DE69119956T2 - Verfahren zur Herstellung von bituminösen Zusammensetzungen durch Extrusion - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von bituminösen Zusammensetzungen durch Extrusion

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Description

  • Polymere werden gewöhnlich als Additive in Straßen- oder Industrieasphalten und -bitumen verwendet, um entweder deren Verarbeitungseigenschaften durch Modifizieren der rheologischen Eigenschaften bei Wärme zu verbessern oder deren physikalisch-chemischen Eigenschaften (Brüchigkeit bzw. Sprödigkeit bei Kälte, Zähigkeit bzw. Festigkeit, Elastizität, Stabilität, Wärmeempfindlichkeit, mechanische Festigkeit auf Schläge, auf Vibrationen bzw. Schwingungen, auf Abrieb . . .) zu verbessern.
  • Im allgemeinen sind die verwendeten Polymere Thermoplasten (Polymere oder Copolymere aus Olefinen), Kautschuks, und insbesondere thermoplastische Elastomere (multisequentielle Copolymere aus Diolefinen und aus Styrol), oder in geringerem Maße wärmeaushärtende (Kunst-)Harze bzw. Duroplaste (Polyurethan-, Epoxi-, Phenol-Formolharze). Gemäß dem Stand der Technik können diese Polymere allein oder in Mischungen verwendet werden. Man hat zum Beispiel vorgeschlagen, Fabrikationsabfälle (Wachse aus Polyethylen, ataktischem Polypropylen, Polyvinylalkohol, vulkanisierten Kautschukkomposten . . .) oder Kunststoffabfälle, die aus Hausmüll stammen, oder ganz besonders Kunststoffverpackungen als Additive in Bitumen zurückzuführen bzw. zu rezyklieren. In diesem letzten Fall enthalten die Mischungen aus Polymeren im wesentlichen Polyolefine, Polyvinylchlorid, Polystyrol und Polyethylenterephthalat.
  • Gemäß diesen früheren Techniken werden die Polymere den Bitumen in kleinen Mengen (im allgemeinen von 2 bis 10 Gew.-%) in Form von "einfachen" Mischungen, die keine Wechselwirkung oder chemische Reaktion zwischen den Bestandteilen hervorrufen, oder in Form von "komplexen" Mischungen, die eine Wechselwirkung oder eine chemische Reaktion zwischen dem Polymer und bestimmten Bestandteilen des Bitumens (Asphaltenen, Maltenen, (Kunst-)Harzen . . .) gegebenenfalls in Gegenwart eines dritten Bestandteiles (Katalysator, Reagenz) erzeugen, beigemischt. Am häufigsten sind die Polymere im festen Zustand dispergiert oder in einem Überschuß von zuvor erwärmten Bitumen geschmolzen, und werden die Mischungen nach Rühren bzw. Bewegen unverändert im geschmolzenen Zustand verwendet oder in den festen Zustand abgekühlt und gegebenenfalls zerkleinert bzw. gemahlen oder granuliert.
  • Es ist möglich, durch Extrusion, wie in dem am 16.12.1969 veröffentlichten US-Patent 3,484,507, zu verfahren, welches die Einbringung von Polymeren oder Copolymeren aus Olefinen in Bitume beschreibt. Bestimmte Verfahren zur Herstellung einer Mischung aus Straßenbitumen, denen Polymere aus Olefinen zugesetzt sind, im geschmolzenen Zustand empfehlen die Zugabe von wenigstens 5 bis 30 Gew.-% mineralischer Partikel, welche die Auflösung des Polymers in dem Bitumen beschleunigen (siehe zum Beispiel das am 15.8.1967 veröffentlichte US-Patent 3,336,252. Das am 7.6.1977 veröffentlichte US-Patent 4,028,293 beansprucht die Herstellung eines bituminierten Materials, das insbesondere auf dem Gebiet des Straßenbaus und dem Bau verwendet wird und durch eine Reaktion bei hoher Temperatur (wenigstens bei 180ºC) einer mineralischen Verbindung, wie Sand oder Kiessande, mit einem Polymer oder einer Mischung aus Polymeren, die aus Haus- oder Haushaltsmüll stammen, erhalten wird. Die resultierende Mischung wird dann dem Bitumen unter Wärme zugegeben und abgekühlt. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens besteht in den Endkosten des Verfahrensweise, die ein Vorwärmen einer bedeutsamen Menge von mineralischem Material bei hoher Temperatur vor der Zugabe des Polymers oder der Polymere erfordert.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein vereinfachtes und wirtschaftliches Verfahren zur Zurückführung bzw. Rezyklierung von Polymerabfällen in Straßen- oder Industriebitumen. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für die Zurückführung bzw. Rezyklierung von "Abraum von Automobilen", d. h. von Kunststoffabfällen, die von Automobilen stammen, welche gegebenenfalls andere Polymerabfälle in einem kleineren Verhältnis, die zum Beispiel von Haushaltsgeräten stammen, enthalten können.
  • Der Gattungsbegriff "Abraum von Automobilen" oder "RBA" (Rückstände oder Abfälle des Zerkleiners bzw. Zerlegens von Automobilen) bezeichnet tatsächlich die Gesamtheit von mineralischen und organischen Materialien, die aus dem Zerkleinern bzw. Zermahlen oder dem Schreddern in der Hauptsache von Karkassen bzw. Gestellen von Automobilen und in einem geringeren Maße von Haushaltsgeräten und Industrieabfällen stammen und nach der Trennung der hauptsächlichen metallischen Materialien zum Beispiel mittels Magnetsortierung, durch Schwerkraft oder Hydrozyklonen, durch Flotation oder von Hand erhalten werden. Diese (zurück-)gewonnenen metallischen Materialien werden gewöhnlich als Rohstoffe bzw. Ausgangsmaterialien in der Hüttenindustrie zurückgeführt. Demgegenüber stellt das Zurückführen von "Abraum-"Abfällen oder nicht-metallischen Abfällen gegenwärtig aufgrund der Verschiedenartigkeit des Materials ein größeres Problem dar. Es handelt sich tatsächlich um eine Zusammensetzungsmischung, die variabel und aus nichtmetallischen mineralischen Partikeln sowie aus verschiedenen Polymeren, wie Aufschäumungen oder Schaumstoffen, vulkanisierten Kautschuks, synthetischen Fasern, Thermoplasten und wärmeaushärtenden (Kunst-)Harzen, gebildet ist.
  • Unter Berücksichtigung der wachsenden Menge von Polymermaterialien, die während des Baus von Fahrzeugen und Haushaltsgeräten verwendet werden, wird es notwendig, neue Wege zu finden, um sich von diesen "Abraum-"Materialien zu befreien, welche zugleich in wirtschaftlicher Hinsicht und in ökologischer Hinsicht für den Schutz der Umwelt zufriedenstellend sind. Man hat schon vorgeschlagen, den größeren Teil von "Abraum von Automobilen" durch Verbrennung, wie in dem Fall von Haushaltsabfällen, verschwinden zu lassen. Wenn auch der Bau von spezifischen Fabriken zur Verbrennung für den "Abraum von Automobilen" auf hohem technischen Niveau möglich ist, so bildet er gegenwärtig nicht die zufriedenstellendste Lösung aus einem energetischen Gesichtspunkt heraus und in finanzieller Hinsicht unter Berücksichtigung von sicherzustellenden ökologischen Sicherheiten insbesondere für die Entstaubung von Verbrennungsrauchgasen und die Retention von Ausdünstungen bzw. Ausströmungen toxischer oder korrosiver Gase. Wie in dem Fall von Kunststoffabfällen, die aus Verpackungen oder Haushaltsabfällen stammen, hat man gleichermaßen die Zurückführung bzw. Rezyklierung von "Abraum von Automobilen", als Rohstoffe bzw. Ausgangsmaterialien der zweiten Generation, die einzeln oder in Mischungen mit "neuen" Materialien der ersten Generation verwendet werden, in Betracht gezogen. Aufgrund ihrer sehr heterogenen Zusammensetzung jedoch sind die Verwendungen von "Abraum von Automobilen" als zurückgeführte bzw. rezyklierte Materialien bis jetzt sehr begrenzt und gestatten nicht, eine ausreichend bedeutsame Anwendung vorzusehen, um sich von wachsenden Mengen von "Abraum" zu befreien. Folglich wird der meiste "Abraum von Automobilen" gegenwärtig auf geschützten Schuttabladeplätzen abgeladen, was immer höhere Lagerungskosten nach sich zieht und was trotz der sämtlichen getroffenen Vorsichtsmaßnahmen eine wenig zufriedenstellende Lösung für den Schutz der Umwelt darstellt.
  • Aufgrund dessen stellt die erfindungsgemäße Verwendung von "Abraum von Automobilen" zum Verbessern der Eigenschaften von Straßen- und Industriebitumen oder -asphalten eine nützliche und vorteilhafte Weise zur Zurückführung bzw. Rezyklierung dar, zumindest wenn man eine einfache und zuverlässige Technik für die Verwirklichung von Mischungen zur Verfügung stellt. Gegenüber Verfahren, die im Stand der Technik beschrieben sind und im wesentlichen auf die Zurückführung von Hausabfällen aus Kunststoff in die Bitumen beschränkt sind, gestattet das verbesserte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung von heterogeneren und komplexeren Mischungen aus Polymeren, wie von "Abraum von Automobilen" oder "RBA".
  • Das Bitumen (Der Asphalt), das bzw. der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist ein natürlicher Bestandteil von mineralischen Ölen und Rohölen; es bzw. er wird durch Entasphaltierung, zum Beispiel durch Ausscheidung an Propan oder durch Destillation von Raffinierungsprodukten (pitch) und/oder durch Cracken von Erdölprodukten, erhalten. Es bzw. er kann gleichermaßen aus Teeren, die aus Kohle stammen, erhalten werden.
  • Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, kann man gleichermaßen ein Bitumen mit Fluxmittel, zum Beispiel mittels Destillaten oder aromatischen Rückständen, oder außerdem ein mit Luft oxidiertes oder geblasenes Bitumen verwenden.
  • Die hauptsächliche Originalität der vorliegenden Erfindung besteht darin, komplexe Mischungen aus organischen Polymerprodukten während dem Schreddern und Zerkleinern hauptsächlich von Automobilen und in geringerem Maße von Haushaltsgeräten und Industrieabfällen zu verwerten, indem sie bituminösen oder asphaltartigen Bindemitteln zugesetzt werden und indem bestimmte Eigenschaften im Hinblick insbesondere auf die Verwendungen in den Fahrbahnen bzw. Straßendecken aus festen Materialien, wie den Kiessanden, den Überzügen bzw. Schichten oder den Belägen, insbesondere auf dem Gebiet des Straßenbaus, des Baus, der öffentlichen Bauten und der speziellen Installationen, verbessert werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf den Abraum von Automobilen beschrieben, wobei aber die Erfindung auf andere Rückstände bzw. Reststoffe, wie oben erläutert, anwendbar ist.
  • Für die Wiederverwendung von polymeren Abfällen, die insbesondere aus dem Schreddern und dem Zerkleinern bzw. Zermahlen von Automobilen oder Haushaltsgeräten stammen und insbesondere expandierte Polymere, Schäume, vulkanisierte Kautschuks, synthetische Fasern, thermoplastische Polymere und wärmeausgehärtete (Kunst-)Harze umfassen, kann das Verfahren der Erfindung auf eine allgemeine Weise dadurch definiert werden, das es die polymeren Abfälle bituminösen Zusammensetzungen zusetzt, wobei es die folgenden Schritte realisiert:
  • - man die polymeren Abfälle einerseits und das Bitumen oder den Asphalt andererseits, die folglich entsprechend in Gewichtsverhältnissen von 20 bis 95% polymerer Abfälle für von 80 bis 5% Bitumen oder Asphalt gemischt sind, gemeinsam oder getrennt zerkleinert bzw. zermahlt, um eine Partikelgrößer kleiner als 10 mm zu erhalten,
  • - und man die erhaltene Pulvermischung, zum Beispiel in einem einschneckigen Extruder, bei einer Temperatur einschließlich zwischen 150 und 300ºC, vorzugsweise zwischen 180 und 250ºC, ausreichend, um die Fusion bzw. Schmelzung der meisten Bestandteile zu erreichen, in der Anwesenheit wenigstens eines kompatibilisierenden Polymers von 0,5 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise von 2 bis 5 Gew.-%, in bezug auf die vorhergehende Mischung aus Feststoffen extrudiert, das reaktive Gruppen umfaßt, welche aus den maleinisierten Polyisobutylenen, den Copolymeren aus Olefinen und aus Maleinsäureanhydrid oder aus Acrylsäure, den Terpolymeren aus Olefinen, ungesättigten Estern und Maleinsäureanhydrid oder Glycidylmethacrylat, und den maleinisierten Copolymersequenzen Styrol-Dien-Styrol oder Styrol-Ethylen/Buten- Styrol gewählt sind, wobei das kompatibilisierende Polymer den polymeren Abfällen, dem Bitumen oder dem Asphalt oder deren Mischung zugesetzt wird.
  • Die Erfindung hat gleichermaßen die bituminösen Zusammensetzungen, die durch dieses Verfahren erhalten werden, und die Verwendung dieser bituminösen Zusammensetzungen als Bestandteile von Bitumen oder Asphalten, welche für Straßen- oder Industrieanwendungen bestimmt sind, zum Gegenstand.
  • Gemäß einer weiteren Form der Erfindung werden die Mischung aus Abraum von Automobilen und das Bitumen, das ein reaktives Kompatibilisierungsmittel enthält, bei einer oben genannten Temperatur in einem Extruder mit mehreren Zonen extrudiert. In der ersten Zone der Zuführschnecke des Extruders setzt man die Mischung aus Abraum von Automobilen, die geschmolzen ist, zu; das Bitumen, das ein reaktives Kompatibilisierungsmittel enthält, wird in einer zweiten Zone zugesetzt und geschmolzen, und die Mischung aus Polymeren und aus geschmolzenem Bitumen wird vor seiner Informbringung durch Hindurchführung durch den Extruderkopf in einer dritten Zone gemischt bzw. (durch-)geknetet. Die Extrusionsgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit der Zusammensetzung der Mischung variabel; sie wird im allgemeinen gewählt, um vorzugsweise eine Verweildauer von 0,5 bis 3 Minuten in jeder Zone der Zuführschnecke des Extruders zu erhalten.
  • Gemäß einer anderen Form der Erfindung wird die Mischung aus Abraum von Automobilen und aus Bitumen oder Asphalt, das bzw. der ein reaktives kompatibilisierendes Mittel enthält, bei einer Temperatur einschließlich zwischen 150 und 250ºC extrudiert und wird das Extrudat, zum Beispiel in Fasern bzw. Fäden oder in Streifen, unter Wärme am Ausgang des Extruders mit einem laminaren oder vorzugsweise turbulenten Flux von geschmolzenem Bitumen gemischt. Die Mengen bzw. Durchsätze der Extrusion und der Zufuhr an geschmolzenem Bitumen werden gesteuert, derart, um den gewünschten Gehalt an Polymeren in der Endmischung zu erhalten.
  • Ein größerer Vorteil der Zusetzung eines reaktiven Kompatibilisierungsmittels zu dem Abraum von Automobilen gemäß der Erfindung besteht einerseits in der erhöhten Auflösungsgeschwindigkeit der Polyere im Bitumen, was erhöhte Extrudiergeschwindigkeiten gestattet, und andererseits in dem Erhalt einer bituminösen Endmischung, welche eine Homogenität und verbesserte Eigenschaften besitzt.
  • Das Verfahren der Erfindung kann vorteilhafterweise für die kontinuierliche Herstellung von bituminösen Mischungen verwendet werden, die an Polymeren konzentriert sind und dann als Additive von Straßen- oder Industriebitumen während deren Verarbeitung bzw. Gebrauch verwendbar sind.
  • Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
  • Beispiel 1
  • 7,5 kg Abraum von Automobilen und 0,4 kg Terpolymer auf Basis von Ethylen, Acrylester und Maleinsäureanhydrid (LOTADER®, Produkt ORKEM) werden in einem Schneidegranulator bzw. Zerkleinerer mit Messern zerkleinert bzw. zermahlen, um eine mittlere Partikelgröße einschließlich zwischen 2 und 4 mm zu erhalten, und dann in einem Feststoffmischer mit 2,5 kg Bitumen SAFANIYA, das vorher zerkleinert wird, um eine ähnliche Partikelgröße zu erhalten, gemischt. Die Mischung wird in einen einschneckigen Extruder eingeführt und bei 220ºC extrudiert. Während des Extrudierens quellen die meisten der Polymere oder lösen sich in dem geschmolzenen Bitumen auf, was zum Erhalt eines homogenen Extrudats, zum Beispiel in der Form eines Streifens oder eines Fades bzw. einer Faser, führt das dann granuliert, gelagert und später einem Überschuß von geschmolzenem Bitumen zum Verbessern der Eigenschaften zugesetzt werden kann.
  • Beispiel 2
  • 5 kg Abraum von Automobilen werden wie in dem Beispiel 1 zerkleinert und zunehmend in die erste Zone der Zuführschnecke eines Extruders bei 190ºC eingeführt. Man führt zunehmend einer zweiten Zone der Schnecke des Extruders 5 kg Bitumen zu, das vorher zerkleinert wird und 0,3 kg eines trisequentiellen maleinisierten Copolymers Styrol-Butadien- Styrol enthält. Die geschmolzene Mischung aus Abraum von Automobilen und aus Bitumen, das ein reaktives Kompatibilisierungsmittel enthält, wird bei Durchgang durch eine dritte Zone der Zuführschnecke des Extruders, die auf 210ºC aufgeheizt ist, gemischt bzw. (durch-)geknetet. Durch eine Hindurchführung der Gesamtheit durch den Kopf des Extruders erhält man kontinuierlich eine bituminöse Zusammensetzung, die an Abraum von Automobilen konzentriert ist, von homogener Erscheinung ist, und die dann schnell in geschmolzenem Bitumen im verdünnten Zustand dispergiert werden kann, um Straßen- oder Industriebitumen zu formulieren.
  • Beispiel 2 (Vergleich)
  • Eine Mischung aus 8 kg Abraum von Automobilen und 0,6 kg maleinisiertes Polyisobutylen wird zerkleinert, um eine mittlere Partikelgröße einschließlich zwischen 2 und 4 mm zu erhalten. Die Mischung wird bei 220ºC extrudiert, um 8 Fäden bzw. Fasern oder Streifen aus Polymeren von einem Durchmesser oder von einer Dicke nahe 2 mm zu erhalten. Am Ausgang des Kopfes des Extruders werden die Fäden bzw. Fasern oder Streifen aus Polymeren unmittelbar kontinuierlich in einen Strom aus bei 190ºC geschmolzenem Bitumen, der sich mit einer Geschwindigkeit von 1,2 m/s bewegt, eingeführt. Die entsprechenden Mengen bzw. Durchsätze von extrudierten Polymeren und von geschmolzenem Bitumen werden gesteuert, derart, um die 8 kg Abraum von Automobilen in 12 kg Bitumen zu dispergieren. Die meisten der Polymere, die in dem Abraum von Automobilen enthalten sind, lösen sich in dem Bitumen bei 190ºC in 15 Sekunden auf und die so kontinuierlich erhaltene Mischung von homogener Erscheinung wird dann abgekühlt und gegebenenfalls gemäß einer herkömmlichen Technik granuliert.

Claims (7)

1. Verfahren zum Wiederverwenden von polymeren Abfällen, die aus dem Schreddern und dem Zerkleinern von Automobilen oder Haushaltsgeräten stammen und expandierte Polymere, Schäume, vulkanisierte Kautschuks, synthetische Fasern, thermoplastische Polymere und wärmeausgehärtete Harze umfassen, durch Einbringung in bituminöse Zusammensetzungen,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß
- man die polymeren Abfälle und das Bitumen oder den Asphalt, die in entsprechenden Gewichtsverhältnissen von 20 bis 95% polymerer Abfälle und von 80 bis 5% Bitumen oder Asphalt gemischt sind, gemeinsam oder getrennt zerkleinert, um eine Partikelgröße kleiner als 10 mm zu erhalten,
- und man die erhaltene Pulvermischung bei einer Temperatur einschließlich zwischen 150 und 300ºC in Anwesenheit wenigstens eines kompatibilisierenden Polymers in einem Verhältnis von 0,5 bis 20 Gew.-% in bezug auf die vorhergehende Mischung extrudiert, das reaktive Gruppen umfaßt, welche aus den maleinisierten Polyisobutylenen, den copolymeren aus Olefinen und aus Maleinsäureanhydrid oder aus Acrylsäure, den Terpolymeren aus Olefinen, ungesättigten Estern und Maleinsäureanhydrid oder Glycidylmethacrylat, und den maleinisierten Copolymersequenzen Styrol-Dien-Styrol oder Styrol-Ethylen/Buten-Styrol gewählt sind, wobei das kompatibilisierende Polymer den polymeren Abfällen, dem Bitumen oder dem Asphalt oder deren Mischung zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die polymeren Abfälle und das Bitumen oder der Asphalt bis zu einer Partikelgröße einschließlich zwischen 2 und 4 mm zerkleinert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines mehrzonigen Extruders, wobei die Mischung von Polymeren in einer ersten Zone der Zuführschnecke des Extruders geschmolzen werden, das Bitumen oder der Asphalt in einer zweiten Zone geschmolzen werden und die geschmolzene Mischung von Polymeren und von Bitumen oder von Asphalt in einer dritten Zone vor einer Informbringung durch Durchführung durch den Kopf des Extruders gemischt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Extrudieren der Mischung von Polymeren und von Bitumen oder von Asphalt in Fäden oder Streifen, die dann kontinuierlich einem laminaren oder turbulenten Flux von geschmolzenem Bitumen zugesetzt werden, um eine verdünnte Mischung zu verwirklichen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Kompatibilisierungsmittel mit einer Konzentration einschließlich zwischen 2 und 5 Gew.-% in bezug auf das Gewicht der Mischung von polymeren Abfällen und von Bitumen oder von Asphalt zugesetzt wird.
6. Bituminöse Zusammensetzung, die eine verbesserte Homogenität aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Mischung von 20 bis 95% polymerer Abfälle, die aus dem Schreddern und dem Zerkleinern von Automobilen oder Haushaltsgeräten stammen und expandierte Polymere, Schäume, vulkanisierte Kautschuks, synthetische Fasern, thermoplastische Polymere und wärmeausgehärtete Harze umfassen, sowie von 80 bis 5% Bitumen oder von Asphalt, wobei die polymeren Abfälle und das Bitumen gemeinsam oder getrennt zerkleinert werden, um eine Partikelgröße kleiner als 10 mm zu erhalten, sowie in diese Mischung als reaktives Kompatibilisierungsmittel eingebracht wenigstens eine polymere Verbindung, die aus den maleinisierten Polyisobutylenen, den Copolymeren aus Olefinen und aus Maleinsäureanhydrid oder aus Acrylsäure, den Terpolymeren aus Olefinen, ungesättigten Estern und Maleinsäureanhydrid oder Glycidylmethacrylat, und den maleinisierten Copolymersequenzen Styrol-Dien-Styrol oder Styrol-Ethylen/Buten-Styrol ausgewählt sind, wobei das kompatibilisierende Polymer den polymeren Abfällen, dem Bitumen oder dem Asphalt oder deren Mischung in einem Verhältnis von 0,5 bis 20 Gew.-% zugesetzt wird, umfaßt, wobei die bituminöse Zusammensetzung durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 erhalten wird.
7. Verwendung einer bituminösen Zusammensetzung gemäß Anspruch 6, als Bestandteil von Bitumen oder Asphalten, die für Straßen- oder Industrieanwendungen bestimmt sind.
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