CH632778A5 - Aqueous bitumen and rubber emulsion and process of preparation - Google Patents
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Description
La présente invention concerne une émulsion aqueuse de bitume et de caoutchouc et un procédé de préparation.
Les compositions bitumineuses qui comprennent un composé bitumineux et un caoutchouc, qui est le plus souvent un copolymère bloc de diènes conjugués ayant de 4 à 12 atomes de carbone et d'un composé vinylaromatique, ont de nombreuses applications comme revêtement routier, adhésif ou encore comme matériau de recouvrement, par exemple pour toitures.
Lorsque ces compositions bitumineuses devaient être utilisées comme revêtement routier, on ajoutait de grandes quantités de solvant de façon à faire diminuer la viscosité de la composition et à faciliter par conséquent l'application sur la route. Cependant, cette façon de procéder présentait plusieurs inconvénients, notamment la nécessité de devoir évaporer une grande quantité de solvant dans l'atmosphère et le fait de devoir attendre un temps assez long avant que la route puisse être ouverte à la circulation.
Une première amélioration a été apportée en préparant des émulsions aqueuses de bitume et de caoutchouc. Ce procédé consistait à mélanger un caoutchouc, le plus souvent un copolymère bloc d'un diène conjugué et d'un composé vinylaromatique, à du bitume, et à émulsionner ce mélange avec de l'eau contenant un émulsifiant et un acide. Cependant, on a remarqué qu'il était difficile d'émulsionner la totalité du mélange bitume-caoutchouc aux températures usuelles d'utilisation qui sont de l'ordre de 120 à 140° C. En effet, généralement, on ne parvient pas à émulsionner plus de 40% du mélange bitume-caoutchouc.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et a notamment pour objet une émulsion aqueuse comprenant un mélange de bitume et de caoutchouc et un émulsifiant. Elle a également pour objet un procédé amélioré de préparation d'émul-sions aqueuses de bitume et de caoutchouc qui permet d'émulsionner la totalité du mélange bitume-caoutchouc.
Un autre objet de l'invention est un procédé amélioré de préparation d'émulsions aqueuses de bitume et de caoutchouc ayant de petites micelles, c'est-à-dire ayant une stabilité accrue.
On a maintenant trouvé que, si l'on utilise un copolymère bloc à configuration radiale de polystyrène et de polybutadiène, on obtient des émulsions aqueuses de bitume et de caoutchouc ayant de très petites micelles.
L'émulsion aqueuse de bitume et de caoutchouc de la présente invention est caractérisée en ce qu'elle comprend en majeure partie:
a) un composé bitumineux,
b) un copolymère bloc, à configuration radiale, de diène conjugué et de composé vinylaromatique,
c) un émulsifiant consistant en un sel d'amine aliphatique ou alicyclique contenant au moins 10 atomes de carbone,
d) de l'eau.
Le procédé de l'invention pour préparer des émulsions aqueuses de bitume et de caoutchouc est caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger un composé bitumineux avec un copolymère bloc à configuration radiale de diène conjugué et d'un composé vinylaromatique, à introduire dans ce mélange une partie de la quantité totale d'amine, et à émulsifier ce mélange dans une phase aqueuse contenant le reste de la quantité d'amine ainsi qu'un acide en quantité au moins suffisante pour neutraliser la totalité de l'amine.
Le bitume, qui est le principal constituant des émulsions aqueuses de la présente invention, peut être du bitume naturel ou du bitume obtenu directement comme résidu de la distillation de pétrole brut ou
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encore du bitume oxydé. Un bitume est notamment caractérisé par sa pénétration, c'est-à-dire par la profondeur de pénétration dans le bitume d'une aiguille standardisée, soumise à une charge de 100 g, pendant 5 s, à une température de 25° C, la profondeur de pénétration étant mesurée en dixièmes de millimètre (ASTM-D-551). Une autre caractéristique d'un bitume est la température de ramollissement connue sous le nom de température Bille et anneau (Ring and ball. ASTM-D-3626). Selon le procédé de l'invention, on utilise généralement des bitumes ayant une pénétration comprise entre 10 et 300 et une température de ramollissement comprise entre 95 et 25e C.
Les copolymères blocs, du type radial, utilisés dans les émulsions aqueuses de la présente invention sont préparés à partir de butadiène et de styrène. Ces copolymères peuvent être représentés comme étant composés d'au moins trois branches de copolymère bloc, chaque branche comprenant un segment de polymère de butadiène avec, à une extrémité, un segment constitué de polymère de styrène, tandis que l'autre extrémité est reliée à d'autres branches similaires. Une méthode de préparation d'un tel copolymère, de type radial, est décrite dans le brevet américain N° 3281383. Ces copolymères blocs, du type radial, contiennent des proportions relatives de butadiène et de styrène qui peuvent varier largement. Généralement, la quantité de butadiène est comprise entre environ 50 et 70% en poids et celle de styrène est comprise entre environ 50 et 30% en poids. D'autre part, le poids moléculaire de ces copolymères peut varier entre environ 50 000 et 300 000, et de préférence entre 75 000 et 250 000. La quantité de copolymères blocs à configuration radiale utilisés dans les émulsions aqueuses de la présente invention est généralement comprise entre 2 et 20% en poids, fondé sur le poids total du mélange de bitume et de caoutchouc, et de préférence comprise entre 4 et 15% en poids.
Les émulsifiants utilisés dans la présente invention sont des émulsifiants cationiques, et en particulier des émulsifiants cationiques résultant de la neutralisation d'une amine (monoamine, diamine, polyamine ou leurs mélanges); aliphatique, ramifiée ou non, ou alicyclique, contenant au moins 10 atomes de carbone, avec un acide organique ou inorganique, tels l'acide acétique, l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide phosphorique. Cette réaction est réalisée au sein même de l'émulsion. Comme exemples d'amines, on peut notamment citer la diamine de suif dans laquelle la chaîne alkyle a de 16 à 18 atomes de carbone, l'amidoamine de l'acide résinique et l'imidazoline de l'acide résinique. Le choix de l'acide dépend notamment de la facilité d'approvisionnement, du prix et de conditions technologiques. On utilisera donc de préférence un acide facilement disponible, à bas prix et peu volatil. Pour ces raisons, l'acide habituellement utilisé pour effectuer la réaction est l'acide chlorhydrique.
La quantité d'émulsifiant à utiliser pour préparer les émulsions aqueuses de la présente invention peut varier dans de larges limites, mais généralement on utilise la quantité la plus faible possible permettant d'obtenir des émulsions stables. De trop grandes quantités d'émulsifiant retardent la rupture de l'émulsion après leur application sur le site. La quantité totale d'émulsifiant généralement utilisée est comprise entre 0,05 et 2% en poids et notamment entre 0,1 et 1,5% en poids, fondé sur le poids total de l'émulsion.
Une des caractéristiques du procédé de la présente invention pour la préparation des émulsions aqueuses de bitume et de caoutchouc consiste à incorporer, dans le mélange bitume-caoutchouc, de 40 à 70% de la quantité totale de l'amine utilisée, le reste de cette quantité étant introduit avec l'acide dans la phase aqueuse. Lorsque la quantité totale de l'amine est introduite soit dans le mélange de bitume et de caoutchouc, soit dans la phase aqueuse, on ne parvient pas à émulsionner la totalité du mélange de bitume et de caoutchouc.
Une autre caractéristique du procédé de la présente invention est la viscosité élevée des mélanges de bitume et de caoutchouc qui peuvent être émulsionnés sans l'aide d'un solvant. En effet, il est bien connu que l'incorporation d'un copolymère bloc dans un bitume accroît notablement la viscosité de ce dernier. Or, généralement, la viscosité des mélanges de bitume et de caoutchouc à émulsionner doit
être inférieure à 400 cPo à la température de préparation de l'émulsion, sinon l'emploi d'un solvant est nécessaire. Grâce au procédé de l'invention, on peut mettre en émulsion des mélanges de bitume et de copolymère bloc à configuration radiale, ayant une viscosité pouvant atteindre 5000 cPo à la température de préparation de l'émulsion qui est généralement comprise entre 140 et 190°C, sans devoir utiliser un solvant volatil. Cependant, la viscosité des mélanges de bitume et de copolymère à configuration radiale est le plus souvent comprise entre 1000 et 2000 cPo à la température de préparation de l'émulsion.
La quantité d'eau à utiliser doit être choisie de façon que l'émulsion aqueuse ait une viscosité qui permette une manipulation aisée à la température d'utilisation. D'autre part, cette viscosité doit être suffisamment élevée pour que l'émulsion ne s'écoule pas du site où elle a été appliquée. Généralement, on utilise des quantités d'eau correspondant à 25 à 55% en poids et plus particulièrement à 30 à 40% en poids, fondé sur le poids total de l'émulsion.
La phase aqueuse contient également une certaine quantité d'acide qui est au moins égale à la quantité nécessaire pour neutraliser le composé aminé se trouvant dans le mélange bitume-caoutchouc et dans la phase aqueuse. Il est très important, pour la stabilité de l'émulsion aqueuse, que cette quantité d'acide soit suffisante. En effet, la diffusion du composé aminé vers l'extérieur des micelles ne s'effectue que très lentement et peut même prendre plusieurs jours. Si la quantité d'acide ajouté n'est pas suffisante, une émulsion qui paraît stable au moment de sa fabrication se déstabilise plusieurs jours après par apparition de composés aminés qui ne sont plus neutralisés. En général, on utilise une quantité d'acide comprise entre 1,2 et 2 fois la quantité stœchiométriquement nécessaire pour neutraliser le composé aminé qui a été introduit.
Dans les exemples suivants d'émulsions aqueuses de bitume et de caoutchouc, qui sont donnés à titre d'illustration et qui ne comportent aucun caractère limitatif, on a notamment déterminé la dimension moyenne des micelles ainsi que le coefficient de sédimentation qui permettent d'évaluer la stabilité au stockage des émulsions de bitume, ainsi que la vitesse de rupture de l'émulsion. La vitesse de rupture d'une émulsion de bitume est d'autant plus grande que l'indice de rupture, mesuré par le nombre de grammes de Si02 qui doivent être ajoutés à 100 g d'émulsion pour obtenir la rupture, est plus petit. Cette vitesse de rupture ne doit être ni trop faible (émulsions instables), ni trop élevée (émulsions trop stables). On admet généralement que l'indice de rupture est compris entre 25 et 100 g de Si02 pour 100 g d'émulsion. La vitesse de rupture peut être aussi évaluée par la durée de la rupture de l'émulsion appliquée sur une route. Cette durée dépend aussi des conditions atmosphériques : elle est généralement comprise entre 20 et 90 min.
Exemple 1 :
On mélange un bitume ayant une pénétration d'environ 200 et une température de ramollissement de 42 C avec un copolymère bloc à configuration radiale de polystyrène et de polybutadiène, de poids moléculaire 250000. La quantité de copolymère bloc représente 6% en poids de la quantité totale. Le temps d'incorporation du caoutchouc dans le bitume a été de 2 Vi h.
On introduit dans ce mélange 0,3% en poids (calculé sur le poids de bitume et de caoutchouc) de diamine de suif et 0,075% en poids (calculé sur le poids de bitume et de caoutchouc) de polyamine de suif. La viscosité de ce mélange mesurée au viscosimètre Brookfield, à 175 C, est de 1500 cPo.
On émulsifie ce mélange en l'introduisant, à pression atmosphérique et à une température de 175 C, dans un moulin colloïdal du type Hurrell, avec une phase aqueuse qui contient, en plus de l'eau, 0,3% en poids de diamine de suif, 0,075% en poids de polyamine de suif et 1,2% en poids d'acide chlorhydrique de densité 1,19, ces pourcentages étant calculés sur le poids d'eau. La phase aqueuse a une température de 60° C. Le rapport en poids entre le mélange bitumineux et la phase aqueuse est de 66 à 34.
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On a émulsifié la totalité du mélange bitume-caoutchouc et l'émulsion obtenue avait les propriétés suivantes:
— dimension moyenne des micelles: 3-5 um
— coefficient de sédimentation (ASTM-D-244-75): 3%
— indice de rupture: 35 g de Si02 pour 100 g d'émulsion
— rupture sur route :30 min
A titre de comparaison, on a préparé le même mélange de bitume et de copolymère bloc à configuration radiale, mais sans introduire l'émulsifiant dans ce mélange. Ce mélange a été émulsifié en l'introduisant, à pression atmosphérique, et à une température de 175 C. dans un moulin colloïdal avec une phase aqueuse contenant 0.88° o en poids de diamine de suif. 0,23% en poids de polyamine de suif et 1.2% en poids d'acide chlorhydrique de densité 1,19, ces pourcentages étant calculés sur le poids d'eau. La phase aqueuse a une température de 60 C et le rapport pondéral entre le mélange bitumineux et la phase aqueuse est de 66 à 34. On n'a émulsionné que 70° o du mélange bitumineux.
Dans un autre exemple comparatif, on a préparé le même mélange de bitume et de copolymère bloc à configuration radiale et on y a introduit 0.45% en poids (calculé sur le poids de bitume et de caoutchouc) de diamine de suif et 0,12% en poids (calculé sur le mélange bitume et caoutchouc) de polyamine de suif. Ce mélange a été émulsifié en l'introduisant, à pression atmosphérique et à une température de 175" C. dans un moulin colloïdal avec une phase aqueuse contenant uniquement 1.2% en poids, calculé sur le poids de la phase aqueuse, d'acide chlorhydrique de densité 1.19. La phase aqueuse avait une température de 60 C et le rapport pondéral entre le mélange bitumineux et la phase aqueuse était de 66 à 34. On n'a émulsionné que 40% du mélange bitumineux.
Exemple 2 :
On mélange un bitume ayant une pénétration d'environ 180 et une température de ramollissement de 42: C avec un copolymère bloc à configuration radiale de polystyrène et de polybutadiène de poids moléculaire 250 000. La quantité de polymère bloc représente 7% en poids de la quantité totale. Le temps d'incorporation du caoutchouc dans le bitume a été de 3 h. On introduit dans ce mélange 0,4% en poids, fondé sur le poids de bitume et de copolymère. de diamine de suif et 0.10 o en poids, fondé sur le poids de bitume et de copolymère. de polyamine de suif.
La viscosité de ce mélange, mesurée au viscosimètre Brookfield à 145 C. est de 2500 cPo.
On émulsifié ce mélange en l'introduisant, à pression atmosphérique et à une température de 145: C. dans un moulin colloïdal du type Hurrell. avec une phase aqueuse qui contient, en plus de l'eau. 0,4% en poids de diamine de suif. 0.1 % en poids de polyamine de suif et 2° o en poids d'acide chlorhydrique de densité 1.19. ces pourcentages étant calculés sur le poids d'eau. La phase aqueuse a une température de 60 C. Le rapport pondéral entre le mélange bitumineux et la phase aqueuse est de 70 à 30.
On a émulsifié la totalité du mélange bitumineux et l'émulsion obtenue avait les propriétés suivantes :
— dimension moyenne des micelles : 15-35 y.m.
— coefficient de sédimentation (ASTM-D-244-75): 20%
— indice de rupture: 90 g Si02 pour 100 g d'émulsion
Exemple 5:
On a répété le mode opératoire décrit dans l'exemple 1. mais en introduisant dans le mélange bitumineux 0,4% en poids de diamine de suif.
La viscosité de ce mélange, mesurée au viscosimètre Brookfield à 175:C. est de 1500 cPo.
On émulsifié ce mélange en l'introduisant, à pression atmosphérique et à une température de 175: C. dans un moulin colloïdal du type Charlotte, avec une phase aqueuse contenant, en plus de l'eau. 0.4% en poids, fondé sur le poids d'eau, de diamine de suif et 1,2% en poids, fondé sur le poids d'eau, d'acide chlorhydrique de densité 1,19. La phase aqueuse a une température de 60; C. Le rapport pondéral entre le mélange bitumineux et la phase aqueuse est de 68 à 32.
On a émulsifié la totalité du mélange bitumineux, et l'émulsion obtenue avait les propriétés suivantes:
— dimension moyenne des micelles : 4-6 um
— coefficient de sédimentation (ASTM-D-244-75): 3%
— indice de rupture: 33 g de Si02 pour 100 g d'émulsion
A titre de comparaison, on a répété la même expérience, dans les mêmes conditions opératoires, mais en utilisant un copolymère bloc séquencé linéaire du type polystyrène polybutadiène polystyrène, le poids moléculaire des blocs de polystyrène étant de 14 000 et celui du bloc de polybutadiène de 65 000.
On a émulsifié la totalité du mélange bitumineux, et l'émulsion avait les propriétés suivantes:
— dimension moyenne des micelles: 20 à 30 um. mais présence de particules ayant une dimension comprise entre 200 et 500 um
— coefficient de sédimentation (ASTM-D-244-75) : 45%
— indice de rupture: 30 g de Si02 pour 100 g d'émulsion
Exemple 6:
On mélange un bitume ayant une pénétration d'environ 180, avec un copolymère bloc à configuration radiale de polystyrène et de polybutadiène de poids moléculaire 150 000. La quantité de polymère bloc représente 15% en poids de la quantité totale. Le temps d'incorporation du copolymère dans le bitume a été de 3 h.
On introduit dans ce mélange 0.4% en poids, fondé sur le poids de bitume et de copolymère, de diamine de suif, et 0.4% en poids, fondé sur le poids de bitume et de copolymère, de polyamine de suif.
La viscosité de ce mélange, mesurée au viscosimètre Brookfield à 190 C. est de 4500 cPo.
On émulsifié ce mélange en l'introduisant, à pression atmosphérique et à une température de 190" C. dans un moulin colloïdal du type Hurrell. avec une phase aqueuse qui contient, en plus de l'eau. 0,4% en poids de diamine de suif. 0.4% en poids de polyamine de suif et 2,0% en poids d'acide chlorhydrique de densité 1,19, ces pourcentages étant fondés sur le poids d'eau. La phase aqueuse a une température de 60: C. Le rapport pondéral entre le mélange bitumineux et la phase aqueuse est de 60 à 40.
On a émulsifié la totalité du mélange bitumineux, et l'émulsion obtenue avait les propriétés suivantes:
— dimension moyenne des micelles:
environ 80% des micelles entre 5 et 10 um environ 20% des micelles entre 30 et 50 um
— coefficient de sédimentation: 40%
— indice de rupture: 90 g de Si02 pour 100 g d'émulsion
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Claims (14)
1. Emulsion aqueuse de bitume et de caoutchouc, caractérisée en ce qu'elle comprend en majeure partie:
aj un composé bitumineux,
b) un copolymère bloc, à configuration radiale, de diène conjugué et de composé vinylaromatique,
c) un émulsifiant consistant en un sel d'amine, aliphatique ou alicyclique, contenant au moins 10 atomes de carbone,
d) de l'eau.
2. Procédé de préparation des émulsions aqueuses de bitume et de caoutchouc de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger un composé bitumineux avec un copolymère bloc à configuration radiale de diène conjugué et d'un composé vinyle aromatique, à introduire dans ce mélange une partie de la quantité totale d'amine, et à émulsifier ce mélange dans une phase aqueuse contenant le reste de la quantité d'amine ainsi qu'un acide en quantité au moins suffisante pour neutraliser la totalité de l'amine.
3. Emulsion aqueuse selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend de 25 à 55%, avantageusement de 30 à 40% en poids d'eau, fondé sur le point de l'émulsion, de 0,05 à 2% en poids d'émulsifiant, fondé sur le poids de l'émulsion, le reste étant constitué par le mélange de bitume et de copolymère bloc à configuration radiale dans lequel la quantité de copolymère bloc représente de 2 à 20% en poids.
4. Emulsion aqueuse selon les revendications 1 et 3, caractérisée en ce que le composé bitumineux est choisi dans le groupe comprenant le bitume naturel, le bitume obtenu directement comme résidu de distillation de pétrole brut et le bitume oxydé.
5. Emulsion aqueuse selon les revendications 1 et 3 ou 4, caractérisée en ce que le composé bitumineux a une pénétration comprise entre 10 et 300 et une température de ramollissement comprise entre 25 et 95e C.
6. Emulsion aqueuse selon les revendications 1 et 3 ou 4, caractérisée en ce que la quantité de copolymère bloc à configuration radiale de polystyrène et de polybutadiène est comprise entre 2 et 20% en poids et notamment entre 4 et 15% en poids, fondé sur le poids du mélange de bitume et de copolymère.
7. Emulsion aqueuse selon la revendication 6, caractérisée en ce que le poids moléculaire du copolymère bloc à configuration radiale est compris entre 50 000 et 300 000, et notamment entre 75 000 et 250000.
8. Emulsion aqueuse selon les revendications 1 et 3 à 7, caractérisée en ce que la quantité d'émulsifiant est de 0,05 à 2% en poids et notamment de 0,1 à 1,5% en poids, calculé sur le poids de l'émulsion.
9. Emulsion aqueuse selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'amine est une monoamine, une diamine, une polyamine ou leurs mélanges, et notamment la diamine de suif, la polyamine de suif, l'amidoamine de l'acide résinique et l'imidazoline de l'acide résinique.
10. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on utilise l'émulsifiant en une quantité comprise entre 0,05 et 2% en poids, et notamment entre 0,1 et 1,5% en poids, calculé sur le poids de l'émulsion.
11. Procédé selon les revendications 2 et 10, caractérisé en ce que l'on introduit de 40 à 70% en poids de la quantité totale de l'amine utilisée, dans le mélange de bitume et de copolymère bloc à configuration radiale et le reste de cette quantité dans la phase aqueuse.
12. Procédé selon les revendications 2,10 et 11, caractérisé en ce que l'on prépare l'émulsion à une température comprise entre 140 et 190 C.
13. Procédé selon les revendications 2 et 10 à 12, caractérisé en ce que la viscosité du mélange de bitume et de copolymère bloc à configuration radiale est comprise entre 1000 et 5000 cPo et notamment entre 1000 et 2000 cPo, à la température de préparation de l'émulsion.
14. Procédé selon les revendications 2 et 10 à 13, caractérisé en ce que l'on introduit dans la phase aqueuse, un acide en une quantité comprise entre 1,2 et 2 fois la quantité stœchiométriquement nécessaire pour neutraliser le composé aminé qui a été introduit à la fois dans le mélange de bitume et copolymère bloc à configuration radiale et dans la phase aqueuse.
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