤维和颗粒对沥青改性的性能影响，得到分散良好的纳米CaCO3/WPE/SBS复合改性沥青，阐明了CaCO3纤维/WPE/SBS复合改性机理，实现了沥青的聚合物和纳米无机材料双重改性。另外，在探索SBS原位成纤改性沥青基础上，尝试利用纳米CaSO4纤维结合其他包装废弃物进行沥青改性，为其他种类无机有机复合改性沥青的研究提供了思路。这种无机纤维改性沥青相关研究为原位成纤改性沥青的制备及改性机理探索提供了有效的借鉴和补充。最后，针对本项目中出现的改性沥青老化现象，利用生物质材料β-环糊精作为改性剂，不仅提高了SBS改性沥青的抗老化性能，而且增强了SBS和沥青之间的界面相容性，提高了改性沥青的综合性能。本项目的研究成果不仅为包装废弃物的高值利用提高了新思路，也为沥青成纤改性机理及有机无机复合改性沥青理论提供了支撑，具有重要的科学意义。