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SBS改性沥青防水卷材性能影响因素探讨

作者：fangshuijx　　时间：2015-07-21 09:22:56　　点击：

    0前言在我国，改性沥青技术及其防水卷材的生产和应用始于20世纪8O年代中期。经过30年左右的发展，SBS改性沥青防水卷材优异的物理化学性能及施工应用性能，已得到了工程界的广泛认可，成为国内应用最广泛的新型建筑防水材料。SBS改性沥青防水卷材性能的主要影响因素包括原材料质量、各原材料配比、生产设备及生产工艺条件。本文分别对基质沥青、SBS、无机填料、胎基、SBS与基质沥青的配比及加工工艺等方面作了深入探讨。

    1原材料的选择

    1．1基质沥青目前，防水行业选用的基质沥青通常都是石油沥青。石油沥青是由复杂的碳氢化合物与其非金属衍生物组成的混合物，由于组成结构的复杂性且受到测试分析技术的局限，目前尚无法将其分离成纯粹的化学单体。经过许多研究者的努力，提出了“化学组分分析法”，就是将沥青分离为化学性质相近且与使用性能有一定联系的几个组分，如采用溶剂沉淀及色谱柱法的“四组分”分析法，就是将沥青分离为沥青质、饱和分、芳香分和胶质。石油沥青的性能可以用延度、针人度、软化点、低温柔性等指标进行表征。在SBS改性沥青体系中，基质沥青是SBS改性沥青的基础，SBS改性沥青的低温性能一方面受到基质沥青本身陛能的影响，另一方面受SBS掺量的影响。基质沥青自身的低温性能是SBS发挥作用的基础，而SBS的掺量则决定了影响的程度。基质沥青的标号是表征低温性能的重要参数，标号越大，玻璃化转变温度越低，沥青越软，低温下柔性和流动性越好。同时，这种影响受SBS掺量的影响，随着SBS掺量的增加，基质沥青标号对SBS改性沥青低温性能的影响也增大。只有当基质沥青标号较大的时候，改性剂SBS才有更大的发挥余地，而当基质沥青标号较小时，即使改性剂SBS的掺量增加，SBS改性沥青低温性能的改善也不明显。选择SBS改性沥青的基质沥青时，应重点考虑以下两个方面：

    1)从原油组分上，最好选择环烷基石油沥青，其次选用混合基石油沥青。在SBS改性沥青的生产过程中，SBS与基质沥青的配伍性很重要，它主要由基质沥青的组分决定。环烷基石油沥青含蜡少，具有良好的粘结性和热稳定性，改性效果好，可显著提升SBS改性沥青的低温柔性和延伸率。

    2)在SBS改性沥青防水卷材的加工生产过程中，基质沥青的质量是通过检验针人度、软化点和延度来控制的，因此，在油源不变的情况下，如果发现基质沥青的针入度、软化点和延度发生较大变化，则表明基质沥青的组分发生了变化，此时配制SBS改性沥青涂盖料，应适当调整SBS与基质沥青的配比。12SRSSBS是一种热塑性弹性体，以丁二烯和1，3一苯乙烯为单体，采用阴离子聚合制成的嵌段共聚物，具有多相结构，在高温下呈塑性，易与沥青共混。从微观形态看，SBS分子呈两相分离体系，互不相容，其中聚苯乙烯链段(PS)为硬段，聚集成结晶相，构成微区，均匀分布在以聚丁二烯链段(PB)软段组成的连续相中。常温下，PS段白补效果好，强度高；PB段柔性优良，耐低温，橡胶性能表现充分。SBS分子微观上的两相分离和物理交联网状结构正是SBS呈现热塑性能的内在原因，也是生产控制和正确使用SBS改性剂的理论基础。SBS的结构构型与改性沥青防水卷材的性能密切相关。SBS分为线型和星型两种构型，星型SBS是由PS段与PB段交联形成四臂星形结构，而线型SBS是PS段与PB段不发生交联形成嵌段线型结构。SBS改性剂的主要质量指标见表1。

    在SBS改性沥青的生产过程中，星型SBS能够进行星型支化，其PS段间相互作用形成物理架桥，星型SBS改性沥青分子链段间的作用力高于线型SBS改性沥青，使星型SBS改性沥青的强度和高温稳定性高于线型SBS改性沥青；并且星型SBS改性沥青的模量也较高，比线型SBS改性沥青具有更优异的弹性和低温性能。然而，与星型SBS相比，线型SBS更容易与基质沥青相混融，颗粒分布均匀，形成交织空间网络结构，线型SBS相与沥青相都是连续的；而星型SBS在沥青体系中颗粒分布不均匀，呈岛状分布，星型SBS相是分散相，而沥青相是连续相，因此星型SBS比线型SBS与表1SBS改性剂的主要质量指标沥青共混改性的加工难度要高嘲。SBS改性沥青的微观形态见图1。

    SBS与基质沥青的相容性是SBS对基质沥青起改性作用的关键，如果两者不能良好相容，那么SBS就不能有效地发挥改性作用，SBS改性沥青的性能也就会大打折扣。因此，不能笼统地说星型SBS改性沥青的性能一定比线型SBS改性沥青的性能好，只有在SBS充分溶胀的前提下，星型SBS对基质沥青的改性效果才会优于线型SBS。在SBS改性沥青的生产过程中，SBS分子中的Ps段出现软化并呈现流动性，而PB段则会吸收沥青中的轻质组分(饱和分、芳香分等小分子组分)，打破沥青的动态平衡，同时轻质组分进入SBS网络使SBS分子链间距增大，从而使SBS自身体积膨胀至原来的7～10倍。此时，SBS与沥青形成共混复相结构体系，在两相界面上浸润溶胀的SBS仍将吸附部分组分相似的沥青而逐渐形成一定厚度的表面吸附膜，使SBS与基质沥青之间形成良好的过渡结合，从而使两者具有相容性。在SBS与基质沥青互溶体系中，由于SBS吸收了基质沥青中的饱和分、芳香分等小分子物质，使体系中的大分子组分、极性物质相对增多，从而显著提升了沥青的内聚强度、粘附性和耐高温性能。在SBS改性沥青防水卷材的加工生产中，改性沥青涂盖料与玻纤胎或聚酯胎胎基布的粘结强度和致密性得到显著提高，从而有效改善卷材的不透水性和耐热性。另外，由于SBS的玻璃化温度远低于基质沥青，当外界温度降低至沥青的玻璃化温度以下时，基质沥青中的分子运动将被冻结，而SBS分子仍具有良好的柔韧性，能够有效吸收温度应力，从而使改性沥青具有优异的低温柔性；同时，由于SBS在基质沥青中形成三维网状结构，其与沥青分子之间产生协同作用，从而使SBS改性沥青具有优异的延伸率、拉伸强度和耐疲劳。

    1.3无机填料无机填料作为辅助改性剂，是一种无机金属盐，能够促进SBS改性沥青体系中轻质组分(羰基、羧基、羟基、不饱和烯类双键等活性基团)之间的缩合、氧化、交联等作用，形成更大的分子并且彼此连接形成三维网状结构。同时，沥青体系中的羰基基团浓度升高，极性组分含量增加，导致改性沥青分子间作用力增加，可提高改性沥青的硬度和软化点，降低针入沥青中的羟基、胺基形成络合物，产生配位键的次交联作用，改善SBS改性沥青的高温稳定性，从而显著提高卷材的硬挺度和高温稳定性。无机填料对SBS改性沥青性能的影响见表2。

    1．4胎基SBS改性沥青防水卷材的胎基主要有聚酯胎和玻纤胎两种，其主要物理力学性能对比如表3所示。

    聚酯胎是以涤纶纤维为原料、采用针刺法经热粘合或化学粘合法生产的非织造布，其特点是抗拉强度大、抗老化、耐高温、耐腐蚀、延伸率大、热稳定和浸透性好。而玻纤胎是以中碱或无碱玻璃纤维为原料、用粘合剂湿法成型的薄胎或加筋薄胎，其特点是耐腐烂、稳定性优异、生产能力大、价格便宜。胎基是SBS改性沥青防水卷材的重要原材料，为保证SBS改性沥青防水卷材的物理性能，对胎基的性能指标必须进行严格规定。胎基决定SBS改性沥青防水卷材的强度和延伸率，因此，只有严格控制胎基的加工生产工序，保证质量稳定可靠，才能生产出优质的SBS改性沥青防水卷材产品。聚酯胎是目前国际上认定的最佳胎基材料，以聚酯胎为胎基的改性沥青卷材，具有抗拉强度高、撕裂强度高、抗穿刺性能好、延伸率大、施工技术可靠和防水保证期长等优点，因此聚酯胎是今后改性沥青防水卷材胎基材料发展的主要方向。

    2.SBS与基质沥青的配合比在SBS改性沥青生产过程中，对SBS的掺人量是有严格要求的，若其掺人量低于5％，沥青呈连续相，SBS分散在沥青中，被沥青固结在小区域内形成“海岛”结构，此时SBS改性沥青防水卷材主要体现沥青的性能，SBS对沥青的改性效果并不明显；若其掺人量高于15％，SBS呈连续相，沥青分散在SBS连续相中，导致SBS溶胀性能降低，与沥青之间的界面作用力下降，SBS分子间的相互作用力增大而相互融合，使沥青体系中的SBS微粒尺寸增大，从而发生相分离，降低沥青体系的流动性，最终不利于SBS改性沥青防水卷材的加工生产；只有SBS掺人量在5％～15％时，才能使SBS形成三维空间网络结构包围沥青，从而对沥青起到显著的改性作用，既降低了沥青的脆性，改善了沥青的弹塑性、延伸性、耐老化性、耐高低温性能，又保持了SBS的高弹性。因此，在SBS改性沥青防水卷材配方设计时应综合考虑各种影响因素，保证卷材质量稳定的前提下合理调整SBS的掺人量。

    3加工工艺在SBS改性沥青防水卷材的生产过程中，原材料及其最佳配比一旦确定，SBS改性沥青防水卷材质量的优劣，就与整个工艺过程中对于加工设备、加工温度和加工时间的控制息息相关。

    3．1加工设备SBS改性沥青防水卷材的生产过程中，前期胎基必须经过烘干处理，以除去水分；浸渍和涂油是两个不同的工艺单元，胎基必须预先浸渍处理，以除去胎体经烘干后残余的微量水分，更重要的是将胎体中的空气排出而填满浸渍料。仅靠涂盖料处理无法完全排出胎体中的全部空气，残留空气被SBS改性沥青涂盖料封闭在胎体内部，会给卷材产品质量的稳定性埋下隐患。SBS改性沥青涂盖料涂覆温度的控制也至关重要。涂盖料温度高，生产阻力小，但难以使涂层厚度达到标准要求，还易造成胎基下表面涂盖料流淌，使胎基严重偏向下表面一侧，在采用热熔施工时，下表面仅有的一点涂盖料被熔化后，胎基裸露，影响粘合质量；涂盖料温度低，虽易使涂层厚度达标，但涂盖料流动性不好，生产阻力大，在没有烘干、浸渍工艺的情况下，黏度较大的SBS改性沥青不易将胎基中的水分、空气排出，也不易将胎基浸透。另外，覆膜、撒砂时的涂盖料表面温度高，易于将隔离膜、砂粒很好地粘结牢固，但温度过高会产生大量烟气，被隔离膜封闭在膜与胎基之间，形成大小不一、形状不同、分布不匀的气泡，将对产品和施工质量构成隐患，同时还会使隔离膜过度软化、收缩，造成卷材表面不光滑、不平整；温度过低则会使膜与卷材表面粘结性差，砂粒易脱落。因此，对于卷材加工设备的工艺控制必须严格，工艺技术先进、装备机械化、自动化程度高的加工生产设备才能确保卷材产品质量的稳定可靠。

    3．2加工温度表4是SBS改性沥青的性能随加工温度的变化。

    如表4所示，SBS改性沥青加工温度在较低范围内(低于160℃)时，随着加工温度的升高，基质沥青的模量降低、损耗因子增大，导致基质沥青的弹性减小、黏性增大；而SBS的模量和损耗因子变化远低于基质沥青的变化幅度，SBS对基质沥青的改性作用非常有限。因此，在加工温度较低范围内，改性沥青的动态力学性能主要取决于基质沥青，这是因为在此温度下部分基质沥青会发生氧化、聚合、团聚等反应，导致基质沥青中的芳香分减少、沥青质增加、平均分子量增大、沥青分子间作用力增强、损耗因子减小、弹性增强。当SBS改性沥青加工温度升高至180～200℃时，基质沥青的模量和损耗因子随加工温度的升高变化很小，并且由于SBS的相位角远低于基质沥青，从而导致SBS改性沥青的相位角显著下降，表现为SBS改性沥青的弹性明显提高；同时，SBS分子量远高于基质沥青，故其表面张力远高于基质沥青，随着加工温度的升高，两者的表面张力均会降低，但是基质沥青的降低幅度远高于SBS，两者之间的表面张力差距将进一步扩大，从而使SBS更容易吸附基质沥青中的小分子以降低SBS自身的表面自由能，进一步加速SBS链段的振动和松弛。在热力学上，随着加工温度的升高，沥青体系中的小分子饱和分的布朗运动趋于剧烈，加速基质沥青轻质组分向SBS网络结构中渗透，利于基质沥青与SBS之间的浸润与吸附，有效促进基质沥青对SBS的溶胀作用；同时，SBS中C--C不饱和双键在高温下非常活跃，与基质沥青中哑砜、酚类络合物、酮等含氧基团活泼物质产生化学交联作用，最终能够显著提高SBS改性沥青的物理性能。然而，SBS改性沥青加工温度也不能过高，在过高温度(高于220℃)下，SBS改性沥青的动态力学性能主要取决于SBS的性能，这是因为在此温度下，SBS中PB段上的部分CZC双键在老化过程中会发生氧化和裂解，造成C—O含量增加、SBS弹性降低、SBS分子间作用力降低、改性沥青损耗因子增大，从而导致SBS改性沥青的低温柔性显著降低。因此，SBS改性沥青的合理加工温度为180～200℃。

    3．3加工时间在SBS改性沥青的生产过程中，在加工温度确定后(180～200℃)，加工时间就是一个不可忽略的因素。SBS在加入基质沥青的初期，其微观状态由椭圆状变成蝌蚪状；随着时间的延长，逐渐变成网状结构；如果再进一步延长加工时间，则SBS的三维空间网状结构就会消失。SBS改性沥青的过程就是SBS吸收沥青中轻质组分后溶胀、展开，在沥青中分散更细、更均匀的过程。SBS改性沥青的性能随加工时间的变化见表5。

    如表5所示，如果SBS改性沥青加工时间过短(低于0．5h)，SBS溶胀不充分，尤其是PS段溶胀不充分，由于Ps链段问的作用力较大，相互聚集的趋势较强，因此SBS会很容易聚集成初始状态以降低体系的吉布斯自由能，从而导致SBS与沥青相分离，SBS改性沥青体系趋于不稳定。随着加工时间延长至1．52h，SBS就能与基质沥青实现充分溶胀，形成发达的三维空问网状结构，SBS改性沥青体系就很稳定，其各项性能表现优异。当加工时问过长(高于3h)时，SBS与基质沥青进一步溶胀，SBS改性沥青的高温稳定性和5℃时的延度进一步改善，但是SBS三维空间网状结构会逐渐消失，SBS改性沥青的弹性和低温性能就会随之衰减。因此，综合考虑SBS改性沥青各项性能及防水卷材的生产效率，当加工温度控制在180～200℃时，SBS改性沥青的合理加工时间为1．5-2h。

    4结语SBS改性沥青防水卷材的性能不仅与所用原材料及配比有关，而且与生产加工的各个环节息息相关。在SBS改性沥青涂盖料的配制过程中，要合理选择SBS和基质沥青，保证SBS与基质沥青具有优异的相容性；同时，控制SBS与基质沥青的配比，以使SBS最大程度地发挥改性作用。在SBS改性沥青防水卷材的加工生产过程中，应选择优质聚酯胎，并严格控制胎基质量，同时合理调整加工工艺，确保卷材产品质量稳定。

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