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DE20310484U1 - Polymermodifiziertes Bitumen mit verbesserter Rückverformung und Asphaltstrassendecken dieses umfassend - Google Patents

Polymermodifiziertes Bitumen mit verbesserter Rückverformung und Asphaltstrassendecken dieses umfassend

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DE20310484U1
DE20310484U1 DE20310484U DE20310484U DE20310484U1 DE 20310484 U1 DE20310484 U1 DE 20310484U1 DE 20310484 U DE20310484 U DE 20310484U DE 20310484 U DE20310484 U DE 20310484U DE 20310484 U1 DE20310484 U1 DE 20310484U1
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DE
Germany
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bitumen
styrene
pmb
butadiene
copolymer
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DE20310484U
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English (en)
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Kraton Polymers Research BV
Original Assignee
Kraton Polymers Research BV
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L95/00—Compositions of bituminous materials, e.g. asphalt, tar, pitch
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L53/00—Compositions of block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L53/02—Compositions of block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Compositions of derivatives of such polymers of vinyl-aromatic monomers and conjugated dienes

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  • Medicinal Chemistry (AREA)
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  • Organic Chemistry (AREA)
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Description

DTS München 31895.KRA.G100DJ5. .
'..'•..1/12
11.09.2003 St/sc
POLYMERMODIFIZffiRTES BITUMEN MIT VERBESSERTER RÜCKVERFORMUNG UND
ASPHALTSTRASSENDECKEN DffiSES UMFASSEND
Gebiet der Erfindung
5
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf polymermodifiziertes Bitumen (PMB), das eine verbesserte elastische Rückverformung aufweist und das als Bindemittel, mit Zuschlagstoff-Material verwendet werden kann, um Asphaltstrassendecken zu formen.
Hintergrund der Erfindung
Bitumen ist ein sehr weit verwendetes ziviles technisches Material, besonders zur Konstruktion und Erhaltung von Strassen. Die Funktionsfähigkeit von Asphaltstrassen hat erstaunlicherweise Schritt gehalten mit dem über die letzten Jahrzehnte hindurch fast exponentiell gestiegenem Verkehrsaufkommen. Die Anzahl der schweren Geschäftsfahrzeuge hat sich in Europa über die letzten 20 Jahre hindurch mehr als verdoppelt. Aufgrund von häufigeren und längeren Verkehrsstauungen übt der sich langsam bewegende Verkehr eine höhere Beanspruchung bei längeren Belastungszeiten aus. Neuerungen der Asphaltmischung und die Verwendung von polymermodifiziertem Bitumen (PMB) haben die Qualität der Straßendecken in einem solchen Ausmaß verbessert, dass die Straßen noch unter Erhalt einer zufriedenstellenden Lebenserwartung geplant werden können.
Das Verhalten von Bitumen ist durch seine chemische Zusammensetzung bestimmt.
Bitumen ist eine komplexe chemische Mischung aus Kohlenwasserstoffen mit einer kleinen Menge an strukturell analogen Arten, die Schwefel-, Stickstoff-, und Sauerstoffatome enthalten. Es ist möglich Bitumen in zwei breite chemische Gruppen
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einzuteilen, die Asphaltene und Maltene genannt werden. Die Maltene können weiter in gesättigte, aromatische und Harze unterteilt werden. Die vier Gruppen sind nicht gut abgegrenzt so dass es unvermeidbar zu Überschneidungen zwischen den Gruppen kommt.
Asphaltene sind n-Heptan-unlösliche Block- oder braune amorphe Feststoffe, die zusätzlich zu Kohlenstoff und Wasserstoff, etwas Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff enthalten. Der Asphaltenanteil hat einen großen Effekt auf die Theologischen Eigenschaften des Bitumen. Eine Erhöhung des Asphaltenanteils erzeugt härteres Bitumen mit niedrigerer Penetration, höherem Erweichungspunkt und folglich einer höheren Viskosität. Asphaltene können 5 bis 25% des Bitumen darstellen. Harze, andererseits sind in n-Heptan löslich. Sie sind wie Asphaltene größtenteils aus Wasserstoff und Kohlenstoff zusammengesetzt und enthalten kleine Mengen Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff. Im Hinblick auf Ihre Polarität sind sie stark klebend. Aromaten umfassen das niedrigste Molekulargewicht aromatischer Verbindungen in Bitumen und repräsentieren den größten Bestandteil davon. Schließlich umfassen die Gesättigten gerade und verzweigte Ketten aliphatischer Kohlenwasserstoffe, zusammen mit Alkynaphtenen und einigen Alkylaromaten.
Die Rheologie des Bitumen ist nicht nur bestimmt durch die chemische Zusammensetzung, sondern auch durch seine Struktur. Somit wird Bitumen traditionell als kolloidales System angesehen, bestehend aus Asphaltenmicellen hohen Molekulargewichts dispergiert oder gelöst in einem öligen Medium (Maltene) niedrigen Molekulargewichts. Das kolloidale Verhalten ist durch die Molekulargewichtsverteilung der verschiedenen Bitumenbestandteile beeinflusst. Folglich können die Micellen gelöst oder beweglich sein, oder gebunden um gallertartiges Bitumen zu bilden. In der Praxis weist das meiste Bitumen einen Zwischencharakter auf.
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Der Schlüssel bei PMB besteht darin, die exakte Übereinstimmung zu finden, die die Eigenschaften des Bitumen verbessern. Folglich wurde Bitumen mit Kautschuk (z.B. Polybutadien, Polyisopren, Naturkautschuk, Butylkautschuk, Chloropren, statistischer Styrol-Butadien-Kautschuk etc.), mit thermoplastischen Polymeren (z.B. Polyethylene, Polypropylene, Polyvinylchloride, Polystyrole und Ethylenvinylacetat (EVA), etc.) und mit thermoplastischen Kautschuken modifiziert (Polyurethane, Polyether-Polyester-Copolymere, olefinische Copolymere und Stryol-Blockcopolymere, wie sich herausgestellt hat, stellen die letztgenannten das größte Potential dar, wenn sie mit Bitumen vermischt werden). Die Zugabe von Polymer stört typischerweise das Phasengleichgewicht. Daraus können Phasentrennung oder Inkompatibilität resultieren. Einer der offensichtlichsten Effekte ist die drastisch herabgesetzte Lagerstabilität der inkompatiblen PMB's.
Bitumen kann aus Rohöl hergestellt werden, wobei zuerst die leichteste Fraktion durch Destillation entfernt wird, und in verschiedenen Graden vorkommen. Abhängig vom Ursprung des Rohöls und den Destillationsbedingungen kann Bitumen mit einer Penetration im Bereich von 15 (hart) bis 300 (weich) dmm hergestellt werden. Bitumen wird deshalb typischerweise mit dem Penetrationstest spezifiziert.
Es hat sich als problematisch herausgestellt, kompatible PMB's aus verschiedenen 50/70 dmm Bitumen herzustellen, die die Spezifikation der deutschen Straßenbauer erfüllen. Dies ist der Fall für hartes Bitumen von den Raffinerien in Heide und Karlsruhe, die eine gemessene Penetration bei 25 Grad Celsius von 35 bis 37 dmm (ASTM D36), einen Erweichungspunkt, Ring & Ball von 54,5 bis 56,5 Grad Celsius (ASTM D5) und ein Asphaltenanteil von 11,2 bis 17,4 Gew.-% aufweisen. Idealerweise sollten kompatible Mischungen davon herstellbar sein, die einen Erweichungspunkt, R&B im Bereich von 55-63 Grad Celsius, eine Penetration bei 25 Grad Celsius im Bereich von 20 bis 60 dmm, und eine elastische Rückverformung bei 25 Grad Celsius von mindestens 50% (DIN 52013)
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aufweisen. Darüber hinaus sollte es möglich sein, diese Anforderungeh zu erreichen unter Verwendung von nur 2 Gew.-% des Polymerbestandteils.
Die vorliegenden Erfinder machten sich auf, PMB herzustellen, das diese Anforderungen erfüllt. Überraschenderweise beobachteten sie, dass bestimmte styrolhaltige Blockcopolymere kombiniert mit den obenerwähnten Bitumen kompatible PMB's mit attraktiven Eigenschaften lieferten, sogar bei geringer Polymerbeladung.
Zusammenfassung der Erfindung
10
Demgemäss wird beansprucht:
ein polymermodifiziertes Bitumen (PMB) umfassend Bitumen und eine Blockcopolymerzusammensetzung, worin
das Bitumen eine Penetration bei 25 Grad Celsius von 30 bis 70, vorzugsweise von 35 bis 37 dmm, einen Erweichungspunkt, Ring & Ball von 50 bis 60, vorzugsweise von 54,5 bis 56,5 Grad Celsius und einen Asphaltenanteil von 10 bis 20, vorzugsweise von 11,2 bis 17,4 Gew.-% aufweist,
20- die Blockcopolymerzusammensetzung in einer Menge von 1 bis 3,
vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Gew.-% bezogen auf PMB verwendet wird, die Zusammensetzung eine Mischung ist aus 10 bis 30 Gew.-% eines Triblock-Poly(Styrol-Butadien-Styrol)copolymers (A), das einen durchschnittlichen Polystyrolanteil im Bereich von 25-35 Gew.-% hat und ein offensichtliches Molekulargewicht im Bereich von 100,000 bis 150,000 aufweist; und 90 bis 70 Gew.-% eines Diblockpoly(Styrol-Butadien)copolymers (B), das einen durchschnittlichen Polystyrolanteil im Bereich von
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25-35 Gew.-% hat und ein offensichtliches Molekulargewicht entsprechend 1/3 bis 2/3 des Molekulargewichts von Block(A) aufweist, und
das PMB eine kompatible Mischung ist, die einen Erweichungspunkt, R&B im Bereich von 55-63 Grad Celsius, eine Penetration bei 25 Grad Celsius im Bereich von 20 bis 60 dmm, und eine elastische Rückverformung bei 25 Grad Celsius von mindestens 50% aufweist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Styrol-Blockcopolymere, abgekürzt SBC, sind bekannt. KRATON Polymers ist ein Hauptproduzent von verschiedenen SBCs basierend auf folgender Formel
A-B, A-B-A, (A-B)nX (lineare SBCs)
wobei A einen harten Block repräsentiert, der eine Glasübergangstemperatur von höher als 25 Grad Celsius aufweist, typischerweise einen Polystryolblock; B einen Elastomerblock darstellt, der eine Glassübergangstemperatur von unterhalb -25 Grad Celsius aufweist, typischerweise einen Poly(konjugierter-Dien)block, &eegr; eine ganze Zahl größer als 1, und X der Rest des Kupplungsreagenzes ist.
Typischerweise weisen solche SBCs ein offensichtliches Molekulargewicht im Bereich von 100,000 bis 500,000 auf. Diese SBCs können Diblockcopolymere der Formel A-B in verschiedenen Mengen umfassen.
Mit dem Begriff „offensichtliches Molekulargewicht", wie in der vorliegenden Beschreibung durchweg verwendet, wird das Molekulargewicht verstanden, das mittels
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Gelpermeationschromatographie (GPC), im Bezug auf Poly(styrol)-Kalibrierungsstandards (gemäß ASTM 3536) gemessen wurde.
Typische Beispiele eines linearen SBC beinhalten KRATON® DIlOl, and KRATON® Dl 102, PolytStyrol-Butadien-StyroOblockcopolymere verfügbar seit mehr als 40 Jahren und das jüngere KRATON® Dl 192. Diese Blockcopolymere, wie auch immer, stellen nicht die gewünschten Eigenschaften für die vorher erwähnten Bitumen bereit. Ein Beispiel einer Blockcopolymerzusammensetzung, das die gewünschten Eigenschaften bereitstellt ist das lineare SBC, verkauft als KRATON® Dl 118.
Optional können die PMB's der vorliegenden Erfindung auch andere Inhaltsstoffe wie Öle und Stabilisatoren enthalten. Vorstellbar ist die Verwendung der PMB's als Bindemittel in Asphaltzusammensetzungen, typischerweise in einer Menge von 4 bis 9 Teile pro hundert Gewichtsteile des Zuschlagstoffes („pha"), der Rest wird aus Zuschlagstoffen wie Steinsplitter, Sand und derartige Materialien gebildet.
Wachse können in den PMB's gemäß der Zusammensetzung verwendet werden, sind aber nicht bevorzugt. Obwohl bekannt ist, dass die Gegenwart von Wachs hilft, die Misch- und Anwendungstemperatur des PMB herabzusetzen, seine Anwesenheit - besonders wenn es die SBC ersetzt - beseitigt die gesteigerte Resistenz gegenüber Rissfortpflanzung.
Die PMB's gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen eine klare Verbesserung hinsichtlich elastischer Rückverformung, was sie extrem geeignet für Außenanwendungen wie Straßendecken macht, währenddessen sie den Anforderungen der deutschen Straßenbauer gerecht werden. Andere Anwendungen in denen PMB's verwendet werden können sind Geräuschdämmung, Klebstoffe, Dichtungs- und Überzugsverbindungen und/oder Schwingungsdämpfungsverbindungen.
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Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung, ohne jedoch ihren Umfang auf die speziellen Ausführungsformen zu beschränken.
Experimenteller Teil
Die folgenden Bitume und Polymere wurden getestet:
• Bitumen (A) ist ein harter Bitumen von der Heide Raffinerie, der einen Asphaltenanteil von 11,2 % des Bitumens und einen gemessenen Registrierwert von 37 dmm mit einem Erweichungspunkt R&B von 54,5 Grad Celsius;
• Bitumen (B) ist ein harter Bitumen von der Karlsruhe Raffinerie, der einen Asphaltenanteil von 17,4 % des Bitumens und einen gemessenen Registrierwert von 35 dmm mit einem Erweichungspunkt R&B von 56,5 Grad Celsius;
• 15 Polymer 1 ist KRATON® Dl 102; ein lineares SBS, das ein Molekulargewicht von
ungefähr 120,000, ein Polystyrolanteil von ungefähr 30% und ein Diblockanteil von ungefähr 15% aufweist und
• Polymer 2 ist KRATON® DIlOl; ein lineares SBS, das ein Molekulargewicht von ungefähr 170,000, ein Polystyrolanteil von ungefähr 30% und ein Diblockanteil von ungefähr 15% aufweist und
• Polymer 2 ist KRATON® Dl 118; ein lineares SBS, das ein Molekulargewicht von ungefähr 170,000, ein Polystyrolanteil von ungefähr 30% und ein Diblockanteil von ungefähr 80% aufweist.
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Beispiel
Die Zusammensetzungen wurden mit einem SBC-Anteil von 2 bis 3,5% hergestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und 2 aufgelistet. Die Kombination von Polymer 1 ist zum Vergleich enthalten. Die Kombination mit Polymer 2 resultierte in einer inkompatiblen Mischung und wurde nicht aufgelistet.
Wie aus diesen Tabellen ersichtlich ist, liefern die SBC gemäß der vorliegenden Erfindung die besten Resultate, was die Kompatibilität und Eigenschaften, wie elastische Rückverformung, betrifft.
DTS München 11.09.2003
31895.KRA.G100DE ,1. .1, '..· ..' ·..
Tabelle 1
Bitumen gemischt mit 2 Gew.-% SBC
A+l A+3 B+l B+3 Spezifikation
UV Homogenität + + +/- +
Lagerstabilität
3 Tage/180 Grad Celsius		 + + + +
Erweichungspunkt
R&B, (Grad Celsius)		 58,0 57,0 61,5 63,0 55-63
Penetration
25 Grad Celsius, (dmm)		 31 35 30 29 20-60
Elastische Rückverformung
25 Grad Celsius, (%)		 37,5 57,5 47,5 67,5 >50
Tabelle 2
Bitumen gemischt mit 3,5 Gew.-% SBC
A+l A+3 B+l B+3 Spezifikation
UV Homogenität +/- +/- - -
Lagerstabilität
3 Tage/180 Grad Celsius		 + +
Erweichungspunkt
R&B, (Grad Celsius)		 60,0 63,0 65,0 67,0 63-71
Penetration
25 Grad Celsius, (dmm)		 30 31 28 27 10-40
DTS München 11.09.2003
31895.KRA.G100DE .:.
>· it
lG/12:
Elastische Rückverformung
25 Grad Celsius, (%)		 56,0 60,0 71,0 72,0 >50
Die elastische Rückverformung wurde mittels einer 20 cm (2% PMB) beziehungsweise 10 cm (3,5% PMB) Streckprobe bestimmt.
Die Lagerstabilität wurde durch die Differenz zwischen dem Erweichungspunkt auf der Oberseite der Probe und dem Boden bestimmt, welche nicht mehr als 2 Grad Celsius sein
kann.
10

Claims (4)

1. Polymermodifiziertes Bitumen (PMB) umfassend Bitumen und eine Blockcopolymerzusammensetzung, worin
- das Bitumen eine Penetration bei 25 Grad Celsius von 30 bis 70 dmm, einen Erweichungspunkt, Ring & Ball von 50 bis 60 Grad Celsius und einen Asphaltenanteil von 10 bis 20 Gew.-% aufweist,
- die Blockcopolymerzusammensetzung in einer Menge von 1 bis 3 Gew.-% bezogen auf PMB verwendet wird, die Zusammensetzung eine Mischung ist aus 10 bis 30 Gew.-% eines Triblock-Poly(Styrol-Butadien- Styrol)copolymers (A), das einen durchschnittlichen Polystyrolanteil im Bereich von 25-35 Gew.-% hat und ein offensichtliches Molekulargewicht im Bereich von 100,000 bis 150,000 aufweist; und 90 bis 70 Gew.-% eines Diblockpoly(Styrol-Butadien)copolymer (B), das einen durchschnittlichen Polystyrolanteil im Bereich von 25-35 Gew.-% hat und ein offensichtliches Molekulargewicht entsprechend 1/3 bis 2/3 des Molekulargewichts von Block(A) aufweist, und
- das PMB eine kompatible Mischung ist, die einen Erweichungspunkt, R&B im Bereich von 55-63 Grad Celsius, eine Penetration bei 25 Grad Celsius im Bereich von 20 bis 60 dmm, und eine elastische Rückverformung bei 25 Grad Celsius von mindestens 50% aufweist.
2. Polymermodifizierte Bitumen (PMB) nach Anspruch 1, worin das Bitumen eine Penetration bei 25 Grad Celsius von 35 bis 37 dmm, einen Erweichungspunkt, Ring & Ball von 54,5 bis 56,5 Grad Celsius und einen Asphaltenanteil von 11,2 bis 17,4 Gew.-% aufweist.
3. Polymermodifiziertes Bitumen (PMB) nach Anspruch 1 oder 2, worin die Blockcopolymerzusammensetzung in einer Menge von 1,5 bis 2,5 Gew.-% bezogen auf PMB verwendet wird.
4. Asphaltzusammensetzung umfassend Zuschlagstoff-Material und von 4 bis 9 Teile pro hundert Gewichtsteile Zuschlagstoffe des PMB wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht.
DE20310484U 2003-07-08 2003-07-08 Polymermodifiziertes Bitumen mit verbesserter Rückverformung und Asphaltstrassendecken dieses umfassend Expired - Lifetime DE20310484U1 (de)

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