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胶粉改性沥青黏度影响因素及预估模型研究

发布日期:2015-02-19 23:42:25

胶粉改性沥青黏度影响因素及预估模型研究和黏度

胶粉改性沥青黏度影响因素及预估模型研究,废橡胶轮胎的再生利用是一个全球性问题,将胶粉颗粒制作成为胶粉改性沥青(CRMA)是一种节能而 又环保的有效途径。在不同条件下制备CRMA,并进行旋转黏度测试,分析了制备方式、处理温度、胶粉粒径、处理时 间以及胶粉掺量对CRMA黏度影响,并在影响因素分析的基础上建立了 CRMA黏度预估模型。结果表明,采用高 速搅拌的制备方式,CRMA的黏度(7)与处理温度(T)和胶粉目数(D)都呈二次幂函数关系变化,与胶粉掺量(R)呈指 数关系增加,而与搅拌时间的关系不显著;回归分析得到的CRMA黏度预估模型具有较高的拟合精度,可以为 CRMA的生产工艺优化提供参考。

废橡胶是典型的“黑色污染”,生产胶粉改性沥 青(CRMA)是实现废橡胶资源化利用,胶粉改性沥青黏度影响因素及预估模型研究,减轻环境污 染的有效途径,CRMA具有广阔的开发应用前 景[1^]。黏度是CRMA的重要性能指标,深人研究 CRMA的黏度影响因素及预估模型,有助于优化 CRMA的工艺条件…7]。CRMA生产过程中,胶粉 颗粒会发生溶胀和分子链的降解等物理化学作 用搅拌、剪切等制备方式,处理温度、处理时 间等制备条件以及胶粉粒径、胶粉掺量等材料因素 都会对CRMA黏度产生不同程度的影响,目前仍缺 乏深人、系统的研究。本文分别在不同试验条件下 制备CRMA,讨论CRMA黏度的影响因素,进而建 立CRMA黏度预估模型,为CRMA制备工艺条件 优化,提高CRMA性能提供参考。
1试验材料
试验中所使用的基质沥青性能及胶粉技术指标 如表1和表2所示。
2 CRMA黏度影响因索分析
2.1制备方式对CRMA黏度的影响
将沥青加热至180C并保温♦将掺量为17.6% (按基质沥青质量计)的60目胶粉加入沥青中,胶粉改性沥青黏度影响因素及预估模型研究,在分 别采用表3所示的4种方法制备CRMA,然后采用
表1基质沥育性能指标
试验项目试验值
针入度(25°C,100 g,5 s)/0. 1 mm82.8
软化点(环球法>/t:46.0
延度(5 cm/min,15*C )/cm>100
密度(15t:V(g/cin3>0.988
黏度(15CV(Pa • s)0. 655
表2胶粉的技术指标
项目相对密度水分/%金属
量/%纤维含
m/%灰分/%
技术指标1. 10〜1. 30<1<0. 01<0. 05<8
项目天然橡胶 含量/%丙酮抽出
物/H炭黑含
m/%橡胶烃含
m/%
技术指标>406-1628 — 38>42
布洛克菲尔德(Brookfield)黏度计(27号转子,50 r/min), 按照ASTTVl D 4402的试验方法测定CRMA的180t:黏 度,如图1所示。
基金项目:国家自然科学基金项目,项目编号51108037;陕西省自然科学基础研究计划项目,项目编号2010JQ7008 收稿日期:2011_11 —14
表3几种不同的CRMA制备方法
编号1号2号3号4号
处理方式低速搅拌髙速剪切高速搅袢低速搅拌 +高速剪切
转速/(r/min)3003 7502 500300+1 875
处理时间/min45454515 + 45
由图1可知,4种处理方式得到的CRMA的黏 度有较大的差异,其中采用高速剪切的黏度最低,仅 为0.776 Pa • S;采用高速搅拌的黏度最高,达到 1.195 Pa • s。可见CRMA的改性机理与普通高聚 物改性沥青并不相同,胶粉颗粒较大,而且经过硫化 交联处理,强度和韧性都较大,从而具有很高的韧性 和弹性,在高温的沥青中保持独立分散,主要发生溶 胀,同时还存在脱硫、断链裂解等变化。当进行高速 剪切时,剪切机高速摩擦产生大量热量,造成橡胶分 子链断裂,促进脱硫和裂解,分子量降低,CRMA黏 度降低。从操作简便性、经济性以及改性沥青性能 等方面综合考虑,本研究选择髙速搅拌的方法制备 CRMA。
2.2处理温度对橡胶沥青黏度的影响
处理温度是制备CRMA的重要条件,温度太低 难以保证胶粉溶胀效果,胶粉改性沥青黏度影响因素及预估模型研究,温度太高会造成沥青老化, 影响CRMA的性能。因此为了保证CRMA沥青的 性能,在生产中必须选择合适的温度。选择40目胶 粉,以上述高速搅拌(2 500 r/min)的方式,分别以 17〇1:、180°(:、190<€、200°<:、210*(:等5个处理温度, 制备胶粉掺量为17. 6%的CRMA,并分别测试 CRMA的布氏黏度,如图2所示。
0.6
210 220
图2处理溫度对CRMA撇度的彩响
由图2可知,随着处理温度的升高,CRMA的 黏度先增大后减小,即随着温度的升高,黏度存在峰 值,整体呈二次幂函数变化,相关系数K2达0.97以 上。这是因为提高温度有利于橡胶颗粒的溶胀,加 快胶粉的溶胀速度,使橡胶沥青迅速达到黏度的最 大值,但继续升高温度并长时间加工,会加剧橡胶颗 粒组分的脱硫和裂解反应,部分橡胶粉组分以小分 子天然橡胶的形式进人到沥青中,CRMA的黏度又 有所降低。因此,在180〜20CTC的温度区间内生产 橡胶沥青性能较好,胶粉在沥青中易于分散且不会 产生严重的降解反应。
2.3胶粉粒径对橡胶沥青黏度的影响
目数是评价废胎胶粉颗粒粗细程度的指标,目 数越大,则胶粉颗粒越细,胶粉生产越困难。分别选 择30目、40目、60目和80目胶粉,在190°C温度 下,高速撹拌(2 500 r/min)45 min,制备胶粉含量为 22%的CRMA,并分别测试布氏旋转黏度,如图3 所示。
随着胶粉目数的增加,CRMA的黏度先增大后 减小,即随着温度的升高,黏度存在峰值,整体呈二 次幂函数变化,相关系数记达0. 99以上。在一定 粒径范围内,胶粉颗粒越细,比表面积越大,其在沥 青中越容易发生溶胀,CRMA黏度增大;但当胶粉 目数增加达一定程度时,胶粉的位阻效应逐渐减小, CRMA的黏度会逐渐降低。
2.4处理时间对CRMA黏度的影响
为了分析处理时间对CRMA黏度的影响,将 6%、12%、17.6%、22%、28%等 5 个掺量的 40 目胶 粉,在190X:条件下,分别进行0.5 h、1.0 h、l. 5 h、 2.0 h的高速搅拌(2 500 r/min),制备CRMA并测 试布氏旋转黏度,试验结果如图4所示。
当胶粉掺量较低时,随搅拌时间的延长CRMA 的黏度变化不显著;当胶粉掺量超过22%后, CRMA的黏度随搅拌时间的延长变化较大。这是 因为较低掺量的CRMA与基质沥青的黏度较为相近,表现出牛顿流体的特性,所测的黏度值较低且变 化较小;而当胶粉掺量较大时,CRMA的黏滞度较 大,胶粉的颗粒效应及脱硫、降解作用都会对 CRMA的黏度产生较大影响,因此黏度差异较为显 著。但总体而言,搅拌时间对CRMA黏度的影响较 为复杂,没有明显的规律。本研究根据以上试验结 果,选择高速搅拌45 min。
2. S胶粉掺量对CRMA黏度的影响
上述 6%、12%、17.6%、22%、28%等 5 个掺量 的CRMA布氏旋转黏度如图5所示。胶粉改性沥青黏度影响因素及预估模型研究,随着胶粉惨 量的增加,0.5 h、1.0 h、l_5 h、2.0 h等4个搅拌时 间的CRMA的黏度都不断增大,而且变化趋势基本 —致,与胶粉掺量呈指数关系,不同搅拌时间 CRMA黏度与胶粉掺量的回归关系列于表4中。
胶粉掺量/%
图S胶粉掺置对CRMA黏度的彩嘀 表4不同搅拌时间CRMA黏度与皎粉掺置的回归关系
搅拌时间/h回归曲线相关系数
0. 5y-=0. 029 4e0il84i0. 989 1
1.0y= 0. 027 2e°-!8S8x0. 996 6
1. 5y = 0.033e°-mef0. 966 8
2‘ 00.027 8eoa767x0.974
3 CRMA黏度预估模型研究
由以上分析可知,CRMA黏度的影响因素较 多,与制备方式、处理温度、胶粉粒径、搅拌时间以及 胶粉掺量等都有密切关系。在高速搅拌的制备方式 确定的情况下,CRMA的黏度(7)与处理温度(r)和 胶粉目数(•〇)都呈二次幂函数关系,与胶粉掺量(K) 呈指数关系,而与搅拌时间的关系比较复杂,没有明 显规律。CRMA黏度目标预估模型的形式确定 如下:
7=a〇(T+a,)z • CD+az)2 • e^R+a, (1)
式中:为CRMA黏度,Pa,S;r为处理温 度,为胶粉目数,目;R为胶粉掺量,%;办〜a, 为模型待定系数。
将不同处理温度、胶粉目数及掺量的CRMA12 组黏度数据采用lstopt软件模型回归,如图6所 示,回归参数列于表5中。
将以上待定系数代人模型,即可得到CRMA黏 度预估模型:
,= 1.09X10~ll(T+319.18)2 • (D+147.64)2 • 严一0.28(2)
从预估模型相关性分析结果来看,相关系数K2 为0.973 5,CRMA黏度预估模型具有较高的拟合 精度。同时,按相关性检验,在a = 〇. 01显著水平 下,査表可得临界值
F〇.〇i = (3.12 —3 — 1) = F0.0] (3,8) = 7. 59 而
F=367.83
显然^'>&.。|(3,8),因此,在显著性水平^ = 0• 01下,CRMA的黏度(1?)与处理温度(了)、胶粉目 数(D)、胶粉掺量(i?)之间具有显著的相关性,回归 模型是显著的。
4结语
(1)4种制备方式对CRMA的黏度有较大影 响,其中高速剪切的黏度最低,高速搅拌的黏度最 
表S樓型回归参数及拟合优度检验
回归系数a〇aatasa4
数值1.09X 10~1!319. 18147, 640. 14-0. 28
回归分析结果检验
均方差(1?MS£)0. 212 6决定系数(DO0. 973 5
残差平方和<SSE)0.542 5卡方系数(Chi-Square)0. 562 7
相关系数i?20. 973 5尸统计(F* Statistic)367. 83
 
高,从操作简便性、经济性以及改性沥青性能等方面 综合考虑,胶粉改性沥青黏度影响因素及预估模型研究,可以选择高速搅拌的方法制备CRMA。
(2)采用高速搅拌的制备方式,CRMA的黏度 (,)随处理温度(T)和胶粉目数(D)的增加先增大后 减小,呈二次幂函数关系;随胶粉掺量(i?)增加逐渐 增大,呈指数增长关系,而与搅拌时间的关系比较复 杂,没有显著规律。
(3)在影响因素分析的基础上,建立了预估模 型,并根据不同试验条件的数据拟合分析,确定了模 型参数,具有较高的拟合精度,可以为CRMA的生 产工艺优化提供参考。
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