Способ получения полимер-битумной композиции

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Опанасенко Ольга Николаевна Крутько Николай Павлович Лукша Ольга Валерьевна Куприянов Анатолий Александрович Якушев Вячеслав Викторович Бусел Алексей Владимирович Шевчук Вячеслав Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси(57) Способ получения полимер-битумной композиции путем введения в битум дорожный окисленный, имеющий температуру размягчения 47 С, блоксополимера стирол-бутадиенстирола и 0,3-1,5 мас.сополимера этиленвинилацетата и перемешивания компонентов в течение 2,0-2,5 часов, отличающийся тем, что блоксополимер стирол-бутадиен-стирола и сополимер этиленвинилацетата вводят при их массовом соотношении (2,3-3,0)1, а перемешивание осуществляют при 150-160 С. Изобретение относится к области получения битумного вяжущего, содержащего полимерные добавки на основе термоэластопластичного блок-сополимера стирол-бутадиенстирола (СБС) и термопластичного сополимера этилена и винилацетата (ЭВА), и может быть использовано при производстве асфальтобетонных смесей для дорожно-строительных работ, битумных мастик и кровельных материалов для строительных работ. Известен способ модифицирования битума полимерной смесью полиэтилена и полипропилена, полиэтилена и полиамидов. Полученный материал предназначен для пропитки бумаги, текстурированных материалов, для покрытия бетона, металла, для строительных растворов 1. Недостатками данных битумно-полимерных композиций являются низкие адгезионные свойства к минеральным материалам, применяемым в дорожном строительстве, а также высокая температура (200-230 С) приготовления битумных композиций. Известен способ модифицирования битума смесью битумно-полимерной мастики, полиэтиленом высокого давления, синтетическим этиленпропиленовым каучуком и бутадиенстирольным каучуком, а также минеральным маслом (либо гудроном) в качестве пластификатора 2. Недостатком этой композиции является то, что, несмотря на улучшение не 13193 1 2010.06.30 которых физико-механических показателей окисленного битума, таких как температуры размягчения и хрупкости, эластичности и удерживающей способности на удар, она практически не улучшает показатель сцепления битума с минеральными материалами. Более того,длительное воздействие высокой положительной температуры приводит к ускоренному старению материалов, приготовленных с использованием этой полимерной композиции. Известен способ модифицирования битума смесью блок-сополимера СБС и адгезионной добавки - малеинизированного низкомолекулярного полибутадиена. Битумная композиция, полученная по этому способу, обладает оптимальными в условиях эксплуатации физико-механическими характеристиками и высокими адгезионными свойствами. Основным ее недостатком является нестабильность структуры битумной матрицы при длительном воздействии высоких температур. В результате процесса старения происходят химические изменения ее компонентов как качественные, так и количественные 3. Известен способ модифицирования битума смесью блок-сополимера СБС, продукта полукоксования углей и гексаметилентетрамина. Битумная композиция обладает высокими морозостойкостью, пластичностью, эластичностью и адгезионной способностью к минеральным материалам кислого и основного характера 4. Основным ее недостатком является нестабильность структуры битумной матрицы к процессам термоокислительной деструкции. Известен способ модифицирования битума смесью термопластичной резины и этиленвинилацетатного сополимера. Термопластичная резина является блок-сополимером, необязательно гидрированным. Битумная композиция обладает улучшенной сопротивляемостью к растворению нефтепродуктами. Основным недостатком данного способа модифицирования является высокая температура и длительность перемешивания битума и сополимеров 5. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения полимер-битумной композиции (ПБК), содержащей блок-сополимер СБС и пластификатор - экстракт очистки остаточных масляных фракций или экстракт селективной очистки дистиллятных масляных фракций. Полученная битумная композиция обладает высокими теплостойкостью и стабильностью при хранении 6 - прототип. Основными ее недостатками являются низкие адгезионные свойства к минеральным материалам, используемым в дорожном строительстве, и высокая температура приготовления (200 С). Задачей изобретения является создание полимер-битумной композиции на основе окисленного битума, обладающей устойчивостью к процессам термоокислительной деструкции(старения) при длительном воздействии высокой температуры, высокими показателями сцепления с минеральными материалами. Кроме того, смешение полимерных добавок с окисленным битумом не должно сопровождаться технологическими трудностями (уменьшение времени и температуры для приготовления ПБК по сравнению с другими полимерными добавками). Обеспечение однородности вяжущего и его устойчивости при хранении не должно требовать применения специального оборудования и технологического сопровождения. Поставленная задача достигается тем, что в окисленный битум с температурой размягчения 47 С вводят блок-сополимер стирол-бутадиен-стирол и 0,3-1,5 мас.сополимера этиленвинилацетата при массовом соотношении стирол-бутадиен-стирола и этиленвинилацетата (2,3-3,0)1 соответственно, затем смесь перемешивают при температуре 150-160 С в течение 2-2,5 ч. Сополимер этиленвинилацетат используют в качестве добавки, обладающей пластифицирующим действием. Отличительными признаками изобретения являются массовое соотношение стиролбутадиен-стирола и этиленвинилацетата (2,3-3,0)1 и температура перемешивания смеси 150-160 С. 13193 1 2010.06.30 Термоэластопласт СБС придает битумам эластичность, понижает их термочувствительность, уменьшает истираемость покрытия и позволяет укладывать их непосредственно на бетонное или каменное основание (по прототипу). Тем не менее при его использовании нерешенными остаются такие вопросы, как недостаточная адгезия вяжущего к щебню, относительно быстрое старение материала под действием солнечной радиации, набухаемость его в масляных средах и высокая вязкость получаемых ПБК. Улучшение качества битума за счет использования полимеров типа СБС сопряжено со сложностями экономического и технологического характера. Это связано, с одной стороны, с ростом стоимости вяжущего, с другой - температура всех операций по приготовлению и уплотнению смесей на основе СБС - модифицированных битумов повышается на 15-25 С. Одним из возможных способов преодоления этих проблем при сохранении всех положительных качеств СБС-модифицированного битума является дополнительное введение в битум сополимера ЭВА 7, в составе которой имеются активные полярные группы, обеспечивающие адгезию вяжущего к минеральному материалу, и обладающим пластифицирующим действием, что, в свою очередь, и обусловило выбор второго компонента. Пример. Способ приготовления полимер-битумной композиции (ПБК) заключается в следующем. В цилиндрический реактор, снабженный мешалкой якорного типа и нагревательной рубашкой, обеспечивающей нагрев всей наружной поверхности, помещают 97 г битума,нагревают его до температуры 140 С, затем небольшими порциями вводится 2,1 г СБС и 0,9 г ЭВА, что соответствует соотношению СБСЭВА 2,31. При постоянном перемешивании смесь выдерживают 2-2,5 ч при температуре 150-160 С до получения однородного состава. Физико-механические показатели приготовленных ПБК представлены в табл. 1. Таблица 1 Физико-механические показатели ПБК на основе СБС и ЭВА-25 102 56 75 интервал пластичности. По результатам исследования физико-механических свойств ПБК установлено, что разработанные ПБК обладают низкой термочувствительностью в диапазоне рабочих температур благодаря повышению температуры размягчения и снижению температуры хрупкости по сравнению с исходным битумом. ПБК, содержащие СБС и ЭВА при их соотношении 2,31, обладают более низкими значениями температур хрупкости по сравнению с другими исследуемыми смесями. Эти 3 13193 1 2010.06.30 же композиции обладают наиболее оптимальными показателями интервала пластичности и эластичности. Дальнейшее увеличение концентрации СБС в битуме не приводит к существенным изменениям этих показателей. Показано, что все образцы модифицированного битумного вяжущего выдержали испытание на сцепление с гранитным щебнем. Учитывая тот факт, что большую часть асфальтобетона занимают минеральные заполнители, его качество не может не зависеть от прочности сцепления вяжущего с поверхностью минерала. Оптимальные результаты были достигнуты для ПБК при соотношении СБС и ЭВА в битуме 2,31. При соотношениях полимеров в битуме 11 покрытие минерального материала составляет 3/4 поверхности минерального материала, что не соответствует требованиям СТБ 1220-2000. В связи с этим наиболее оптимальными полимер-битумными композициями являются те, в которых соотношение СБС и ЭВА составляет 2,31 соответственно. Таблица 2 Физико-механические показатели ПБК на основе СБС и ЭВА при соотношении компонентов 2,31 Суммарная концентрация СБС,ЭВА,полимерной смеси,0 0,82 0,57 0,25 1 0,7 0,3 5 3,5 1,5 6 4,6 2 Как показано в табл. 2, уменьшение концентрации ЭВА в битуме до 0,25 при соблюдении соотношения СБС и ЭВА 2,31 приводит к ухудшению физико-механических показателей ПБК, а по показателю адгезии данная ПБК не соответствует требованиям СТБ 1220-2000. Увеличение концентрации ЭВА в битуме до 2 при соблюдении соотношения СБС и ЭВА 2,31 не приводит к заметному улучшению изучаемых свойств. Структурно реологические исследования для оптимальных составов ПБК до и после старения были выполнены при температуре 130 С. В табл. 3 представлены значения условного статического предела упругости, соответствующие статическому предельному напряжению сдвига, измеренные при температуре 130 С. Таблица 3 Значения реологических параметров ПБК при Т 130 С Суммарная концентраСБС, ЭВА,ция поли 13193 1 2010.06.30 Анализ данных, представленных в табл. 3, показал, что статический предел упругости,характеризующий когезионную прочность материала (к 1), для всех исследуемых ПБК в 2-2,4 раза выше, чем для исходного битума. Кроме того, этот показатель остается практически неизменным для образцов, подвергнутых термоокислительной деструкции, что указывает на термическую стабильность структуры ПБК. Вязкость ПБК, измеренная при Т 130 С, невелика и находится в пределах, характерных для исходного битума, в то время ПБК на основе СБС без добавления ЭВА при данной температуре обладают повышенной вязкостью и являются высокоструктурированными жидкостями 8. Следовательно, приготовление битумно-минеральной смеси с использованием ПБК на основе СБС и ЭВА можно проводить в условиях, рекомендуемых для обычных битумно-минеральных смесей. В связи с этим приготовление ПБК не требует дополнительного введения пластификатора, что в значительной степени снижает затраты на этот процесс. Следует отметить тот факт, что вязкость для всех исследуемых ПБК после старения претерпевает незначительные изменения по сравнению с показателем для исходного битума, что подтверждает термостабильность их структуры. В табл. 4 приведены значения температур размягчения и потери массы исследуемых композиций, подвергнутых старению. Таблица 4 Изменение температуры размягчения и потеря массы ПБК на основе СБС и ЭВА после старения в соответствии с требованиями СТБ 1220 (163 С/300 мин) Тразм. по КиШ,С 52,0 0,7 0,3 55 2,1 0,9 60 3,5 1,5 76,5 температура размягчения после прогрева. СБС,Потеря массы после прогрева,0,25 0,20 0,21 0,18 Проведенные исследования показали, что в статических условиях (163 С/300 мин) все образцы показали результаты, соответствующие требованиям СТБ 1220-2000 Битумы модифицированные дорожные по показателю изменение температуры размягчения после прогрева. Реализация предлагаемого изобретения позволяет получить ПБК, которая обладает всеми положительными свойствами индивидуальных полимеров, а кроме того, своими собственными, только им присущими свойствами, а именно 1. Низкой термочувствительностью в диапазоне рабочих температур, что означает значительное расширение диапазона упругости благодаря повышению температуры размягчения и снижению температуры низкотемпературного разрушения. 2. Высокой адгезией к минеральному материалу (покрытие составляет 3/4 поверхности). 3. Оптимальной вязкостью в горячем состоянии (130 С), позволяющей использовать модифицированный битум в условиях, свойственных применению немодифицированных битумов. 4. Не требует дополнительного введения пластифицирующих добавок. 5. Повышенной устойчивостью к процессам термоокислительной деструкции. 6. Температура приготовления полимер-битумной смеси составляет 150-160 С. 13193 1 2010.06.30 Источники информации 1. Патент 543246, 1992. 2. Патент 5153 С 2, МПК С 08 95/00. 3. Патент 2226203, МПК С 08 95/00. 4. Патент 2241724, МПК С 08 95/00. 5. Патент 2193584, МПК С 08 95/00. 6. Патент 2237691, МПК С 08 95/00. 7. Лукша О.В., Крутько Н.П., Опанасенко О.Н., Овсеенко Л.В. Влияние этиленбутилацетатных и этиленбутилакрилатных сополимеров на структурно-реологические свойства окисленных битумов // Весц НАН Беларус. -3. - 2005. 8. Лукша О.В., Опанасенко О.П. , Крутько Н.П., Лобода Ю.В. Модифицирование окисленного битума стирол-бутадиен-стирольными сополимерами различного строения // Прикладная химия. - Т.79. - Вып. 6. - 2006. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6