DD289054A5 - METHOD FOR PRODUCING POLYMODIED BITUMENES - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von polymermodifizierten Bitumen als Grundkomponente fuer Straszenbau- oder Bautenschutzzwecke oder vorgefertigte Dichtungsmaterialien fuer Bauten- und Korrosionsschutz. Erfindungsgemaesz wird das polymermodifizierte Bitumen aus 67 bis 98 Masseteilen Bitumen, 1,8 bis 30 Masseteilen Polybutadienen und 0,2 bis 3,0 Masseteilen Schwefel hergestellt und bei Temperatur von 160 bis 230C bis zu 12 Stunden geruehrt.{polymermodifiziertes Bitumen; Polybutadiene; Schwefel; Bitumen}The invention relates to a process for the preparation of polymer-modified bitumen as a basic component for Straszenbau- or Bautenschutzzwecke or prefabricated sealing materials for building and corrosion protection. According to the invention, the polymer-modified bitumen is prepared from 67 to 98 parts by weight of bitumen, 1.8 to 30 parts by weight of polybutadienes and 0.2 to 3.0 parts by weight of sulfur and stirred at a temperature of 160 to 230 ° C for up to 12 hours {polymer-modified bitumen; polybutadienes; Sulfur; Bitumen}
Description
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von polymermodifizierten Bitumen aus Bitumen, Polybutadienen und Schwefel für die Anwendung als Grundkomponente für Straßenbau- oder Bautenschutzzwecke oder vorgefertigte Dichtungsmaterialien für den Bauten· und Korrosionsschutz.The invention relates to a process for the preparation of polymer-modified bitumen bitumen, polybutadiene and sulfur bitumen for use as a basic component for road construction or building protection purposes or prefabricated sealing materials for buildings and corrosion protection.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art
Bitumen und bituminöse Gemische werden in großer Menge als Bindemittel zur Herstellung von Straßendecken oder von Bautenschutzstoffen verwendet. Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen besonders für stark belastete Straßen, hochbeanspruchte Dachdeckungen oder Hydroisolationen reichen die Eigenschaften der Bitumenwerkstoffe nicht aus. Hierfür werden in verstärktem Maße Hochpolymere in Form von Elasten oder Plasten hinzugefügt. Besonders gute Eigenschaften werden durch den Zusatz von thermoplastischen Kautschuken oder von ataktischem Polypropylen erzielt. Während die erstere Komponente besonders die Bitumeneigenschaften bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erheblich verbessert, erreicht man durch Zusatz der letzteren Kunststoffe besonders eine Verbesserung des Wärmeverhaltens. Verbesserungen w<vden immer dann erzielt, wenn die Polymerkomponente im Bitumen löslich ist, oder wenn sie im Bitumen netzartige Strukturen bildet. Das wird durch thermoplastische Kautschuke erreicht, die in Zugaben von 4 bis 15% dem Bitumengemisch elastische Eigenschaften in einem bestimmten Temperaturbereich verleihen. Das vermögen besonders gute Blockpolymerisate von Butadien und Styren oder Isopren und Styren bevorzugt mit Molmassen von 30000 bis 500000. Diese Stoffe lassen sich recht einfach als Granulate oder als Pulver bei Temperaturen von über 180°C ins Bitumen homogen einmischen. Die erkalteten Gemische erreichen dann eine netzartige Struktur, die dem gesamten Stoff gummiähnliche Eigenschaften mit hoher Dehnung und hohem Rückstellvermögen verleihen.Bitumen and bituminous mixtures are used in large quantities as binders for the production of road surfaces or building protection materials. The properties of the bituminous materials are not sufficient for a large number of applications, especially for heavily loaded roads, heavily used roof coverings or hydroinsulation. For this purpose, high polymers in the form of elastomers or plastics are added to a greater extent. Particularly good properties are achieved by the addition of thermoplastic rubbers or atactic polypropylene. While the former component, in particular, greatly improves the bitumen properties at temperatures below freezing, the improvement of the thermal behavior is particularly attained by adding the latter plastics. Improvements would always be achieved if the polymer component is soluble in the bitumen, or if it forms net-like structures in the bitumen. This is achieved by thermoplastic rubbers which, in additions of 4 to 15%, give the bitumen mixture elastic properties in a certain temperature range. The ability particularly good block polymers of butadiene and styrene or isoprene and styrene are preferred with molecular weights of 30,000 to 500,000. These substances can be mixed quite easily as granules or as a powder at temperatures above 180 ° C into the bitumen homogeneous. The cooled mixtures then reach a net-like structure which gives the entire fabric rubber-like properties with high elongation and high resilience.
Dadurcn sind derartige Gemische hervorragend zur Ausführung von Straßenbcumaßnahmen mit hohem Verkehrsaufkommen und Verschleiß, aber auch für hochbeanspruchte Dachbeschichtungsmaterialjen geeignet.Thus, such blends are eminently suitable for high traffic and wear road construction, but also for highly stressed roof coating materials.
Die Herstellung der genannten Gemische ist an die Verfügbarkeit der Blockpolymerisate gekoppelt. Die Kosten für die Herstellung derartiger Erzeugnisse sind sehr hoch.The preparation of the mixtures mentioned is coupled to the availability of the block polymers. The cost of producing such products is very high.
Die Compoundierung von Bitumen mit unvulkanisierten Festkautschuken auf der Basis von Kopolymerisaten von Butadien oder anderen Dienen mit Styren oder Acrylnitril ist zwar prinzipiell möglich, jedoch erfordern die Mischprozesse den Einsatz hoher Energien und langer Mischzeiten.Although the compounding of bitumen with unvulcanized solid rubbers based on copolymers of butadiene or other dienes with styrene or acrylonitrile is possible in principle, the mixing processes require the use of high energies and long mixing times.
Weiterhin können die angestrebten elastischen Eigenschaften wie bei thermoplastischen Kautschuken nicht erzielt werden.Furthermore, the desired elastic properties can not be achieved as with thermoplastic rubbers.
Somit bleibt diese Anwendung auf ein kleines Gebiet zur Herstellung von Spezialprodukten begrenzt.Thus, this application remains limited to a small area for the production of specialty products.
Es hat weiterhin nicht an Versuchen gefehlt, bereits vulkanisierte Kautschuke mit Bitumen zu compoundieren.There has also been no lack of attempts to compound already vulcanized rubbers with bitumen.
Dabei werden jedoch nur grobdisperse Materialien mit geringen Gebrauchseigenschaften erzielt.However, only coarsely dispersed materials with low performance properties are achieved.
Ein Vermischen mit der Erzielung feindisperser Gummipartikel im Bitumen ist nur durch Devulkanisations- oder destruktive Verfahren möglich, die allgemein praktisch sehr schwierig beherrschbar sind.Mixing with the production of finely dispersed rubber particles in the bitumen is only possible by devulcanization or destructive methods, which are generally very difficult to control in practice.
Die Zumischung von elementarem Schwefel zum Bitumen ist weit verbreitet. Die Zugaben betragen dabei bis zu 30% zum Bitumen. Erzielt werden vor allem Verbesserungen der Bitumensorten für wärmebeständige Straßenbeläge sowie Erleichterungen der Verarbeitbarkeit durch Viskositätserniedrigungen.The addition of elemental sulfur to the bitumen is widespread. The additions amount up to 30% to the bitumen. Improvements in bitumen grades for heat-resistant road surfaces as well as easements of processability due to viscosity reductions are achieved in particular.
Die so hergestellten Bindemitte! und die daraus gewonnenen Asphalte erreichen jedoch in keinem Fall gummielastische Eigenschaften.The binder produced in this way! and the asphalts obtained therefrom, however, in no case achieve rubber-elastic properties.
Es ist auch weiterhin bekannt, den Vernetzungsprozeß von Kautschuken Im Bitumen durchzuführen. Hierbei werden vor allem Butadien-Styren-Kautschuke im Bitumen gelöst und mit Schwefel, Zinkoxid oder anderen basischen Substanzen und mit Vulkanisationsbeschleunigern wie Thiurame, Thiazole oder andere bekannte Verbindungen zur Reaktion gebracht. Die Reaktion ist schwer beherrcehbar, da die gewonnenen Reaktionsprodukte nach den im bituminösen Bereich bekannten Einbauverfahren nicht oder nur mit hohem Aufwand verarbeitbar sind. Der Vernetzungsprozeß ist endgültig, so daß auch bei hohen Temperaturen kein aufschmelzbares Erzeugnis gewonnen werden kann. Diese Möglichkeit ist daher nur auf Spezialanwendungsgebiete begrenzt. Die Einarbeitung von niedermolekularen Flüssigkautschuken führt nach dem bisher bekannten Stand nur zu Erweichungen des Bitumens. Eine Vulkanisation von diesen Stoffen führt bekannterweise nur zu minderwertigen Gurnmitypen ohne Gebrauchswert.It is also known to carry out the crosslinking process of rubbers in bitumen. In this case, especially butadiene-styrene rubbers are dissolved in the bitumen and reacted with sulfur, zinc oxide or other basic substances and with vulcanization accelerators such as thiurams, thiazoles or other known compounds. The reaction is difficult to control because the reaction products obtained are not or only with great effort processable according to the known in the bituminous field installation methods. The crosslinking process is final, so that no fusible product can be obtained even at high temperatures. This possibility is therefore limited to special application areas only. The incorporation of low molecular weight liquid rubbers leads according to the previously known state only to softening of the bitumen. A vulcanization of these substances is known to lead only to inferior Gurnmitypen without utility value.
Die Vulkanisation muß dabei mit relativ großen Mengen an den Vrlkanisationsmitteln Schwefel, Zinkoxid oder andere basische Substanzen und Ultrabeschleunigern ausgeführt werden. Eine Vulkanisation mit Schwefel allein ist nicht möglich.The vulcanization must be carried out with relatively large amounts of Vrlkanisationsmitteln sulfur, zinc oxide or other basic substances and ultra-accelerators. Vulcanization with sulfur alone is not possible.
Es Ist Ziel der Erfindung, polymermodifizierte Bitumen mit verbesserten Gebrauchseigenschaften, mit einfachen und billigen Herstellungsverfahren unter Vorwendung leicht verfügbarer und leicht verarbeitbarer Rohstoffkomponenten zu finden. Die zu erreichenden Gebrauchseigenschaften der Endprodukte sollen so beschaffen sein, daß eine möglichst hohe Anwendungsbreite in den Wirtschaftszweigen Straßenbau, Bautenschutz und vorgefertigte Dichtungsmaterialien erzielt wird. Neben dem bitumenspezifischen ist vor allem des gummielastische Verhalten über einen breiten Temperaturbereich, wie hohes Rückstellvermögen und hohe Dehnung zu erzielen.It is the object of the invention to find polymer-modified bitumens with improved performance properties, with simple and inexpensive production processes with the advantage of readily available and easily processable raw material components. The performance characteristics of the final products to be achieved should be such that the widest possible range of application in the sectors of road construction, building protection and prefabricated sealing materials is achieved. In addition to the bitumen-specific, especially the rubber-elastic behavior over a wide temperature range, such as high resilience and high elongation can be achieved.
98 Ma.-Teilen Bitumen mit Erweichungspunkten von 350C bis 90°C und Gehalten an Harzen von mindestens 25 Ma.-Teile in %, 1,8bis 20 Ma.-Teilen eines Polybutadiene mit numerischen Molmassen von 2000 bis 10C00, Jodzahlen von 350 bis450gJ/100g und98 parts by weight of bitumen with softening points from 35 0 C to 90 ° C and contents of resins of not less than 25 parts by mass in%, from 1,8 to 20 parts by mass of a polybutadiene having numerical molar masses from 2,000 to 10C00, iodine value of 350 to 450gJ / 100g and
12 Stunden gerührt werden.Stirred for 12 hours.
mit numerischen Molmassen von über 20000 sein.with numerical molar masses of over 20000.
900C und Harzgehalten von mindestens 25 Ma.-Teilen in % verwendet. Der Harzgehalt wird durch Eluierung der Maltenphase desUsed 90 0 C and resin contents of at least 25 parts by mass in%. The resin content is determined by eluting the malt phase of the
aus gleichen Teilen Aceton und Benzen ermittelt. Dabei wurde gefunden, daß die Reaktion um so schneller verläuft, je höher derdetermined in equal parts acetone and benzene. It was found that the faster the reaction, the faster the reaction
und Viskositäten bei 200C von 1 bis 250Pa s eingesetzt.and viscosities at 20 0 C from 1 to 250Pa s used.
besonders geeignet erwies sich das in der DDR durch anionische Massepolymerisation hergestellte Polybutadien mit derThe polybutadiene produced in the GDR by anionic bulk polymerization proved to be particularly suitable with the
besitzen, die durch einen mittleren (50Ma.-Teile in %) bis hohen (SOMa.-Tei.'e in %) 1,4-Anteil gekennzeichnet ist.which is characterized by an average (50 parts by mass in%) to high (SOMa.-Tei.'e in%) 1,4-part.
bei hochmolekularen Kautschuken erforderlich.required for high molecular weight rubbers.
erforderlich. Solche vernetzten Produkte weisen schlechte physikalisch-mschanische Eigenschaften auf.required. Such crosslinked products have poor physicochemical properties.
über 20000 zu ersetzen. Zweckmäßigerweise werden dabei die hochmolekularen Synthesekautschuke mit dem flüssigenover 20,000 to replace. Appropriately, while the high molecular weight synthetic rubbers with the liquid
harzreiche Kohlenwasserstoffgemische der Erdölverarbeitung oder Peche oder Teere der Braun- oder Steinkohlenverarbeitungersetzt werden. Der Austauschgrad kann bis zu 75Ma1-TeHe in % des Bitumenanteils betragen.Resin rich hydrocarbon mixtures of petroleum processing or pitches or tars of brown or hard coal processing are replaced. The degree of exchange can be up to 75Ma 1 -TeHe in% of bitumen content.
und Schwefel ohne Zusatz von Vulkanisationsaktivatoren und bzw. oder -beschleunigern bei Temperaturen von 16O0C bis 230 'Cvernetzt werden können. Die entstehenden Reaktionsprodukte erreichen dabei solche Eigenschaften, die eine Anwendung alsand sulfur can be crosslinked at temperatures of 16O 0 C to 230 'C without the addition of vulcanization and / or accelerators. The resulting reaction products achieve such properties that an application as
mit erhöhten Gebrauchswerten gestatten.allow with increased use values.
Braunkohlenverarbeitung ist eine weitere Verbesserung der Kältebeständigkeit der polymermodifizierten Bitumen in gewünschter und abgestufter Weise möglich. Ein Ersatz des Anteils das Polybutadiens bis zu SOMa.-Teile in % erhöht weiter die elastischen Eigenschaften wie Dehnung und Rückverformung.Lignite processing is a further improvement in the cold resistance of polymer-modified bitumen in a desired and graded manner possible. Replacement of the proportion of polybutadiene to SOMa. Parts in% further increases the elastic properties such as elongation and recovery.
Durch Variation der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches, der Reaktionstemperatur und der Reaktionszeit können polymermodifizierte Bitumen mit Erweichungspunkten bis über 1000C, Plastizitätsspannen bis zu 120K und Rückverformungen bis zu 95% erhalten werden. Da die Reaktionsprodukte gute Klebrigkeiten aufweisen, ist ein weites Anwendungsgebiet möglich.By varying the composition of the reaction mixture, the reaction temperature and the reaction time, polymer-modified bitumen having softening points of up to 100 0 C, plasticity margins may be up to 120K and return deformations up to 95%. Since the reaction products have good tackiness, a wide range of applications is possible.
1. In einem beheizbaren Rührwerk werden 900kg Bitumen mit einem Erweichungspunkt von 4O0C und einem Gehalt von 40Ma.-Teilen in % an Harzen, die mit Hilfe eines Gemisches aus gleichen Teilen von Benzen und Aceton in einer mit aktiviertem Aluminiumoxid gefüllten Säule aus der Maltenphase eluiert wurden, auf 13O0C erwärmt. Unter Rühren werden 100 kg eines auf 1300C erwärmtes Polybutadiens mit einer numerischen Molmasse von 8500, einer Jodzahl von 380g J/100g und einer Viskosität von 180Pa- sund 7,5kg geschmolzener Schwefel eingemischt. Die gesamte Mischung wird auf 2000C erwärmt und bei dieser Temperatur 4 Stunden unter ständigom Rühren gehalten.1. In a heated agitator are 900kg bitumen with a softening point of 4O 0 C and a content of 40Ma.-parts in% of resins, with the aid of a mixture of equal parts of benzene and acetone in an activated alumina-filled column of the Maltenphase were eluted, warmed to 13O 0 C. With stirring, 100 kg of a heated to 130 0 C polybutadiene having a numerical molecular weight of 8500, an iodine value of 380g J / 100g and a viscosity of 180Pa and 7.5kg molten sulfur blended. The entire mixture is heated to 200 0 C and kept at this temperature for 4 hours under constant stirring.
Das Reaktionsprodukt wird für Straßenbauzwecke oder als Grundstoff zur Herstellung von Bautenschutzstoffen verwendet. Die Rückverformung wird bei 25°C nach 100% Dehnung bei der Duktilitätsprüfung gemessen.The reaction product is used for road construction or as a raw material for the production of building protection materials. The rebound is measured at 25 ° C after 100% elongation in the ductility test.
Der elastische Anteil wird aus dem Kraft-Dehnungs-Diagramm der Kugelziehmethode bei 250C durch Planimetrieren erhalten (siehe Esser- Bitumen, Teere, Asphalte, Peche, Heidelberg 17 [1966] 9,319-328)The elastic portion is obtained from the force-elongation diagram of Kugelziehmethode at 25 0 C by planarization (see Esser bitumen, Teere, Asphalte, Peche, Heidelberg 17 [1966] 9,319-328)
2. Es werden nachfolgend genannte Rohstoffe eingesetzt, die wie folgt charakterisiert sind:2. The following raw materials are used, which are characterized as follows:
Komponente 1 ist ein schweres Vakuumdestillat der ErdöldestillationComponent 1 is a heavy vacuum distillate of petroleum distillation
Komponente 2 ist ein Raffinationsharz der Propanraffination von Erdöldestillaten Component 2 is a refinery resin of the propane refinery of petroleum distillates
Komponente 3 ist ein Steinkohlenteerwelchpech Component 3 is a coal tar pitchfish pitch
Komponente 4 ist ein Braunkohlen-Hochtemperaturteer. Component 4 is a brown coal high temperature tar.
ä 27 50000 b . 24 95000 c - 60000 ä 27 50000 b. 24 95000 c - 60000
angegebenen Eigenschaften erhalten.given properties.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 181 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Bitumen A 60 90 95 95 95 90 - - - 97 - - - 63 63 -Bitumen A 60 90 95 95 95 90 - - - 97 - - - 63 63 -
C ------- 67 - - 90 63 63 - - 22 44 66C ------- 67 - - 90 63 63 - - 22 44 66
Eigenschaf .ender Reaktionsprodukte Erweichungspunkt R u. K3C 71 55 50 52 64 60 62 90 95 65 90 85 62 80 65 70 75 82 BrechpunkfC -22 -16 -15 -18 -22 -17 -10 -7 -25 -12 -8 -15 -14 -7 -10 -20 -25 -26 Penetration Vw mm 155 120 177 159 122 170 57 36 55 120 36 66 105 80 113 125 85 101 Duktilitätbei25°Ccm 80 100 100 100 100 100 100 40 - 80 40 40 100 52 50 71 55 41 Rückverformung % 92 76 65 71 81 85 85 88 89 65 89 85 80 80 81 92 90 91 elastischer Anteil % 85 86 55 60 85 75 63 55 92 70 85 80 92 82 80 90 91 90Properties of the reaction products Softening Point R u. K 3 C 71 55 50 52 64 60 62 90 95 65 90 85 62 80 65 70 75 82 crushing point -22 -16 -15 -18 -22 -17 -10 -7 -25 -12 -8 -15 -14 -7 -10 -20 -25 -26 Penetration Vw mm 155 120 177 159 122 170 57 36 55 120 36 66 105 80 113 125 85 101 Ductility25 ° Ccm 80 100 100 100 100 100 100 40 - 80 40 40 100 52 50 71 55 41 Reverse deformation% 92 76 65 71 81 85 85 88 89 65 89 85 80 80 81 92 90 91 elastic proportion% 85 86 55 60 85 75 63 55 92 70 85 80 92 82 80 90 91 90
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