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CN116144165A - 可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料及其制法 - Google Patents

可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料及其制法。所述制法为：先将多元醇脱水，再与甲苯二异氰酸酯聚合，得到预聚体；将预聚体与固化剂、沥青进行混合均匀，得到反应混合物；对反应混合物进行加热固化得可。本发明利用聚氨酯分子结构中软段与硬段同时存在于同一条分子链上的特性，将聚氨酯材料所具备的优异的韧性和机械强度引入聚氨酯沥青材料中。使其除了具备优异的机械性能外，还拥有了优异的韧性和耐高低温性能，可应用于各种极端温度的环境。本发明将含有S‑S键二元醇或二元胺引入到热固性聚氨酯体系中，利用聚氨酯分子结构中引入的S‑S键的动态交换实现热固性聚氨酯沥青的快速修复和废弃沥青可回收的功能。

Description

可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料及其制法
技术领域
本发明属于沥青制备领域，具体涉及一种可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料及其制法。
背景技术
石油沥青是一种石油化工副产物，价格低廉，主要用于道路铺装领域。然而无论是高针入度还是低针入度的沥青，由于分子量不够高，再加上分子间内聚能小，都存在温度高会熔化，温度低可能脆性大易开裂的问题。
目前主流的解决方法是将树脂、固化剂以及相容剂和石油沥青混合在一起，通过相容剂的作用，让树脂/固化剂形成的连续相包裹住石油沥青形成的分散相，这样树脂固化后形成的热固性网络结构就把石油沥青包裹和固定下来，表观上体现出热固性沥青的性能，从而克服了普通沥青高温熔化，低温脆裂的缺点。具体为：环氧沥青是在沥青中加入一定比例的环氧树脂、固化剂，并通过固化反应形成不可逆的、高温不熔化的热固性材料。环氧沥青由于其热固特性，其力学性能和路用性能更优越，具有强度高、抗老化性好、性能稳定等优点，相比其他道路铺装材料更富竞争力，因此具有十分广泛的应用前景。在国外已经对环氧沥青进行了长达70多年的研究历史。随着环氧沥青材料在国外桥面铺装工程的广泛使用，我国也于本世纪初引入这种性能优异的铺装材料。然而，由于其主体成分环氧树脂属于热固性聚合物材料，在化学交联后，形成了不可逆的空间三维网络结构，在宏观尺度表现为不溶不熔、无法修复等特点。加上我国重载交通、气候条件苛刻等现实条件，导致环氧沥青混合料铺装在实际工程应用中依然频发早期开裂的病害。
针对目前路面沥青无法避免的在高低温环境下使用受限以及破损后无法修复以及回收成本高等问题，目前主要的解决研究方向集中在沥青材料的相容性、树脂基体增柔增韧等方面。但是这种方向无法从根本上解决热固性沥青的热固特性导致其无法升温自修复，同时废料也无法熔融再生的问题。因此目前黄坤等人(CN 108276789 B)通过利用聚氨酯体系中存在的氨基甲酸酯键，在高温和大量的催化剂作用下使得氨基甲酸酯键之间发生交换，即利用酚羟基和异氰酸根之间的可逆反应机理来引起热固性聚氨酯的共价键重组，从而实现热固性聚氨酯的自修复。但是，这种技术具备需要使用极大量催化剂(二月桂酸二丁基锡)和高温条件下才能得以实现。但是二月桂酸二丁基锡为重金属，对人体有毒有害，且会污染环境。同时，这种存在于聚氨酯体系中的氨基甲酸酯键之间的交换效率并不高即修复效率不高，并不适合工程上的大规模应用。
故基于此，提出本发明技术方案。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料及其制法。
本发明的方案是，提供一种可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)先将多元醇脱水，再与甲苯二异氰酸酯聚合，得到预聚体；
(2)将所述预聚体与固化剂、沥青进行混合均匀，得到反应混合物；
(3)对所述反应混合物进行加热固化，完成后得到所述可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料。
优选地，步骤(1)中，所述多元醇为聚四亚甲基醚乙二醇、聚丙二醇或聚乙二醇中的一种。
优选地，步骤(1)中，于抽真空条件下，将多元醇加热至100～105℃脱水1.5～2h，再冷却至60℃以下加入甲苯二异氰酸酯单体，充分搅拌均匀后升温至80℃下反应6小时，得到预聚体。
优选地，步骤(1)中，所述多元醇中的羟基与所述甲苯二异氰酸酯中的异氰酸根的摩尔比为1.5～3:1。
优选地，步骤(2)中，所述固化剂为二元胺固化剂或二元醇固化剂；所述二元胺固化剂为4,4-二氨基二苯二硫、二(邻氨基)苯基二硫、L-胱氨酸、胱胺二盐酸盐、胱胺硫酸盐或4,4'-双(2-氨基-6-甲基嘧啶基)硫醚中的一种；所述二元醇固化剂为双(2-羟乙基)二硫化物、3,3-二硫醚二苯酚、双(4-羟苯基)二硫醚、双(6-羟基己基)二硫化物、(2-([2-(羟基甲基)苯基]二磺酰基)苯基)甲醇、双(6-羟基-2-萘)二硫、双(11-羟基十一烷基)二硫化物或二硫烷二基双(萘-2-醇)中的一种。
优选地，步骤(2)中，所述预聚体与所述沥青的质量比为3:7～7:3。
优选地，步骤(3)中，所述加热固化的温度为80～160℃，加热固化的时间为6～12h。
基于相同的技术构思，本发明的再一方案是提供一种由上述制备方法得到的可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料。
本发明的有益效果为：
本发明所述可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料的制备方法，使用聚氨酯预聚体与沥青共混制备聚氨酯沥青，利用聚氨酯分子结构中软段与硬段同时存在于同一条分子链上的特性，将聚氨酯材料所具备的优异的韧性和机械强度引入聚氨酯沥青材料中。使其除了具备优异的机械性能外，还拥有了优异的韧性，并具备了优异的耐高低温使用性能(即在夏季和冬季铺装后的性能优异)，可应用于各种极端温度的环境。此外，本发明将含有S-S键二元醇或二元胺作为固化剂引入到热固性聚氨酯体系中，利用聚氨酯分子结构中引入的S-S键的动态交换实现热固性聚氨酯沥青的快速修复和废弃沥青可回收的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1、4、6所得可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料的应力应变图。
图2是实施例2、3、4、5所得可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料的应力应变图。
图3是实施例1、4、6所得可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料的杨氏模量图。
图4是实施例2、3、4、5所得可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料的杨氏模量图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在具体实施方式中，可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料的制备方法为：
(1)于抽真空条件下，将聚四亚甲基醚乙二醇加热至105℃脱水1.5h，再冷却至55℃并加入甲苯二异氰酸酯，充分搅拌均匀后升温至80℃下反应6小时，得到预聚体；
(2)将所述预聚体与二元胺固化剂4,4-二氨基二苯二硫、沥青70#混合后加热到80℃下搅拌均匀，得到反应混合物；
(3)对所述反应混合物进行加热，在130℃下固化反应10h，即得到所述可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料。
其中，实施例的配方如表1所示。
表1各组实施例的配方
Figure BDA0004018774300000051
为便于理解，对表格内容进行解释：
PTMG为聚四亚甲基醚乙二醇，PTMG650为分子量是650的聚四亚甲基醚乙二醇，PTMG1000为分子量是1000的聚四亚甲基醚乙二醇，PTMG2000为分子量是2000的聚四亚甲基醚乙二醇。
TDI为甲苯二异氰酸酯；4-APDS为4,4-二氨基二苯二硫；Asphalt为沥青。
PU为聚氨酯，MAS为改性沥青(Modify Asphalt)，具体的：
PU650MAS50表示：合成聚氨酯中的聚四亚甲基醚乙二醇分子量为650且沥青的质量占比为总质量的50％。
PU1000MAS0表示：合成聚氨酯中的聚四亚甲基醚乙二醇分子量为1000且无沥青参与反应，即仅为聚氨酯。
PU1000MAS40表示：合成聚氨酯中的聚四亚甲基醚乙二醇分子量为1000且沥青的质量占比为总质量的40％。
PU1000MAS50表示：合成聚氨酯中的聚四亚甲基醚乙二醇分子量为1000且沥青的质量占比为总质量的50％。
PU1000MAS60表示：合成聚氨酯中的聚四亚甲基醚乙二醇分子量为1000且沥青的质量占比为总质量的60％。
PU2000MAS50表示：合成聚氨酯中的聚四亚甲基醚乙二醇分子量为2000且沥青的质量占比为总质量的50％。
对实施例1～6所得可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料进行力学性能测试，结果如图1～图4所示，所对应的数据如表2所示。
表2测试结果
Figure BDA0004018774300000061
Figure BDA0004018774300000071
由图1、图3和表1可知，当聚氨酯和沥青质量比相同均为50％时，PU650MAS50、PU1000MAS50和PU2000MAS50的应力分别为10.07MPa、8.34MPa和5.66MPa，其杨氏模量分别为7.63MPa、2.95MPa和0.96MPa，其应变为403.1％、948.56％和1570.79％。表明，随着多元醇分子量从650增加至2000时，氨酯改性沥青PU-MAS的应变和杨氏模量逐渐减小，应变逐渐增加，主要是聚氨酯分子结构中软段含量增加，硬段含量减少，本体强度降低。
由图2、图4和表1可知，当聚氨酯中所采用的多元醇PTMG分子量均为1000且沥青含量从0％逐渐增加至60％时，PU1000MAS0、PU1000MAS40、PU1000MAS50和PU1000MAS60的应力分别为44.28MPa、12.49MPa、8.34MPa和5.53MPa，其杨氏模量分别为9.08MPa、3.80MPa、2.95MPa和3.11MPa，其应变为1215％、996.95％、948.56％和637.32％。表明，随沥青含量增加，聚氨酯改性沥青PU-MAS的应力、杨氏模量和应变均逐渐减小，主要是沥青作为填料不具有力学性能，加入后降低其聚氨酯本身的力学性能。因此，沥青加入越高，其力学性能下降越多。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)先将多元醇脱水，再与甲苯二异氰酸酯聚合，得到预聚体；
(2)将所述预聚体与固化剂、沥青进行混合均匀，得到反应混合物；
(3)对所述反应混合物进行加热固化，完成后得到所述可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述多元醇为聚四亚甲基醚乙二醇、聚丙二醇或聚乙二醇中的一种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，于抽真空条件下，将多元醇加热至100～105℃脱水1.5～2h，再冷却至60℃以下加入甲苯二异氰酸酯单体，充分搅拌均匀后升温至80℃下反应6小时，得到预聚体。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述多元醇中的羟基与所述甲苯二异氰酸酯中的异氰酸根的摩尔比为1.5～3:1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述固化剂为二元胺固化剂或二元醇固化剂；所述二元胺固化剂为4,4-二氨基二苯二硫、二(邻氨基)苯基二硫、L-胱氨酸、胱胺二盐酸盐、胱胺硫酸盐或4,4'-双(2-氨基-6-甲基嘧啶基)硫醚中的一种；所述二元醇固化剂为双(2-羟乙基)二硫化物、3,3-二硫醚二苯酚、双(4-羟苯基)二硫醚、双(6-羟基己基)二硫化物、(2-([2-(羟基甲基)苯基]二磺酰基)苯基)甲醇、双(6-羟基-2-萘)二硫、双(11-羟基十一烷基)二硫化物或二硫烷二基双(萘-2-醇)中的一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述预聚体与所述沥青的质量比为3:7～7:3。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加热固化的温度为80～160℃，加热固化的时间为6～12h。
8.权利要求1～7任一项所述制备方法得到的可回收、可修复的热固性聚氨酯改性沥青材料。
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雷元等: "马来酸酐接枝改性沥青及其动力学研究", 《四川化工》, vol. 20, no. 02, 15 April 2017 (2017-04-15), pages 4 - 7 *

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