Полимерно-битумное вяжущее и способ его получения
Владельцы патента RU 2786861:
Кемалов Руслан Алимович (RU)
Кемалов Алим Фейзрахманович (RU)
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) (RU)
Изобретение относится к битумно-полимерным вяжущим, которые могут быть использованы при получении асфальтобетонов, гидроизоляционных покрытий, мастик и рулонных кровельных материалов для строительных работ. Предложено полимерно-битумное вяжущее, содержащее, мас.%: нефтяной гудрон 95-97 и полимерный компонент в виде стирол-бутадиен-стирол полимера линейного или радиального типа 3-5. Предложен также способ получения указанного полимерно-битумного вяжущего. Технический результат – улучшение физико-химических характеристик полимерно-битумного вяжущего. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 5 пр.
Изобретение относится к способу получения битумно-полимерного вяжущего, которое может быть использовано при получении асфальтобетонов, гидроизоляционных покрытий, мастик и рулонных кровельных материалов для строительных работ.
Полимерно-битумные вяжущие (ПБВ) – это материалы на основе битумов, модифицированных добавлением полимеров типа СБС (стирол-бутадиен-стирол) и пластификаторов. Обладают улучшенными качественными характеристиками [https://bitum.gazprom-neft.ru/production/PVB/].
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ №2011666 «Битумная композиция и способ ее получения». Сущностью является битумная композиция, содержащая битум, каучук, серу и серосодержащую добавку, отличающаяся тем, что она содержит битум с пенетрацией 20 - 320, в качестве каучука бутадиеновый полимер или бутадиенстирольный блок-сополимер, в качестве серосодержащего компонента соединение, выбранное из группы, включающей вещества структурных формул
где R1 и R2 – С1 - С4-алкил; Me – Cu, Zn,
при массовом соотношении в смеси серы и серосодержащей добавки, равном (20 - 60) : (40 - 80) при следующем соотношении компонентов, мас. ч.:
Битум 80 – 99
Каучук 1 – 20
Смесь серосодержащего соединения и серы 0,01 - 0,15.
Способ получения битумполимерных композиций путем смешения битума, каучука и серусодержащих добавок, отличающийся тем, что в качестве битума используют битум с пенетрацией 20 - 320, в качестве каучука бутадиеновый полимер или бутадиенстирольный блок - сополимер, в качестве серусодержащих добавок используют смесь серы и серусодержащего соединения, выбранного из группы соединений структурных формул
гле R1 и R2 - С1 - С4-алкил; Me - Cu, Zn,
при массовом соотношении серы и соединения, равном (20 - 60) : (40 - 80) при следующем соотношении компонентов, мас. ч:
Битум 80 - 99
Каучук 1 - 20
Смесь серы и серусодержащего соединения 0,01 - 0,15
при этом смешение компонентов композиционно осуществляют при 150 – 170 °С.
Недостатком как известной композиции, так и способа ее получения является длительность ее приготовления, необходимость использования серной вулканизующей группы, представляющей собой смесь элементарной серы и серосодержащего соединения, получение которой выделено в отдельную стадию.
Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ №2011667 «Битумная композиция и способ ее получения». Сущностью является битумная композиция, включающая битум, полимер и пластификатор, отличающаяся тем, что, с целью улучшения свойств композиции при плюсовых температурах, в качестве полимера она содержит высокомолекулярный полимер, являющийся бутадиен-стирольным термоэластопластом или каучуковой крошкой, представляющей собой смесь отходов производства бутадиен-стирольного латекса и синтетического каучука, и низкомолекулярный полимер, являющийся сополимером бутадиена с пипериленом или акрилонитрилом, и дополнительно стеариновую кислоту и поверхностно-активное вещество при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 70 – 79
Бутадиен-стирольный термоэластопласт или каучуковая крошка 9,5 – 15
Сополимер бутадиена с пипериленом или акрилонитрилом 1,0 - 3,0
Пластификатор 8,0 - 10,0
Стеариновая кислота 0,5 - 1,0
Поверхностно-активное вещество 1,5 - 3,0.
Способ получения битумной композиции путем смешения битума, полимера и пластификатора, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, осуществляют смешение битума, пластификатора, полимера, в качестве которого используют высокомолекулярный полимер, являющийся бутадиен-стирольным термоэластопластом или каучуковой крошкой и низкомолекулярный полимер, являющийся сополимером бутадиена с пипериленом или акрилонитрилом, в композицию дополнительно вводят стеариновую кислоту и поверхностно-активное вещество при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Битум 70 - 79
Бутадиен-стирольный термоэластопласт или каучуковая крошка 9,5 - 15,0
Сополимер бутадиена с пипериленом или акрилонитрилом 1,0 - 3,0
Пластификатор 8,0 - 10,0
Стеариновая кислота 0,5 - 1,0
Поверхностно-активное вещество 1,5 - 3,0.
при этом процесс смешения осуществляют в две стадии, на первой стадии смешения получают концентрат из части битума и всех остальных компонентов, на второй осуществляют введение концентрата в оставшуюся часть предварительно разогретого битума при постоянном перемешивании до получения однородной массы при соотношении битума, введенного на первой и второй стадиях 1 : (1,41 - 2,95) соответственно.
Известная полимерно-битумная композиция обладает повышенной морозостойкостью, прочностью, пониженным относительным удлинением при разрыве при положительных температурах.
Недостатком известной композиции и способа ее получения является многокомпонентность, использование низкомолекулярного сополимера бутадиена с нитрилом акриловой кислоты (НАК), что небезопасно в экологическом отношении, так как при длительном воздействии высоких температур при растворении сополимера в битуме возможно выделение остаточного незаполимеризованного мономера (НАК) в окружающую среду.
Наиболее близким по назначению и совокупности существенных признаков, выбранным заявителем в качестве прототипа, является изобретение по патенту РФ №2119513 «Битумная композиция и способ ее получения». Сущностью является битумная композиция, включающая битум, бутадиенстирольный термоэластопласт, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит адгезионную добавку, в качестве которой используют талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла и триэтаноламина при массовом соотношении талловое масло: триэтаноламин (66 - 68) : (32 - 34), при следующем соотношении компонентов в композиции, мас.%:
Битум - 97,3 - 77,0
Бутадиенстирольный термоэластопласт - 2 – 16
Указанная адгезионная добавка - 0,7 - 7,0.
Способ получения битумной композиции путем перемешивания бутадиенстирольного термоэластопласта и битума, отличающийся тем, что в начале при 25 – 50 °C бутадиенстирольный термоэластопласт перемешивают с адгезионной добавкой, в качестве которой используют талловое масло или продукт взаимодействия таллового масла и триэтаноламина при массовом соотношении талловое масло: триэтаноламин (66 - 68) : (32 - 34), затем при температуре 150 – 160 °C термоэластопласт с адгезионной добавкой перемешивают с битумом при соотношении, мас.%: битум 97,3 - 77,0, бутадиенстирольный термоэластопласт 2 - 16, указанная адгезионная добавка 0,7 - 7,0.
Недостатками прототипа по сравнению с заявленным техническим решением являются:
по отношению к композиции:
– меньшая эластичность и растяжимость при температурах, близких к отрицательным,
– недостаточно низкая температура хрупкости,
– невысокий показатель глубины проникания иглы при различных температурах;
по отношению к способу:
– более сложная технология,
– высокая себестоимости в результате использования нефтяного битума в отличие от нефтяного гудрона.
При этом неопределенный состав таллового масла, в зависимости от типа исходного природного сырья (хвойные или лиственные породы дерева) и технологии получения значительно изменяет содержание смоляных кислот, которые определяют главным образом адгезионные свойства таллового масла;
При этом недостаточно эффективное смешение таллового масла или продукта взаимодействия таллового масла и триэтаноламина с термоэластопластами, что может приводить к нарушению дозировок компонентов при получении полимерно- битумной композиции.
Техническим результатом заявленного технического решения является устранение недостатков прототипа путем разработки:
• полимерно-битумного вяжущего, обладающего:
– повышенной эластичностью и растяжимостью при температурах близких к отрицательным,
– низкой температурой хрупкостью,
– увеличенной глубиной проникания при разных температурах,
– высокой стабильностью;
• способа получения полимерно-битумного вяжущего, обладающего по сравнению с прототипом:
– упрощенной технологией,
– снижением себестоимости в результате использования нефтяного гудрона в отличие от нефтяного битума.
Сущностью заявленного технического решения является полимерно-битумное вяжущее, включающее нефтяной гудрон и полимерный компонент в виде стирол-бутадиен-стирол полимера линейного или радиального типа при следующих соотношениях компонентов, мас.%: нефтяной гудрон – 95-97, стирол-бутадиен-стирол полимер линейного или радиального типа – 3-5. Способ получения полимерно-битумного вяжущего по п.1, заключающегося в том, что нефтяной гудрон в количестве 95–97 мас.% подают в нагреватель, где подогревают при перемешивании до температуры 130-160 °С, далее подогретый нефтяной гудрон подают в гомогенизатор при перемешивании, далее в гомогенизатор засыпают при перемешивании полимерный компонент в виде стирол-бутадиен-стирол полимера линейного или радиального типа в количестве 3–5 мас.%, далее осуществляют перемешивание нефтяного гудрона и полимерного компонента в течение 6 часов, температуру смеси при этом поддерживают не более 160 °С, далее полимерно-битумное вяжущее охлаждают при комнатной температуре.
При этом соотношение нефтяного гудрона и стирол-бутадиен-стирол полимера для полимерно-битумного вяжущего разных марок выбирают из условия, что чем больше содержание полимерной составляющей, тем выше температура размягчения.
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.
На Фиг. представлена Таблица, в которой приведены физико-химические показатели заявленного полимерно-битумного вяжущего.
Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что получают заявленный полимерно-битумное вяжущее по заявленному способу, для чего нефтяной гудрон предварительно нагревают до температуры 130-160 °С, затем смешивают с полимерным компонентом. При этом в качестве полимерного компонента используют стирол-бутадиен-стирол полимер (СБС полимер) линейного или радиального типа. При этом нефтяной гудрон и СБС полимер смешивают в соотношении 95-97 мас.%:3-5 мас.% с использованием гомогенизатора. При этом процесс перемешивания осуществляют в течение 6 часов с поддержанием температуры смеси не более 160 °С.
Далее заявителем приведена характеристика исходных материалов.
1. Нефтяной гудрон – вязкая жидкость или твердый асфальтоподобный продукт черного цвета. Представляет собой остаток после отгонки из нефти фракций, выкипающих свыше 450 °C. Используется для производства дорожных, кровельных и строительных битумов, малозольного кокса, смазочных масел, мазута, горючих газов [https://irkutsk.flagma.ru/gudron-sb-20-40-o3867711.html].
2. СБС полимер радиального типа – сополимер с радиально замкнутыми полимерными цепями групп бутадиена и стирола. Обладает высоким пределом разрывной прочности, отличной эластичностью и обрабатываемостью [https://rusplast.com/catalog/styrene-butadiene-styrene-rubber/19273/].
3. СБС полимер линейного типа – сополимер с линейно замкнутыми полимерными цепями, в которые входят группы бутадиена и стирола. Характеризуется большим пределом прочности, эластичностью и технологичностью [https://www.rusplast.com/catalog/styrene-butadiene-styrene-rubber/20346/].
Получение заявленного полимерно-битумного вяжущего осуществляют в целом следующим способом.
Нефтяной гудрон в количестве 95–97 мас.% подают в нагреватель, где подогревают при перемешивании до температуры 130-160 °С.
Далее подогретый нефтяной гудрон подают в гомогенизатор при перемешивании.
Далее в гомогенизатор засыпают при перемешивании полимерный компонент в виде стирол-бутадиен-стирол полимера линейного или радиального типа в количестве 3–5 мас.%.
Далее осуществляют перемешивание нефтяного гудрона и полимерного компонента в течение 6 часов. Температуру смеси при этом поддерживают не более 160 °С.
Далее смесь охлаждают при комнатной температуре. Получают заявленное полимерно-битумное вяжущее.
В качестве нагревателя используют, например, электрический промышленный нагреватель, например, марки БН-10001 с ёмкостью 230 л и максимальной температурой нагрева 150 °С
В качестве гомогенизатора используют, например, известный гомогенизатор SUPRATON или другой подобного типа, применение которого позволяет измельчить гранулы полимерного компонента до размеров в диапазоне до 0.1 – 0,8 мм, что обуславливает более быстрое их набухание и распределение в битуме и позволяет получить полимерно-битумное вяжущее стабильного качества, поскольку при измельчении полимера через гомогенизатор исключено попадание воздуха в объем смеси, что при высоких температурах могло бы привести к интенсивной термоокислительной деструкции полимера.
При этом скорость вращения ротора гомогенизатора должна составлять 800–10000 об/мин. Скорость менее 800 об/мин не позволяет получить однородную смесь, а скорость более 10000 об/мин является нецелесообразной.
При этом величина капиллярных отверстий или зазора узких щелей составляет 0,1–0,8 мм. Величина капиллярных отверстий или зазора узких щелей менее 0,1 мм приводит к быстрому износу оборудования вследствие увеличения площади перетира. При величине капиллярных отверстий или зазора узких щелей более 0,8 мм не достигается требуемый размер гранул полимера.
Для экспериментальной проверки заявленного полимерно-битумного вяжущего по заявленному способу были приготовлены 4 варианта заявленного полимерно-битумного вяжущего с различным содержанием компонентов в заявленных интервалах и различными типами заявленного полимерного компонента.
Далее приводятся конкретные примеры выполнения заявленного технического решения.
Пример 1. Получение полимерно-битумного вяжущего со следующими компонентами: нефтяной гудрон – 95%, СБС полимер радиального типа – 5%.
Нефтяной гудрон в количестве, например, 0,95 кг подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры, например, 130 °С.
Далее подогретый до температуры 130 °С нефтяной гудрон вводят в гомогенизатор при перемешивании.
Далее в гомогенизатор засыпают при перемешивании, например, СБС- полимер радиального типа в количестве, например, 0,05 кг, поддерживая при этом температуру смеси не более 160 °С.
Далее осуществляют перемешивание нефтяного гудрона и СБС- полимера радиального типа в течение 6 часов. Температуру смеси при этом поддерживают не более 160 °С.
Далее смесь охлаждают при комнатной температуре.
Получили 1 кг заявленного полимерно-битумного вяжущего в соотношении: нефтяной гудрон : СБС полимер радиального типа = 95 : 5.
Пример 2. Получение полимерно-битумного вяжущего со следующими компонентами: нефтяной гудрон – 97%, СБС полимер радиального типа – 3%.
Нефтяной гудрон в количестве, например, 0,97 кг подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры, например, 140 °С.
Далее подогретый до температуры 140 °С нефтяной гудрон вводят в гомогенизатор при перемешивании.
Далее в гомогенизатор засыпают при перемешивании, например, СБС- полимер радиального типа в количестве, например, 0,03 кг, поддерживая при этом температуру смеси не более 160 °С.
Далее осуществляют перемешивание нефтяного гудрона и СБС- полимера радиального типа в течение 6 часов. Температуру смеси при этом поддерживают не более 160 °С.
Далее смесь охлаждают при комнатной температуре.
Получили 1 кг заявленного полимерно-битумного вяжущего в соотношении: нефтяной гудрон : СБС полимер радиального типа = 97 : 3.
Пример 3. Получение полимерно-битумного вяжущего со следующими компонентами: нефтяной гудрон – 95%, СБС полимер линейного типа – 5%.
Нефтяной гудрон в количестве, например, 0,95 кг подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры, например, 150 °С.
Далее подогретый до температуры 150 °С нефтяной гудрон вводят в гомогенизатор при перемешивании.
Далее в гомогенизатор засыпают при перемешивании, например, СБС- полимер линейного типа в количестве, например, 0,05 кг, поддерживая при этом температуру смеси не более 160 °С.
Далее осуществляют перемешивание нефтяного гудрона и СБС- полимера линейного типа в течение 6 часов. Температуру смеси при этом поддерживают не более 160 °С.
Далее смесь охлаждают при комнатной температуре.
Получили 1 кг заявленного полимерно-битумного вяжущего в соотношении: нефтяной гудрон : СБС полимер линейного типа = 95 : 5.
Пример 4. Получение полимерно-битумного вяжущего со следующими компонентами: нефтяной гудрон – 97%, СБС полимер линейного типа – 3%.
Нефтяной гудрон в количестве, например, 0,97 кг подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры, например, 160 °С.
Далее подогретый до температуры 160 °С нефтяной гудрон вводят в гомогенизатор при перемешивании.
Далее в гомогенизатор засыпают при перемешивании, например, СБС- полимер линейного типа в количестве, например, 0,03 кг, поддерживая при этом температуру смеси не более 160 °С.
Далее осуществляют перемешивание нефтяного гудрона и СБС- полимера линейного типа в течение 6 часов. Температуру смеси при этом поддерживают не более 160 °С.
Далее смесь охлаждают при комнатной температуре.
Получили 1 кг заявленного полимерно-битумного вяжущего в соотношении: нефтяной гудрон : СБС полимер линейного типа = 97 : 3.
Пример 5. Испытание заявленного полимерно-битумного вяжущего на соответствие требованиям ГОСТ 52056-2003.
Заявленное полимерно-битумное вяжущее было испытано в соответствии с ГОСТ 52056-2003 «Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блок-сополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия» в аккредитованной испытательной лаборатории дорожной организации.
Результаты физико-химических показателей представлены в Таблице на Фиг.
Как видно из Таблицы на Фиг., все показатели полученного полимерно-битумного вяжущего с заявленными компонентами и в заявленных интервалах соотношений компонентов удовлетворяют требованиям ГОСТ 52056-2003 «Вяжущие полимерно-битумные дорожные на основе блок-сополимеров типа стирол-бутадиен-стирол. Технические условия», что подтверждает достижение поставленных целей и заявленных технических результатов.
Основываясь на описанном выше, можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно – разработано полимерно-битумное вяжущее на основе нефтяного гудрона и способ его получения.
• При этом по отношению к полимерно-битумному вяжущему достигнуто (Таблица на Фиг.):
– увеличение растяжимости битума при 25 °С до 97,8 см по сравнению с 40 см у прототипа при требовании ГОСТ не менее 30 см,
– увеличение растяжимости битума при 0 °С до 26,5 см по сравнению с 18 см у прототипа при требовании ГОСТ не менее 15 см,
– снижение температуры хрупкости по Фраасу до минус 26,9 °С по сравнению с минус 25 °С у прототипа при требовании ГОСТ не выше минус 25 °С,
– увеличение глубины проникания иглы при 25 °С до 128 единиц по сравнению с 84 единицами у прототипа при требовании ГОСТ не менее 90 единиц,
– увеличение глубины проникания иглы при 0 °С до 61 единиц по сравнению с 50 единицами у прототипа при требовании ГОСТ не менее 40 единиц,
– высокая стабильность, характеризуемая незначительным изменением температуры размягчения после прогрева полученного полимерно-битумного вяжущего
• При этом по отношению к способу получения полимерно-битумного вяжущего достигнуто:
– упрощение технологии в результате использования нефтяного гудрона, при использовании которого по сравнению с прототипом отсутствует этап окисления нефтяного сырья, необходимый при использовании нефтяного битума,
– снижение себестоимости в результате дешевизны нефтяного гудрона (например, 9 тыс. руб./тн [https://flagma.ru/gudron-so236082-1.html]) по сравнению с нефтяным битумом (например, 18,5 тыс. руб./тн [https://kazan.tiu.ru/p284987806-bitum-neftyanoj-dorozhnyj.html]), что позволяет осуществлять значительную экономию производства полимерно-битумного вяжущего.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не выявлено техническое решение, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения, включая характеристику назначения.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.
1. Полимерно-битумное вяжущее, включающее нефтяной гудрон и полимерный компонент в виде стирол-бутадиен-стирол полимера линейного или радиального типа при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
| нефтяной гудрон | 95–97 |
| стирол-бутадиен-стирол полимер | |
| линейного или радиального типа | 3–5 |
2. Способ получения полимерно-битумного вяжущего по п.1, заключающийся в том, что нефтяной гудрон в количестве 95–97 мас.% подают в нагреватель, где подогревают при перемешивании до температуры 130-160 °С, далее подогретый нефтяной гудрон подают в гомогенизатор при перемешивании, далее в гомогенизатор засыпают при перемешивании полимерный компонент в виде стирол-бутадиен-стирол полимера линейного или радиального типа в количестве 3–5 мас.%, далее осуществляют перемешивание нефтяного гудрона и полимерного компонента в течение 6 часов, температуру смеси при этом поддерживают не более 160 °С, далее полимерно-битумное вяжущее охлаждают при комнатной температуре.
