介绍
柏油或沥青材料已经在粘合剂和密封剂中有着多年的广泛应用。实际上，由于柏油或沥青涂料具有防水性能，因此早在公元前6000年前就已经在建筑物中用作热熔型涂料。（许多人认为，远古城市迦太基就是由于在建筑中大肆使用沥青涂料而被大火烧毁的。）现在，沥青粘合剂和密封剂仍然有着广泛的应用。由于添加剂和改性剂的使用，这类材料的效用和使用寿命有了显著的增加；并且随着低温应用配方的发展，这类材料的应用参数变得更为简单。
现在形成沥青粘合剂配方的方法有两种，并且通过这两种配方形成的粘合剂都可以在低温条件下进行应用：（1）稀释型或溶剂型和（2）水性乳液。广泛使用的有用的产品都是按照上述两种方法生产出来的，并且每种类型产品都有其自身的特点和用途。现代沥青乳液具有更高的安全性和改善的环境性能，并且这类乳液的终端使用性能与热熔型或溶剂型沥青乳液的终端使用性能十分的类似。
普通的应用主要是利用沥青材料的固有优点。沥青材料的固有优点包括：防水性、粘合性、密封性、耐化学腐蚀性以及阻燃性。除了上述性质之外，沥青类粘合剂和密封剂的主要优点之一是它们具有低的成本。沥青的成本远远低于合成的聚合物和树脂的相应值。
本文将介绍沥青乳液在粘合剂和密封剂中的应用。本文首先将就沥青的性能进行大体的回顾，然后会重点介绍水性乳液的性质。并且本文将就沥青乳液的生产方法、配方方法以及商业应用进行讨论。
什么是柏油/沥青材料？
对于绝大多数的基础配方而言，简单地讲，粘合剂最终的颜色是由与终产品结合在一起的组成成分的颜色所决定的。这种方法看似只能用于低技术要求的应用中，但是实际上这种方法可以形成一些有用的视觉指示剂来表示粘合剂的功能性。例如，如果粘合剂中富含具有热传导性的铁氧化物，就可以使粘合剂呈现红色。因此，我们可以利用粘合剂所显示的红色方便地对具有热传导性的粘合剂进行辨别。类似地，炭黑颜料可以使材料具有一定的电导率。然而经过尝试发现：具有高炭黑负载量的粘合剂可以具有高的导电性，但是会导致产品的色彩浸出水平超出正常的范围。
“沥青”经常和“柏油”交替使用。这类术语指的是碳氢化合物的混合物，这类碳氢化合物可以是气态的、液态的、半固体的或固态的，并且可以完全溶解在二硫化碳中。在这类材料中，可能存在许多物质。
沥青是深褐色到黑色的固体或半固体物质，加热时可以逐渐地液化。沥青可以在自然界中（例如，沥青湖就是通过曾经存在的生物经过天然的蒸馏而得到的）天然存在，但是也可以通过对原油精炼而人造合成。
沥青或柏油是将原油中更为有用的成分（例如汽油和煤油）蒸馏提取之后所留下的物质。原油中沥青含量从15%到80%不等，通常在25%到40%之间。沥青的性质取决于原油来源的种类和精炼的条件。
沥青可以在真空条件下以分馏的方式从原油的其他成分中分离出来。沥青的分离也可以通过对原油的“去沥青”单元操作过程来完成的：使用丙烷或丁烷的超临界相溶解分子量较小的分子，从而将沥青分离出来。我们还可能通过“吹炼”或使其与氧气反应的深加工方式，生成硬度更高、粘度更高的产品。
在炼油厂中，沥青可以与其他多种碳氢化合物共混以满足对硬度的特殊要求。
沥青除非处于非常热的状态下，否则容易变硬。因此在散货航运中有时会将沥青与柴油或煤油进行混合。该混合物常常被称为“给料”，并且在传输过程中轻质材料通常会从混合物中分离出来。
沥青类材料的化学性质及其他性能
沥青是一种非结晶性的粘性物料。沥青从本质上来讲是一种碳氢化合物，典型的组成当中至少含有80%的碳原子和15%的氢原子，其余为氧、硫、氮，以及各种微量金属元素。沥青是一种复杂的材料，通常被认为是胶状的并且是由具有一定分子量分布的高分子量材料所组成，并分布在相对较低分子量的流体当中。
沥青具有柔韧性、易粘合、耐用、防水等特点，并且对绝大多数的酸、碱和盐都具有很好的抵抗力。然而如果使用不当，沥青的这些性质则会发生下降。例如在水分存在、过高温度、日光辐射的条件下，沥青会缓慢分解为二氧化碳和水。
沥青也具有热塑性能。沥青固体实际上是塑料，原因在于可以对沥青固体进行成型加工和浇铸。而浇铸包括热压型和冷压型两种。典型的沥青产品是用于电子和汽车行业中的，具体包括电池架、制动衬片、电子连接器的插头、开关手柄等等。
在室温条件下，沥青是具有很高粘度的液体，无法对其进行加工。但是，有三种方法可以将其转变到可加工的状态：
加热
与石油溶剂（稀释）混合
在水中进行乳化以形成乳液
加热仅仅适用于中等规模和大规模的应用中（公路路面、大面积的屋面等等）。稀释液是最为昂贵的沥青产品，原因在于溶剂的作用仅仅在于降低粘度。通常认为，乳液是最便宜的且最具有环境友好性的选择。
沥青乳液
沥青乳液是指分散在水性媒介中的非常精细的沥青颗粒。这种乳液具有低的粘度并且可以在室温条件下进行应用。室温是沥青在许多建筑应用中的理想使用条件。沥青乳液或许大体可以分为两类：化学或皂化乳液以及白土乳液。
化学乳液
对于化学沥青乳液而言，高温沥青（130-140°C）、水，以及一种乳化剂或分散剂在高速胶体磨中进行加工处理从而使得沥青在水中得到分散。然后，沥青以通常直径为5微米甚至更小尺寸的小水球形式存在。乳化剂促使生成了这样一个体系：沥青以雾滴的形式分散在悬浮液中并且占据了30%到80%的体积。如果上述物质在储存的过程中发生分离，可以通过搅拌的方式重新恢复其乳液的状态。乳化剂必须同时和水相以及沥青相相容。
图1描述了被外水相所完全包围的离散型沥青液滴。表面看来，游离的乳化剂分子作为了沥青颗粒的连续层；并且由于乳化剂分子具有强烈的导向作用，它们的非极性部分或者有机部分朝向沥青颗粒，而自身的极性部分则向外朝向了水相。
图1：化学阳离子型沥青乳液
沥青乳液的另一种分类方法是根据它们的沉降速率。这一方法通常应用在道路封闭中。快速沉降乳液在与具有低表面积的干净集料(例如用于表面处治的集料)接触时，会发生快速的沉降。中速沉降乳液由于沉降速度较慢，因此可以与用在开放式梯度混合料中的低表面积集料混合。慢速沉降乳液可以与具有反应活性的高表面积集料进行混合。乳液通常是根据ASTMD977和D2397标准而命名的。沥青乳液通常与ASTMD1227，TypeII标准相一致。沥青乳液通常具有55%的固含量且以微小的沥青颗粒和乳化剂的水相悬浮液的形式存在。
与高温沥青相比，60°C时沥青乳液的粘度范围为0.5-10，粘度值相对较低。沥青乳液与稀释液相比，具有更好的经济性和环境友好性。沥青乳液对于环境的优点在于：沥青乳液在现场应用时是带有正电荷的，因而可以避免加热和干燥过程中能量的过多使用和辐射。
一种典型的阴离子型沥青乳液配方如表1所示。乳液由以高速剪切的方法分散在水中的沥青颗粒和乳化剂而组成。通常来讲，需要足够高的温度以使沥青液化，但是温度并不会造成水的沸腾。
组成重量沥青(40-200渗透) 58-70 黄色乳化剂(例如松香) 水30-40 性质 粘度范围，cps 100-20,000
组成
重量
沥青 (40-200渗透)
58-70
黄色
乳化剂 (例如松香)
水
30-40
性质
粘度范围，cps
100-20,000
表1：一种阴离子型理清乳液的典型初始配方
白土乳液
在沥青白土乳液中，必须保持两种不相容的液体(沥青和水)具有平衡的受力。然而，粘土矿物在这里的作用是作为初步乳化剂以及稳定剂。粘土矿物在水中是润湿的并且以胶状颗粒的形式分散在水中。因此，它们可以作为沥青在水中的乳化剂(图2)。很多的粘土都可以作为乳化剂，但是膨润土被认为是最有效的乳化剂。类似于膨润土之类的粘土均带一定量的净负电荷。
图2：沥青乳液中用作乳化剂的粘土颗粒
膨润土等活性胶体材料可以通过水相加入到浓缩的乳液中。这些体系中还可以加入滑石粉和其他粘土，还有可能包括分散剂和重铬酸盐等pH稳定剂。白土乳化液之间最大的区别在于pH的不同(5.0-9.5)。在乳化过程中和乳化后的pH的控制对维持乳液的稳定性是至关重要的。可以对pH值进行调整的试剂是酸和酸盐，例如磷酸铝、磷酸钠和重铬酸钾。颗粒尺寸的大小会对薄膜的干燥速度和固化速度产生影响，也会影响到最终薄膜的渗透性。
表2提供了一种典型的沥青白土乳液的初始配方。通常来讲沥青的乳化温度在130-140°C之间，水相温度为25-45°C，pH的范围在6-9之间。白土乳液的性质取决于填料、沥青以及乳化剂的确切配方以及它们的物理性质。沥青稀释液和白土乳液涂料普通性质的区别如表3.1所示。
组成
重量组成
A沥青 (100-200 渗透）
50-60
膨润土
1.5-3.0
水
40-50
性质
粘度范围，cps
6,000-20,000
表2：一种沥青白涂乳液的典型初始配方
低熔点沥青混合物
沥青乳液
应用性质：
是
是
否
10-45
是
是
是
5-45 (加入防冻剂后温度降低)
阻燃性：
易燃的, 除非使用含氯溶剂
易燃的
不燃的
火焰中稳定, 一定程度的支持燃烧
干燥后涂层性质：
- 耐油脂性能
- 抗微酸性
- 抗微碱性
- 耐磨损性
- 室外侵蚀
- 150°C下的流动性
差
优异
优异
差
一般
差
差
优异
优异
好
优异
优异
表3：低熔点沥青混合物和沥青白土涂料的一般性质
其他添加剂
沥青化合物由于本身是碳氢化合物，因此具有低的表面张力。因此，沥青可以对材料的绝大部分表面进行适度地润湿并且具有优异的粘合性。然而沥青可以被水从基底物中置换出来，或者用具有一定湿度的薄膜阻止沥青对基底物的润湿（通常是在建筑行业中）。为了克服上述问题，通常向沥青或最终配方中加入粘合促进剂。一般而言，这些粘合促进剂都是具有表面活性的胺类化合物。
沥青材料可以在低温下脆化。这一缺点可以通过向配方中添加聚合物弹性体（氯丁橡胶的边角料）而克服，聚合物弹性体的作用是作为弹性稳定剂。我们也可以向配方中加入干性油以防止材料的氧化以及随之导致的脆化和表面龟裂。沥青材料向低温流体变化的趋势可以通过向体系中掺入诸如环氧或聚氨酯之类的热固性树脂而减缓。
乳液中可以加入溶剂以促进乳化作用、减少沉降并提高低温条件下的固化速率。在乳液中常常使用石脑油、煤油或柴油。溶剂的最大使用量通常是有特定说明的。中速沉降乳液中常常含有高达15%的溶剂，这样乳液才能具有适宜的可使用参数。循环使用的乳液当中也可能含有溶剂和熔剂以促进废旧沥青性质的再生。
几种典型的聚合物已经在工业应用尤其是屋面材料中用来改性沥青。沥青也已经被广泛用于改性更为传统的粘合剂和密封剂并降低上述物质的成本。2多年来，标准氧化级的沥青材料已经使屋面油毡和屋瓦具有了很好的性能。然而近年来，对轻质屋面材料和超级密封性能的要求不断增加。这些要求导致了日常温度差异增加，并且对更具灵活性的屋面材料要求的增加。
可以用于改性沥青材料的弹性体包括：胶粉、库存硫化轮胎、再生和天然橡胶，以及多种合成橡胶等等。这些改性沥青材料的应用和表现性能因以下方面的不同而各不相同：沥青的本身性质、弹性体的类型、引进方法、混合物所处的环境条件。
