木屑生物油復(fù)配樹(shù)脂粘結(jié)劑的性能研究

摘要：文章以木屑為原料制備木屑生物油，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)優(yōu)選生物油的制備工藝，將生物油與環(huán)氧樹(shù)脂混合制備木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑，并將該粘合劑摻入瀝青中制備改性瀝青（5%-BRA），研究三種粘合劑（90#基質(zhì)瀝青、木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑、5%-BRA）的軟化點(diǎn)和針入度指標(biāo)及高低溫性能。結(jié)果表明：木屑生物油在最佳制備條件下的產(chǎn)油率為53.47%;5%-BRA的針入度小于90#基質(zhì)瀝青，而軟化點(diǎn)呈相反趨勢(shì);木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑具有較大的彈性模量，其摻入能增加基質(zhì)瀝青的彈性成分。此外，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑和5%-BRA在高溫下具有較好的抗車轍性能，與基質(zhì)瀝青和5%-BRA相比，該粘結(jié)劑在-15 ℃及-10 ℃的低溫性能較為優(yōu)異，而-5 ℃的低溫性能較差。

關(guān)鍵詞：木屑生物油;環(huán)氧樹(shù)脂;90#基質(zhì)瀝青;高低溫性能

0 引言

瀝青在環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青中的作用是降低樹(shù)脂的剛度和脆性[[1-4]。但瀝青是不可再生資源，已逐漸枯竭，因此，用性能與瀝青相似的廢料替代環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青中的瀝青基體能緩解路面對(duì)瀝青的需求。

已有研究表明，木屑生物油可用于替代瀝青并提高其高溫性能[5-8]，且具有代替石油瀝青作為環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青材料的潛力[9-11]。因此，本研究首先以木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)為原料，采用熱液化技術(shù)制備木屑生物油，通過(guò)正交試驗(yàn)研究其制備工藝;其次將木屑生物油代替瀝青與環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑等物質(zhì)混合制備木屑生物油/樹(shù)脂復(fù)合粘結(jié)劑，進(jìn)一步研究木屑生物油/樹(shù)脂復(fù)合粘結(jié)劑的高低溫性能。

1 材料和試驗(yàn)

1.1 木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑制備

木屑生物油制備方法參照文獻(xiàn)[12]，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的制備方法參照文獻(xiàn)[13]。在整個(gè)制備過(guò)程中，固化劑、環(huán)氧樹(shù)脂、消泡劑和催化劑的摻量分別占木屑生物油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的40%、23%、0.3%和1%。

1.2 木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青制備

為了全面分析木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂的性能，本研究將5%的木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂作為瀝青改性劑摻入到90#基質(zhì)瀝青中，利用高速剪切機(jī)在135 ℃下攪拌混合物30 min，木屑生物油復(fù)配樹(shù)脂粘結(jié)劑的性能研究/張曉蕾[=JP2]即得木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青，標(biāo)記為5%-BRA。

1.3 試驗(yàn)參數(shù)

采用90#基質(zhì)瀝青（A級(jí)道路用瀝青）作為性能對(duì)照組，其基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂改性瀝青的三大指標(biāo)、高低溫性能根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTC E20-2011）進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 木屑生物油制備工藝研究

本研究以產(chǎn)油率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，溶劑配比（乙醇∶丁醇）、反應(yīng)溫度和時(shí)間為影響因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)優(yōu)化木屑產(chǎn)油的提取工藝，結(jié)果如表2所示。從表2可以看到，不同因素對(duì)木屑產(chǎn)油率的影響程度為：溶劑配比>反應(yīng)時(shí)間>反應(yīng)溫度，說(shuō)明溶劑配比是引起木屑產(chǎn)油率變化的最主要因素，這是因?yàn)橐掖寂c丁醇具有強(qiáng)擴(kuò)散能力，導(dǎo)致其能充分滲透到木屑結(jié)構(gòu)內(nèi)部，促進(jìn)反應(yīng)中間體的生成。反應(yīng)時(shí)間是造成產(chǎn)油率變化的次要因素，原因是反應(yīng)時(shí)間過(guò)低，反應(yīng)不完全，反應(yīng)時(shí)間過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致中間體及大分子產(chǎn)物二次分解，不利于木屑生物油生成。

因此，木屑生物油的最佳制備條件為：溶劑配比2∶1，反應(yīng)時(shí)間為50 min，反應(yīng)溫度為250 ℃。在該工藝條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，木屑產(chǎn)油率為53.47%，這與文獻(xiàn)[12]所制的木屑生物油產(chǎn)油率接近。

2.2 木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的性能研究

2.2.1 物理指標(biāo)

測(cè)試90#基質(zhì)瀝青與5%-BRA的軟化點(diǎn)和針入度指標(biāo)，如圖1所示。從圖1可以看到，與90#基質(zhì)瀝青相比，5%-BRA的針入度、軟化點(diǎn)較大，這是因?yàn)橄噍^于石油瀝青，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂黏度較小，其摻入會(huì)減少高標(biāo)號(hào)瀝青的黏度，對(duì)基質(zhì)瀝青產(chǎn)生硬化效應(yīng)，導(dǎo)致瀝青老化。然而兩樣品的軟化點(diǎn)和針入度指標(biāo)差值均較小，滿足規(guī)范要求，可認(rèn)為5%-BRA的軟化點(diǎn)和針入度指標(biāo)接近90#基質(zhì)瀝青。

2.2.2 高溫性能

2.2.2.1 相位角

90#基質(zhì)瀝青、木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑及5%-BRA的相位角測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖中可看出，基質(zhì)瀝青的相位角均高于另外兩個(gè)粘結(jié)劑，這表明木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑及5%-BRA中存儲(chǔ)模量比例得到提高，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的存在使瀝青粘彈性能發(fā)生變化，增加基質(zhì)瀝青的彈性成分。其中，在0～30 rad/s范圍內(nèi)，5%-BRA的相位角大于木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑，而30～100 rad/s范圍內(nèi)，則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，說(shuō)明木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑在高頻下具有較大的彈性模量。此外，整體而言，90#基質(zhì)瀝青的相位角趨近于90°，說(shuō)明黏度顯著，這與90#基質(zhì)瀝青作為高標(biāo)號(hào)瀝青相一致，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑及5%-RBA材料趨近于50°，表明兩種粘結(jié)劑具有較明顯的彈性。

2.2.2.2 復(fù)數(shù)剪切模量

本研究使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試了90#基質(zhì)瀝青、木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑及5%-BRA在不同溫度范圍內(nèi)的復(fù)數(shù)剪切模量（如圖3所示）。由圖3可知，在52 ℃～58 ℃范圍內(nèi)，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的復(fù)數(shù)剪切模量小于90#基質(zhì)瀝青和5%-BRA。但當(dāng)溫度>58 ℃時(shí)，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑和5%-BRA的復(fù)數(shù)剪切模量均大于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明兩個(gè)樣品在高溫下具有較好的抗車轍性能，兩類粘結(jié)劑對(duì)溫度的敏感性低于90#基質(zhì)瀝青。對(duì)于路面來(lái)說(shuō)，溫度敏感性越低，路面在高溫下發(fā)生低溫開(kāi)裂或永久變形的可能性越小。此外，在72 ℃～82℃范圍內(nèi)，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的復(fù)數(shù)剪切模量大于5%-BRA，表明木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的高溫性能更為優(yōu)異。

2.2.3 低溫性能

本研究利用彎曲蠕變?cè)囼?yàn)（BBR）測(cè)試了90#基質(zhì)瀝青、木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑及5%-BRA的極限勁度模量S和蠕變速率m（如圖4所示）。從圖4可以看到，三種粘結(jié)劑勁度模量均≤300 MPa，蠕變速率>0.3，表明粘結(jié)劑低溫抗裂性能較好。其中，90#基質(zhì)瀝青與5%-BRA樣品的S在-15 ℃及-10 ℃明顯大于生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑，在-5 ℃時(shí)，明顯小于該粘結(jié)劑，而m值呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。說(shuō)明木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑-15 ℃及-10 ℃的低溫性能優(yōu)于另外兩種粘結(jié)劑，而其-5 ℃的低溫抗裂性與另兩種粘結(jié)劑相比較差。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）正交試驗(yàn)結(jié)果表明：木屑生物油的最佳制備條件為：溶劑配比2∶1，反應(yīng)時(shí)間為50 min及反應(yīng)溫度為250 ℃。在該工藝條件下木屑產(chǎn)油率為53.47%。

（2）木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂較小的黏度會(huì)對(duì)基質(zhì)瀝青產(chǎn)生硬化效應(yīng)，導(dǎo)致5%-BRA的針入度小于90#基質(zhì)瀝青，軟化點(diǎn)大于90#基質(zhì)瀝青。

（3）流變和彎曲梁試驗(yàn)結(jié)果表明：木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑的摻入能增加基質(zhì)瀝青的彈性成分。此外，木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑和5%-BRA在高溫下具有較好的抗車轍性能，與基質(zhì)瀝青和5%-BRA相比，在-15 ℃及-10 ℃的低溫性能更為優(yōu)異。

（4）本文對(duì)木屑生物油/環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑及其5%摻量的改性瀝青的三大指標(biāo)及高低溫性能做了分析，對(duì)這種新型粘合劑的開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義，但未來(lái)還需對(duì)該粘合劑的微觀性能，不同摻量對(duì)瀝青的改性作用及制備經(jīng)濟(jì)成本等進(jìn)行更深入的探索。

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