热塑性包装废弃聚合物改性沥青及其组织结构研究

发布时间：2018-10-05 13:45

【摘要】：热塑性聚合物在商品包装中扮演着重要的角色,但这些材料一旦失去原有功能便作为废料丢弃,既造成了环境污染,也造成巨大的资源浪费,因此有效解决环境问题,研究开发热塑性包装废弃聚合物高价值再利用技术刻不容缓。另一方面,我国对高性能沥青材料的需求已促使我国成为世界上改性沥青的消费大国。快捷高效的物流交通需求为高性能改性沥青的应用和研究提供了广阔的发展空间。然而,激烈的市场竞争使得改性沥青的研究多基于商业目的,主要对聚合物原材料改性沥青在改性工艺及改性配比进行相关开发与应用研究,极少对沥青改性的机理及组织结构等微观进行研究,且尚无完全明确的定论。本课题以热塑性包装废弃聚合物树脂(WPE和WEVA)代替普通聚合物作为改性剂,对基质石油沥青进行改性,首先从四组分组织结构研究了改性沥青相容性与沥青性能的相关性,其次,采用废弃低价的聚丙烯腈基碳纤维和氧化石墨烯从两种技术层面增强改性沥青组分的相容性,并从组织结构变化研究改性沥青相容性与热稳定性、老化性等性能的关联性,微观和宏观相结合揭示热塑性包装废弃聚合物沥青改性机理,为废弃聚合物的高价值利用和高性能改性沥青的制备提供了理论基础。对热塑性包装废弃聚合物改性沥青改性工艺研究发现,WPE聚合物改性沥青,WPE配比含量占沥青总重量4%左右,改性温度在170℃左右,剪切速率为3900转/分,改性时间控制在60-100 min,所得改性沥青综合性能最优。采用四组分与性能变化关联性研究法对WPE改性沥青研究发现,WPE沥青改性属于物理改性,随着WPE含量的增加,WPE改性沥青四组分中沥青质和胶质的含量增加,饱和分含量减少,芳香分含量基本保持不变,WPE与改性沥青的轻质组分芳香分和饱和分具有较好相容性,而与沥青质和胶质相容性较差。沥青质和胶质含量与改性沥青高温性成正比,对沥青高温性能具有决定作用。在改性沥青“沥青质胶团”和“聚合物胶团”作用模型中,芳香分和饱和分为胶团的良性溶剂,对沥青体系相容性起决定作用。采用PAN基碳纤维可增强WPE聚合物复合改性沥青相容性,碳纤维表层不均匀的层状和表面粗糙化处理的极性基团使得碳纤维与WPE具有良好的吸附性,形成的类荆棘吸附模型增强了 WPE聚合物对改性沥青轻质组分的吸附和溶胀,改善了沥青相容性。沥青相容性改善了热稳定性和抗老化性,随碳纤维含量的增加,WPE和碳纤维复合改性沥青的热分解温度逐渐上升,在相同温度下的热损失逐渐减少,改性沥青的高温性和抗变形能力得到改善。采用熔融共挤和溶解絮凝两种改性剂制备工艺制得复合改性沥青的热稳定性相对较好,其中,熔融共挤改性剂改性所得复合改性沥青的性能最优。碳纤维和WPE复合改性沥青中,碳纤维通过提高相容性减少沥青体系平衡的破坏,减轻了轻质组分氧化对改性沥青性能的影响,改善沥青抗老化性。老化沥青的热分解温度随着碳纤维含量的增加上升,但碳纤维含量0.12%的复合改性沥青老化后热分解温度低,碳纤维含量不宜超过0.1%,过量的碳纤维将发生自身团聚,从而影响到沥青体系平衡,降低抗老化性能。采用氧化石墨烯增强WEVA复合改性沥青相容性,氧化石墨烯以纳米级粒子分散于微米级热塑性WEVA中,降低了氧化石墨烯和WEVA彼此间的表面自由能,抑制了WEVA的团聚,阻止了 WEVA的上浮分层,提高了改性沥青相容性,改善了沥青的综合性能。氧化石墨烯和WEVA复合改性沥青中的氧化石墨烯含量控制在0.08%-0.1%左右为宜,过量的氧化石墨烯不仅增加沥青改性的工艺复杂性,同时对改性沥青的高低温性能也会发生影响。分散在沥青中的氧化石墨烯本身与沥青溶解度差别很大,在高温储存状态下并不能形成长期稳定的沥青分散体系。本课题在大量实验研究基础上,从微观组织结构变化研究了热塑性包装废弃聚合物沥青改性及其改性机理,热塑性包装废弃聚合物及其与碳纤维和氧化石墨烯的复合改性沥青均属于物理改性。热塑性聚合物颗粒的分散和溶胀及其空间网络结构的形成是提高沥青相容性进而改善沥青综合性能的关键。
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【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U414

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