Thermodynamics, phase diagrams, and stability of bitumen-polymer blends

Infrared spectroscopy was used to measure the stability, segregation rates and equilibrium concentrations of blends with bitumen and styrene-butadiene (SB)-type copolymers stored at 100-180\ub0C. The effects of SB concentration, molecular weight, S/B ratio, branching, and bitumen source were investigated. The results were analyzed in light of established mechanisms for phase segregation, blend thermodynamics, and phase diagrams for binary mixtures. It is shown that the phase diagram for bitumen-SB blends is tri-dimensional and that it contains a lower critical solution temperature (LCST) that decreases in temperature with an increase in polymer content or molecular weight. Equilibrium blend stability is governed by the entropy and enthalpy of mixing, i.e., molecular weights and intermolecular interactions. The rate of segregation, if any, is affected by the molecular shape of the blend components and their molecular weights. It is also found that SBS branching does not to affect blend stability and that the morphology of incompatible blends likely results from spinodal decomposition. Hildebrand solubility coefficients provide inaccurate predictions of interactions between bitumen and SBS, but infrared frequency shifts do reveal the nature and strength of the intermolecular interactions. The colloidal instability index, the aromatics content and the asphaltenes contents in bitumen lead to discordant stability predictions for bitumen-SBS blends. This study provides a theoretical framework for understanding the complex interrelationship of the various parameters that affect the stability of bitumen-polymer blends in general.La spectroscopie infrarouge a servi dans une \ue9tude \ue0 mesurer la stabilit\ue9, les taux de s\ue9gr\ue9gation et les concentrations d'\ue9quilibre des m\ue9langes de bitume et de copolym\ue8res de styr\ue8ne butadi\ue8ne (SBS) stock\ue9s \ue0 100-180\ub0C. Les chercheurs ont \ue9tudi\ue9 les effets de la concentration de SB, du poids mol\ue9culaire, du taux S/B, de la ramification et de la source de bitume. Les r\ue9sultats ont \ue9t\ue9 analys\ue9s \ue0 la lumi\ue8re des m\ue9canismes \ue9tablis pour la phase s\ue9gr\ue9gienne, la miscibilit\ue9 thermodynamique et les diagrammes de phases pour m\ue9langes binaires. L'\ue9tude montre que le diagramme de phase des m\ue9langes bitume-SB est ternaire et qu'il est un m\ue9lange \ue0 basse temp\ue9rature critique (MBTC) dont la temp\ue9rature d\ue9cro\ueet lorsque le contenu en polym\ue8res ou le poids mol\ue9culaire augmente. La stabilit\ue9 du m\ue9lange d'\ue9quilibre est r\ue9gie par l'entropie et l'enthalpie du m\ue9lange, \ue0 savoir les poids mol\ue9culaires et les interactions entre mol\ue9cules. Le taux de s\ue9gr\ue9gation est influenc\ue9 le cas \ue9ch\ue9ant par la forme mol\ue9culaire des composants du m\ue9lange et par leurs poids mol\ue9culaires. L'\ue9tude r\ue9v\ue8le aussi que la ramification des SBS n'influence pas la stabilit\ue9 du m\ue9lange et que la morphologie des m\ue9langes incompatibles d\ue9pend probablement de la d\ue9composition spinodale. Les coefficients de solubilit\ue9 de Hildebrand donnent des pr\ue9dictions d'interactions inexactes entre le bitume et les SBS, mais les changements de fr\ue9quence infrarouge montrent bel et bien la nature et la force des interactions intermol\ue9culaires. L'indice d'instabilit\ue9 collo\uefdale, le contenu des aromatiques et les asphalt\ue8nes contenus dans le bitume conduisent \ue0 des pr\ue9dictions de stabilit\ue9 discordantes pour les m\ue9langes bitume-SBS. Cette \ue9tude fournit un cadre th\ue9orique de r\ue9flexion sur les rapports complexes qu'entretiennent les diff\ue9rents param\ue8tres qui influent sur la stabilit\ue9 des m\ue9langes bitume-polym\ue8res en g\ue9n\ue9ral.Peer reviewed: YesNRC publication: Ye