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Verfahren zur Herstellung von hoehviskosen Dispersionen bituminöser Stoffe.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von bituminösen Stoffen, wie Asphalten, Pechen u. dgl., zwecks Herstellung von wässrigen Dispersionen aus den behandelten bituminösen Stoffen, deren Viskosität höher ist als die Viskosität der unter denselben Verhältnissen mit den unbehandelten bituminösen Stoffen erzielbaren Dispersionen.
Für manche Zwecke, z. B. für den Strassenbau, sind häufig hochviskose wässrige Dispersionen bituminöser Stoffe erwünscht. Zur Herstellung derartiger hochviskoser Dispersionen verfährt man gewöhnlich so, dass der Gehalt an disperser Phase erhöht oder Verdickungsmittel zugesetzt werden. Beide Methoden sind vielfach unzweckmässig ; es wäre wesentlich vorteilhafter, wenn man hochviskose Dispersionen von bituminösen Stoffen herstellen könnte, ohne den Gehalt an disperser Phase zu erhöhen oder Verdickungsmittel zuzusetzen. Es gelingt nämlich, aus ganz bestimmten bituminösen Ausgangsmaterialien ohne Erhöhung des Gehaltes an disperser Phase und ohne Zusatz von Verdickungsmitteln Dispersionen herzustellen, die hochviskos sind, d. h. eine wesentlich höhere Viskosität besitzen als die mit gleichen Mengen eines andern bituminösen Materials hergestellten Dispersionen.
Eine Erklärung hiefür hat man bisher nicht gehabt.
Es wurde nun gefunden, dass die Herstellung von hochviskosen Dispersionen aus bestimmten bituminösen Stoffen auf die Anwesenheit von Bestandteilen im bituminösen Ausgangsmaterial zurückzuführen ist, die Wasser aus der kontinuierlichen Phase adsorbieren können. Es wurde weiter gefunden, dass das nach der Adsorption des Wassers aus der kontinuierlichen Phase entstandene Gleichgewicht in der Dispersion durch die osmotischen Drucke bestimmt wird, die sowohl im Wasser, das sich im dispergierten Material befindet, als auch in der kontinuierlichen Phase der Dispersion herrschen. Im Gleichgewiehtszustande sind diese beiden osmotisehen Drucke gleich.
Bekanntlich ist die Viskosität einer wässrigen Dispersion bei bestimmten Verhältnissen von der Konzentration der dispersen Phase'im System abhängig. Wenn man deshalb die disperse Phase dahin bringen kann, Wasser aufzunehmen, das sonst normalerweise in der kontinuierlichen Phase sein würde, erhöht sich dadurch die Konzentration der dispersen Phase im System, was auch eine Erhöhung der Viskosität zur Folge hat.
Gemäss der Erfindung werden, ausgehend von der oben geschilderten neuen Erkenntnis, den zu dispergierenden bituminösen Stoffen zwecks Erhöhung der Viskosität der aus ihnen herzustellenden Dispersionen durch Behandlung vor der Dispergierung Substanzen einverleibt oder in ihnen gebildet, die in den Teilchen des dispergierten Stoffes einen osmotischen Druck erzeugen, der grösser ist als der osmotische Druck der kontinuierlichen Phase der mit ihnen erzeugten Dispersionen unmittelbar nach ihrer Herstellung, wodurch eine Wasseradsorption von der kontinuierlichen Phase in die disperse Phase der mit den erfindungsgemäss behandelten Stoffen erzeugten Dispersion hervorgerufen wird.
Gemäss der Erfindung werden die betreffenden Substanzen in verhältnismässig kleinen Mengen, nämlich in Mengen von nicht mehr als wenigen Zehntelperzenten, und in so weitgehend fein verteiltem Zustande in den bituminösen Stoffen dispergiert oder gebildet, dass nach der Dispergierung der behandelten bituminösen Stoffe diese Substanzteilchen bzw. ihre Lösungen in den Teilchen der bituminösen Stoffe wesentlich kleiner als die Teilchen der bituminösen Stoffe selbst sind. Substanzen, die erfindungsgemäss zur Behandlung der zu dispergierenden Stoffe verwendet werden können, sind im allgemeinen wasserlösliche
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Substanzen, wie Salze, beispielsweise Alkalichloride,-sulfate,-nitrate,-acetate u. dgl., Säuren, Hydroxyde oder ganz allgemein Elektrolyte, weiter organische Verbindungen, wie Kohlehydrate, z. B.
Rohrzucker, oder Alkohole, wie Glyzerin oder Glykol, Phenole, wie Kresol u. dgl. ; eine andere Klasse von verwendbaren Substanzen sind lyophile Kolloide, wie Gelatine oder Agar-Agar, die kolloidal wasserlöslich sind oder die, während sie eigentlich nicht wasserlöslich sind, doch eine wesentliche Wasseradsorption aus der kontinuierlichen in die disperse Phase hervorrufen können, weil sie in Wasser aufquellen oder gelatinieren. Bei Anwendung der letztgenannten Substanzen ist das erzielte osmotische Gleichgewicht nicht derselben Art wie im Falle der wasserlöslichen Substanzen, wie Elektrolyte oder Kohlehydrate, sondern mit dem als Donnan-Gleichgewicht bekannten Gleichgewicht vergleichbar.
Weitere Beispiele von gemäss der Erfindung verwendbaren Substanzen sind solche, die löslich oder leicht dispergierbar im zu dispergierenden Material sind und in Berührung mit Wasser einen wasserlöslichen Stoff bilden. Ein solcher Stoff ist beispielsweise das Trichloräthylen, das in Berührung mit Wasser Salzsäure abspaltet.
Durch Einverleibung von z. B. 1% Trichloräthylen in das zu dispergierende bituminöse Ausgangsmaterial wird die Viskosität der mit ihm erzeugten Dispersionen bedeutend erhöht.
Diese Substanzen können dem zu behandelnden Material in festem Zustande oder als Lösung einverleibt werden. Falls man diese Substanzen dem Material als Lösung einverleiben will, kann man diese Lösung einem Rohmaterial zusetzen, das man sodann einer Behandlung, beispielsweise einer Trocknung oder Destillation, aussetzen kann, zwecks Entfernung des Lösungsmittels oder zwecks Umwandlung des Rohmaterials in ein zu dispergierendes Material mit den verlangten Eigenschaften. Man kann auch die Dispergierung des behandelten Materials unmittelbar ohne Trocknung oder Destillation vornehmen.
Gemäss der Erfindung können verhältnismässig hochviskose, wässrige Dispersionen durch Dispergierung der wie oben beschrieben behandelten Materialien nach irgendeinem der bekannten Dispergierverfahren erhalten werden.
Es wurde gefunden, dass die dem zu dispergierenden Material einzuverleibende, z. B. wasserlösliche Substanz, um wirksam zu sein, zu Teilchen solcher Grösse dispergiert werden muss, dass sie im Verhältnis zur Teilchengrösse des in der fertigen Dispersion dispergierten Materials klein sind. Wenn die Teilchen der wasserlöslichen Substanz sich der Teilchengrösse des dispergierten Materials nähern, wird nach der Wasseradsorption der Durchmesser der Wassertröpfchen gewöhnlich zu gross sein, um mit dem Material verbunden zu bleiben, so dass die dispergierten Teilchen sich entmischen mit darauffolgendem Eintritt der wasserlöslichen Substanz in die kontinuierliche Phase, wo sie eine Wirkung entgegengesetzt zur verlangten Wirkung ausüben wird.
In gewissen Fällen lässt sich die wasserlösliche Substanz durch einfache Mischung in genügend feinverteiltem Zustande dem zu dispergierenden Material einverleiben, wobei man dieses letztere, wenn es unter atmosphärischen Verhältnissen fest ist, in flüssigen oder halbflüssigen Zustand bringen kann, z. B. durch Erhitzung. Wenn aber eine genügende Feinverteilung nicht leicht durch einfaches Mischen der wasserlöslichen Substanz mit dem flüssigen oder verflüssigten Material erreicht wird, können besondere Methoden für die Einverleibung angewendet werden. So kann man z.
B., wenn es sich um die Behandlung eines Öldestillationsbitumens zwecks Herstellung von hochviskosen Dispersionen aus diesem Bitumen handelt, eine geeignete Menge von Natriumchlorid oder einem andern Elektrolyten, dem Rohöl, getoppten Rohöl oder Heizöl, aus dem das Bitumen als Destillationsrückstand gewonnen wird, einverleiben.
Falls erwünscht, kann man die dem zu dispergierenden Material einzuverleibende Substanz einem Teil des Materials zusetzen und diesen Teil mit dem unbehandelten Teil vermischen. Zum Beispiel kann man bei der Herstellung eines zur Dispergierung bestimmten Bitumens mit einer Penetration von 300 durch Mischen von Fluxöl mit härterem Bitumen das Fluxöl oder einen Teil desselben erfindungsgemäss vorbehandeln und dann mit dem harten Bitumen oder mit dem bereits mit dem andern Teil des Fluxöls behandelten harten Bitumen vermischen, um so ein für die Herstellung von erfindungsgemässen Dispersionen geeignetes Ausgangsmaterial zu erhalten.
Hochviskose Dispersionen können auch dadurch erhalten werden, dass man eine geeignete Menge eines bituminösen Materials mit einem verhältnismässig hohen Gehalt an den osmotischen Druck erhöhenden Bestandteilen mit einem solche Bestanteile nicht enthaltenden bituminösen Material vermischt und das
Gemisch dispergiert.
Zur Erzielung einer genügenden Feinverteilung der wasserlöslichen Substanz im behandelten Material kann man diesem letzteren vor seiner Dispergierung in Wasser eine geringe Menge eines Dispergierungsmittels zur Erzeugung einer Wasser-in-Öl-Dispersion zusetzen, wodurch es möglich wird, dem Material eine geringe Menge von wasserlöslicher Substanz in Form einer Wasser-in-Öl-Dispersion einzuverleiben. Das Material enthält dann nach Dispergierung in Wasser die wasserlösliche Substanz in einem dispergierten Zustande, infolge des Zusetzens eines Mittels, das die Erzeugung einer Wasserin-Öl-Dispersion der wasserlöslichen Substanz befördert.
Beispiele solcher Mittel sind wasserunlösliche Seifen, wie Aluminium-, Magnesium-oder Calciumoleate,-resinate,-sulfonate und ähnliche Stoffe, die im behandelten Material löslich oder dispergierbar sind.
Bei der praktischen Ausführung dieser Ausführungsform der Erfindung können die wasserlösliche Substanz und das Wasser-in-Öl-Dispergierungsmittel dem zu dispergierenden Material gesondert zugesetzt
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werden ; man kann aber auch zuerst eine Dispersion der wasserlöslichen Substanz im betreffenden Dispergierungsmittel bereiten und diese Dispersion dem behandelten Material zusetzen, das gegebenenfalls noch weiterbehandelt, wie getrocknet oder destilliert, werden kann, bevor es dispergiert wird.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ermöglicht eine für die Technik sehr wertvolle Regelung der in den fertigen Dispersionen zu erzielenden Viskositäten. So ist es z. B. bei der Herstellung von bituminösen Dispersionen nach bekannten Verfahren, beispielsweise für den Strassenbau, in manchen Fällen möglich, die Viskosität der fertigen Dispersion auf das Zwei-bis Dreifache oder sogar das Fünf-bis Sechsfache der Viskosität zu erhöhen, die durch das normale Verfahren ohne Anwendung der Erfindung erzielt wird.
Die aus den nach der Erfindung behandelten, bituminösen oder andern Materialien hergestellten Dispersionen zeigen ähnlich wie Dispersionen ähnlicher Viskosität, die nicht unter Anwendung der Erfindung hergestellt sind, eine gewisse Viskositätserhöhung in der Zeit, die unmittelbar auf ihre Herstellung folgt. Die Viskosität steigt dann bis auf ein Maximum und fällt darauf wieder auf einen etwas niedrigeren Wert, der mehr oder weniger konstant bleibt.
Beim Arbeiten nach der Erfindung ist im allgemeinen die erzeugte Viskosität verhältnismässig beständig, d. h. die Dispersion erleidet während der normalen Lagerungsdauer keinen abnormalen Viskositätsrückgang. Es wurde gefunden, dass der Rückgang, wenn überhaupt, geringer sein kann als derjenige, der gewöhnlich bei hochviskosen Dispersionen auftritt, die ohne Anwendung der Erfindung hergestellt worden sind.
Bei der praktischen Durchführung der Erfindung wurde gefunden, dass die Stoffe, die zur Bildung einer Wasser-in-Öl-Dispersion der wasserlöslichen Substanz im behandelten Material angewendet werden, auch die Erzeugung einer sehr beständigen Viskosität fördern. In besonderen Fällen kann es zweckmässig sein, einen Stoff zuzusetzen, der speziell als Viskositätsstabilisator dient, was vorzugsweise zusammen mit der Einverleibung der wasserlöslichen Substanz in das zu dispergierende Material erfolgt. Beispiele solcher Stabilisatoren sind Alkalisalze organischer Sulfosäuren, Dammarharz und andere ähnlich wirkende Stoffe.
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung :
1. Einem asphaltischen Rohöl oder einem von den niedrig siedenden Fraktionen durch Destillation befreiten Rohöl oder einem Heizöl werden 1-75% seines Gewichtes einer 0-57% igen wässrigen Lösung von Natriumchlorid durch mehrmaligen Durchgang durch einen schnellaufenden Desintegrator oder eine Kolloidmühle einverleibt. Das derart behandelte Öl wird einer normalen Destillation unterworfen, um einen Rückstand zu erhalten, der eine Penetration von 200, gemessen nach der Standardmethode, hat. Dieses Bitumen wird dann mit Hilfe einer l'5%igen Kaliumoleatlösung in einer sogenannten Hurrellmühle dispergiert. Bei einem 58% eigen Bitumengehalt der Dispersion ist ihre Viskosität 0-37 Poise.
Für Vergleichszwecke wird unter denselben Bedingungen eine Dispersion eines aus demselben Rohmaterial erhaltenen, unbehandelten Asphaltrückstandes von gleicher Penetration hergestellt ; diese Dispersion zeigt eine Viskosität von 0-25 Poise.
2. Einem Erdöldestillationsbitumen venezuelanischen Ursprunges, das bis zu einer Pentration von 300 abdestilliert worden ist, werden nach Verflüssigung durch Erhitzung auf 90-120 3-4% seines Gewichtes einer 0. 57% Natriumchlorid enthaltenden Lösung wie im Beispiel 1 einverleibt, worauf dieses Bitumen wie im Beispiel 1 dispergiert wird. Die fertige Dispersion hat bei einem Bitumengehalt von 58% eine Viskosität von 0-44 Poise.
Eine ähnliche Dispersion, hergestellt mit dem gleichen, aber unbehandelten Bitumen, zeigt eine Viskosität von 0-12 Poise.
3. Unter denselben allgemeinen Bedingungen wie oben werden 0-2% einer 20% igen wässrigen Lösung von Natriumnitrat unter innigem Verrühren dem zu dispergierenden Material einverleibt, worauf dieses letztere in einer gleichen Menge einer 1% Kaliumoleat und 0. 05% Kaliumhydroxyd enthaltenden Lösung dispergiert wird.
4. Unter denselben allgemeinen Bedingungen wie oben werden 0-1% einer konzentrierten Salzsäurelösung dem zu dispergierenden Material einverleibt, worauf dieses letztere in einer ungefähr gleichen Menge einer 1% Kaliumoleat und 0-1% Kaliumhydroxyd enthaltenden Lösung dispergiert wird.
5. Ein Mineralöldestillationsbitumen venzuelanischen Ursprungs wird mit einem vorbereiteten, homogenen Gemisch von 0-2% Aluminiumoleat oder-stearat, 0-05% Kaliumchlorid, 0-1-0-5% Leucht- petroleum oder anderm Mineralöl und 0. 4% Wasser, berechnet auf das Gewicht des Bitumens, behandelt.
Das behandelte Material wird dann in einer gleichen Menge 1% Kaliumoleat und 0. 05% Kaliumhydroxyd enthaltenden wässrigen Lösung dispergiert.
6. Dasselbe Material wie im Beispiel 5 wird mit 0-6 Gewichtsprozent eines homogenen Gemisches von 50% Magnesiumsulfonat, aus den bei der Sulfonierung von Schmieröl od. dgl. Ölfraktionen entstandenen öllöslichen Sulfonsäuren herrührend, 25% Spindelöl, 10% Natriumchlorid und 15% Wasser behandelt und darauf wie im Beispiel 5 dispergiert.
7. 0-3-0-5% Glyzerin, z. B. Rohglyzerin, werden mit einem durch Erhitzung auf 90-120 C verflüssigten Bitumen der im Beispiel 2 erwähnten Art innig vermischt und das derart behandelte Material wird wie im Beispiel 5 dispergiert.
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8. Im Beispiel 7 wird ein Teil des Glyzerins durch ein Alkalisalz ersetzt, z. B. 0-2% Glyzerin und 0-02% Natriumehlorid, bezogen auf das Gewicht des zu behandelnden Materials, und diese Stoffe werden vor ihrer Einverleibung in das zu behandelnde Material innig miteinander vermischt.
9. Im Beispiel 7 oder 8 wird das Glyzerin, mit zugesetztem Salz oder ohne solches, mit einer Menge von öllöslichen Natriumsulfonat im Verhältnis von 0-01 Gewichtsprozent des zu dispergierenden Materials gemischt.
10. Gleiche Mengen einer 20% igen wässrigen Natriumacetatlösung und einer 4% eigen Dammarharzlösung in Mineralöl werden miteinander emulgiert und 1% dieses Gemisches werden unter innigem Rühren einem auf 90-120 C erhitzten Mineralöldestillationsbitumen zugesetzt, das darauf wie im Beispiel 5 dispergiert wird.
11. 1% einer 20%igen Gelatinelosung- in Wasser werden verflüssigtem bituminösem Material einverleibt ; die erhaltene Masse wird darauf in bekannter Weise dispergiert.
Aus den obigen Beispielen geht hervor, dass der neue technische Erfolg durch Einverleibung von verhältnismässig sehr geringen Mengen in das zu dispergierende Material erzielt wird. Auch werden durch diese Behandlung die physikalischen Eigenschaften der behandelten bituminösen Stoffe nicht wesentlich verändert ; die einverleibten Substanzen üben keine wesentliche chemische Wirkung auf die bituminösen Stoffe aus.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, bituminösen Stoffen für verschiedene Zwecke Stoffe ein- zuverleiben. So ist es bei der Herstellung von wässrigen Dispersionen bekannt, die zu dispergierenden, bituminösen Stoffe mit Substanzen verschiedener Art zu behandeln, wie wasserunlöslichen Farb- und Füllstoffen, organischen Lösungsmitteln oder Stoffen, die eine chemische Wirkung auf das Bitumen ausüben, wobei die Konsistenz und andere physikalische Eigenschaften des Bitumens oder sein Dispergiervermögen geändert werden, oder auch mit Substanzen, die bei ihrem Übergang in die kontinuierliche Phase der Dispersion als Dispergatoren oder Stabilisatoren wirken.
Es war dabei aber nicht bekannt, dass eine erhebliche Erhöhung der Viskositäten der fertigen Dispersionen durch Einverleibung von verhältnismässig geringen Mengen der beschriebenen Substanzen in die bituminösen Stoffe erzielt werden kann, indem diese Substanzen in den Teilchen des dispergierten Materials einen besonderen osmotischen
Druck hervorrufen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von hochviskosen Dispersionen bituminöser Stoffe, dadurch gekennzeichnet, dass man dem Ausgangsmaterial vor der Dispergierung wasserlösliche Substanzen, wie Salze, Säuren, Alkalien, Kohlenhydrate, Alkohole, Phenole, in Mengen von nicht mehr als wenigen Zehntelperzenten in feinverteilter Form einverleibt, so dass in den mit diesem Ausgangsmaterial hergestellten Dispersionen eine Wasseradsorption aus der kontinuierlichen Phase in die disperse Phase stattfindet.