DE4329459C2 - Bitumenmodifikator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bitumenmodifikator auf Basis von Altkunststoffen sowie das Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung bei der Herstellung von Asphaltmischungen, die hohen Belastungsansprüchen genügen.

Asphaltmischungen für den Straßenbau bestehen im wesentlichen aus Mineralstoffen (Gesteinsfraktionen) und Bindemittel. Als Bindemittel wird je nach Anwendungsfall Normenbitumen oder polymermodifiziertes Bitumen (PmB) eingesetzt.

Der Einsatz von PmB bewirkt eine Verbesserung der Gebrauchs­ eigenschaften der Asphaltschichten hinsichtlich Verformbarkeit bei hohen Temperaturen sowie ihrer Kältebeständigkeit.

Die Modifizierung von Bitumen mit Naturkautschuk und sorten­ reinen Thermoplasten sowie Elasten ist bekannt.

Ein großes Problem beim Einsatz von PmB ist die Neigung zur Entmischung im schmelzeflüssigen Zustand. Beim Einsatz derar­ tiger Mischungen müssen Vorkehrungen zur Homogenisierung, z. B. Rühren oder Umpumpen der Schmelze, getroffen werden.

In DE 25 40 230 wird die Modifizierung von Bitumen mit einem PO-Gemisch in einer Heißmischanlage beschrieben. Die Mischung wird solange homogenisiert, bis ein deutlicher Viskositäts­ abfall eintritt, wodurch ein PmB erzeugt werden soll, das nicht zum Entmischen neigt.

Es ist bekannt, daß bei Einsatz von Polymeren mit niedrigerem Molekulargewicht ein besserer Mischeffekt und damit bessere Lagerstabilität von PmB erreicht wird.

In der Patentschrift DE 23 43 586 wird die alleinige Verwendung von PE mit niedrigem Molekulargewicht (PE-Wachs) beschrieben. Nach der Beschreibung sind Mischungen mit bis zu 12 Gew.-% Polymergehalt heißlagerstabil.

Die DE 38 19 931 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines PmB bei dem thermoplastische Kunststoffe der Gruppe der Olefin­ polymerisate und Olefin-Copolymerisate vor dem Aufmischen mit Normenbitumen bei 200 bis 250°C mit Luftsauerstoff in einem 4 bis 10 Stunden dauernden Prozeß abgebaut werden.

In der Praxis ist der Trend zu erkennen, Altkunststoffe einer wirtschaftlichen Verwertung zuzuführen. Auch für die Herstel­ lung von PmB ist der Einsatz von Altkunststoffen bekannt. Pro­ blematisch ist dabei vor allem die schwankende Zusammensetzung je nach Herkunft der Altkunststoffe.

Ein Verfahren zum thermooxidativen Abbau von Altkunststoffen im Extruder beschreibt DE 40 17 089. Durch Zuführung von Wärme, Luftsauerstoff und durch Scherung im Extruder werden die Kunst­ stoffe bis zu wachsartigen oder ölartigen Schmelzen abgebaut, die einer weiteren Verwendung in der Vergasung zugeführt werden.

In den Erfindungsbeschreibungen FR 26 58 525 und FR 26 58 526 wird die Herstellung von Bitumenmischungen auf der Basis von Altkunststoffen aus dem Automobil- und Elektrogeräterecycling beschrieben. Die Herstellung der Mischungen erfolgt in einem kontinuierlichen Prozeß auf einem Einschneckenextruder. Dabei werden Kunststoffe und Bitumen zerkleinert, gemischt und in den Extruder zudosiert. Im Extruder erfolgt das Aufschmelzen und Homogenisieren. Zur Verbesserung der Eigenschaften der Mischung müssen jedoch Verträglichkeitsvermittler zudosiert werden.

Der in Anspruch 1 und 2 angegebenen Erfindung liegt die Auf­ gabe zugrunde, einen Bitumenmodifikator unter Einsatz von Alt­ kunststoffen zu entwickeln und wirtschaftlich herzustellen, wobei eine gleichbleibend gute Qualität des Bitumenmodifika­ tors gewährleistet werden soll, keine Entmischungserscheinungen auftreten und sich der Zusatz von Verträglichkeitsvermittlern erübrigt.

Der in einem kontinuierlichen Prozeß hergestellte granulatför­ mige Bitumenmodifikator kann für die Herstellung von PmB ver­ wendet werden oder direkt in einer Asphaltmischanlage zu der Mischung aus Mineralstoffen und Bitumen zudosiert werden. Er verleiht den damit hergestellten Mischungen bessere Eigenschaf­ ten als beim Einsatz von Normenbitumen oder thermoplastmodifi­ ziertem Bitumen.

Im ersten Verfahrensschritt erfolgt der thermische und/oder thermooxidative Abbau der Kunststoffschmelze bis auf einen Schmelzindex von etwa 100 bis 150 g/10 min. Die abgebaute Schmelze wird danach mit Bitumen im Verhältnis 1 : 1 gemischt. Während der Mischung erfolgen Vernetzungen zwischen den abge­ bauten Kunststoffen und dem Bitumen. Die fertige Mischung wird abgekühlt und granuliert. Das Modifikatorgranulat kann ohne Gefahr der Entmischung zwischengelagert werden.

Infolge seines Bitumenanteiles und der zwischen Bitumen und Polymerschmelzen erfolgten Bindungen hat der Modifikator ein sehr gutes Schmelzeverhalten im Heißmischer. Beim Einsatz in Asphaltmischungen verbessert er die Benetzung des Gesteines und die Bitumenverteilung vorteilhaft.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Bitumenmo­ difikators ist in Fig. 1 dargestellt.

Die Schwimmfraktion aus geshreddertem Haushaltsplastmüll wird im Lagersilo 1 mit Bunkeraufsatzfilter 2 bevorratet. Über die Differentialdosierwaage 3 erfolgt die mengengeregelte Dosie­ rung des Kunststoffgemisches in die Einzugszone des gleichlau­ fenden Doppelschneckenextruders 4. In der nachfolgenden Pla­ stizierzone werden die Polymere zunächst aufgeschmolzen, homo­ genisiert und auf Temperaturen von 300 bis 400°C aufgeheizt.

In die heiße Schmelze kann mit Hilfe des Luftkompressors 8 über den Filter 7 gereinigte Luft als Initiator für den oxidativen Abbau zudosiert werden.

In der Homogenisierzone und der anschließenden Degradationszone sind die Schnecken mit mehreren Knet- und Staustufen versehen, die durch Scherung des Produktes den Abbau fördern.

Unter dem Einfluß der hohen Temperatur, der Scherung und des eingetragenen Sauerstoffes werden die Molekülketten gebrochen. Es entstehen kurzkettige Polymere, die der Schmelze neue Eigen­ schaften verleihen.

An die Degradationszone schließt sich eine Entgasungszone an. Hier werden nichtumgesetzter Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft sowie entstandene dampf- bzw. gasförmige Abbaupro­ dukte mit der Vakuumpumpe 10 abgesaugt.

Die heißen Abgase werden in einer thermischen oder katalytischen Nachverbrennungsanlage 19 gereinigt und können anschließend für die Granulattrocknung eingesetzt werden.

Nach der Entgasung wird der Polymerschmelze temperiertes Bi­ tumen zudosiert. Das Bitumen wird im beheizten Lagerbehälter 5 bevorratet und mit der Dosierpumpe 6 nach dem Extruder zu­ geführt.

Polymerschmelze und Bitumen werden im an den Extruder anschlie­ ßenden statischen Mischer intensiv miteinander gemischt und der entstandene Bitumenmodifikator im Unterwassergranulator 11 granuliert. Die Unterwassergranulieranlage besitzt einen ge­ schlossenen Wasserkreislauf, bestehend aus Wasservorratsbehäl­ ter 12, Umwälzpumpe 13 und Kühler 14.

Im Wasservorabscheider 15 und dem Granulattrockner 16 wird das Granulat mechanisch und thermisch getrocknet und anschließend im Absackbunker 17 zwischengelagert. Über die Absackwaage 18 wird das Granulat bei Bedarf abgesackt und zum Versand bereit­ gestellt.

Beispiel 1

Der erfindungsgemäße Bitumenmodifikator wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren auf einer Technikumsanlage hergestellt.

Kernstück der Technikumsanlage war ein Doppelschneckenextruder ZSK 53 der Firma Werner & Pfleiderer mit 40 D Länge, der mit folgenden Ausrüstungen versehen war:

• - Dosierbandwaage für zerkleinerte Altkunststoffe
• - Dosierung von Druckluft
• - Entgasungseinrichtung
• - Dosiervorrichtung für Bitumenschmelze
• - statische Mischer SMX der Firma SULZER
• - Stranggranulierung.

Der thermooxidative Abbau der Kunststoffe wurde bei Tempera­ turen von 350 bis 400°C unter Zudosierung von Luft (60 l Luft/kg Polymer) realisiert.

Der Abbau wurde so gesteuert, daß sich der Schmelzindex der Polymerschmelze von 0,5 g/10 min (Einsatzprodukt) auf 100 bis 150 g/10 min (abgebaute Schmelze) einstellt.

Diese Schmelze wurde mit Normenbitumen B 200 im Verhältnis 1 : 1 im statischen Mischer homogenisiert und anschließend granuliert.

Der Modifikator wurde zur Herstellung von PmB eingesetzt. Dazu wurden Normenbitumen B 200 mit 6% Modifikatorgranulat bei 200°C 2 h gemischt und von der fertigen Mischung die Kennwerte gemäß Technische Lieferbedingungen (TL) für PmB bestimmt.

Die Ergebnisse im Vergleich zum PmB nach TL sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

Beispiel 2

Der gemäß Beispiel 1 hergestellte Bitumenmodifikator wurde direkt zur Herstellung von Asphaltmischungen 0/11 S mm ein­ gesetzt.

Dazu wurden 2000 kg mineralische Bestandteile, 97 kg Bitumen B 80 und 3 kg Modifikator im Heißmischer gemischt. An aus der Mischung hergestellten Marshall-Körpern wurden die Kennwerte Hohlraumgehalt und Fließwert bestimmt.

Tabelle 2

Die Hohlraumgehalte liegen in einem günstigeren Bereich als bei einer As­ phaltmischung ohne Modifikatorzugabe.

Der Fließwert und die Stabilität als Maß für die Standfestig­ keit der Mischung wurde durch die Modifikatorzugabe positiv beeinflußt (siehe Tabelle 2).

Claims (6)

1. Bitumenmodifikator, bestehend aus einer Mischung von ther­ moplastischem Altkunststoff in Form der Schwimmfraktion mit einer Dichte < 1 g/cm³ aus dem Haushaltsplastmüll, der thermisch und/oder thermooxidativ bis auf einen Schmelz­ index von 100 bis 150 dg/min abgebaut ist, und Normenbi­ tumen im Verhältnis 1 : 1.

2. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung des Bitumenmo­ difikators nach Anspruch 1 durch thermischen und/oder ther­ mooxidativen Abbau der Polymerkomponente und anschließendes Vermischen mit der Bitumenkomponente, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst der Abbau der Makromoleküle der Schwimmfraktion mit einer Dichte < 1 g/cm³ des Haushaltsplastmülls durch Temperaturen von 300 bis 400°C und Scherung, im Falle des thermooxidativen Abbaus unter Zugabe reaktiver Gase, bis auf einen Schmelzindex von 100 bis 150 dg/min in einem gleich­ laufenden Doppelschneckenextruder mit Einrichtungen zum Zu­ dosieren von reaktiven Gasen und pulverförmigen oder flüs­ sigen Zuschlagstoffen sowie einer Entgasungszone zur Ab­ führung gasförmiger Abbauprodukte und überschüssiger Reak­ tionsmittel erfolgt, anschließend flüssiges Bitumen in die abgebaute Kunststoffschmelze im Verhältnis 1 : 1 zugemischt und durch intensives Vermischen bei einer Temperatur von 200°C in einem oder zwei dem Extruder nachgeschalteten statischen Mischern homogenisiert wird und danach die Bi­ tumenmodifikatorschmelze in an sich bekannter Weise über Schmelzefilter von unlösbaren Bestandteilen gereinigt, an­ schließend einer Unterwassergranulierung unterworfen und getrocknet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim thermooxidativen Abbau als reaktives Gas Luftsauerstoff eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die am Entgasungsstutzen des Doppelschneckenextruders ab­ gesaugten Abgase in einer thermischen oder katalytischen Nachverbrennungsanlage gereinigt und die warmen Restgase für die Trocknung des Endproduktes eingesetzt werden.

5. Verfahren zur Verwendung eines Bitumenmodifikators nach Anspruch 1 bis 4 zur Herstellung von polymermodifizierten Bitumen.

6. Verfahren zur Verwendung eines Bitumenmodifikators nach Anspruch 1 bis 4 für die direkte Zudosierung in die Asphalt­ mischanlage bei der Asphaltherstellung für den Straßenbau.