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Die
vorliegende Erfindung betrifft Zusammensetzungen, die Gemische von
schweren Kohlenwasserstoffen, z.B. auf der Basis von Bitumen, und
Polymeren vom Typ der thermoplastischen Polyolefine enthalten, und
die in der nachfolgenden Beschreibung auch als bituminöse Zusammensetzungen
vom Typ Bitumen/Polymer bezeichnet werden. Die Erfindung betrifft
weiterhin die Herstellung dieser Zusammensetzungen und ihre Anwendungen
im Straßenbau,
insbesondere bei der Herstellung von Straßen, und in anderen Industrien,
insbesondere als Dichtungshüllen
für Dächer, Isolierplatten
oder Anti-Korrosionsüberzüge.
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Es
ist bekannt, dass schwere Kohlenwasserstoffe, die in der vorliegenden
Beschreibung als Bitumina bezeichnet werden, insbesondere aus Rohpetroleum
durch Destillation und durch Entasphaltierung der bei der (oder
den) Destillation(en) erhaltenen schweren Fraktion hergestellt werden
können.
Das Bitumen ist, je nach dem Ursprung des Rohpetroleums, aus wechselnden
Anteilen Paraffinöl
(aliphatisch oder naphthenisch), Aromaten und Asphaltenharzen zusammengesetzt
(vergleiche hierzu die EP-B-246 956).
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Je
nach seiner Zusammensetzung kann das Bitumen einen mehr oder weniger
thermoplastischen Charakter haben. Es erweicht unter der Einwirkung
von Hitze, wobei der Erweichungspunkt üblicherweise als "Ring- und Kugel"-Temperatur (RuK-Temperatur)
bezeichnet wird; nach dem Bestimmungsverfahren (entsprechend der
Norm NFT 66-008) kann sie je nach dem Verfahren zur Gewinnung des
Bitumens zwischen etwa 30 und etwa 130°C liegen.
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Das
Verhalten dieser Bitumina ist für
verschiedene Anwendungen, die gute Eigenschaften in der Kälte zur
Voraussetzung haben, unzureichend, z.B.:
- – Schrumpf-
und Rissbeständigkeit
in der Kälte
für der
Spurrinnenbildung entgegenwirkende Beläge für Straßen,
- – Biegsamkeit
in der Kälte
für Dichtungsmassen,
sowie Verarbeitungseigenschaften in der Wärme (herrschende Viskosität) oder
Temperaturverhalten, wie:
- – Fließwiderstand
bei erhöhter
Temperatur bei der Herstellung von Dichtungshüllen,
- – plastisches
Verhalten,
- – Temperaturverhalten
von bestimmten Kitten bei gewissen Behandlungen (Automobil-Gehäuse).
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Unter
den bekannten Verfahren zur Verbesserung des Temperaturverhaltens
eines Bitumens sind insbesondere folgende zu nennen:
- 1) Oxidation des Bitumens durch Einblasen von Luft bei etwa
250°C. Das
so erhaltene Produkt kann erhöhte "Ring- und Kugel"-Temperaturen aufweisen.
Es ist hart und spröde.
- 2) Modifikation des Bitumens durch Einbau von Polymeren, z.B.
vom Typ SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk) oder SBS (Styrol-Butadien-Styrol),
entweder vulkanisierbar oder nicht, insbesondere mit Hilfe von Schwefel (oder
von schwefelhaltigen Verbindungen), oder von Peroxiden. Dieses Verfahren
erfordert hohe und über verhältnismäßig lange
Zeiten gut kontrollierte Temperaturen. Das so erhaltene Produkt
hat unter anderem eine sehr hohe Viskosität, die mit bekannten Herstellungsverfahren
schwer zu vereinbaren ist. Unter anderem verleiht die Vulkanisation
dem Bitumen einen irreversiblen Charakter, der für eine leichte Verarbeitung nicht
sehr günstig
ist.
- 3) Modifikation des Bitumens durch Einbau gewisser Polymere
vom Typ der Polyolefine, z.B. insbesondere des Polyethylens. Die "Ring- und Kugel"-Temperatur des erhaltenen
Produktes kann Werte um 110°C
erreichen, wobei das Produkt mittelmäßige elastische Eigenschaften
und eine erhöhte
Viskosität
zeigt.
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Es
ist bekannt, dass in gewissen Fällen
Polyethylen mit niedriger Dichte, d.h. von weniger als 0,93, verwendet
werden kann, da nur die thermoplastischen Polyolefine mit niedriger
Dichte aufgrund ihrer geringen Kristallinität mit den Bitumina homogen
vermischt werden können.
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Diese
Polyolefine sind aber teuer, und die in verschiedenen Ländern geltenden
Vorschriften verpflichten die Industrien zur Wiedergewinnung oder
zum Recycling ihrer thermoplastischen Abfälle, die aus Polyolefinen mit
unterschiedlicher Dichte bestehen.
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Es
wurde deshalb unter Umweltgesichtspunkten in gewissen Industrien
vorgeschlagen, diese thermoplastischen Abfälle in Bitumina einzubauen,
z.B. für
die klassischen Anwendungen von Bitumina im Straßenbau oder in der Industrie.
Beispielsweise wird auf die FR-B-2 658 524 hingewiesen.
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Aufgrund
der Probleme, die im Hinblick auf die Mischbarkeit dieser Polymere
mit Bitumina auftreten, ist die Verwendung dieser amorphen oder
wenig kristallinen Polymere beschränkt, weshalb die Probleme,
die bei der Wiedergewinnung von derartigen thermoplastischen Abfällen auftreten,
nicht gelöst
werden.
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Die
WO 97/31065 beschreibt ein Bitumen-Polymer-Gemisch, dessen Polymer
ausgewählt
ist aus:
- a) einem im Wesentlichen ataktischen
Propylen-Homopolymer,
- b) einem amorphen Copolymer aus Propylen und C4-C10-α-Olefinen, und
- c) einem amorphen Copolymer aus Propylen und Ethylen, wobei
die Polymere a) und b) eine Grenzviskositätszahl von mehr als 1 dl/g
haben.
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Der
Gehalt an Polymeren kann 1 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gemisch
Bitumen-Polymer, betragen.
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Diese
Polymeren sind praktisch nicht-kristallin.
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Die
EP-A-0 816 426 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen
Dichtungsmassen, die mindestens ein thermoplastisches Polymer, das
ein Copolymer aus Ethylen (80 bis 97 Gew.-%) und einem Comonomer,
insbesondere aus n-Butylacrylat, sein kann, Bitumen und ein oder
mehrere Pigmente enthalten, wobei die Vermischung des Polymers mit
dem Pigment vor der Einführung
des Bitumens erfolgt.
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Diese
Polymere stellen amorphe oder sehr schwach kristalline Polymere
dar.
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Die
US-A-3,395,110 beschreibt eine Bitumen-Polymer-Zusammensetzung, enthaltend 1 bis 20 Gew.-%
eines ataktischen Ethylen-Propylen-Copolymers mit einer Molekularmasse
zwischen 10.000 und 40.000.
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Dieses
Copolymer, das durch Extraktion mit Pentan als Nebenprodukt bei
der Herstellung von isotaktischem Propylen erhalten werden kann,
ist amorph.
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Bei
ihren Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet haben die Anmelderinnen
festgestellt, dass es überraschenderweise
möglich
ist, Polyolefine in Bitumina einzubauen, von denen man bisher annahm,
dass sie nicht in Bitumina eingebaut werden können.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist somit die Gewinnung von bituminösen Zusammensetzungen vom
Typ Bitumen-Polymer in homogener Phase, ausgehend von thermoplastischen
Polyolefinen mit hoher Kristallinität, deren Molekülmasse abgebaut
wurde, oder von Polyolefinen mit einer angepassten Molekülmasse,
wodurch die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung in erster Linie bituminöse Zusammensetzungen
vom Typ Bitumen-Polymer in homogener Mischung, die mindestens eine
Bitumen-Basis enthalten, und die aus mindestens einem Polymer vom
Typ eines thermoplastischen Polyolefins mit erhöhter Molekülmasse hergestellt sind, wobei
diese Zusammensetzungen gekennzeichnet sind durch:
- – einen
Gehalt an mindestens 1 Gew.-% eines thermoplastischen Polyolefins,
dessen Kristallisationsgrad mehr als oder gleich 30% ist,
- – eine
Schmelztemperatur von mehr als oder gleich 110°C und
- – eine
Penetration bei 25°C
von weniger als oder gleich 300 Zehntel Millimeter.
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Wie
nachstehend im Einzelnen angegeben ist, besteht ein wichtiger Vorteil
dieser Zusammensetzungen darin, dass sie eine gute Verarbeitbarkeit
in der Hitze sowie gute Eigenschaften in der Kälte haben.
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Erfindungsgemäß kann das
in den Zusammensetzungen vom Typ Bitumen-Polymer verwendete Basis-Bitumen
ein Bitumen sein, dass nachstehend als auf klassische Weise erhaltenes
Bitumen bezeichnet wird, um es von einem weiter unten beschriebenen
synthetischen Bitumen zu unterscheiden. Das auf klassische Weise
erhaltene Bitumen stammt aus Rohpetroleum, bituminösen Schiefern,
Schwerölen,
bituminösen
Sanden usw., oder aus Kohle.
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Das
Bitumen kann z.B. sein:
- a) die bei der direkten
Destillation unter atmosphärischem
Druck oder unter vermindertem Druck von Rohpetroleum erhaltene schwerste
Fraktion;
- b) die schwere Phase, die durch Lösungsmittel-Entasphaltierung
einer nach den unter a) beschriebenen Verfahren erhaltenen schweren
Fraktion erhalten wurde;
- c) das in Gegenwart oder in Abwesenheit von Katalysatoren erhaltene
Oxidationsprodukt einer schweren Fraktion gemäß a) oder einer schweren Phase
gemäß b);
- d) das in Gegenwart oder in Abwesenheit von Katalysatoren erhaltene
Oxidationsprodukt eines Gemischs aus:
– einer schweren Fraktion gemäß a) oder
einen schweren Phase gemäß b) und
– eines
durch Entaromatisierung von Schmierölen erhaltenen Destillats oder
eines aromatischen Extrakts, oder eines Teers aus der Entasphaltierung;
- e) ein Gemisch aus einem nach b) oder c) erhaltenen Oxidationsprodukt,
oder einer harten Base und einem Destillat oder einem entasphaltierten Öl, oder
einem durch Entaromatisierung von Schmierölen erhaltenen aromatischen
Extrakt, oder einem durch Entasphaltierung erhaltenen Teer oder
einer schweren Fraktion gemäß a) oder
einer schweren Phase gemäß b).
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Das
verwendbare Bitumen kann auch ein synthetisches Bitumen mit Eigenschaften ähnlich denen
des vorstehend beschriebenen, auf klassische Weise erhaltenen Bitumens
sein, beispielsweise ein klares synthetisches Bindemittel, das durch
Zusatz vom Pigmenten gefärbt
sein kann.
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Es
kann sich beispielsweise um Petroleumharze oder Inden-Cumaron-Harze
im Gemisch mit aromatischen und/oder paraffinischen Kohlenwasserstoffen
handeln.
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Die
Petroleumharze können
durch Polymerisation von ungesättigten
Kohlenwasserstoffen, die in ungesättigten Petroleumfraktionen
enthalten sind, z.B. in Fraktionen, die durch thermisches Cracken
oder durch Cracken mit Wasserdampf oder durch Pyrolyse erhalten
werden, hergestellt werden.
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Die
Inden-Cumaron-Harze werden aus Ölteeren
erhalten.
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Das
zur Durchführung
der Erfindung verwendbare Polymer ist ein thermoplastisches Polyolefin
mit linearen oder leicht verzweigten Kohlenwasserstoffketten und
kann vorteilhafterweise aus der Gruppe, bestehend aus Polyethylenen
mittlerer oder hoher Dichte von mehr als 0,93, aus Polypropylenen
oder aus Olefin-Copolymeren ausgewählt werden.
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Die
Polyethylene umfassen Homopolymere und Copolymere des Ethylens und
eines Copolymers eines α-Olefins,
die Polypropylene umfassen Homopolymere des Propylens und seine
Copolymere mit Ethylen, und die Olefin-Copolymere umfassen Copolymere
des Ethylens und der Alkene, die reich an Ethylen sind.
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Vorzugsweise
hat das thermoplastische Polyolefin ein gewichtsmittleres Molekulargewicht
von weniger als oder gleich 60.000.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
wird das thermoplastische Polyolefin durch teilweisen Abbau eines
Polyethylens mit hoher Dichte oder von Polypropylen erhalten.
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Der
Kristallisationsgrad, der durch differentialkalorimetrische Analyse
(DSC) gemessen wird, ist höher als
oder gleich 50% für
das Polyethylen und höher
als oder gleich 30%, vorzugsweise höher als oder gleich 35%, für das Polypropylen.
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Die
Polydispersität
des erhaltenen Polymers, die durch das Verhältnis Mw/Mn der gewichtsmäßigen Molekularmasse
Mw gegenüber
der zahlenmäßigen Molekularmasse
Mn dieses Polymers definiert ist, ist um einen Faktor 3, bezogen
auf das Ausgangspolymer, vermindert.
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Erfindungsgemäß besitzt
das abzubauende Ausgangspolymer ein gewichtsmittleres Molekulargewicht
zwischen 80.000 und 1.000.000, vorzugsweise zwischen 150.000 und
450.000. Weiterhin haben die bituminösen Zusammensetzungen vorteilhafterweise
eine dynamische Viskosität
von weniger als oder gleich 3.000 mPa·s, gemessen bei 180°C, und eine
Scherrate von 50 s–1 sowie eine "Ring- und Kugel"-Temperatur von mehr
als oder gleich 30°C.
Sie haben weiterhin eine Schmelzenergie von mehr als oder gleich
2 J/g, und insbesondere zwischen 2 und 200 J/g.
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Vorteilhafterweise
beträgt
die Konzentration des Polymers 1 bis 95 Gew.-%, bezogen auf die
Zusammensetzung.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung kann die Bitumen-Polymer-Zusammensetzung für Anwendungen
im Straßenbau
oder für
industrielle Anwendungen bis zu 30 Gew.-%, vorzugsweise 1 bis 15
Gew.-%, des Polymers vom Typ thermoplastisches Polyolefin enthalten,
was von der Natur des Polymers und den für die angestrebte Anwendung
erwünschten
Eigenschaften abhängt.
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Das
Ausgangspolymer besitzt ein gewichtsmittleres Molekulargewicht zwischen
80.000 und 1.000.000 für
die Polyethylene und zwischen 80.000 und 500.000 für die Propylene,
und einen Kristallisationsgrad, gemessen durch differentialkalorimetrische
Analyse (DSC), von mehr als 35%.
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Die
Anmelderinnen haben ferner mit Erfolg Polyethylene mit hoher Dichte
und hohen gewichtsmittleren Molekulargewichten in der Größenordnung
von 150.000 bis 450.000, und sogar bis zu 1.000.000, verwendet.
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Das
Bitumen wird unter dem Gesichtspunkt seiner Konstitution ausgewählt, um
eine gute Verträglichkeit
mit dem Polymer zu ergeben, wobei die Verhältnisse zwischen den gesättigten
Kohlenwasserstoffen, den Aromaten und den Harzen des Bitumens entsprechend
angepasst werden.
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Um
eine Zusammensetzung zu erhalten, die z.B. 1 bis 95 Gew.-% Polymer
enthält,
kann es vorteilhaft sein, einen Abbau mindestens eines thermoplastischen
Polyolefins durchzuführen,
der vorzugsweise vor oder gleichzeitig mit dem Vermischen mit dem
Bitumen bei erhöhter
Temperatur und in Gegenwart eines geeigneten Katalysators erfolgt,
wie es beispielsweise in der französischen Patentanmeldung 97
05050 vom 22. April 1997 der Anmelderin neu beschrieben ist.
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Das
abzubauende thermoplastische Polyolefin wird dem Basis-Bitumen mit
einer geeigneten Zubereitung zugemischt, welche mindestens einen
Katalysator enthält,
der aus kupferhaltigen mineralischen Feststoffen oder solchen auf
der Basis von Aluminium und Silicium, die einen sauren Charakter
haben, ausgewählt
ist.
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Der
Katalysator wird im Allgemeinen in einer Menge von 0,1 bis 6 Gew.-%,
bezogen auf das Gewicht des abzubauenden thermoplastischen Polyolefins,
eingesetzt.
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Der
Abbau erfolgt bei einer Temperatur, die im Allgemeinen zwischen
200 und 600°C,
vorzugsweise zwischen 250 und 375°C,
liegt.
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Unter
den vorstehend definierten Katalysatoren können insbesondere die durch
Säurebehandlung
aktivierten Tone, die sauren Kieselsäure-Tonerden oder die sauren
Zeolithe sowie Kupfer(I)oxid (Cu2O) verwendet
werden.
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Man
kann den Abbau in Abwesenheit von Bitumen durchführen, wobei das Abbauprodukt
anschließend
in einem geeigneten Anteil für
eine Anwendung, für
die das Bitumen-Polymer-Gemisch bestimmt ist, mit dem Bitumen vermischt
wird, und in jedem Fall bei einer niedrigeren Temperatur als der
Abbau-Temperatur, beispielsweise bei einer Temperatur in einer Größenordnung
von 160 bis 250°C.
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Man
kann den Abbau unter den vorstehend erwähnten Bedingungen auch in Gegenwart
eines Anteils von Bitumen, der in weiten Grenzen variieren kann,
beispielsweise von 5 bis 99 Gew.- Bitumen
auf 1 bis 95 Gew.-% thermoplastisches Polyolefin (einschließlich Katalysator)
durchführen.
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Man
kann insbesondere Mischungen von Bitumen und Polymer direkt in Konzentrationen
für industrielle
Anwendungen oder für
den Straßenbau
erhalten, indem 75 bis 99 Gew.-% Bitumen auf 1 bis 25 Gew.-% abgebautes
thermoplastisches Polyolefin (einschließlich Katalysator) verwendet
werden.
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Wenn
man beispielsweise 10 bis 40 Gew.-% Bitumen auf 60 bis 90 Gew.-%
(einschließlich
Katalysator) thermoplastisches Polyolefin einsetzt, erhält man Mischungen,
die an Polymer angereichert sind, und die "Grundmischungen" genannt werden. Diese Mischungen haben
den Vorteil, dass sie nach dem Abkühlen und Granulieren leicht
gelagert werden können.
Bei ihrer Anwendung genügt
es dann, sie in der Hitze mit Bitumina in Konzentrationen zu verdünnen, die
für die
in Betracht gezogenen Anwendungen geeignet sind.
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In
jedem Fall können
die Anteile an abgebautem thermoplastischen Polyethylen, die in
den endgültigen
bituminösen
Zusammensetzungen enthalten sind, wie folgt sein
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- – 1
bis 15 Gew.-%, vorzugsweise etwa 5 Gew.-%, für Straßenbau-Anwendungen, insbesondere
für der Spurrinnenbildung
entgegenwirkende Straßendecken
oder als Bindemittelschichten,
- – und
3 bis 25 Gew.-%, vorzugsweise 11 bis 12 Gew.-%, für industrielle
Anwendungen, wie Dichtungshüllen für Dächer, für thermisch
oder akustisch isolierende Platten und für Antikorrosions-Überzüge.
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Wenn
man die Eigenschaften der erfindungsgemäßen bituminösen Zusammensetzungen in der
Kälte, insbesondere
den Fraass-Punkt und die Biegsamkeit in der Kälte, verbessern will, indem
man Elastomere, wie Kautschuke vom Typ SBS (Styrol-Butadien-Styrol)
oder ataktische Polypropylene einführt, so kann dies auf der Stufe
des Abbaus des thermoplastischen Polyolefins bei einer erhöhten Temperatur
in Gegenwart eines Katalysators erfolgen, vorzugsweise bei der Herstellung
des endgültigen
Gemischs durch Verdünnen
bei einer niedrigen Temperatur.
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Bei
der Herstellung der erfindungsgemäßen bituminösen Zusammensetzungen kann
die Vermischung des thermoplastischen Polyolefins mit dem Katalysator
gegebenenfalls in Anwesenheit des Bitumens nach verschiedenen Methoden
erfolgen, indem man einen Reaktor oder eine Mischvorrichtung verwendet,
wobei diskontinuierlich gearbeitet wird, oder indem man einen Extruder
mit einer oder zwei Schrauben verwendet, wobei kontinuierlich gearbeitet
wird.
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Beispielsweise
ermöglicht
der Abbau des Polymers bei der hohen Temperatur und in Gegenwart
des Katalysators das Einmischen des Polymers in das Bitumen durch
Einwirkung auf die Molekülmasse
des Polymers. Das so angepasste Polymer hat ein gewichtsmittleres
Molekulargewicht, das deutlich unter dem des Ausgangspolymers liegt,
und das einen Wert in der Größenordnung
von 40.000 bis 60.000 für
ein Polyethylen oder ein Gemisch aus Polyethylenen mit einer geringen
Polydispersion erreicht, der, wie vorstehend angegeben, um den Faktor
3, bezogen auf das Ausgangspolymer, reduziert ist.
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Die
erfindungsgemäßen Zusammensetzungen
vom Typ Bitumen-Polymer sind besonders gut angepasst an die üblichen
Verwendungen von Bitumina, insbesondere im Straßenbau als der Spurrinnenbildung entgegen
wirkende Straßendecken,
oder als Straßenbelag-Bindemittel,
sowie an andere industrielle Anwendungen für die Herstellung von Dichtungshüllen für Dächer, für Isolierplat ten
oder für
Antikorrosions-Überzüge. Diese
Anwendungen stellen einen weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung
dar.
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Weiterhin
können
die Zusammensetzungen auch auf dem Gebiet der Behandlung von Haushalts-
oder Industrie-Abfällen
verwendet werden, z.B. für
Verbrennungsaschen von Hausmüll
(REFIOM) oder als Inertisierungs- und Umhüllungsmittel für diese
Abfälle
vor ihrer Lagerung.
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Die
folgenden Beispiele erläutern
die Erfindung, ohne sie jedoch zu beschränken.
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In
den Beispielen 1 bis 4 werden erfindungsgemäße Bitumen-Polymer-Zusammensetzungen,
die aus einer Grundmischung MM1, deren Herstellung nachstehend beschrieben
ist, hergestellt wurden, verwendet.
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Nach
diesem Verfahren wird ein Polyethylen in Gegenwart einer verhältnismäßig geringen
Menge einer Bitumenbasis (30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgemisch)
und eines Katalysators hergestellt. Man verwendet eine Bitumenbasis
auf Petroleumbasis, die als Basis B bezeichnet wird und die, wenn
sie allein verwendet würde,
für die
nachstehend angegebenen Anwendungen von Bitumina unzureichend wäre. Die
Basis B hat folgende Eigenschaften
– kinematische
Viskosität
bei 100°C | 615
mm2/s |
– Penetration
bei 25°C
in 1/10 mm, nach der Norm NF-T-66004 | 500 |
– Erweichungspunkt
(Ring- und Kugel-Temperatur, RuK-Temperatur, nach der Norm NF-T-660088 | 24,5°C. |
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Das
verwendete Polyethylen ist ein Polyethylen hoher Dichte, das aus
gebrauchten und zerkleinerten Ölkanistern
in Form eines groben Pulvers wiedergewonnen wurde, wobei die ge ringste
Abmessung in der Größenordnung
von einigen Millimetern liegt. Vor der Umwandlung in Kanister wird
dieses Polyethylen unter der Handelsbezeichnung Lupolen 5021 D
® von
der Firma BASF vertrieben. Seine Eigenschaften sind wie folgt:
– Dichte: | 0,949 |
– Schmelzflussindex,
gemessen bei 190°C
mit einer Charge von 2,16 kg nach der Norm ASTM D 1238: | 0,5
g/10 mit |
– gewichtsmittleres
Molekulargewicht (1): | 150.000 |
– zahlenmittleres
Molekulargewicht (1): | 20.000,
(1) gemessen durch Gel-Permeationschromatographie. |
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Sein
Kristallisationsgrad, gemessen durch differentialkalorimetrische
Analyse (DSC), liegt in der Größenordnung
von 50% und verändert
sich nach dem Abbau nicht wesentlich.
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Um
sich von den Kühlbedingungen
des Polymers am Ende des Abbaus (thermische Vergangenheit) freizumachen,
wird der folgende Zyklus bei jeder Probe durchgeführt:
- – Erhöhung der
Temperatur von 50 auf 200°C
mit einer Rate von 10°C/min,
- – Halten über 5 min
bei 200°C,
dann Verminderung der Temperatur von 200°C bis 50°C mit einer Rate von 20°C/min, und
Halten über
5 min bei 50°C.
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Der
Abbau erfolgt mit etwa 3,5 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Bitumen
und das Polyethylen, eines Katalysators vom Typ eines Montmorillonit-Tons
(Aluminiumsilicat-Hydrat mit einem Verhältnis SiO2/Al2O3 von 4:1), der
mit einer Mineralsäure
behandelt wurde, und der unter der Handelsbezeichnung Tonsil Optimum FF® von
der Firma Süd-Chemie
vertrieben und nachstehend als Tonsil® bezeichnet
wird. Die Vermischung erfolgt in einem Reaktor unter Rühren bei
350°C über 1 Stunde,
wobei eine Grundmischung MM1 erhalten wird. Die mittlere Molekülmasse,
bezogen auf das Gewicht des abgebauten Polyethylens, beträgt etwa
40.000. Diese Grundmischung hat einen Schmelzpunkt, gemessen nach
der differentialkalorimetrischen Analyse (DSC) [interne Methode
von TOTAL] von 126,4°C,
während
das mit dem selben Katalysator unter den selben Bedingungen abgebaute
Polyethylen allein einen Schmelzpunkt von 130,9°C hat.
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BEISPIEL 1
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Dieses
Beispiel betrifft die Herstellung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
vom Typ Bitumen-Polymer C1.
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Zuerst
werden 2 Gew.-% der Grundmischung MM1 unter Rühren über 1 Stunde in 98 Gew.-% des
Basis-Bitumens bei 190°C
verdünnt.
Die so erhaltene Zusammensetzung C1 wird
zu Platten mit einer Dicke von 2 mm gegossen, deren Aussehen und
deren Eigenschaften ausgewertet werden, z.B.:
- – der Erweichungspunkt
(oder die "Ring-
und Kugel"-Temperatur,
RuK-Temperatur), gemessen nach der Norm NF-T-66-008, in °C,
- – die
Penetration bei 25°C,
in Zehntel Millimetern (gemessen nach der Norm NF-T-66-004),
- – der
Fraass-Punkt in °C
(gemessen nach der Norm NF-T 66-026), der die Temperatur angibt,
bei der Risse in einem Bindemittelfilm auftreten, der gewissen mechanischen
Belastungen unterzogen wurde,
- – die
dynamische Contraves-Viskosität
in mPa·s,
gemessen bei 180°C
mit einer Scherrate von 50 s–1 nach der Methode von
TOTAL 644, und
- – die
Schmelzenergie, gemessen in J/g, nach dem DSC-Verfahren.
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Die
erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.
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Die
Zusammensetzung C1 hat ein glattes, homogenes
Aussehen, was auf eine sehr gute Dispersion des Polyethylens im
Bitumen hinweist. Sie besitzt ferner eine "Ring- und Kugel"-Temperatur
(RuK-Temperatur) von 35°C,
einen Fraass-Punkt von –23°C, eine Penetration
bei 25°C
von 213 Zehntel Millimetern, einen Schmelzpunkt von 118,2°C und eine
Schmelzenergie von 0,66 J/g.
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Dieses
Beispiel zeigt, dass die erfindungsgemäße Zusammensetzung C1 Eigenschaften besitzt, die denen einer
Standard-Bitumenzusammensetzung von TOTAL, Klasse V 180/220, entsprechen,
wobei diese Eigenschaften sind:
- – "Ring- und Kugel"-Temperatur (°C): zwischen
34 und 43,
- – Penetration
bei 25°C
(in Zehntel Millimetern): zwischen 180 und 220,
- – Fraass-Punkt
(in °C):
weniger als oder gleich –13.
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Weiterhin
hat eine solche Zusammensetzung durch Aufnahme von Polymeren des
Typs SBS oder SBR in einer Menge von 10 bis 20 Gew.-%, was insbesondere
eine deutliche Erhöhung
seiner RuK-Temperatur bewirkt, ein gutes Temperaturverhalten, das
es ermöglicht,
dass sie als Basis zur Herstellung von Dichtungshüllen, insbesondere
für Dächer, verwendet
werden kann.
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BEISPIEL 2
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Dieses
Beispiel betrifft die Herstellung einer erfindungsgemäßen Zusammensetzung
C2.
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Diese
Zusammensetzung wird aus der selben Grundmischung MM1 wie nach Beispiel
1 hergestellt.
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Man
mischt 5 Gew.-% der Grundmischung MM1 und 95 Gew.-% eines Basis-Bitumens
(Basis A), das einen Rückstand
der direkten Vakuumdestillation von Rohpetroleum vom Typ ARAMCO
darstellt, und das eine kinematische Viskosität bei 100°C von 625 mm2/s
und einen Erweichungspunkt von 23°C
hat; diese Basis ist ungeeignet für Bitumen-Anwendungen, wenn
sie allein verwendet wird.
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Die
so erhaltene Zusammensetzung C2 wird zu Platten mit einer Dicke
von 2 mm geformt, um ihr Aussehen zu beobachten, das homogen ist,
und um die "Ring-
und Kugel"-Temperatur
zu bestimmen, die bei 43,5°C
liegt; ihr Fraass-Punkt beträgt –27°C, ihre Penetration
bei 25°C
beträgt
190 Zehntel Millimeter, ihre Contraves-Viskosität beträgt 95 mPa·s, ihr Schmelzpunkt beträgt 121,2°C, und ihre
Schmelzenergie beträgt 6,35
J/g.
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Man
erhält
so eine Zusammensetzung mit Eigenschaften ähnlich denen eines Basis-Bitumen-Standards
von TOTAL, Klasse V 180/220, die als Basis für die gleichen industriellen
Anwendungen wie im vorhergehenden Beispiel dienen kann.
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VERGLEICHSBEISPIEL 2
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Dieses
Beispiel betrifft die Herstellung einer Bitumen- und Polymer-Zusammensetzung
nach dem Stand der Technik; sie wird durch Vermischen von 96,5 Gew.-%
der gleichen Basis A wie in Beispiel 2 mit 3,5 Gew.-% eines Polyethylens
mit niedriger Dichte erhalten (in der nachstehenden Tabelle mit
PEBD bezeichnet), das unter der Handelsbezeichnung Lacqtene 1020® von
der Firma Atochem vertrieben wird, wobei der gleiche Polymergehalt
wie in Beispiel 2 erhalten wird.
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Ihre
Eigenschaften sind wie folgt:
- – Dichte:
0,924
- – Fließindex (melt
flow index), gemessen bei 190°C
unter einer Belastung von 2,16 kg, nach der Norm ASTM D 1238: 2
g/10 min,
- – gewichtsmittleres
Molekulargewicht: 50.000, gemessen durch Gel-Permeationschromatograpie.
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Die
so bei 190°C
unter Rühren über 1 Stunde
erhaltene Zusammensetzung wird zu Platten mit einer Dicke von 2
mm geformt, deren Aussehen nicht homogen ist. Ihre "Ring- und Kugel"-Temperatur beträgt 44°C, ihre Penetration bei 25°C beträgt 1275
Zehntel Millimeter, ihre Contraves-Viskosität beträgt 86 mPa·s, ihr Schmelzpunkt beträgt 86,7°C und ihre
Schmelzenergie beträgt
3,64 J/g.
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Es
wurde also eine Zusammensetzung mit Eigenschaften ähnlich denen
der Standard-Bitumen-Basis nach dem vorhergehenden Beispiel erhalten,
die aber eine schlechte Homogenität hatte, wodurch Verarbeitungsprobleme
auftraten.
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BEISPIEL 3
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Dieses
Beispiel betrifft die Herstellung einer erfindungsgemäßen Bitumen-Polymer-Zusammensetzung
C3.
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Man
verwendet als Ausgangsmaterial die Grundmischung MM1, von der man
16,5 Gew.-% mit 83,5 Gew.-% einer Bitumen-Standardbasis der Klasse
V 180/220 vermischt.
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Die
erhaltene Zusammensetzung C3 hat eine "Ring- und Kugel"-Temperatur von 122°C und eine Penetration von 18
Zehntel Millimetern, wodurch sie sich auf dem gleichen Leistungsniveau
befindet wie eine oxidierte Bitumenbasis der Klasse 120/25 (RuK/Penetration),
die bei der Herstellung von Dachabdeckungen (Schindeln) verwendet
wird. Sie hat eine Contraves-Viskosität von 930 mPa·s, einen
Schmelzpunkt von 121,3°C
und eine Schmelzenergie von 22,27 J/g. Man erhält so eine Zusammensetzung,
die bei erhöhten
Temperaturen nicht fließt,
und eine angepasste Viskosität
hat.
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VERGLEICHSBEISPIEL 3
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Dieses
Beispiel betrifft die Herstellung einer Bitumen- und Polymer-Zusammensetzung
nach dem Stand der Technik; sie wird erhalten durch Vermischen von
88,5 Gew.-% des gleichen Basis-Bitumens V180/220 wie in Beispiel
3 mit 11,5 Gew.-% des gleichen Polyethylens mit niedriger Dichte
(in der nachstehenden Tabelle mit PEBD bezeichnet), das unter der
Bezeichnung Lacqtene 1020® von der Firma Atochem
vertrieben wird, wobei der gleiche Gehalt an Polymeren wie in Beispiel
3 erhalten wird.
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Die
Mischung unter Rühren
bei 190°C
ist nicht homogen. Ihre "Ring-
und Kugel"-Temperatur,
die bei 85°C
liegt, entspricht etwa der von Beispiel 3, und ihre Penetration überschreitet
43 Zehntel Millimeter, weshalb diese Zusammensetzung nicht in der
Lage ist, eine solche auf der Basis von oxidierten Bitumen, Klasse
120/25 (TBA-Durchlässigkeit)
für industrielle
Anwendungen, wie Dachabdeckungen, zu ersetzen.
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BEISPIEL 4
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Dieses
Beispiel betrifft die Herstellung einer erfindungsgemäßen Bitumen-
und Polymer-Zusammensetzung C4.
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Man
geht von der gleichen Grundmischung MM1 aus, von der man 10 Gew.-%
mit 90 Gew.-% eines Basis-Bitumens (Basis A), wie es in Beispiel
2 definiert ist, und das nicht für
die vorgesehenen Anwendungen von Bitumina geeignet ist, vermischt.
Nachdem die erhaltene Zusammensetzung zu Platten mit einer Dicke
von 2 mm geformt und ein homogenes Aussehen festgestellt wurde,
wurden die folgenden Eigenschaften gemessen:
– "Ring- und Kugel"-Temperatur | 120°C |
– Penetration: | 65
Zehntel Millimeter |
– Fraass-Punkt: | –19°C |
Contraves-Viskosität: | 200
mPa·s |
Schmelzpunkt: | 121,3°C |
Schmelzenergie: | 12,74
J/g. |
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Dieses
Beispiel zeigt, dass die Verdünnung
einer erfindungsgemäßen Grundmischung
in einer ungeeigneten Bitumenbasis bei den vorgesehenen Anwendungen
die Erzielung eines modifizierten Bitumens ermöglicht, das gewisse Eigenschaften
von kommerziellen Straßenbau-Anwendungen
aufweist, insbesondere die eines Bitumens V 50/50 von TOTAL, das
folgende Eigenschaften hat:
– "Ring- und Kugel"-Temperatur (RuK-Temperatur,
in °C): | zwischen
45 und 51 |
– Penetration
bei 25°C
(in Zehntel Millimeter): | zwischen
50 und 70. |
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Die
erfindungsgemäße Zusammensetzung
C4 hat höhere
Werte der RuK-Erweichungstemperatur (120°C), sowie gute Eigenschaften
in der Kälte,
also Eigenschaften, mit denen sie als in der Hitze aufgebrachte Beläge beim
Straßenbau
verwendet werden kann.
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Die
Eigenschaften der Zusammensetzungen nach den vorstehenden Beispielen
1 bis 4 und nach den Vergleichsbeispielen 2 und 3 sind in der nachstehenden
Tabelle 1 angegeben. TABELLE
1
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BEISPIEL 5
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Eine
Grundmischung MM2 wird durch Abbau eines isotaktischen Polypropylens,
das unter der Bezeichnung HOSTALEN PPK 1032® von
der Firma Hoechst vertrieben wird, und dessen ge wichtsmittleres
Molekulargewicht, bestimmt durch Gelpermeations-Chromatographie, 380.000, und dessen
zahlenmittleres Molekulargewicht 103.000 beträgt, in Anwesenheit von 1 Gew.-%
eines Kupfer(I)katalysators und durch Vermischen mit einer Bitumenbasis
B in einer Menge von 70 Gew.-% Polypropylen, bezogen auf das Gesamtgewicht der
Mischung, hergestellt.
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Man
arbeitet mit einer Mischvorrichtung mit einer Drehgeschwindigkeit
von 200 U/min bei 300°C über 30 Minuten.
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Das
erhaltene abgebaute Polypropylen hat ein gewichtsmittleres Molekulargewicht
von etwa 57.000.
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Ausgehend
von dieser Grundmischung MM2 stellt man eine Zusammensetzung MM5
her, indem man 20 Gew.-% von MM2 mit 80 Gew.-% eines kommerziellen
Bitumens V 110/130 EXP202 mit einer Penetration von 110–130 Zehntel
Millimetern und einem RuK-Erweichungspunkt von 43°C in einem
Rayneri-Mischer bei 180°C
vermischt.
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Die
so erhaltene Zusammensetzung C5 wird bei 190°C zu Platten mit einer Dicke
von 2 mm geformt, um das Aussehen zu beurteilen, das homogen ist,
und um ihre "Ring-
und Kugel"-Temperatur (RuK-Temperatur),
die 154°C
beträgt,
und ihre Penetration, die 16 Zehntel Millimeter beträgt, zu bestimmen.
Ein Biegsamkeitstest in der Kälte
nach der internen Vorschrift TOTAL 587 gibt einen Wert von –5°C. Die Contraves-Viskosität beträgt 480 mPa·s, der
Schmelzpunkt 150°C
und die Schmelzenergie 7,1 J/g.
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Die
erfindungsgemäße Zusammensetzung
C5 hat eine erhöhte "Ring- und Kugel"-Temperatur, was
einem guten Temperaturverhalten und einer guten Starrheit entspricht,
weshalb die Zusammensetzung für schalldämmende Platten
oder Dichtungshüllen
verwendet werden und Zusammensetzungen aus Bitumen und atakti schem
Polypropylen, das in Mengen von 20 bis 30 Gew.-% verwendet wird,
ersetzen kann.
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VERGLEICHSBEISPIEL 5
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Dieses
Beispiel betrifft die Herstellung einer Bitumen- und Polymer-Zusammensetzung
nach dem Stand der Technik; sie wird erhalten, indem man 86 Gew.-%
des gleichen handelsüblichen
Bitumens wie in Beispiel 5, Bezeichnung V 110/130 EXP202, mit 14
Gew.-% eines ataktischen Polypropylens (in der nachstehenden Tabelle
mit APP bezeichnet), bei dem es sich um ein amorphes Polyolefin
handelt, das unter der Bezeichnung Vestoplast® von
der Firma Hoechst vertrieben wird, vermischt, um den gleichen Gehalt
an Polymer wie in Beispiel 5 zu erhalten.
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Das
Vermischen unter Rühren
bei 190°C
erfolgt an der Grenze der Homogenität.
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Die "Ring- und Kugel"-Temperatur, die
97°C beträgt, entspricht
etwa der von Beispiel 5 (ΔT
= 57°C), und
ihre Penetration überschreitet
47 Zehntel Millimeter.
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Diese
Eigenschaften lassen es nicht zu, dass diese Zusammensetzung die
vorstehenden Zusammensetzungen bei den selben industriellen Anwendungen
ersetzen kann.
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BEISPIEL 6
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Ausgehend
von der vorstehenden Grundmischung MM2 stellt man eine Zusammensetzung
C6 durch Vermischen von 11,5 Gew.-% MM2 mit 88,5% des Basis-Bitumens
B unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 5 her.
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Die "Ring- und Kugel"-Temperatur (RuK-Temperatur)
der Zusammensetzung C6 beträgt
151°C, ihre Penetration
37 Zehntel Millimeter, ihr Schmelzpunkt 150,2°C, ihre Schmelzenergie 6,7 J/g
und ihre Contraves-Viskosität
74 mPa·s.
Ihre Biegsamkeit in der Kälte
beträgt –5°C. Diese
Zusammensetzung C6 kann also in der gleichen Weise wie die Zusammensetzung
von Beispiel 5 verwendet werden.
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VERGLEICHSBEISPIEL 6
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Dieses
Beispiel betrifft die Herstellung einer Bitumen-Polymer-Zusammensetzung
nach dem Stand der Technik; sie wird durch Vermischen von 92 Gew.-%
des gleichen Basis-Bitumens B mit 8 Gew.-% des gleichen ataktischen
Polypropylens wie in Vergleichsbeispiel 5 (in der nachstehenden
Tabelle 2 mit APP bezeichnet) erhalten, wobei der Gehalt an Polymeren
der gleiche ist wie in Beispiel 6.
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Die
Vermischung bei 190°C
ergab keine gute Homogenität.
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Ihre "Ring- und Kugel"-Temperatur, die
bei 62°C
liegt, entspricht etwa der von Beispiel 6 (ΔT = 89°C), und ihre Penetration überschreitet
105 Zehntel Millimeter, so dass diese Zusammensetzung die vorstehenden Zusammensetzungen
bei den gleichen industriellen Anwendungen nicht ersetzen kann.
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Die
Eigenschaften der Zusammensetzungen nach den Beispielen 5 und 6
und nach den Vergleichsbeispielen 5 und 6 sind nachstehend in Tabelle
2 angegeben. TABELLE
2