油浆改质沥青与其SBS改性沥青性质关联研究

周晶晶，程 健，王凤武，向 丽，胡云虎

(1.淮南师范学院化学与材料工程学院，安徽 淮南 232038；2.中国科学技术大学地球和空间科学学院；3.武汉工程大学绿色化工过程省部共建教育部重点实验室)

催化裂化油浆目前主要作为廉价燃料油使用，但其富含芳烃，若作为道路沥青的调合组分，则可提高其附加值[1-3]。同时，原油重质化的加剧，导致减压渣油的产量越来越多，从原油深度利用的角度考虑，需加强对减压渣油的合理利用。为满足我国交通运输业迅速发展的需要，可利用催化裂化油浆掺兑减压渣油制备道路沥青。但由于普通道路沥青性能很难达到较高标准的要求，因此可以采用现已广泛研究和应用的聚合物SBS对其改性，制备SBS改性油浆改质沥青[4]。

本课题将预处理后的催化裂化油浆掺兑配制沥青原料(由减压渣油按一定比例与70号沥青调合)制备油浆改质沥青，再用掺量(w)为4.5%的SBS对其改性制得SBS改性油浆改质沥青。通过分析配制原料和油浆改质沥青的族组成，结合SBS改性油浆改质沥青的性质，以及通过荧光显微照片分析SBS在不同油浆改质沥青中的分散状态和微观结构，研究油浆改质沥青性质与SBS改性油浆改质沥青性质的对应关系。

1 实 验

1.1 试验原料

催化裂化油浆、减压渣油和70号沥青，均由中国石化长岭分公司提供，基本性质见表1；YH-791线型SBS，由湖南岳阳炼化公司提供；稳定剂，实验室自制。

表1 原料的基本性质

1.2 配制沥青原料

将70号沥青(Ⅰ)和减压渣油(Ⅳ)按质量比75∶25(Ⅱ)和50∶50(Ⅲ)调合制备配制沥青原料，性质见表2。

表2 配制沥青原料的性质

1.3 改质沥青的制备

将催化裂化油浆通过原油实沸点蒸馏仪进行减压蒸馏，切割成轻馏分油、重馏分油和剩余残油。将重馏分油与残油按1.5∶1质量比混合后得到预处理油浆，按预处理油浆与配制沥青原料的质量比为20∶80分别加入配制沥青原料Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，调合制成油浆改质沥青A，B，C，D。

在温度为150 ℃下，将掺量(w)为4.5%的SBS加入重馏分油中溶胀1 h(SBS掺量按照油浆改质沥青总质量计算)，然后按重馏分油与残油质量比为1.5∶1加入残油，按(重馏分油+残油)与配制沥青原料质量比为20∶80分别加入配制沥青原料Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，稍作搅拌后，在温度为170 ℃下剪切1 h；加入一定量的稳定剂(占SBS掺量的15%)，在温度为170 ℃下发育1 h，即制得SBS改性油浆改质沥青SMA，SMB，SMC，SMD。

对制备的SBS改性油浆改质沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料实验规程JTJ 052—2000》进行性质分析和评价。

2 结果与讨论

2.1 油浆改质沥青的性质

4种油浆改质沥青的性质见表3。由表2和表3可知，配制沥青原料与油浆改质沥青的饱和分相当，芳香分和沥青质的含量明显增加，胶质含量减少。由表3可知：4种油浆改质沥青的饱和分含量相当；随着配制沥青原料中减压渣油含量的增加，油浆改质的沥青芳香分和沥青质含量减少，胶质含量增加，软化点相当，10 ℃延度明显下降，25 ℃针入度略有增加，针入度指数降低，说明油浆改质沥青的低温性能变差，且温度敏感性增强。

表3 油浆改质沥青的性质

2.2 SBS改性油浆改质沥青的性质

4种SBS改性油浆改质沥青的性质见表4。

表4 SBS改性油浆改质沥青的性质

由表3和表4可知：随着油浆改质沥青(由A到D)芳香分含量的减少，SBS改性油浆改质沥青(由SMA到SMD)的软化点和25 ℃针入度略有变化；针入度指数和5 ℃延度明显减小。由表4可知：SBS改性油浆改质沥青经薄膜烘箱老化后的质量损失均比较小；老化后延度衰减严重，均远低于I-D级标准，说明老化后低温性能很差。老化过程中，沥青中的轻组分挥发，且各组分按照芳香分-胶质-沥青质的方向转化，使饱和分、芳香分含量降低，胶质和沥青质含量增加，沥青的柔韧性变差，低温抗变形能力变弱[5]。此外，由于聚合物SBS存在一定程度的降解，使其黏弹性降低，也会导致沥青老化后低温性能变差。

2.3 油浆改质沥青的组成对SBS改性沥青微观结构的影响

采用荧光显微镜观测SBS在沥青中的分散状态和微观结构，SBS改性油浆改质沥青的荧光显微照片见图1。

由图1可以看出，从SMA到SMD，SBS相与沥青相的界面越来越清晰。在A中SBS的颗粒最小，分散最为均匀，且与沥青的界面最为模糊，这是因为SBS吸收油浆改质沥青中充足的轻组分后溶胀，形成了稳定的三维网状结构，使得两相的界面层厚度较厚，结合更加紧密[6]；在B和C中，SBS仍是以小颗粒的形式均匀分散在沥青中，但颗粒有所增大，相界面逐渐清晰，并且部分SBS颗粒之间以絮状结构连接；在D中SBS的颗粒最大，且多呈连续的絮状。说明油浆改质沥青的组成对SBS在沥青中的分散状态和微观结构有着显著的影响，SBS与A的相容性较好，与D的相容性较差。

图1 SBS改性油浆改质沥青的荧光显微照片

结合表3和表4，分析对比A，B，C，D的组成及其与SBS改性后性质的关联性可知，油浆改质沥青性能较好时，其SBS改性后的性能也较好。油浆改质沥青经SBS改性后，软化点提高、25 ℃针入度明显变小，针入度指数增大。说明经SBS改性后，沥青的温度敏感性减弱，高低温性能得到改善，抗老化性能也有所增强，但老化后5 ℃延度衰减严重，不能满足I-D级标准要求。

2.4 SBS改性缩合油浆改质沥青的制备及其性质

为进一步改善SBS改性油浆改质沥青抗老化性能，调整催化裂化油浆的预处理方式，即：在温度为200 ℃下，将交联剂加入催化裂化油浆中，反应1 h得到缩合油浆。对其进行减压蒸馏，依次得到缩合轻馏分油(收率19.56%)、缩合重馏分油(收率52.79%)以及剩余的残油(收率27.65%)。将(缩合重馏分油+缩合残油)和配制沥青原料Ⅰ按20∶80的质量比调合，制备出缩合油浆改质沥青E，其性质见表5；然后用SBS对其改性，制得SBS改性缩合油浆改质沥青SME，其性质见表6。

由表3和表5可知，与油浆改质沥青A相比，缩合油浆改质沥青E的芳香分和沥青质含量增加，饱和分和胶质含量减少，使沥青组分的配伍性发生改变。SBS吸收轻组分后充分溶胀，且在外部剪切力的作用下，能够被剪切成细小的微粒并均匀分散在沥青中。虽然沥青质含量有所增加，但仍有适当含量的轻组分使吸附有胶质的沥青质分散在其中，使SME具有很好的稳定性。此外，由于E的配伍性很好，减缓了SME性能衰减的速率，使其具有良好的抗老化性能。

表5 缩合油浆改质沥青E的性质

由表4和表6可知：SME的各项性质均符合I-D级标准要求，且其各项性质均优于SMA与SMA相比，SME的软化点较高，5 ℃延度明显增加，针入度指数略高，热储存后上下端温度差小；薄膜烘箱老化后，质量损失小，25 ℃针入度比相当，5 ℃延度明显提高。说明SME的高低温性能很好，且温度敏感性弱，具备良好的热储存稳定性和薄膜烘箱老化后性质。

表6 SME的性质

2.5 缩合油浆改质沥青的组成对SBS改性沥青微观结构影响

通过荧光显微镜观测到SBS在缩合油浆改质沥青E中的分散状态和微观结构，如图2所示。

图2 SME的荧光显微照片

由图1和图2可知，SBS在E中的颗粒小于在A中的颗粒，且SBS相与沥青E相之间的界面模糊，相容性好，这是因为缩合油浆改质沥青配伍性较好，芳香分含量高，SBS吸收轻组分后充分溶胀，在高速剪切机的作用下，更容易分散开来。此外，在相界面上形成了较厚的吸附层，从而使SBS与沥青之间的界面性质得到提高，因此SME的性能较好。

3 结 论

(1)油浆改质沥青的性质很大程度上决定了SBS改性油浆改质沥青的性质，即油浆改质沥青的性质较好时，经SBS改性后的沥青性质也较好。

(2)由族组成分析可知，油浆改质沥青中的芳香分含量较高时，SBS改性沥青的温度敏感性较低，高低温性能和抗老化性能较好。

(3)通过分析荧光显微照片可知，油浆改质沥青中芳香分含量减少时，SBS颗粒增大，且逐渐形成絮状结构，相界面逐渐清晰，易发生聚集，使SBS改性沥青的宏观性质变差。

(4)对比SBS改性油浆改质沥青与SBS改性缩合油浆改质沥青的性质可知，SBS改性缩合油浆改质沥青的性质较好，并满足SBS改性沥青I-D级标准。