HU200354B - Process for emulsion modification of bitumen with elastomers - Google Patents

Description

A találmány a bitumen emulziós módosítására vonatkozik elasztomérekkel mérsékelten emelt hőmérsékleten.

A bitumen és a bitumenalapú termékek főbb tulajdonságait (szilárdság, lágyuláspont, rugalmasság, töréspont, duktilitás, hidegfolyás) előnyösen lehet befolyásolni elasztomérek adagolásával. Az elasztomérek a kaucsuktípusú műanyagokhoz sorolhatók, és bomlási hőmérsékletükig gumielasztikus alakváltozásra képesek.

A bitumen elasztomérekkel való módosítása az elasztomérek ezen ismert tulajdonságait összekapcsolja a bitumen ismert tulajdonságaival. A bitumen konzisztenciájában a „főként plasztikus állapot” el5dik a „túlnyomórészt elasztikus állapot” irányában és ;nnek megfelelően növekszik a szakítószilárdság és a viszkozitás, csökken a megfolyásból származó alakváltozás, bővül a plasztikussági tartomány, amelynek komoly alkalmazástechnikai előnye van.

A rugalmassági jellemzők és a bitumen kötőanyag viselkedése közötti összefüggés megállapítására azonban módszer nem ismeretes, vagyis a polimer adalékok beépülésének hatásmechanizmusa nincs felderítve.

Nemcsak a polimer mennyisége, típusa és szerkezete van hatással a bitumenben való eloszlására, és ezáltal a konzisztenciaeltolódás mértékére, hanem a bitumen anyagi tulajdonságai is, például a választott elasztomerre gyakorolt oldóképessége. A célszerű komponensek és mennyiségi arányok megválasztását és a kétfajta komponens „reagáltatásának” módját befolyásolja a bitumen minősége, anyagi tulajdonságai. A bitumen kémiai összetétele ugyanis a nyersolaj származási helyétől függően változik, eltérések vannak a feldolgozási technológiában is, ezért nem állítható fel egységes szerkezeti modell a bitumen-elasztomer keverékek várható tulajdonságaira, így stabilitására sem.

A sztirol-butadién-sztirol (SBS) kaucsuk felhasználása bitumen módosítására ismert, viszonylag alacsony a kaucsukszükséglet, és jó hidegtulajdonságok alakíthatók ki. Az SBS elasztomerrel módosított bitumen 5-13 % elasztomért tartalmaz, eloszlatása a bitumenben 160-180 *C-on történik, és a magas hőmérsékleten is 8-12 órát vesz igénybe. A lassú diszpergálódás miatt az elasztomer hosszú ideig van hőterhelésnek kitéve, ez rontja a tulajdonságokat, részleges elbomlást okoz, a hosszú keverési idő miatt nagy az energiaigény is. A reagáltatásnál a levegő kizárása lényeges, a hosszú keverési idő ellenére is az elkészült módosított bitumen csak korlátozottan stabilis, szétválásra hajlamos.

A módosított bitumenből az emulziók előállítása utólagosan azért nehéz feladat, mivel a magas viszkozitás miatt különleges berendezések szükségesek, másfelől nem teljes az emulgeálódás mértéke.

A 180 004. lajstromszámú (LA-942) magyar szabadalmi leírásban bitumen és kaucsuk kationos emulziójának javított előállítására 42-73 ’C lágyuláspontú, 10-300 közötti penetrációs értékű bitumenből indulnak ki. A javaslat szerint ezt a bitument 145-190 ’C közötti hőmérsékleten 75.000-250.000 molekulasúlyú gyökös, elágazó láncú polisztirol-polibutadién blokkpolimérrel és az emulgeáiószer 40-70 t% megfelelő mennyiségével hőkezelik, majd ehhez 145-190 ’C-on hozzáadják a maradék emulgeálószert, a savat és a vizet. Az emulgeáiószer jelenléte a módosításnál feltehetően befolyásolja a keverék konzisztenciáját, így nem kell oldószert felhasználni hígításra és az alkalmazott nagyviszkozitású keverék még emulgeálható. A hátrány ez esetben is az, hogy a módosítás csak 140-180 ‘C közötti hőmérsékleten végezhető, ez a magas hőmérséklet kedvezőtlen a sztirol-butadién polimér stabilitására, emellett az eljárás lefolytatása is különleges technológiai berendezéseket igényel.

Útépítési anionos vagy kationos bitumenemulziók módosítása főként a kőzetekhez való tapadás javítása céljából hidegen úgy történhet, hogy a bitumenemulziót szobahőmérsékleten a latex-szel összekeverik. Emellett azonban ügyelni kell arra, hogy a bitumenemulzió és a diszperzióban lévő latex egymással összeférjen, az emulziós rendszereknek ugyanis egymással azonosnak kell lenni, azonos pH értéken. Ez a hidegen történő módosítás azonban nem eredményezi a tulajdonságok olyan javulását, amely a latex mennyiségéből következne, sőt szétválási jelenségekkel is számolni kell, amit újabb emulgeátormennyiség hozzáadásával lehet ellensúlyozni.

Az ismert módon viszonylag alacsony hőmérsékleten módosított elasztomér bitumen a nem vulkanizált kaucsuk összes hátrányával rendelkezik, öregedés- és hőállósága nem kielégítő, rugalmas-plasztikus jellege idővel csökken, a bevonatok időjárás behatása alatt rideggé válnak, és nem bírják az igénybevételt

A találmány célkitűzése a bitumen emulziós módosítása elasztomérekkel mérsékelten emelt hőmérsékleten, amellyel az elasztomémek a bitumenben való optimális diszpergálódása elérhető, stabil, módosított bitumentermék állítható elő az emulzió elbontása után, emellett a költséges latex mennyisége csökkenthető, javított tulajdonságok megtartása mellett.

A találmány szerinti eljárás bitumen emulzióban történő módosítására elasztomérekkel, így klór-butadién vagy sztirol-butadién alapú polimérekkel azzal jellemezhető, hogy 38-60 ’C lágyuláspontú és 30-200 penetrációs értékű bitument 120-140 ’C-ra felmelegítünk, és a forró bitument 50-80 ’C-ra felmelegített emulgeátort és az emulgeátorral összeférő diszperziót tartalmazó vizes fázissal érintkeztetjük, és 80-100 ’C közötti hőmérsékleten a fázisok intenzív érintkeztetése közben legalább 15 percig hőkezeljük, majd a kapott homogén emulziót elkülönítjük.

Az emulzió bitumen tartalmát célszerűen 40-60 t %-ra, a latextartalmat 5-25 %-ra állítjuk be. A felhasznált latex szárazanyag tartalma rendszerint 45-58 t%. Az intenzív érintkeztetést célszerűen kolloidmalmon való átvezetéssel végezzük. A hőkezelés közben a kezelendő keveréket a kolloidmalmon keresztülvezetve adott esetben hőközlő tartály közbeiktatásával keringtetjük. A felhasznált bitumen nem lehet fuvatott csak desztillált, a megfelelő minőség az SZB 30, SZB 90, SZB 50 és a B 200, amelyet adott esetben tömegére számítva 5-10 % extraktolajjal hígítunk.

Anionos emulgeátorként olajsav (elain) vagy fenyótűolajzsírsav alkálifém és ammónium-sóit alkalmazzuk, amely adott esetben réz-, cink-, nikkel-, kobalt- vagy kadmiumsót tartalmaz. A kationos emulgeátor ásványi savakkal kationos emulgeátort képező faggyúzsírsav diamin, a nemionos emulgeátor például nonií-fenol-poliglikoléter (etilénoxidszáma 10). Kationos emulgeátor esetében a vizes fázist kb. 3, nemionos

HU 200354 Β emulgeátor esetében kb. 7, és anionos emulgeátor alkalmazása esetén 10-12 pH-értékre állítjuk be.

A latex 47-58 % szárazanyagtartalmú vizes kolloid diszperzió, amely 2-klór-butadién-(l,3) polimérje anionos vagy nemionos emulgeátorral diszpergálva (Baypren latex B) vagy a 2-klór-butadién és metakrilsav keverékpolimérje anionos vagy polivinilalkohol-tartalmú emulgeátorral (Neopren latex 115; DuPont), továbbá kationos emulgeátort tartalmazó kloroprén latex (KA 2810, Bayer A.G.) vagy 25 % sztirolt és 75 % butadiént tartalmazó anionos latex (Buna S 213).

A bitumenemulzió és latex hőkezelését 70-80 *C közötti hőmérsékleten 15-30 percig végezzük, megjegyezve azt, hogy ennél hosszabb idő is szükséges lehet az adott rendszer stabilitási tulajdonságaitól függően. A kationos emulgeátorhoz adott esetben kevés kalcium-klorídot adagolunk.

A hőkezelés elvégezhető gyorskeverős vagy szivattyúval ellátott keverős tartályban. A találmány szerint a hőkezelést addig végezzük, míg a kivett minta részecskeméretének főtömege 3-5 mikron közé esik, és a bitumen-elasztomér homogén rendszer legalább 90 %-ban kialakult.

A találmány szerinti eljárás egy általánosan alkalmazható módszer, amely emulzióban végrehajtva nagy termelékenységgel és kis ráfordítással eredményez elasztomér bitumen terméket

Felismertük azt hogy a mérsékelten emelt hőmérsékleten és emulziós fázisban a bitumen és az elasztomer diszperzió megfelelő részarányban alkalmazva az emulgeátorok alkalmas megválasztásával hőterhelés nélkül homogén diszperz szerkezetté alakítható át amelynek szemcseméret-eloszlása főtömegében szűk mérettartományba esik. A homogén beépülés és a teljes átalakulás következtében a bitumenre számítva az elasztomér szokásos mennyiségi aránya 30-40 %-kal csökkenthető a szobahőmérsékleten végzett keverékhez képest azonos minőség fenntartása mellett

A találmány szerinti eljárás további előnyei:

- nagy emulzióstabilitás, hosszú tárolhatósági idő;

- elasztomér bitumen szerkezet legelőnyösebb kialakítása, energiatakarékos, környezetkímélő, balesetveszély és egészségi ártalom nélkül végrehajtható;

- kolloidkémiai szempontból is előnyös, mivel 3-5 mikrométer közötti mérettartományban bitumenelasztomer micellák képződnek az elasztomér degradálódásának veszélye nélkül.

A találmány szerinti eljárás további részleteit a kiviteli példákban ismertetjük:

1. példa

Bitument anionos emulzióban módosítunk a következő komponensek és módszer felhasználásával:

Bitumen SZB 90	50 tr
2-klór-butadién-( 1,3) polimer
vizes kolloid diszperziója	10 tr
(Baypren Latex B, 58 % száraz-
anyag tartalmú)
Olajsav (elain)	4 tr
Ammónia-oldat (25 %-os)	4 tr
Víz	32 Ο-
A bitument külön fűthető tartályban	Ι 30 ‘C-ra

melegítjük fel, és a vizes fázissal való elkeverésig ezen a hőmérsékleten tartjuk.

Keverés edényben 32 tr 70 'C hőmérsékletű vízben az olajsavat ammónia-oldattal emulgeáljuk, és ehhez az emulzióhoz az előbbi hőmérsékleten 10 tr latexet adunk hozzá. A vizes fázist - amelynek pH értéke kb. 10 - 70-75 ‘C közötti hőmérsékleten tartjuk. A bitument és a vizes fázist 3000 fordulatszám/perc teljesítményű és 0,3 mm részecskeméretű kolloid malomba való bevezetéssel és egy keverős tartály közbeiktatásával a keveréket 90 ‘C-on tartva keringtetjük. A keringtetési idő eltelte után homogén emulziót kapunk, amely épületszigetelési célokra használható.

2. példa

Bitumen kationos emulzióban történő módosításához a következő komponenseket alkalmazzuk:

Bitumen B-200 50 tr

2-klór-butadién-( 1,3)-polimér kationos vizes diszperziója (581 %-os) 8 tr (Baypren latex KA 8210)

Faggyúzsfrsav-diamin 0,3 tr (Duomeen T, Akzo Chemie)

Sósav (koncentrált) 37 %-os 0,5 tr

Víz 41,2 tr

Az eljárást hasonlóan végezzük mint az 1. példában, azzal az eltéréssel, hogy a bitument 120 ‘C-ra melegítjük fel, és érintkeztetjiik a 3 pH-értékű és 60 C-ra felmelegített vizes fázissal. A vizes fázisban először a kationos emulgeátor sósavas sóját képezzük és ehhez adjuk a latex diszperziót A fázisok érintkeztetési ideje - amely a bitumen módosításához szükséges 80 ‘C-on - 20 perc. A fázisok érintkeztetését elvégezhetjük fenékrészen szivattyúval ellátott fűthető készülékben, miközben a keveréket állandó szivattyúzással keringésben tartjuk. Az elkészített kationos bitumenemulziő útépítési célra alkalmas, és javított tapadással rendelkezik.

3. példa

Bitumen elasztomerrel való módosítására nemionos emulzióban a következő komponenseket alkalmazzuk:

Bitumen SZB 50	50 tr
Kloroprén-metakrilsav-kopolimer 47 %-os diszperziója (karboxil mól/kg latex szárazanyag 0,33)	12 tr
(Neopren-Latex 115 Du Pont) Nonil-fenol-poliglikoléter etilénoxidszáma = 10	1 tr
(Arkopal N -100, Hoechst AG) Víz	37 tr
A bitumen módosításához a bitument	140 ‘C-ra

melegítjük fel, és a vizes fázissal való érintkeztetésig ezen a hőmérsékleten tartjuk. A vizes fázisban 65 ‘C-on feloldjuk az emulgeátort 7 pH-értéken, és ehhez adjuk a latex diszperziót keverés közben.

A 65 ‘C-on tartott vizes fázist a 140 ‘C hőmérsékletű bitumennel kolloid malomban keverjük össze és külön hőközlő tartály közbeiktatásával a keveréket 60 percig 90 ’C-on tartjuk. A kivett minta mikroszkóp alatt egyenletes szemcseeloszlást mutat.

Az elkészített nemionos bitumenemulzió kötőanyagként használható nagy töltőanyagtartalmú keverékekhez.

HU 200354 Β

4. példa

Anionos emulzióban a bitument sztirol-butadién latex-szel a következő komponensek felhasználásával és módszerrel módosítjuk:

Bitumen SZB 30	47 tr
Extrakt olaj (nagy aromástar-
talmú, ÁFOR gyátmány)	3tr
Sztirol-butadién 25/75 anionos
kopolimer latex kb. 50 %-os	10 tr
(Buna latex S 213)
Fenyőtűolajzsírsav	3 tr
KOH-oldat(10t%-os)	1 tr
Víz	36 tr
A bitument az extrakolajjal 130 ’C-ra felmelegítjük,

és a vizes fázissal való éríntkeztetésig ezen a hőmérsékleten tartjuk. A vizes fázisban kb. 70 ’C körüli hőmérsékleten a fenyőtűolajzsírsavat KOH oldattal emulgeáljuk, hozzákeverjük a latexet, és a kb. 12 pH-értékű vizes fázist kolloid malomban keveijük össze a bitumenes fázissal. Hőközlő tartály közbeiktatása nélkül a keveréket a kolloidmalraon keresztül vezetve keringésben tartjuk 15 percig, míg a kivett minta vizsgálatakor homogén szemcseeloszlás állapítható meg.

A kapott anionos bitumenemulzió bitumenes szigetelések alapozásához használható.

Claims (8)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Eljárás bitumen emulziós módosítására elasztomérekkel főként klór-butadién- vagy sztirol-butadién alapú diszperziós polimérekkel, azzal jellemezve, hogy 38-60 ‘C lágyuláspontú, és 30-200 penetrációs értékű bitument 120-140 ’C-ra felmelegítünk, és a forró bitument 50-80 ’C-ra felmelegített, emulgeátort és az emulgeátorral összeférő latex, célszerűen klór-butadién vagy sztirol-butadién polimer diszperzióját tartalmazó vizes fázissal érintkeztetjük, és a fázisok intenzív érintkezése közben legalább 15 percig 80-100 ’C közötti hőmérsékleten hőkezeljük.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás azzal jellemezve, hogy a hőkezelést kolloid malmon történő átvezetés közben végezzük.
3. 3. Az 1. igénypont szerinti eljárás azzal jellemezve, hogy 45-58 t % szárazanyagtartalmú latex diszperziót alkalmazunk, célszerűen a bitumen tömegére számítva 10-30 t%-ban.
4. 4. Az 1. igénypont szerinti eljárás azzal jellemezve, hogy extrakt olajjal hígított bitument alkalmazunk.
5. 5. Az 1. igénypont szerinti eljárás azzal jellemezve, hogy a bitument 45-58 t % vizes emulzióban kezeljük.
6. 6. Az 1. igénypont szerinti eljárás azzal jellemezve, hogy kationos emulzióban való bitumen módosításához 3-5 pH értékű vizes közeget, faggyúzsírsav-amin ásványi savval képzett sóját tartalmazó emulgeátort és 2-klór-butadién-(l,3) kationos polimer diszperzióját alkalmazzuk.
7. 7. Az 1. igénypont szerinti eljárás azzal jellemezve, hogy anionos emulzióban való bitumen módosításához olajsav (elain) vagy fenyőtűolajzsírsav alkálifém- vagy ammónium-sóját tartalmazó emulgeátort, 2-klórbutadién-(l,3), anionos kloroprén vagy sztirol-butadién latex diszperzióját lúgos közegben alkalmazzuk.
8. 8. Az 1. igénypont szerinti eljárás azzal jellemezve, hogy bitumen nemionos emulzióban történő módosítására nonil-fenol-poliglikolétert tartalmazó emulgeátort és kloroprén-metakrilsav latex diszperzióját semleges pH-értéken alkalmazzuk.