AT221013B

AT221013B - Asphaltische Bitumenemulsionen vom Öl-in-Wasser-Typ

Info

Publication number: AT221013B
Application number: AT481160A
Authority: AT
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 1959-06-25
Filing date: 1960-06-23
Publication date: 1962-04-25

Description

Asphaltische Bitumenemulsionen vom Öl-in-Wasser-Typ
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die kombinierten Zusatzstoffe einen synergistischen Effekt hinsichtlich der Viskosität der Emulsion aus- üben. Ausserdem werden die Emulsionen unter einem pH-Wert von etwa 10 ausserordentlich unbeständig und sind für die meisten Verfahren zur Herstellung von Strassenüberzügen ungeeignet.

Gegenstand der Erfindung ist also eine Öl-in-Wasser-Asphaltbitumenemulsion, welche ein Emulgierungsmittel enthält, wobei das asphaltische Bitumen ein für Strassenbau geeignetes Bitumen darstellt und die wässerige Phase einen pH-Wert von 10,0 bis 11,2 aufweist und einen in Wasser quellbaren Ton sowie ein in Wasser dispergierbares Polysaccharidderivat enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Ton zu Polysaccharidderivat zwischen 6 : 1 und 2 : 1 liegt.

Die Kombination von Ton mit dem in Wasser dispergierbaren Zellulosederivat in den angegebenen Mengenverhältnissen ergibt bei den genannten Asphaltbitumenemulsionen einen synergistischen, die Viskosität erhöhenden Effekt. Um die Asche bildende Komponenten in der Emulsion niedrig zu halten, wird die Menge des Tons in der wässerigen Phase vorzugsweise auf weniger als 2 Gel.-%, berechnet auf asphaltisches Bitumen, eingestellt.

Die hauptsächlich in Betracht gezogenen Tone umfassen die Montmorillonite, insbesondere die Natrium-, Kalium- oder Lithiumbentonite, wie Wyomingbentonit, Magnesiumbentonit (manchmal als Hektorit bezeichnet) und Saponit, wobei die Bentonittone bevorzugt werden. Es können auch Nontronit, Atapulgit und Fullererden, insbesondere solche vom'Georgia-Florida-Typ, verwendet werden. Vorzugsweise benutzt man Tone mit einem wesentlichen Basenaustauschvermögen, da sich gezeigt hat, dass sie die gewünschte relativ hohe Quellfähigkeit bei Anwesenheit von Wasser aufweisen. Vorzugsweise liegt die Basenaustauschfähigkeit der verschiedenen genannten Tone zwischen etwa 15 und etwa 100 Milliäquivalent austauschbarer Base auf 100 g des Tons. Die Montmorillonite haben ein verhältnismässig hohes Basenaustauschvermögen, gewöhnlich 60-100.

Atapulgit und Illit haben ein beachtliches Basenaustauschvermögen (15-40). Im allgemeinen sind die Tone mit höherem Basenaustauschvermögen, nämlich solche mit einem Austauschvermögen von mindestens 25, in den asphaltischen Bitumenemulsionen gemäss vorliegender Erfindung besonders gut brauchbar.

Die Tone, wie die vorstehend genannten, zeigen in asphaltischen Bitumenemulsionen ein gewisses Verdickungsvermögen, wie nachstehend näher erläutert werden soll. Um die Viskosität vieler asphaltischer Bitumenemulsionen in stärkerem Masse zu erhöhen, ist es erforderlich, eine aussergewöhnlich grosse Menge des Tons anzuwenden, was jedoch zu einem erhöhten Aschengehalt führt.

Die Anwendung von in Wasser dispergierbaren Zellulosederivaten zur Steigerung der Viskosität asphaltischer Bitumenemulsionen ist als ein Parallelfall zur Anwendung von Ton betrachtet worden. Wegen des verhältnismässig hohen Preises dieser Stoffe war ihre Anwendung aber aus wirtschaftlichen Gründen beschränkt.

Es ist daher erwünscht, ein verhältnismässig billiges Material, wie Ton, zu verwenden, um die aussergewöhnlich hohe Wirksamkeit bezüglich der Steigerung der Viskosität durch wasserlösliche Zellulosederivate noch zu unterstützen. Bei Prüfung von Mischungen der vorstehend erwähnten Art wurde festgestellt, dass ein synergistischer Effekt bezüglich der Viskosität von asphaltischen Bitumenemulsionen erzielt wird, wenn das Mengenverhältnis zwischen Ton und in Wasser dispergierbarem Zellulosederivat im Bereich von etwa 6 : 1 bis etwa 2 : 1 gehalten wird, wobei es ausserdem wesentlich ist, dass der pH-Wert der wässerigen Asphaltemulsion beschränkt wird auf einen Wert zwischen etwa 10,0 und 11,2.

Die in Wasser dispergierbaren Polysaccharidderivate (z. B. Stärke-oder Zellulosederivate), welche zur Anwendung in den asphaltischen Bitumenemulsionen gemäss vorliegender Erfindung brauchbar sind, umfassen drei grundsätzlich verschiedene Gruppen ; l. Die bevorzugte Klasse umfasst die Alkali- (vorzugsweise Natrium-) Salze von Carboxymethylzellulose ; 2. Hydroxyäthylzellulose und 3. Methylzellulose.

Die chemische Natur und die Eigenschaften dieser Zellulosederivate sind allgemein bekannt, so dass eine weitere Beschreibung nicht erforderlich ist. An Stelle der Zellulosederivate oder zusätzlich zu diesen können die entsprechenden Stärkederivate angewendet werden. Die Derivate existieren mit einer Vielzahl von Viskositätswerten, nicht nur in Abhängigkeit von dem Substitutionsgrad der angeführten funktio- nellenGruppen (wieCarboxymethyl) anStelle derHydroxylgruppen, sondern auch von dem Grad der Polymerisation (oder Depolymerisation) der Zellulose. Es können gemischte Derivate sowie auch Mischungen von Derivaten angewendet werden.

Wie. das Beispiel zeigt, wird ein wesentlicher und unerwarteter synergistischer Effekt erzielt durch gewisse Kombinationen der beiden beschriebenen Klassen von Hilfsmitteln. Diese Kombination ermöglicht also die Herstellung von asphaltischen Bitumenemulsionen mit einer unerwartet hohen Viskosität bei einem bestimmten Bitumengehalt. Hiedurch wird die Produktion der asphaltischen Bitumenemulsionen ermöglicht, die bei einem bestimmten Bitumengehalt eine in grossem Umfang variierende Viskosität aufweisen. Hinsichtlich der technischen Verwertung solcher Emulsionen ist es auch wesentlich, dass durch

die vorliegende Erfindung die gleichzeitige Erzielung der Viskositätsanforderungen und der Anforderungen in bezug auf den Bitumengehalt entsprechend den zahlreichen Vorschriften für solche Bitumenemulsionen ermöglicht wird.

Zusätzlich zu den Verdickungsmitteln, nämlich Ton und in Wasser dispergierbaren Zellulosederivaten, müssen die Emulsionen ein Emulgierungsmittel enthalten. Es sind zahlreiche solche Mittel in der Technik bekannt ; die am günstigsten wirkenden sind die in Wasser dispergierbaren Seifen. Besonders zweckmässig besteht der Emulgator aus einer Alkaliseife höherer Fettsäuren. Die höheren Fettsäuren können die Gemische von Säuren umfassen, die in natürlich auftretenden Produkten, wie Tallöl, Fischöle, pflanzliche Öle u. dgl., enthalten sind. Normalerweise sind die Seifen Natrium- oder Kaliumseifen einer oder mehrerer Säuren, wie Laurin-, Myristin-. Palmitin-, Stearin-, Öl-, Rizinol-, Linol- oder Linolensäure sowie Gemische solcher Säuren.

Andere geeignetesäuren sind erhältlich aus Kokosnussöl, Palmkern- öl, Maisöl, Baumwollsaatöl, Sardinenöl, Sojabohnenöl oder Erdnussöl. Teilweise oder vollständig hydrierte, tierische und pflanzliche Öle können zusätzlich zu oder an Stelle anderer Säuren verwendet werden, wie z. B. die Carbonsäuren, die hergestellt worden sind durch Oxydation von Erdöl oder Paraffinwachs u. dgl.

Die in Wasser löslichen Emulgierungsmittel werden vorzugsweise in Mengen zwischen etwa 0,25 und 2%, berechnet auf das Gewicht der wässerigen Phase, angewendet.

Emulsionen, die normalerweise den Anforderungen der Praxis entsprechen, enthalten zwischen etwa
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die Abnahmevorschriften beschränkt auf solche Emulsionen, die bei 250C eine Viskosität zwischen 20 und 100 (Seibold Furfurol) aufweisen, während gleichzeitig der Gehalt an asphaltischem Bitumen zwischen 57
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Sekunden (Seibold Furfurol) liegt, während die Produkte einen asphaltischen Bitumengehalt zwischen etwa 62 und 69 Grew.-% aufweisen.

Die bei vorliegender Erfindung verwendeten asphaltischen Bitumina sind solche, wie sie zum Strassea bau verwendet werden können, und haben normalerweise eine Penetration zwischen etwa 20 und etwa 30
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mühle übergeführt, in welcher es einer starken scherenden Wirkung zusammen mit der das Emulgierungsmittel enthaltenden Wasserphase unterworfen wird.

Beispiel : Es wurden Emulsionen hergestellt, welche 1, 5 Gew.-% Tallöl mit wechselnden Mengen
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halten. Die verwendete Menge des Natriumhydroxyds betrug 75ils der Tallölsäuren. Die verwendete Menge des Natriumhydroxyds war so gross, dass 75% der Tallölsäuren durch das Hydroxyd auf einen pH-Wert von 10 neutralisiert wurden. Bei dem pH-Wert 11 waren im wesentlichen äquivalente Mengen des Natriumhydroxyds und Tallölsäuren vorhanden und bei einem pH-Wert von 11,5 lag ein 25% iger Oberschuss an Hydroxyd gegenüber den Säuren vor. Bei alkalischen Werten unter PH 10 waren die Emulsionen äusserst unbeständig, während über etwa PH 11,2 kein ersichtlicher synergistischer Effekt durch die Kombination von Ton mit Natriumcarboxyzellulose erzielt wurde.

Aus der Tabelle ergibt sich, dass die zur Regelung der Viskosität verwendeten Zusatzmittel äusserst schwach waren im Verhältnis zu den Vorschriften, welche bezüglich der RS-2-Emulsionen aufgestellt werden. Der Zusatz von 1'1/0 Bentonit zu den drei verschiedenen Emulsionen verursachte nur eine unbedeutende Steigerung in der Viskosität der Emulsionen. Die Änderung in der Viskosität war vollkommen ungenügend im Hinblick auf die Vorschriften für RS-2-Emulsionen. Bei Anwendung von 0, 25 grew.-% Natriumcarboxyzellulose in Abwesenheit von Ton wurde nur eine mässige Steigerung in der Viskosität der Emulsion festgestellt.

Die Kombination von Ton mit der Natriumcarboxymethylzellulose führte jedoch zu einem vollständig unerwarteten synergistischen Effekt hinsichtlich der Emulsionsviskosität, wenn der pH-Wert 10, 0 bzw. 11, 0 betrug. Bei dem höheren pH-Wert (11,5), bei welchem überschüssiges Natriumhydroxyd vorhanden war, war der synergistische Effekt von allzu geringer Grössenordnung, um einen Vorteil zu gewähren.

Tabelle
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<tb>
<tb> Konzentration <SEP> in <SEP> Gew.

<SEP> -10 <SEP> Emulsionsviskosit t <SEP> bei <SEP> 500C <SEP> (SSF) <SEP>
<tb> Bentonit <SEP> Natriumcarboxymethylzellulose <SEP> pH <SEP> 11,5 <SEP> pH <SEP> 11, <SEP> 0 <SEP> PH <SEP> 10, <SEP> 0
<tb> 22 <SEP> 22 <SEP> 22
<tb> 1, <SEP> 0-23 <SEP> 27 <SEP> 33
<tb> - <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 88 <SEP> 110 <SEP> 135
<tb> 1, <SEP> 0 <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 115 <SEP> 160 <SEP> 220
<tb>

Es ist gefunden worden, dass der synergistische Effekt bezüglich der Emulsionsviskosität, wie vorstehend beschrieben, praktisch wegfällt, wenn die asphaltischen Bitumenemulsionen mehr als etwa le Überschuss an freier Base über die zur Neutralisation der Fettsäuren erforderliche Menge hinaus enthalten.

Anderseits sind die Emulsionen ausserordentlich unbeständig, wenn sie mehr als etwa lOo unverseifte Fettsäuren enthalten.

- Die asphaltischen Bitumenemulsionen gemäss vorliegender Erfindung können auch noch Bestandteile enthalten, die hier nicht ausdrücklich angeführt worden sind. Es hat sich jedoch als unerwünscht gezeigt, den Emulsionen faserige Füllstoffe u. dgl. einzuverleiben, wenn die Mengen dieser Stoffe so gross sind, dass sie mehr els etwa 2 Gew.-'% Asche in dem Gemisch ergeben. Solche Stoffe können die charakteristischen Eigenschaften der Emulsionen in solchem Ausmasse verändern, dass sie für die Herstellung von Überzügen bzw. Strassendecken unbrauchbar sind. Ausserdem wird durch übermässige Anwendung solcher faseriger Füllstoffe (z. B. Asbest) die die Viskosität steigernde Wirkung im Sinne der vorliegenden Erfindung beeinträchtigt.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Asphaltische Bitumenemulsion vom Öl-in-Wasser-Typ, welche ein Emulgierungsmittel und ein in Wasser dispergierbares Polysaccharidderivat enthält und in welchem die Asphalt-Bitumenbase ein asphaltisches Bitumen darstellt, das für den Strassenbau bzw. zur Herstellung von Überzügen geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wässerige Phase einen pH-Wert zwischen 10,0 und 11,2 aufweist und neben dem Polysaccharidderivat einen in Wasser quellbaren Ton enthält, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen Ton und Polysaccharidderivat zwischen 6 : 1 und 2 : 1 liegt.

Claims

2. Emulsion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des in der wässerigen Phase enthaltenen Tons weniger als 2 Gew.-%, berechnet auf das asphaltische Bitumen, beträgt.

3. Emulsion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der wässerigen Phase enthaltene Ton ein Basenaustauschvermögen zwischen 15 und 100 Milliäquivalenten pro 100 g besitzt.

4. Emulsion nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in der wässerigen Phase enthaltene Ton ein Bentonitton ist.

5. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaecharidderivat ein Alkalisalz von Carboxymethylzellulose ist.

6. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0, 25-2 Gew. eines Emulgierungsmittels, berechnet auf die Wasserphase, enthält.

7. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Emulgierungsmittel eine in Wasser dispergierbare Alkaliseife ist.

8. Emulsion nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Emulgierungsmittel ein Alkalisalz einer höheren Fettsäure ist.

9. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie 55 - 70 Gew. -% asphaltisches Bitumen enthält.

10. Emulsion nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das asphaltische Bitumen bei 25 C eine Penetration zwischen 20 und 300 und einen Ring-Kugel-Erweichungspunkt zwischen 38 und 54 C hat.