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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Sektor der polymermodifizierten
Asphaltzusammensetzungen und verschiedene Verfahren zur Herstellung
dieser Zusammensetzungen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere
ein Verfahren zur Herstellung von polymermodifiziertem Asphalt unter
Verwendung eines Beschleuniger-Geladditivs, das als Träger für den Beschleuniger
bei der Polymer-Asphaltbildung dient.
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2. Erörterung des Standes der Technik
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Polymermodifizierter
Asphalt und Verfahren zur Herstellung von polymermodifiziertem Asphalt sind
in der Technik gut bekannt. Polymere, wie thermoplastisches Elastomer,
werden üblicherweise
mit Asphalt verbunden, um dessen Festigkeit und Leistung zu verbessern.
Es ist auch bekannt, dass die Stabilität der Polymer-Asphalt-Zusammensetzungen durch
Zugabe von Schwefel erhöht
werden kann. Schwefel koppelt vermutlich über Sulfid- und Polysulfidbindungen
chemisch mit dem Polymer und Asphalt, wodurch der Bindungs- und
Härtungsprozess von
Polymer-Asphalt
verstärkt
und beschleunigt wird.
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Dem
Polymer-Asphalt-System kann ein Beschleuniger wie Schwefel zugefügt werden,
um das Binden und Härten
von dem Polymer und Asphalt zu erhöhen. In Polymer-Asphalt-Systemen
werden verschiedene Formen von Schwefelbeschleunigern verwendet,
wie elementarer Schwefel oder Schwefeldonor-Kopplungsmittel, einschließlich Alkylpolysulfid, Dithiocarbamaten,
Phosphorpentasulfid, Thiuramen, Thiazolderivaten, 4,4'-Dithiomorpholin.
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Der
Schwefel kann durch verschiedene Verfahren dem Polymer und Asphalt
einverleibt werden, was in der Regel das Einverleiben von Schwefel
in elementarer oder Kopplungsform in eine Mischung von Polymer und
Asphalt beinhaltet, nachdem die Mischung für einen definierten Zeitraum
bewegt worden ist. Das Polymer kann alternativ mit Schwefel vorbehandelt
werden, und dann wird das schwefelbehandelte Polymer dem geschmolzenen
Asphalt zugefügt.
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Das
Verfahren der Einbringung feinteiliger trockener Materialien, wie
Schwefel, in Reaktionsgefäße oder
Tanks birgt leider wegen der Bildung und Anwesenheit von Kohlenwasserstoffdämpfen in Kombination
mit erhöhten
Verarbeitungstemperaturen eine Explosionsgefahr. Feinteilige trockene
Materialien mischen sich außerdem
oft nicht gründlich
und effektiv, wenn sie mit dem flüssigen Material in dem System
kombiniert werden. In einem Versuch zur Behebung dieses Problems
kann das feinteilige trockene Material in Öl vordispergiert werden. Es
ist wegen der Neigung des schwereren feinteiligen Materials zum
Absetzen jedoch konstantes Bewegen erforderlich. Es sind viskosere Öle und/oder
Asphalt-Fluxmittel verwendet worden, um das Absetzen des feinteiligen
Materials zu verhindern, die Verwendung dieser Materialien erfordert
jedoch die Verwendung höherer Verarbeitungstemperaturen,
um das Öl
und/oder die Asphalt-Fluxmittel auf einer pumpbaren Viskosität zu halten.
Dieses Verfahren erfordert zudem auch konstantes Bewegen, um die
Dispersion des feinteiligen Materials aufrechtzuerhalten. Die zur
Verarbeitung erforderlichen höheren
Temperaturen erhöhen
infolgedessen die Risiken der Emission giftiger Gase, wie Schwefelwasserstoff,
das sehr giftig und entflammbar ist. Die Verarbeitungstemperatur
hochkonzentrierter Schwefel/Öl-
oder Schwefel/Fluxmittel-Systeme sollte daher 60°C (140°F) nicht übersteigen.
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Ziele und Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist in Anbetracht der bereits erörterten Nachteile
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine stabile Zusammensetzung
zur Abgabe von Beschleuniger in die flüssige Polymer-Asphalt-Mischung
während
der Herstellung von polymermodifiziertem Asphalt bereitzustellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine stabile
Beschleuniger-Gelsuspension zu liefern, die sich während der
Lagerung oder der Fertigungsverfahren nicht trennt, die ihre Verwendung
beinhalten, wie wenn es dem Polymer-Asphalt-System zugegeben wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein stabiles Beschleuniger-Geladditiv
zu liefern, das bei Umgebungstemperatur vorgemischt und gelagert werden
kann und von einer flüssigen
oder Gelbeschaffenheit ist, die leichte Handhabung und Pumpbarkeit
unter normalen Verarbeitungsbedingungen und bei Temperaturen unter
60°C (140°F) liefert.
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Gemäß den genannten
Zielen liefert die vorliegende Erfindung einen polymermodifizierten
Asphalt, der nach einem Verfahren gebildet wird, bei dem ein Beschleuniger-Geladditiv
als Beschleuniger während
der Herstellung des polymermodifizierten Asphalts dem Polymer-Asphalt-Flüssigmaterial
einverleibt wird. Das Beschleuniger-Geladditiv kann in anderen mit
Asphalt zusammenhängenden
Verfahren verwendet werden, wie "katalytischem" Lufteinblasen zur
leichten Zugabe von feinteiligem festem Katalysator, wie Phosphorpentoxid
oder Eisen(III)chlorid, und Zugabe von feinteiligen Materialien
zu Reinasphalt (Bitumen), wie die Zugabe von Calciumcarbonat zu
stark sauren Asphalten.
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Das
Beschleuniger-Geladditiv kann auch als Zusatzmischung in anderen
Verfahren als Asphalt- oder polymermodifizierten Asphaltadditiven
verwendet werden. Zu anderen Verfahren können Kompoundieren und Vulkanisieren
von Kautschuk sowie Spritzguss, Extrusion und Formung von Polymerteilen
und Materialien gehören,
ohne darauf beschränkt zu
sein. Die vorliegende Erfindung liefert zudem ein Verfahren zur
Herstellung des Beschleuniger-Geladditivs.
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Der
erfindungsgemäße polymermodifizierte Asphalt
wird nach dem Verfahren hergestellt, bei dem ein Beschleuniger-Geladditiv
gebildet wird, das Beschleuniger-Geladditiv mit dem Polymer und
Asphalt unter Bildung einer Mischung gemischt wird, und die Mischung
bei einer Temperatur zwischen ungefähr 93–260°C (200–500°F) und vorzugsweise ungefähr 149–204°C (300–400°F) gehärtet wird.
Der resultierende polymermodifizierte Asphalt erfordert eine kürzere Härtungszeit
und liefert verbesserte Lagerbeständigkeit der polymermodifzierten
Asphaltformulierung, die durch Beständigkeit gegenüber Phasentrennung
gezeigt wird. Zusätzlich
zu verbesserter Härtungszeit
und Stabilität
werden diese erwünschten
Eigenschaften auch rascher und effizienter erreicht als in konventionellen
Verarbeitungssystemen.
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Das
Beschleuniger-Geladditiv ist eine Zusammensetzung, die ein Gel,
das I. ein Verarbeitungsöl,
ii. einen organophilen Ton und iii. einen polaren Aktivator einschließt, der
aus der Gruppe bestehend aus Propylencarbonat und einer Ethanol-Wasser-Mischung ausgewählt ist,
und einen Beschleuniger umfasst, der das Binden und Härten des
Polymers und des Asphalts verbessert, wobei der Beschleuniger in
dem Gel suspendiert ist. Es wird nach einem Verfahren gebildet,
bei dem der Beschleuniger und der organophile Ton unter Bildung
einer glatten Mischung mit dem Verarbeitungsöl kombiniert werden. Der polare
Aktivator wird dann langsam zugefügt und in die Mischung gemischt,
um Plättchen
in dem organophilen Ton zu tren nen. Hierdurch wird das Öl "gelieren" und dadurch den
Beschleuniger in einer stabilen Form suspendieren, die Sedimentierung
des Beschleunigers verhindert, wie feinteiligem trokkenem Schwefelmaterial.
Obwohl das Beschleuniger-Geladditiv sehr stabil ist, kann im Zeitverlauf eine
leichte Verfärbung
des Additivs auftreten. Diese Verfärbung beeinträchtigt die
Leistungscharakteristika des Beschleuniger-Geladditivs jedoch nicht.
Das Beschleuniger-Gelmaterial wird vorzugsweise in versiegelten
Behältern
gelagert, um mögliche
Oxidation zu verhindern. Es kann über längere Lagerungszeiträume ein
leichtes Ausschwitzen von Öl
beobachtet werden, falls überhaupt.
Dieses Ausschwitzen kann durch leichtes Bewegen wieder einverleibt
werden. Das Erhöhen
der Mengen an organophilem Ton und polarem Aktivator kann das Auftreten
dieses Ausschwitzens verhindern.
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Diese
und andere Aspekte und Ziele der vorliegenden Erfindung werden im
Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung besser erkennbar und verständlich.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die folgende Beschreibung,
während
sie die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und zahlreiche spezifische Details derselben zeigt,
zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung dient.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung und verschiedene Merkmale und vorteilhafte
Details derselben werden in Bezug auf die nicht einschränkenden
Ausführungsformen
vollständiger
erläutert,
welche in der folgenden Beschreibung detailliert beschrieben sind. Die
Beschreibung gut bekannter Komponenten und Verfahrenstechniken wurde
weggelassen, um so nicht in unnötiger
Weise von der vorliegenden Erfindung im Detail abzulenken.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Beschleuniger-Geladditiv
und dessen Verwendung zur Abgabe eines Be schleunigers in das Polymer-Asphalt-Flüssigmaterial
während
der Herstellung von polymermodifiziertem Asphalt. Das Verfahren
zur Herstellung des polymermodifizierten Asphalts umfasst spezieller
das Bilden des Beschleuniger-Geladditivs, das Kombinieren des Beschleuniger-Geladditivs
mit dem Polymer und Asphalt und Härten des polymermodifizierten
Asphalts bei einer Temperatur zwischen ungefähr 93–260°C (200–500°F) und vorzugsweise einer Temperatur
zwischen ungefähr 149–204°C (300–400°F), bis die
gewünschten
Eigenschaften erreicht sind. Diese Zeit hängt von der Chargengröße und den
Mischfähigkeiten
eines gegebenen Produktionssystems ab.
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Die
Beschleuniger-Geladditiv-Formulierung enthält zwischen ungefähr 2,0%
und 75,0% Beschleuniger, 25,0% bis 88,0% Verarbeitungsöl und 0,5%
bis 10,0% Ton. Das Beschleuniger-Geladditiv enthält außerdem ferner
einen polaren Aktivator. Die Menge an polarem Aktivator ist ungefähr gleich
dem Gewichtsprozentverhältnis
zwischen 0,5–3,0
Teilen polarem Aktivator: 1,0–5,0
Teilen Ton und vorzugsweise zwischen ungefähr 1,0 Teil polarer Aktivator: 2.0
Teile Ton.
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Der
Beschleuniger kann ausgewählt
sein aus der Gruppe, die Schwefel, 4,4'-Dithiodimorpholin, Thiazolderivate,
Dithiocarbamate, Phosphorpentasulfid, Phosphorpentoxid, Zinkstearat,
Ammoniumstearat, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid,
Aluminiumoxid oder Kombinationen von diesen oder anderen Vulkanisiermitteln
oder Beschleunigern einschließt.
Der Beschleuniger kann Pulver, Flocken, Pellets oder andere geeignete
Form sein und vorzugsweise feinteiliges Pulver. Der Beschleuniger
kann außerdem
behandeltes Öl
als Staubunterdrükkungsmittel
sein.
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Der
bevorzugte Beschleuniger ist Schwefel ausgewählt aus der Gruppe umfassend
elementaren Schwefel, rhombischen Schwe fel oder polymeren Schwefel
und wird in der Form ausgewählt
aus Pulver, Flocken oder Pellets verwendet.
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Das
Verarbeitungsöl
kann ausgewählt
sein aus beliebigem Öl
mit einem Flammpunkt von mindestens 149°C (300°F), vorzugsweise 218°C (425°F) oder darüber und
mit einer ausreichend niedrigen Viskosität, um sich bei Umgebungstemperatur
leicht mit Schwefel zu mischen. Annehmbare Verarbeitungsöle sind
beispielsweise pflanzliche Öle,
wie Erdnussöl,
Maisöl,
Olivenöl,
Rapsöl
und Distelöl
sowie Erdöldestillatöle, wie
paraffinisches, naphthenisches, aromatisches Mineralöl, zurückgewonnene Formen
von allen. Das bevorzugte Verarbeitungsöl ist Ergon Hyprene L-500 Lube
Oil.
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Der
Ton ist ausgewählt
aus der Gruppe, die Amin-behandelten Ton und organophilen Ton einschließt, und
ist vorzugsweise der organophile Ton Baragel 32013.
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Dem
Beschleuniger-Geladditiv wird vorzugsweise ein polarer Aktivator
zugefügt,
wie Propylencarbonat oder eine Ethanol-Wasser-Mischung und am meisten bevorzugt
Propylencarbonat.
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Die
bevorzugte Formulierung des Beschleuniger-Geladditivs umfasst ungefähr 50,0%
Schwefel, ungefähr
47,0% Ergon Hyprene L-500 Lube Oil, ungefähr 2,25% Baragel 32013 und
ungefähr
0,75% Propylencarbonat.
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Das
Beschleuniger-Geladditiv wird nach dem Verfahren gebildet, bei dem
ein Beschleuniger, vorzugsweise elementarer pulverisierter Schwefel, und
ein Ton, vorzugsweise Baragel 32013, mit Verarbeitungsöl gemischt
werden, bis eine glatte Mischung mit dem Aussehen von körniger gelber
Farbe gebildet wird. Dann wird der glatten Mischung langsam ein
polarer Aktivator, vorzugsweise Propylencarbonat, zugefügt und gerührt, bis
sie ein "Gel" bildet, das den
Schwefel in dem Beschleuniger-Geladditiv suspendiert. Das resultierende
Beschleuniger- Geladditiv
wird dann bei Umgebungstemperatur gelagert, vorzugsweise zwischen
4°C (40°F) und 60°C (140°F). Es kann
sofort bei der Herstellung von polymermodifiziertem Asphalt verwendet
werden oder unbegrenzt gelagert werden.
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Obwohl
das bevorzugte Verfahren beschrieben wurde, sind alternative Verfahren
zur Herstellung des Beschleuniger-Geladditivs, ohne darauf beschränkt zu sein,
Vormischen von dem Beschleuniger und dem Ton und anschließendes Zugeben
zu dem Verarbeitungsöl;
Zugeben der Beschleuniger-Ton-Mischung zu dem Verarbeitungsöl und Kombinieren
des polaren Aktivators unter Bildung eines gelierten Produkts, dem
der Beschleuniger nachträglich
zugefügt
wird.
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Nachdem
das Beschleuniger-Geladditiv gebildet worden ist, wird es dann einer
Mischung aus Polymer und Asphalt bei einer Temperatur zwischen ungefähr 93–260°C (200°–500°F) und vorzugsweise zwischen
ungefähr
149–204°C (300–400°F) zugegeben.
Die Zugabe des Beschleuniger-Geladditivs zu Asphalt-Polymer-Gemischen verbessert,
wie erörtert wurde,
die Lagerstabilität
und Zeit zum Erreichen erwünschter
Eigenschaften. Obwohl es mehrere Wege gibt, um Beschleuniger-Vernetzen
in Asphalt-Polymer-Gemischen zu erreichen, ist die bevorzugte Form
mit feinteiligem Schwefelmaterial in Form von pulverisiertem oder
in Flocken vorliegendem elementarem Schwefel. Es ist Fachleuten
bekannt, dass die Zugabe von Schwefel in feinteiliger Form zu den
zuvor genannten Sicherheits- und Handhabungsproblemen führt. Das
Beschleuniger-Geladditiv ermöglicht die
Zugabe von Schwefel zu dem Asphalt-Polymer-Gemisch in einer Form
und Weise, die zur Begrenzung und Beseitigung der meisten Handhabungs-
und Sicherheitsprobleme führt,
die in den konventionellen Verfahren der Zugabe von feinteiligen
trockenen Materialien zu flüssigem
Asphalt-Polymer-Gemisch vorhanden sind.
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Das
Beschleuniger-Geladditiv kann dem Asphalt-Polymer-Gemisch in verschiedenen
Produktionsstadien zugefügt
werden, es kann Konzentraten zwischen 1,0%–25,0% Polymer und vorzugsweise zwischen
ungefähr
2,0% bis 18,0% Polymer zugefügt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass einige Asphalt-Polymer-Gemische mit höheren Konzentrationen
von Polymeren durch die Zugabe von Beschleuniger nachteilig beeinflusst
werden können.
Das Beschleuniger-Gel-Additiv kann effektiv zu Polymer-Asphalt-Gemischen
gegeben werden, die aus Konzentraten verdünnt wurden, die mit entweder
Reinasphalt, verarbeiteten oder polymerhaltigen Asphalten verdünnt werden.
Das Beschleuniger-Geladditiv kann dem Verdünnungsasphalt auch vor der
Verdünnung
des Asphalt-Polymer-Konzentrats zugefügt werden. Das bevorzugte Verfahren
der Beschleuniger-Geladditivzugabe ist entweder am Punkt der Asphaltverdünnung oder
während
der Formulierung des Endprodukts.
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Das
zur Herstellung von erfindungsgemäßem polymermodifiziertem Asphalt
verwendete Polymer ist ausgewählt
aus der Gruppe, die Polymere mit ungesättigten Kohlenwasserstoffketten
umfasst, einschließlich
Polyisopren (Kautschuk), Styrol-Butadien (SBR),
Ethylen-Propylen-Dienemonomere (EPDM), Styrol-Isopren-Styrol (SIS) und Styrol-Butadien-Styrol
(SBS) und ist vorzugsweise Styrol-Butadien-Styrol (SBS). Die Polymere
können
in Einzelform oder als Kompounds von mehreren Polymeren oder Polymertypen
verwendet werden, wie linearen, verzweigten, gepfropften oder Kombinationen
verschiedener Typen.
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Der
Asphalt ist ausgewählt
aus der Gruppe, die aus der Destillation von Rohöl stammenden Asphalt, natürlich vorkommenden
Asphalt, Trinidad Lake-Asphalt (TLA), Gilsonit und verarbeitete
Asphalte einschließt,
so dass gemischte Asphalte verschiedener Sorten und Quellen sowie
luftgeblasener Asphalt eingeschlossen sind. Der bevorzugte Asphalt
ist Reinasphalt, der aus der Destillation von Rohöl stammt.
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Die
Mischung, die Beschleuniger-Geladditiv, Polymer und Asphalt umfasst,
wird dann bei einer Temperatur zwischen ungefähr 93–260°C (200°–500°F) und vorzugsweise ungefähr 149–204°C (300°–400°F) gehärtet, bis
die gewünschten
Eigenschaften erreicht sind. Diese Zeit hängt von der Chargengröße und den
Mischfähigkeiten
eines gegebenen Produktionssystems ab, bis die gewünschten
Eigenschaften erreicht sind. Diese Zeit hängt von der Chargengröße und den
Mischfähigkeiten
eines gegebenen Produktionssystems ab.
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Der
resultierende polymermodifizierte Asphalt hat die Eigenschaften
der kürzeren
Härtungszeit
und liefert verbesserte Lagerbeständigkeit der polymermodifzierten
Asphaltformulierung, die sich durch Beständigkeit gegenüber Phasentrennung zeigt.
Zusätzlich
zu verbesserter Härtungszeit
und Stabilität
werden die erwünschten
Eigenschaften auch in einer besseren Zeit erreicht.