聚酯纤维增强沥青的结构与性能

第29卷第1期 2009年2月 苏州大学学报(工科版) JOURNALOFSUZHOUUNIVERSITY(ENGINEERINGSCIENCEEDITION) 、，oL29No．1 Feb．2009 文章编号：1673-047X(2009J—01—0020—05 聚酯纤维增强沥青的结构与性能 周凤娟1’2，董洲2，朱新生2，吴建铨3 (1．苏州大学与化学化工学部，江苏苏州215123；2．苏州大学纺织与服装学院，江苏苏州215021； 3．常州市天怡工程纤维有限公司。江苏常州213145) 摘要：分析测试了几种聚酯纤维的特性粘度、形貌与微观结构及其改性沥青的软化点、针入度、延 度和针入度指数。结果表明，聚酯纤维显著提高了沥青软化点、降低了延度与针入度和温度敏感性， 纤维的微观结构与性能差异对纤维沥青胶料的软化点与延度影响明显。 关键词：聚酯纤维；道路沥青；微观结构；软化点；温度敏感性 中图分类号：TQ342．2 文献标识码：A · 0 引 言 为了改善沥青路面应用性能、减少路面破损，延长路面使用寿命，人们提出了各种路面设计与施工技术， 如纤维沥青混合料等。早在20世纪60年代，作为一种高强、耐久、质轻的增强材料，纤维已应用于沥青混凝 土中¨屯o。纤维不仅可以改善沥青混合料的高温稳定性与低温抗裂性能，而且施工工艺也较简单∞“J。纤维 种类、纤维掺量对纤维沥青胶料的微观结构与性能影响明显，而这方面的研究报道较少，事实上纤维沥青胶料 结构与性能研究有助于对沥青混合料性能的理解。本文主要研究了聚酯纤维结构及改性沥青胶料三大基本 性能，以后将讨论改性沥青胶料热稳定性与耐疲劳性。 1 实验部分 1．1原料 四种聚酯纤维(纤维长6mm)A、B、C和D均为市售产品；少量进口聚酯纤维样品用于纤维结构与性能之 间的比较；壳牌沥青AH一70。本研究所用壳牌AH一70重交通石油沥青性能见表1。 表1 AH一70沥青技术性能 收稿日期：2008—10—12 作者简介：周风娟(1982一)，女，硕士研究生，主要研究方向为聚合材料改性研究。 基金项目：江苏省教育厅资助项目(编号05KJD430176)。 万方数据 第1期 周凤娟，董洲，朱新生，等：聚酯纤维增强沥青的结构与性能 21 1．2样品制备 称取一定质量的沥青，纤维占沥青质量比例为lok、2％、3％、4％和5％。待双辊开炼机温度加热到120℃ 时，将纤维与沥青一起加入到炼塑机中混炼10rain。混炼结束后按照有关国家标准制模，并将试模置于60℃ 的水浴中热处理约30rain，以减少试件内部的气泡与应力等，从而提高测试精度。 1．3测试方法 用乌氏粘度计测定聚酯纤维的特性黏度。溶剂为苯酚和四氯乙烷(化学纯)混合溶剂，其质量比为l：l， 温度为25℃。样品纤维经喷金处理后，用扫描电子显微镜观测纤维截面，放大倍数均为1000倍。聚酯纤维 外貌由德国LeicaSK一160B型偏光显微镜观察，将聚酯纤维置于载玻片上，滴少许甘油，24h后观察，放大倍 数均为50倍。采用上海天平仪器厂差动分析仪(CDR一4P)测定纤维结晶度和熔点，样品量为20mg左右，升 温速率为10℃／rain，静止空气气氛。纯沥青与纤维沥青胶料的软化点、延度与针入度分别按《沥青软化点测定法 (环球法)》(GB／T4507--1999)、《沥青延度测定法》(GB／T4508--1999，样品温度为25℃，拉伸速度5cm／min)和 《沥青针入度测定法》(GB／1’4509—1998，针重1009，测试时间5s)进行测量。 2结果与讨论 2．1聚酯纤维形态与性能 经乌氏粘度计测定，纤维A、B、C和D的特性粘度分别为0．64、0．64、0．85和0．83dL／g，进口纤维的特性 粘度为0．82dL／g，即纤维c与D、进口纤维的分子量较大。五种纤维直径见图1。纤维C与D以及进口纤维 直径略粗些，即纤维c和D包括进口纤维的长径比将小于纤维A和B。图2给出了五种纤维外形的显微图 片。图中显示，进口纤维、纤维C和D外观刚直，而纤维A和B则有弯曲，这是由于进口纤维、纤维C和D的 长径比小且特性粘度大所造成的。这预示着A、B纤维在沥青中混合分散时，在沥青基体中易发生卷曲、结 团，形成“纤维球”的几率大，导致分散与增强作用差，最终影响其路面使用效果”J。 图1五种聚酯纤维截面的扫描电镜图片 沥青用聚酯纤维在拌合和铺路过程中须承受一定高温，要求纤维不发生物理和化学变化，力学性能不受 损失。表2给出了五种聚酯纤维的结晶度与熔点。由表可见，五种纤维的熔点均大于255。C，符合路用纤维 熔点要求。而A、B的结晶度要比C、D、进I：I纤维要大，部分原因是由于聚合物分子量较大，熔体粘度增大，限 万方数据 苏州大学学报(工科版) 第29卷 制了链段向晶核的扩散和排列，导致结晶度较低。聚酯纤维熔点与其结晶完整性有关，取决于纤维成型条件 和聚酯链微观结构‘6|。如聚酯链中二甘醇含量较高时，聚酯的熔点下降。 圈2五种聚酯纤维的显微图片 表2五种纤维的结晶度与熔点 2．2纤维改性沥青胶料基本性能 在我国大部分地区，夏季的最高气温能达到35—40℃以上，沥青路面的最高温度可能达到60一65℃以 上，再加上持续高温，将有可能使重交通沥青路面迅速变形、破坏。因此，高温稳定性是沥青路面最基本的路 用性能，软化点可作为沥青胶料的高温稳定性重要参考依据。 从表3中看出，当加人聚酯纤维后，纤维沥青胶料的软化点比纯沥青软化点52℃普遍提高。四种纤维均 在添加量为1％一3％时，沥青的软化点急剧提高；当添加量达到4％一5％时，软化点增加的幅度不大。这主 要是由于纤维添加量达到3％时，纤维之间相互接触形成局部网络结构而导致软化点急剧提高，而添加量达 到4％一5％时，局部网络结构相互接触逐渐形成连续网络结构，整个体系的性能趋于由网络性能决定，此时 软化点达到140℃左右。C、D两种纤维的软化点均比A、B要高，这是由于C、D两种纤维的长径比即刚度均 优于A、B纤维，从而在沥青中分散更好，更好地相互接触形成连续网络结构。 表3纤维沥青胶料的软化点(单位：℃) 道路沥青的针入度可以反映沥青的流变学性能，纤维可以提高纤维沥青胶料弹性，从而加强沥青路面在 高温下的抗车辙作用。但纤维添加量过高时易导致整个体系脆性增大，在拌合过程中易产生空穴，损害路面 性能。从表4可以看出，纤维改性沥青的针入度的变化规律正好和软化点的规律相反。在纤维添加量小于 万方数据 第1期 周凤娟，董洲，朱新生。等：聚酯纤维增强沥青的结构与性能 3％时，纤维沥青胶料的针人度急剧下降，当达到4％一5％时趋于平衡，25"C下的针人度基本保持在29左右， 而15℃下的针人度基本保持在19左右，这主要决定于体系中连续网络结构。 衰4纤维沥青胶料的针入度(单位：O．1姗) 从表1和表5来看，纤维沥青的胶料延度值要比基质沥青(150era)小得多，试验时可以观察到，改性沥青 胶料在拉伸时不像纯沥青那样逐渐拉成均匀的细丝，而是在一定伸长变形后会迅速断裂。这是由于纤维并不 能溶解在沥青基体中，但能吸收沥青中的油分，从而使沥青的塑性流动作用减少，断裂伸长率下降。纤维添加 量越高，吸油率越大，延度值越小。 表5纤维沥青胶料的延度(单位flail) 道路沥青路面要经受一年四季的不同温度环境考验，沥青从牛顿流体变成接近虎克弹性体，其流变性能 差异极大。沥青材料的温度敏感性是决定沥青应用于路面服务性的指标，也是沥青路用性能指标的核心。评 价道路沥青感温性的指标较常用的是针人度指数(eI)。当PI<-2时，为纯粘性的溶胶型沥青；当PI值介于 一2与+2之间时，沥青为溶一凝胶型，一般的道路沥青属于这一类；当PI>+2时，沥青为凝胶型，有很强的 弹性和触变性。从表1可见，纯沥青PI值为0．582，说明沥青为溶一凝胶型。纤维添加量为l％时，PI值已经 达到2以上，说明改性沥青体系已出现局部网络结构。当到达4％一5％时，PI值趋于稳定，也意味着整个体 系的交联网络已经形成。从PI值的变化规律看出，纤维改善了沥青胶料的温度敏感性，也就是说，改性沥青 路面在高温时不流淌变形，低温时不发硬、发脆，这样将会改善路面沥青的使用性能。 3结论 (1)纤维c和D及进El纤维的特性粘度较大、外观呈刚性棒状，而纤维A和B特性粘度较小、部分纤维 弯曲。因此纤维A和B在沥青中分散混合时易形成纤维球，沥青增强效果差。 (2)纤维用量增加使沥青胶料软化点增大及针入度减少，当添加量达到4％一5％时，软化点在140℃左 右，15"C与25℃下针入度分别保持在19与29左右。聚酯纤维适宜的添加量为4％-5％。 万方数据 苏州大学学报(工科版) 第29卷 (3)聚酯纤维吸收了沥青中的部分油分，使沥青胶料塑性流动减少且断裂伸长率下降。当纤维用量达到 4％一5％时，PI值趋于稳定，意味着整个体系形成了稳定交联网络。聚酯纤维实质改善了沥青胶料的温度敏 感性。 参考文献 [1]ChenJS，LinKY1．Mechanismandbehaviorofbitumenstrengthreinforcementusingfibers[J】．JMaterSCi，2005，40(1)：87-95． [2]PutmanBJ，AmirkhanianSN．Utilizationofwastefibersinstonematrixasphaltmixtures[J]．ResourConservRecycl。2004，42(3)：265—274． [3]姚立阳，朱凯．纤维对沥青混凝土路用性能影响研究[J]．中外公路，2008，28(3)：187—189． [4]陈华鑫，张争奇，胡长顺．纤维沥青混合料的低温抗裂性能[J]．华南理工大学学报(自然科学版)，2004，32(4)：82—86． [5]FreemanRB，BuraftJL，AmirkhanianSN，eta1．Polyesterfibersinasphaltpavingmixture[J]．AAPT，1989，58：387—409． [6]常武．终缩聚反应温度对聚酯品质的影响[J]．聚酯工业，2007，20(3)：44—45． MicrostructureandPropertiesofFiberModifiedAsphaltBinders ‘ZhouFengjuanl．一，DongZhou2，ZhuXinshen92，WuJianquan3 (1．FacultyofChemistry，ChemicalEng"neeringandMaterialsScience，SuzhouUniversity，Suzhou215123，China； 2．SchoolofTextileandClothingEngineering，SuzhouUniversity，Suzhou215021，China； 3．ChangzhouCityTianyiEngineefingFibersCo．Dd，Cha．铲hou213145，China) Abstract：Theintrinsicviscosity，morphologyandmicrostructureofthefivepolyesterengineeringfibersandthesof- teningtemperature，penetrationandductilityofthefibersmodifiedpavementasphaltswereinvestigated．Theresults showedthat，allthefibersremarkablyenhancedthesofteningtemperatureandloweredpenetrationandthetempera· turesusceptibilityoftheasphalts，andthedifferencesinthemicrostructureandpropertiesofthefiberscausedthe muchdifferenceinthesofteningtemperatureandductilitywhilenomuchdifferenceinpenetrationofthemodified binders． Keywords：polyesterfiber；pavementasphalt；microstructure；softeningtemperature；temperaturesusceptibility 万方数据 聚酯纤维增强沥青的结构与性能 作者： 周凤娟， 董洲， 朱新生， 吴建铨， Zhou Fengjuan， Dong Zhou， Zhu Xinsheng， Wu Jianquan 作者单位： 周凤娟,Zhou Fengjuan(苏州大学材料与化学化工学部,江苏,苏州,215123;苏州大学纺织与 服装工程学院,江苏,苏州,215021)， 董洲,朱新生,Dong Zhou,Zhu Xinsheng(苏州大学纺织 与服装工程学院,江苏,苏州,215021)， 吴建铨,Wu Jianquan(常州市天怡工程纤维有限公司 ,江苏,常州,213145) 刊名： 苏州大学学报（工科版） 英文刊名： JOURNAL OF SUZHOU UNIVERSITY(ENGINEERING SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 2009，29(1) 引用次数： 0次 参考文献(6条) 1.Chen J S.Lin K Y I Mechanism and behavior of bitumen strength reinforcement using fibers 2005(1) 2.Putman B J.Amirkhanian S N Utilization of waste fibers in atone matrix asphalt mixtures 2004(3) 3.姚立阳.朱凯 纤维对沥青混凝土路用性能影响研究[期刊]-中外公路 2008(3) 4.陈华鑫.张争奇.胡长顺 纤维沥青混合料的低温抗裂性能[期刊论文]-华南理工大学学报(自然科学版) 2004(4) 5.Freeman R B.Burati J L.Amirkhanian S N Polyester fibers in asphalt paving mixture 1989 6.常武 终缩聚反应温度对聚酯品质的影响[期刊论文]-聚酯工业 2007(3) 相似文献(2条) 1.学位论文 董洲 聚酯纤维改性道路沥青的制备及其结构与性能 2007 为了适应现代公路交通量日益增大、车载加重等特点，沥青路面技术发生了很大变化，而聚酯纤维增强沥青路面以其性能优良、经济合理的特点受 到人们的关注，具有广阔应用前景。 本文系统地研究了聚酯纤维增强沥青物理力学性能和纤维沥青混合料路用性能，全面阐述了聚酯纤维沥青微 观结构与性能关系，较系统地揭示了聚酯纤维对沥青性能的作用机理，并得出如下主要结论： 1)随着纤维添加量增加，改性沥青软化点逐渐增大 ，针入度与延度逐渐减少。当纤维添加量达到3％～5％时，改性沥青体系中形成了连续稳定的网络结构，即体系从溶～凝胶型进入了凝胶型结构状态。 改性沥青的软化点在135～150℃左右，针入度(25℃)在28～29之间，延度在14～16cm之间。 2)RTFOT实验中，聚酯纤维改性沥青的软化点和针入度 变化幅度小，热氧化稳定性好。纯沥青断裂能几乎为零，不耐动态载荷。改性沥青的断裂能随纤维添加量增加而迅速提高，耐疲劳性增强，当纤维添加 量达4％时，断裂能与耐疲劳性增速变缓。纤维C改性优势尤为明显，即纤维的特性黏度和直径是影响纤维稳定沥青、减缓老化作用的重要因素。 3)纤维束拔出实验结果表明：聚酯纤维经过特制油剂表面处理后，纤维沥青最大界面剪切强度平均增加了10％。 4)纤维掺加量占沥青混合料 0.25wt％时，混合料的动稳定度提高了34％，残留稳定度值从86.3％提高到94.8％。 本课题的创新点： 1)采用动态载荷实验模拟纤维改性 沥青在实际应用过程中的受力状态，研究改性沥青的耐疲劳性。 2)利用双辊开炼机成功制备性能优异的纤维改性沥青结合料，解决了聚酯纤维在 沥青中分散性问题。 2.学位论文 李利坤 环氧大豆油和纤维改性氧化沥青的制备及其结构与性能 2008 随着国内道路建设规模与品质不断扩大与提高，对沥青的需求量越来越大，尤其是高等级的道路沥青的需求量与日俱增，这对我国优质道路沥青的 生产提出了更高的要求。目前，我国的道路沥青进口依赖性强。另外，由于公路交通量的日益增大和车载的加重，对沥青路面质量要求也越来越高，普 通沥青路面已经难以满足现代交通的需求，纤维增强沥青路面优良的性能、经济合理、施工方便的特点受到广泛关注，具有广阔的应用前景。 本 文选用氧化沥青作为改性对象，选用环氧大豆油作为沥青改性剂，较为系统地探讨了环氧大豆油改性氧化沥青的改性机理、微观结构以及三大指标、老 化性能等；选用两种聚酯纤维掺入到改性氧化沥青中，研究其结构与性能关系；选用聚丙烯腈纤维(PAN)分别掺入到改性氧化沥青和AH-70号重交通道路 沥青中，详细地分析比较了两种纤维沥青胶浆的性能，最后得出主要结论： 1.随着环氧大豆油含量的增加，改性氧化沥青的软化点和针入度下降 ，延度大幅增大。调整工艺参数试验结果表明：搅拌温度对沥青氧化作用影响大，而搅拌时间主要决定混合均匀程度。微观结构分析得出：环氧大豆油 中的极性环氧基团与氧化沥青中的羟基、酚基之间形成物理化学作用，明显改善了环氧大豆油与氧化沥青的相容性，使改性沥青的性能接近优质道路沥 青指标。 2.随着聚酯纤维含量的增加，改性沥青的软化点增加，而针入度和延度下降；当纤维含量超过3％后，此时改性沥青中形成了完善的纤 维网络结构，三大性能指标变化趋于平缓。两种聚酯纤维沥青胶浆经疲劳试验后，针入度和延度稍有所下降，说明纤维网状结构对沥青有稳定作用；纤 维沥青胶浆A的断裂韧性要优于纤维沥青胶浆B。 3.在氧化沥青和重交通沥青添加PAN纤维后，纤维氧化沥青胶浆与纤维重交通沥青胶浆断裂韧性 在纤维含量1％-3％时基本接近，而在纤维含量为1％时氧化沥青胶浆断裂韧性优于重交通沥青胶浆。 4.PAN纤维表面纵向沟壑有利于改善其在沥 青中分散性和紧密结合，而聚酯纤维吸油作用，降低了沥青的流动性。 本文创新点在于：在国内外率先采用环氧大豆油提高氧化沥青的延度与针 入度，并使断裂韧性明显改善。 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_szscgxyxb200901005.aspx 下载时间：2010年2月7日