Verfahren zur Herstellung von Formmassen aus Gemischen aus Bitumen und Polyolefinen
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Formmassen aus Bitumen und Mono-Olefinpolymerisaten.
Es ist bekannt, dass man Bitumen in einem weiten Konzentrationsbereich mit Polyolefinen, insbesondere Polyäthylen, homogen vermischen kann. Die erhaltenen Formmassen können z. B. zur Beschichtung von Metalloberflächen zum Schutz gegen Korrosion oder als Vergussmassen verwendet werden.
Man kann derartige Gemische aber auch als Bindemittel in Formmassen verwenden, die meist zum überwiegenden Teil aus grosskörnigen mineralischen Füllstoffen bestehen. Derartige Formmassen kommen z. B. zur Herstellung von Rohren und Strassenbelägen in Frage.
Die Herstellung von Formmassen aus Bitumen und Polyolefinen wird heute noch im allgemeinen am Ort ihrer Verarbeitung in kleinen Chargen derart vorgenommen, dass man entweder die festen Polyolefine in aufgeschmolzenes Bitumen oder festes oder geschmolzenes Bitumen in aufgeschmolzene Polyolefine einrührt. Es ist auch bekannt, dem Bitumen Polyäthylen in Form einer Lösung zuzusetzen und anschliessend das Lösungsmittel zu verdampfen.
Diese bekannten Verfahren sind jedoch für die grosstechnische Herstellung von Mischungen aus Bitumen und Polyolefinen zu langwierig und aufwendig, insbesondere wenn von erstarrtem Bitumen ausgegangen wird.
Aufgabe dieser Erfindung ist nun ein Verfahren zur besonders raschen Herstellung von Formmassen aus Bitumen und Mono-Olefinpolymerisaten. Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Formmassen aus Bitumen und Mono-Olefinpolymerisaten, das unmittelbar mit der Gewinnung von Bitumen aus Erdöl kombiniert werden kann. Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden Beschreibung.
Diese Aufgaben können mit Vorteil gelöst werden, indem man die geschmolzenen Olefinpolymerisate in Form dünner Stränge in einen Strom geschmolzenenBitumens, das eine Penetration von min destens45 hat, in Richtung desBitumenstromes extrudiert. Bitumen, dessen Penetration wesentlich unter 45 liegt, ist für das Verfahren nicht geeignet. Ungeblasenes Bitumen wird für das Verfahren vorgezogen.
Geeignetes Bitumen weist im allgemeinen eine Penetration zwischen 45 und 200 auf. Unter Penetration versteht man die Eindringtiefe einer Normnadel (in 1/10 mm) in Bitumen bei 250 C und einer Belastung von 100 g während 5 Sekunden nach DIN 1995. (Die genormte Nadel besteht aus einem zylindrischen Stahldraht von 51 mm Länge und 1,00-1,02 mm Durchmesser.
Der Stahldraht ist an einem Ende zu einem gleichmässigen 6,35 mm hohen Kegel mit einem Winkel von 8040'-9040' zugespitzt. Die Spitze des Kegels ist flach abgeschliffen, bis zu einer Fläche mit einem Durchmesser von 0,14-0,16 mm.)
Als Olefinpolymerisate kommen für das Verfahren ausser den nach den üblichen Hoch- und Niederdruckpolymerisationsverfahren hergestelltenPolyäthylenen, die vorgezogen werden, auch Polypropylen, Polyisobutylen und Mischpolymerisate aus Äthylen mit Propylen, Buten-l oder anderen äthylenisch un gesättigten Monomeren, wie besonders Vinylacetat, Vinylpropionat und beziehungsweise oder Acrylsäureestern von Alkanolen mit 1-4 Kohlenstoffatomen in Frage.
Verwendet man Polyäthylen, so liegt dessen Schmelzindex im allgemeinen zwischen 5 und 30, vorzugsweise zwischen 10 und 20, doch können auch Polyäthylene mit grösserem oder kleinerem Schmelzindex verwendet werden. Die hier angegebenen Schmelzindices werden nach ASTM D 1238-57 T bestimmt. Besonders interessant ist das Verfahren für Polyäthylene einer Dichte von 0,916-0,940 und Mischpolymerisate aus 95-70 Gewichtsprozent Äthylen mit 5-30 Gewichtsprozent Vinylacetat und/ oder Acrylsäureäthylester und/oder Propylen, die einen Schmelzindex von 10-20 aufweisen.
Die Temperatur des geschmolzenen Bitumens soll bei dem Verfahren im allgemeinen zwischen 150 und 2500 C, vorzugsweise zwischen 190 und 250 C liegen. Die Temperatur der Olefinpolymerisate beträgt beim Extrudieren vorzugsweise zwischen 200 und 250 C, sie kann jedoch auch unter 200 C, z. B. bei 1800 C liegen. Bei dem Verfahren werden die Olefinpolymerisate durch Düsen in den Strom des geschmolzenen Bitumens extrudiert, die im allgemeinen einen Durchmesser von 0,5-5, vorzugsweise von 0,5-2mm, aufweisen.
Dabei verwendet man je kg des je Stunde zu extrudierenden Olefinpolymerisates, beziehungsweise des Gemisches aus Olefinpolymerisat und mineralischem Füllstoff, im allgemeinen 2-20, vorzugsweise 5-10 Düsen, wobei eine umso höhere Zahl von Düsen gewählt wird, je kleiner der Durchmesser der Düsen ist. Die dünnen Stränge des Olefinpolymerisates sollen sich in Strömungsrichtung des Bitumens hinter den Düsen nicht berühren, und der Bitumenstrom weist hinter den Düsen vorzugsweise laminare oder höchstens wenig turbulente Strömung auf. Der Bitumenstrom befindet sich zweckmässig in einem Rohr und kann mit besonderem Vorteil vom Sumpfablauf, der für die Herstellung von Bitumen aus Erdöl verwendeten Ausquetschverdampfer direkt zugeführt werden.
Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens können mehrere Düsen zum Extrudieren der Olefinpolymerisate in einem Querschnitt der für die Bitumenführung verwendeten Rohre angeordnet sein. Man kann aber auch mehrere Düsen in Strömungsrichtung des Bitumens in geeignetem Abstand hintereinander anordnen. Ferner ist es möglich und besonders für die Herstellung von Formmassen mit einem hohen Anteil an Olefinpolymerisaten vorteilhaft, jeweils mehrere Düsen in 2 oder mehr in Strömungsrichtung des Bitumens in geeigneten Abständen hintereinanderliegenden Querschnitten anzuordnen. Zum Auflösen in dem geschmolzenen Bitumen sollen die Stränge der Olefinpolymerisate eine genügend lange Zeit, die etwa 0,5-15 Sekunden oder auch 25 Sekunden betragen kann, parallel oder nahezu parallel gelagert im Bitumenstrom verweilen.
Eine besonders rasche Auflösung der Olefinpolymerisate kann auch erreicht werden, indem man hinter die Düsen, durch die Polyolefine extrudiert werden, Mischdüsen, in denen eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit herrscht, anordnet. Die Strömungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Bitumens kann bei dem Verfahren in weiten Grenzen variiert werden und beträgt vorzugsweise 0,3-1,5 m/Sekunde. Nach einer im allgemeinen 0,3-1,5 m betragenden, an die für das Extrudieren der Olefinpolymerisate vorgesehenen Düsen anschliessende Strecke zum Auflösen. der Olefinpolymerisate, kann das Gemisch vorteilhaft in einer Mischstrecke, in der erhöhte Turbulenz herrscht, z. B. durch Mischpumpen oder schnellaufende Rührer, homogenisiert werden.
Die Rührer können dabei vorteilhaft in Leitungskrümmern der für den Bitumenstrom vorgesehenen Leitungen angeordnet sein. Bei dem Verfahren ist es ausserdem ein Vorteil, den Bitumenstrom senkrecht von unten nach oben zu richten.
Besonders vorteilhaft ist es bei dem Verfahren, Oleinpolymerisate, z. B. Polyäthylen, zu verwenden, die 5-30 Gewichtsprozent, bezogen auf die Olefinpolymerisate, feinteilige mineralische Füllstoffe enthalten. Die Korngrösse dieser Füllstoffe beträgt vorzugsweise 0,01-90 u. Als mineralische Füllstoffe eignen sich besonders Schiefermehl, Quarzmehl, Tone und feinteilige Mineralien, wie Feldspate. Werden bei dem Verfahren derartige Füllstoffe mitverwendet, so lösen sich die dünnen Stränge der Olefinpolymerisate überraschenderweise besonders rasch in dem Bitumenstrom, und man kann verhältnismässig kleine Strecken zum Auflösen der Olefinpolymerisate in dem Bitumen vorsehen.
Ausserdem ist es bei höheren Füllstoffbeimengen nicht erforderlich, dass der Bitumenstrom unmittelbar anschliessend an die für das Extrudieren der Olefinpolymerisate vorgesehene Düse laminare Strömung aufweist. In diesem Fall können vielmehr in kurzem Abstand und gegebenenfalls weniger als 1-2 m hinter diesen Düsen, z. B. Rührer zum Durchmischen des Bitumenstroms mit den Olefinpolymerisaten angeordnet sein. Formmassen aus Bitumen und Olefinpolymerisaten, die derartige Füllstoffe enthalten, können unmittelbar anschliessend an ihre Herstellung in an sich bekannter Weise granuliert werden, indem man sie in schmelzflüssigem Zustand, z. B. unter Verwendung von Zahnrädern oder Kolbenpumpen, in Form von feinen Strängen durch Düsen presst und die Stränge dann vorzugsweise nach Kühlen mit Wasser in üblichen Abschlagmaschinen zerkleinert.
Die erhaltenen granulierten Formmassen aus Olefinpolymeris aten, Bitumen und mineralischen Füllstoffen verkleben praktisch nicht und können deshalb besonders einfach transportiert und weiterverarbeitet werden. Beispielsweise können sie leicht dosiert und grobteiligen mineralischen Zuschlagstoffen, die auf Temperaturen bis zu etwa 2500 C erwärmt sind, zudosiert werden. Sie können auch vorteilhaft schichtenweise in beheizten Formen aufgeschmolzen werden. Auf diese Weise können aus den Granulaten z. B. luftblasenfreie Formkörper hergestellt werden.
Die Olefinpolymerisate können gegebenenfalls auch mit Vorteil in Form mineralische Füllstoffe enthaltender Konzentrate von Olefinpolymerisaten in Bitumen verwendet werden.
Die in den Beispielen angegebenen Teile sind Gewichtsteile.
Beispiel 1
In einen Strom von Bitumen, das die Penetration 80 und den Erweichungspunkt 52 C (Ring und Kugel, DIN 1955) hat, extrudiert man durch eine Düse mit einem Durchmesser von 1,5 mm ein Gemisch aus 10 Teilen mineralischem Füllstoff und 20 Teilen Hochdruckpolyäthylen, das die Dichte 0,918 g/cm3 und den Schmelzindex 20 hat. Der Bitumenstrom fliesst in einem Rohr, hat die Temperatur von 1900 C und die Strömungsgeschwindigkeit 0,3 m/Sekunde. Von dem Bitumen fliessen 70 Teile je Stunde durch das Rohr, und von dem Gemisch werden 30 Teile je Stunde durch die Düse extrudiert.
Die Düse ist in dem Rohr derart angeordnet, dass das Gemisch aus Polyäthylen und mineralischem Füllstoff, in Strömungsrichtung des Bitumens extrudiert wird. Die Geschwindigkeit des aus der Düse austretenden Strangs beträgt etwa 0,2 m/Sekunde. Als mineralischer Füllstoff wird Schiefermehl mit einer Korngrösse von 0,01-90 it verwendet. Das Poly äthylen löst sich dabei in dem Bitumen innerhalb von etwa 7 Sekunden. Das erhaltene Gemisch aus Polyäthylen, Bitumen und mineralischem Füllstoff wird anschliessend in üblicher Weise granuliert.
Beispiel 2
In einen Strom von Bitumen mit einer Penetration von 35-50 und dem Erweichungspunkt 54-59 C (Ring und Kugel) extrudiert man durch Düsen mit einem Durchmesser von 3 mm Polypropylen, das die Dichte 0,905 g/cm3 und den Schmelzindex 10 hat. Der Bitumenstrom fliesst in einem Rohr, hat die Temperatur 1900 C und die Strömungsgeschwindigkeit 0,5 m/Sekunde. Je Zeiteinheit fliessen 60 Teile Bitumen durch das Rohr, und durch die Düsen werden je Stunde 40 Teile Polypropylen in Strömungsrichtung des Bitumens extrudiert. Die Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Polypropylen-Stränge beträgt etwa 0,4m/Sekunde. Man verwendet für das Extrudieren je kg des je Stunde extrudierten Polypropylens 8 Düsen. Das Polypropylen löst sich dabei in dem Bitumen innerhalb von 20 Sekunden.
Das erhaltene Gemisch aus Bitumen und Polypropylen wird dann in üblicher Weise granuliert.
Beispiel 3
In einen Strom von Bitumen mit einer Penetration von 70-100 und dem Erweichungspunkt 44-49 C (Ring und Kugel) extrudiert man durch Düsen mit 5 mm Durchmesser ataktisches Polypropylen, das die Dichte 0,9 g/cm3 und den Schmelzindex 25 hat. Man verwendet für das Extrudieren je kg des je Stunde extrudierten Polypropylens 5 Düsen.
Der Bitumenstrom fliesst in einem Rohr, hat eine Temperatur von 1800 C und eine Strömungsge schwindigkeit von 1,5 Sekunde. Je Stunde fliessen 50 Teile Bitumen durch das Rohr, und durch die Düsen werden 50 Teile ataktisches Polypropylen je Stunde in Strömungsrichtung des Bitumens extrudiert. Die Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Fäden beträgt ungefähr 1,4 m/Sekunde. Das ataktische Polypropylen löst sich dabei innerhalb von 20 Sekunden in dem Bitumen. Das auf diese Weise erhaltene Gemisch aus Bitumen und ataktischem Polypropylen wird anschliessend auf übliche Weise granuliert.
Beispiel 4
In einen Strom von Bitumen mit einer Penetration 160-210 und dem Erweichungspunkt 37-440 C (Ring und Kugel) extrudiert man durch Düsen mit einem Durchmesser von 1,5 mm ein Gemisch aus 30 Teilen Polypropylen und 10 Teilen Schiefermehl eines maximalen Teilchendurchmessers von 90,.
Das Polypropylen hat die Dichte von 0,903 g/cm3 und den Schmelzindex 10. Der Bitumenstrom fliesst mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,7 m/Se- kunde in einem Rohr und hat eine Temperatur von 1900 C. Je Stunde fliessen durch das Rohr 60 Teile Bitumen, und durch die Düsen werden je Stunde 40 Teile des Gemisches aus Polypropylen und Schiefermehl in Strömungsrichtung des Bitumens extrudiert.
Man verwendet für das Extrudieren je kg des je Stunde extrudierten Gemisches aus Polypropylen und Schiefermehl 9 Düsen. Die Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Fäden beträgt etwa 0,6 m/Sekunde. Das Polypropylen löst sich innerhalb von 15 Sekunden in dem Bitumen. Das Gemisch aus Bitumen, Polypropylen und Schiefermehl wird anschliessend auf übliche Weise granuliert.
Beispiel 5
In einen Strom von Bitumen mit einer Penetration von 50-70 und dem Erweichungspunkt 49-54 C (Ring und Kugel) extrudiert man durch Düsen mit einem Durchmesser von 2,5 mm Gemisch aus 30 Teilen Schiefermehl eines maximalen Teilchendurchmessers von 90 jet und 20 Teilen ataktischem Polypropylen, das die Dichte 0,9 g/cm3 und den Schmelzindex 25 hat. Der Bitumenstrom fliesst mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1, 2 m/Se- kunde durch das Rohr und hat eine Temperatur von 1800 C. Je Stunde fliessen durch das Rohr 50 Teile Bitumen, und durch die Düsen werden je Stunde 50 Teile des Gemisches aus Polypropylen und Schiefermehl in Strömungsrichtung des Bitumens extrudiert.
Man verwendet für das Extrudieren je kg des je Stunde extrudierten Schiefermehl/Polypropylen-Gemisches 7 Düsen. Die Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Fäden beträgt etwa 1, 1 m/Se- kunde. Das ataktische Polypropylen löst sich dabei in etwa 10 Sekunden in dem Bitumen. Das Gemisch aus Bitumen, ataktischem Polypropylen und Schiefermehl wird anschliessend granuliert.
Beispiel 6
In einen Strom von Bitumen mit der Penetration von 35-50 und dem Erweichungspunkt von 54-59 C (Ring und Kugel) extrudiert man durch Düsen mit einem Durchmesser von 4 mm ein Mischpolymerisat aus 75 Gewichtsprozent Äthylen und 25 Gewichtsprozent Propylen, das die Dichte 0,9 g/cm3 und den Schmelzindex 20 hat. Der Bitumenstrom fliesst in einem Rohr, hat eine Temperatur von 2000 C und eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 m/Sekunde. Je Stunde fliessen 70 Teile Bitumen durch das Rohr, und durch die Düsen werden je Stunde 30 Teile Mischpolymerisat in Strömungsrichtung des Bitumens extrudiert. Man verwendet für das Extrudieren je kg des je Stunde extrudierten Mischpolymerisats 5 Düsen. Die Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Fäden beträgt 1,4 m/Se- kunde.
Das Mischpolymerisat löst sich in 10 Sekunden in dem Bitumen. Die erhaltene Mischung aus Bitumen und Sithylen-Polypropylen-Mischpolymeri- sat wird anschliessend auf übliche Weise extrudiert und zu geformten Gebilden verarbeitet.
Beispiel 7
In einen Strom von Bitumen mit der Penetration von 70-100 und dem Erweichungspunkt 44-49 C (Ring und Kugel) extrudiert man durch Düsen mit 2 mm Durchmesser ein Äthylenmischpolymerisat, das die Dichte 0,93 g/cm3 und den Schmelzindex 25 hat. Das Äthylenmischpolymerisat enthält 25 Gewichtsprozent Vinylacetat einpolymerisiert. Der Bitumenstrom fliesst durch ein Rohr, hat eine Temperatur von 1900 C und eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 m/Sekunde. Je Stunde fliessen 60 Teile Bitumen durch das Rohr, und durch die Düsen werden je Stunde 40 Teile des Mischpolymerisats in Strömungsrichtung des Bitumens durch 8 Düsen je kg Mischpolymerisat extrudiert.
Die Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Fäden beträgt etwa 1,4 m/Sekunde. Das Mischpolymerisat löst sich in ungefähr 10 Sekunden in dem Bitumen. Die Mischung aus dem Bitumen und dem ithylenmisch- polymerisat wird anschliessend in üblicher Weise granuliert.
Beispiel 8
In einen Strom von Bitumen mit einer Penetration von 160-210 und einem Erweichungspunkt von 37M40 C (Ring und Kugel) extrudiert man durch Düsen mit 3 mm Durchmesser ein Gemisch aus 35 Teilen Schiefermehl eines maximalen Teilchendurchmessers von 90 i und 15 Teilen Athylenmischpoly merisat, das die Dichte 0,93 g/cmS und den Schmelzindex 25 hat. Das Äthylenmischpolymerisat enthält 25 Gewichtsprozent Vinylacetat einpolymerisiert.
Der Bitumenstrom fliesst durch ein Rohr, hat eine Temperatur von 2000 C und eine Geschwindigkeit von 0,5 mlSekunde. Je Stunde fliessen 50 Teile Bitumen durch das Rohr, und durch die Düsen werden je Stunde 50 Teile des Gemisches aus dem Schiefermehl und dem Mischpolymerisat in Strömungsrichtung des Bitumens extrudiert. Man verwendet für das Extrudieren je kg des je Stunde extrudierten Gemisches aus Schiefermehl und Mischpolymerisat 8 Düsen. Die Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Fäden beträgt 0,4 m/Sekunde. Das Mischpolymerisat löst sich in 15 Sekunden in dem Bitumen. Die Mischung aus dem Bitumen, dem Mischpolymerisat und dem Schiefermehl wird anschliessend in üblicher Weise granuliert.
Beispiel 9
In einen Strom von Bitumen mit der Penetration 160-210 und dem Erweichungspunkt 37440 C (Ring und Kugel) extrudiert man durch Düsen mit einem Durchmesser von 0,5 mm Polyäthylen, das die Dichte 0,96 glcms und den Schmelzindex 5 hat. Der Bitumenstrom fliesst durch ein Rohr und hat eine Temperatur von 2100 C und eine Geschwindigkeit von 0,5 m/Sekunde. Je Stunde fliessen 80 Teile Bitumen durch das Rohr, und durch die Düsen werden je Stunde 20 Teile Polyäthylen in Strömungsrichtung des Bitumens extrudiert. Man verwendet für das Extrudieren je kg des je Stunde zu extrudierenden Polyäthylens 10 Düsen. Die Geschwindigkeit der aus den Düsen austretenden Polyäthylenstränge beträgt etwa 0,4 m/Sekunde. Das Polyäthylen löst sich in 20 Sekunden in dem Bitumen.
Das erhaltene Gemisch aus Bitumen und Polyäthylen wird anschliessend granuliert.