荧光分析技术在生产工艺中的应用范文

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摘要：

利用荧光显微技术观测了不同聚合物改性沥青的微观结构，研究了自粘卷材改性沥青混合料各添加组分对体系微观结构的影响，以确定各组分最佳用量；同时结合实际生产，研究了不同生产工艺下自粘卷材混合料微观结构的变化，探讨其与宏观指标的关系，以指导生产工艺的优化。

关键词：

荧光显微分析技术；聚合物改性沥青；自粘卷材；自粘料；配方调整；工艺优化

自粘沥青防水卷材所采用的沥青要求有更高的软化点和更低的低温柔度指标，而目前石油精炼得到的沥青因油源和精炼工艺差异，一般性能无法满足应用需要。为了改善沥青的性能，通常在沥青中掺加橡胶与塑料等高分子聚合物、细磨的橡胶粉及其他助剂、填料进行改性。一般情况下，沥青与聚合物是在热的状态下进行混合的，聚合物吸附沥青中的油分溶胀后形成与沥青截然不同的聚合物连续相，多余的油分分散在聚合物中，或聚合物吸附沥青中的油分溶胀后分散在沥青的连续相中，沥青的性能得到最大限度的改善，这就是改性沥青的显微非均相相容体系。改性沥青的显微结构可以用普通光学显微镜或扫描电子显微镜观察，但在应用过程中存在制样困难和显微结构表征不清楚等缺陷。使用荧光显微镜技术观察聚合物（SBS）改性沥青体系的微观形貌和分散效果[1-2]，已成为研究改性沥青机理和改性效果最直接的手段。而使用该技术分析研究至少2种以上聚合物或改性剂共混改性沥青体系微观结构，很少见到有报道。因此，本文对用于生产自粘卷材的多种聚合物改性沥青混合料体系进行荧光显微结构分析，从微观角度尝试寻找各组分最佳用量；同时研究不同生产工艺下聚合物共混改性沥青体系的形貌变化，结合宏观指标指导实际生产，探讨荧光分析技术在自粘卷材配方优化和生产工艺改进中的作用。

1荧光显微技术

荧光显微技术，是以波长为365nm的紫外线或短光波的蓝紫单色光作激光光源照射检测物体，被检物在受激发后产生人眼可见的荧光，再经过显微镜成像系统放大来进行镜检的技术。因改性沥青混合物是不透明的，因此一般沥青荧光检测采用落射式荧光显微镜，制样简单，可表征块状、薄膜状沥青荧光显微结构。在荧光显微镜下，研究发现改性沥青混合体系中，聚合物相显示黄色，沥青相显示黑色，因此可直接观测混合体系的各相分布形态和形貌。

2原料及试样制备

2.1试验用原材料试验选取基质沥青为秦皇岛中石油道路石油沥青，其性能指标见表1；SBS为中石化新独山子分公司生产；SBR和胶粉等均产自山东。

2.2试样制备1）将沥青与改性材料在180℃高温下搅拌2h制备聚合物改性沥青，然后将热的改性沥青滴在载玻片上，用盖玻片平放轻压方式制备荧光显微检测试样，冷却到常温后进行荧光检测分析。2）按照自粘卷材混合料一般生产工艺，在190℃下将沥青和软化油及各种改性剂混合搅拌3h；加入填料等其他助剂，搅拌1h后即制备完成自粘卷材混合料；制作试样，按前述方法进行荧光显微检测。

3试验结果及讨论

3.1聚合物改性沥青荧光显微分析众所周知，自粘卷材混合料中用于改性沥青的聚合物主要为SBS、SBR和胶粉等。实际应用过程中，往往需要添加2种甚至以上聚合物对沥青进行共混改性。了解和认知单一聚合物改性沥青的荧光特征，是分析整个共混改性体系显微结构的前提。试验使用的基质沥青荧光显微结构见图1，图像经处理后沥青中胶质或沥青质显示灰白色，而其他组分颜色以橙色或褐色为主。热塑性弹性体SBS能显著改善基质沥青的高低温性能。分别加入3%和6%SBS对沥青进行改性后观测到的荧光显微结构见图2。在荧光图像中，发出黄色荧光的是聚合物相；沥青不发光，显示为黑色。改性沥青混合物体系中聚合物和沥青两相界面十分清晰，分散比较均匀。另外，试验发现SBS含量低时，聚合物吸收沥青中的轻组分而发生溶胀，以球形粒子形式均匀分散在沥青连续相中。SBS含量高时，聚合物相形成网状连续相，沥青分散在聚合物相中。在该形态下，聚合物在沥青中充分溶胀，分子链打开，聚合物的物理性能有效传递到沥青中；改性沥青软化点增加幅度最大，黏度也迅速增加。通过荧光显微分析技术，可直接、快捷分析判断SBS改性沥青的效果。SBR改性沥青的应用历史比较早，在1950年代，北美就已经将SBR用于改性沥青。SBR改性沥青的荧光显微形貌见图3。从荧光图中可看出，当SBR含量为5%时，在改性沥青体系中，聚合物相（黄色）以球状粒子形态均匀分散在沥青连续相中，其与黑色沥青相界面十分清晰，表明SBR与沥青相容性不太好。当SBR含量为10%时，聚合物相形成条状连续结构，沥青为分散相。同时发现，SBR用量较大时会有团聚态的聚合物大粒子存在，这说明SBR在共混体系中分散不均匀，整个改性沥青体系处于热力学不稳定状态，直接影响改性沥青性能的稳定性。故SBR作为沥青改性剂用量不宜过大。图4为废旧轮胎橡胶粉改性沥青的荧光显微结构形貌。试验发现，橡胶胶粉颗粒形貌无法用荧光观测到，因为其与沥青一样显示为黑色。实际上，橡胶胶粉改性沥青仅为胶粉与沥青两相简单的物理共混，共混的加热温度和搅拌时间均会对共混物的软化点和针入度等产生影响。

3.2自粘卷材共混料改性沥青体系荧光显微分析自粘卷材的共混料（自粘料），以沥青为主体材质，采用各种改性聚合物SBS、SBR、胶粉、助剂油、增黏剂等进行共混改性，然后再添加无机填料制成。自粘卷材共混料改性沥青体系，其微观形貌变化肯定会比单一聚合物改性沥青复杂。试验研究了分别加入各种改性剂后对改性沥青体系微观形貌变化的影响。首先考察不同助剂油用量下对SBS改性沥青体系微观形貌的影响，见图5（b、c、d）。从图中可看出，助剂油用量较低时，其对SBS改性沥青体系的微观形貌影响不大，SBS仍以粒子形态分散在沥青相中，但其亮度变暗，粒子数量明显减少，表明助剂油溶解了一定量的SBS；随着助剂油用量增加，SBS微观形貌由球状变化为网状结构，形成聚合物和沥青连续相结构；助剂油用量较高时，SBS微观形貌由网状结构变化为球状，球状粒子变小，说明在助剂油作用下SBS充分溶胀，分散更加均匀。荧光显微分析试验结果表明，助剂油的用量直接影响SBS改性沥青体系的微观形貌，实际生产应用中，控制其用量满足低温要求，同时能够溶解一部分SBS以形成性能最佳的网状结构，是配方设计的关键。采用SBS和SBR两种聚合物共混改性沥青观测到的微观形貌变化见图5（e、f）。从图中可看出，SBR用量较低时，其对SBS共混改性沥青微观形貌变化影响不大；SBR用量较高时，整个共混体系中聚合物相与沥青相形成互穿网状结构，聚合物各项性能最大程度传递到沥青中，沥青基本性能得到最大程度改善。该形貌可用来表征评价SBR在自粘卷材混合料中的最佳用量。胶粉加入后对改性沥青共混体系微观形貌的改变见图5（h、i、g）。观察分析发现，胶粉颗粒对整个共混体系微观结构几乎无影响。胶粉在改性沥青中的作用，实质上是部分溶胀后均匀分散填充在聚合物网络结构中；用量越多，填充效果越明显。胶粉最佳用量应结合实际应用对卷材耐高温性等要求，结合其在混合料中的效果加以确定。本研究还发现，增黏树脂和填料等其他助剂的加入，对改性沥青的微观形貌几乎无影响，在此就不作讨论。

3.3应用荧光分析技术优化自粘卷材生产工艺自粘卷材的生产工艺控制直接影响到产品质量。改性剂充分溶解，以一定的状态分散在沥青中，才能发挥其对沥青的改性作用，而这种状态需要通过合理的生产工艺来实现。基于此，本文采用荧光显微技术，分析评价自粘卷材混合料实际生产中共混工艺对聚合物溶解和分散效果的影响。试验研究发现，聚合物溶解效果差时（图6），荧光图像中可清楚观测到其发出明亮黄光，分散也不均匀，实际产品性能检测也发现其会导致卷材耐热和低温性能均有所降低。调整生产工艺，延长搅拌时间，提高加热温度，经荧光分析后发现未溶解聚合物消失，聚合物相分散也变得十分均匀，产品低温指标经检测合格。聚合物在改性沥青中的溶解和分散情况宏观上肉眼是观测不到的，也无法判断共混效果；通过对改性沥青性能指标的检测来判定需花费较长时间，会影响生产效率。而荧光显微分析技术可快捷地分析评价改性沥青的效果，指导生产工艺的调整，提高生产效率和质量。为进一步研究荧光分析技术在自粘卷材实际生产中优化工艺的作用，还研究了助剂油加料顺序和共混过程搅拌速率变化对自粘卷材混合料物理性能的影响，通过分析混合料微观形貌的变化和测试其宏观性能，优化生产工艺。助剂油先于或后于改性聚合物（SBS、SBR和胶粉）加入，混合料物理性能指标变化见表2。从表2可发现，助剂油加入先后对改性沥青混合料的软化点影响不大，对针入度和延度指标影响较大。先加入助剂油，聚合物在改性沥青共混体系中充分溶胀，分散较均匀（图7），故针入度较低，软化点较高，延度较大。而高速率下搅拌使聚合物分子链充分舒展，聚合物性能更多地传递到沥青中，提升了改性沥青的软化点，降低了针入度，增加了延度。这也要求实际生产时尽量提高搅拌速率，提前加入助剂油。通过荧光显微技术分析生产工艺改变后改性沥青体系微观形貌的变化，为自粘卷材混合料的配方调整和工艺优化提供了理论指导。

4结论

荧光显微分析技术可用来表征聚合物改性沥青体系的微观形貌和分散效果。在混合体系中，SBS、SBR显示荧光，胶粉、增黏剂和填料等不显示荧光，因此该技术可用来评价各类改性沥青体系中改性材料的分散情况和改性效果，从而确定各组分的最佳用量，同时还可起到指导实际生产优化工艺的作用。参考文献：

[1]黄卫东，孙立军.SBS改性沥青显微结构及形态结构研究[J].中国建筑防水，2003（4）：9-11.

[2]康爱红，寇长江，张吴红.SBS改性沥青荧光显微图像的采集与处理[J].江苏大学学报：自然科学版，2012（6）：710-714.

作者：孙彦伟 刘艳娜 单位：唐山德生防水股份有限公司