ES2283184B1 - Emulsionante para ligantes bituminosos. - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a emulsionantes de betún y sus formas de empleo, y más particularmente a una mezcla de un producto mineral de la familia de los silicatos y un derivado de colofonia y al uso de dicha mezcla como agente emulsionante de betún dando lugar a emulsiones de betún en agua de carácter aniónico con elevada estabilidad, baja sedimentación y adecuadas prestaciones reológicas; siendo los sectores a los que van destinadas estas emulsiones el de la impermeabilización de superficies y de la pavimentación de carreteras.

Description

Emulsionante para ligantes bituminosos.
Campo de la técnica
La presente invención pertenece al campo de los emulgentes o emulsionantes de betún y sus formas de empleo, y más particularmente a una mezcla de un producto mineral del grupo de los filosilicatos y un derivado de colofonia y al uso de dicha mezcla como agente emulsionante de betún dando lugar a emulsiones de betún en agua de carácter aniónico con elevada estabilidad, baja sedimentación y adecuadas prestaciones reológicas; siendo los sectores a los que van destinadas estas emulsiones la impermeabilización de superficies y la pavimentación de carreteras.
Estado de la técnica anterior
Desde antiguo se vienen empleando los productos bituminosos que se obtienen del petróleo y el carbón, combinados con diferentes tipos de aditivos en el sector de la construcción, y han sido de gran utilidad como agentes impermeabilizantes, en la pavimentación de carreteras y como materiales de recubrimiento en general.
A temperatura ambiente los productos bituminosos son sólidos o compuestos plásticos de muy elevada viscosidad que hace muy difícil su aplicación directa sobre las superficies a cubrir. Por este motivo, para que puedan ser empleados es necesario convertirlos en compuestos líquidos de viscosidad reducida. En este sentido, existen diversos posibles métodos para conseguir un producto líquido que favorezca la aplicación. Uno de estos métodos consiste en calentarlos para así reducir su viscosidad, lo que implica su aplicación a alta temperatura, con los consiguientes riesgos de manipulación que esto conlleva. Otro método es mezclarlos con disolventes orgánicos consiguiendo una dilución del asfalto de la que, una vez extendida en la superficie a cubrir, estos disolventes se evaporan a la atmósfera dejando la película sólida. Aunque este procedimiento no implica riesgos en cuanto a manipulación a alta temperatura, supone un proceso altamente contaminante por la propia evaporación de los disolventes orgánicos a la atmósfera. Otro método es el que supone la forma menos contaminante y más segura para la aplicación. Esto se consigue mediante la emulsificación del componente bituminoso en agua, formando una emulsión acuosa del componente bituminoso de viscosidad reducida que puede aplicarse fácilmente mediante las técnicas habituales en el sector de pinturas, bien por extensión mecánica mediante brocha, rodillo o regleta, o bien por proyección o pulverización del producto sobre la superficie a tratar.
Una emulsión está formada por la dispersión homogénea de un líquido, en forma de pequeñas gotas, en otro líquido que no es miscible con el primero. Al conjunto de pequeñas gotas se le conoce como fase dispersa, mientras que el medio en el que se dispersan constituye la fase continua. Para que esta fase dispersa de gotas permanezca estable sin tendencia a reaglomerarse es necesaria la utilización de un aditivo emulsionante, también denominado emulgente.
Se definen como emulsiones bituminosas las dispersiones de pequeñas partículas de un ligante hidrocarbonado en una solución de agua y un agente emulsionante de carácter aniónico, catiónico o no-ionico, lo que determina la denominación de la emulsión.
Los emulsionantes suelen ser agentes tensioactivos que presentan una parte polar y otra apolar, actúan como electrolitos y al entrar en contacto con el agua se disocian, de esta manera la parte apolar se une al betún y la polar a la fase acuosa. Debido a su estructura química y por el mecanismo de actuación de estos aditivos su función en la emulsión es triple:
i)
Disminuir la tensión superficial para facilitar la formación de la emulsión.
ii)
Estabilizar la emulsión protegiendo superficialmente las partículas de betún con cargas eléctricas, que permiten que las partículas se repelan entre sí.
iii)
Activar iónicamente al ligante bituminoso, favoreciendo el posible recubrimiento de áridos en obra, con objeto que tras la rotura de la emulsión, el ligante mantenga a lo largo del tiempo unas condiciones aceptables de resistencia al desplazamiento por agua.
En función de la carga que presente la parte apolar del compuesto emulsionante se dice que éste es de carácter aniónico, si el betún queda cargado negativamente, o de carácter catiónico, si el betún se carga positivamente. El emulgente también puede ser de carácter no-iónico si éste no tiene la capacidad de ionizarse.
Los emulsionantes aniónicos empleados normalmente derivan de sales de sodio o potasio obtenidos a partir de ácidos grasos de cadena larga y ligninas derivadas de la madera, así como tensioactivos aniónicos del tipo sulfonato, como las sales de sodio o de potasio de los ácidos alquilsulfónicos, alquilhidroxisulfónicos o alquenilsulfónicos, alquilo lineal bencenosulfonato sódico, sulfatos de alquilo, etc, y los emulsionantes catiónicos son normalmente sales ácidas de diaminas, poliaminas, imidazolinas, amidoaminas de ácidos grasos y las sales de amonio cuaternario.
Uno de los emulsionantes aniónicos comúnmente empleados es la resina Vinsol®, comercializada por Hércules. Se trata de una resina ácida natural, compuesta por derivados fenólicos, terpenos y ácidos resínicos, extraída de la corteza de pino, y que tras ser neutralizada con hidróxido sódico o potásico forma un agua jabonosa aniónica soluble, usada como emulsionante aniónico para emulsiones bituminosas. Este tipo de resina es el más empleado por aportar excelentes prestaciones técnicas. Al tratarse de un producto de origen natural su producción depende de las condiciones climáticas y medioambientales, que unido a su dificultad de obtención provocan que presente un alto precio y escasez en el mercado sin posibilidad, hasta el momento, de disponer de otro producto alternativo con prestaciones similares.
La estabilización de la emulsión es importante hasta el momento de su empleo, siendo por tanto necesario conocer cómo le afectan los distintos factores de transporte, almacenaje y aplicación, al equilibrio formado entre la fase continua y discontinua. Una vez realizada la aplicación ha de romperse este equilibrio, produciéndose la coalescencia, quedando el betún con sus propiedades aglomerantes iniciales, formando una película continua de asfalto. En función de la velocidad con la que se rompa este equilibrio agua - betún, la emulsión será de rotura rápida (EAR), media (EAM) o lenta (EAL), siendo este último tipo las que presentan mayor estabilidad al contacto con los áridos.
La viscosidad de las emulsiones bituminosas se regula en función de la aplicación en la que vaya a ser empleada. El uso de un silicato microfibroso como la sepiolita en emulsiones bituminosas se limita, debido a la naturaleza de las arcillas, a cuando las mezclas poseen carácter aniónico, y se vienen empleando cuando la emulsión debe poseer unas adecuadas propiedades de consistencia, flujo y viscosidad. Además, las propiedades emulgentes de la sepiolita son escasas o prácticamente nulas cuando ésta se emplea por sí sola.
Por lo tanto, se hace necesario el desarrollo de agentes emulsionantes que aporten unas prestaciones técnicas mejoradas y que superen los problemas medioambientales, económicos y de difícil obtención que poseen los agentes existentes en el estado de la técnica.
Objeto de la invención
La presente invención ofrece una alternativa mejorada a los emulsionantes convencionales empleados hasta el momento, ya que describe un emulsionante que permite conseguir cualidades de puesta en obra y finales superiores a los desarrollados en el estado de la técnica a la vez que permite reducir el coste total de las composiciones finales.
Así, un objeto de la presente invención se refiere a un agente emulsionante para formar emulsiones bituminosas de carácter aniónico que comprende una mezcla de a) al menos, un componente mineral sólido del grupo de los filosilicatos y b) al menos, un derivado de colofonia.
Un segundo objeto de la presente invención se dirige a un procedimiento para preparar el agente emulsionante mediante el mezclado de los componentes a) y b) en una mezcladora de sólidos de alta efectividad.
Otro objeto de la invención se refiere al uso del agente emulsionante como agente de suspensión, estabilizante y espesante en formulaciones de emulsiones bituminosas de carácter aniónico.
También forman parte del objeto de la presente invención las disoluciones acuosas que comprenden el agente emulsionante así como el empleo de dichas disoluciones como emulsionante de ligantes bituminosos.
Un sexto objeto de la invención es una emulsión bituminosa que comprende el agente emulsionante previamente definido, sea como principal agente emulsionante o como aditivo mejorador de la eficacia emulsionante.
Un último objeto de la invención se dirige al uso de dichas emulsiones bituminosas para la impermeabilización de superficies y la pavimentación de carreteras.
Descripción de la invención
El agente emulsionante para emulsiones bituminosas aniónicas objeto de la presente invención comprende al menos un componente mineral sólido del grupo de los filosilicatos, y al menos un derivado de la colofonia.
El agente emulsionante según la presente invención se caract eriza por comprender, en las cantidades que se indican expresadas como porcentaje en peso,
-
20-75%, y más preferentemente 35-60% en peso del componente mineral (a);
-
25-80%, y más preferentemente 40-65% en peso de un derivado de colofonia (b)
respecto del peso total de la mezcla.
Los inventores han observado de forma sorprendente, un efecto sinérgico en las propiedades de la mezcla de los componentes del emulsionante de la invención, el cual no se produce aumentando la dosificación del derivado de colofonia, cuando éste se emplea en solitario, ni con el componente mineral al no presentar por sí solo propiedades emulgentes.
Componente mineral
Según la invención, el componente mineral es un componente mineral del grupo de los filosilicatos seleccionado entre arcillas de grado reológico tales como bentonita o montmorillonita, atapulgita, diatomitas, sepiolita y mezcla de las mismas. Preferentemente la arcilla de grado reológico es la sepiolita.
La sepiolita corresponde químicamente a un silicato magnésico hidratado que mineralógicamente pertenece al grupo de los filosilicatos y cuya fórmula ideal es Si_{12}Mg_{8}O_{4} (OH)_{4} (HO_{2})_{4}.8H_{2}O. Estructuralmente, la sepiolita es un filosilicato del tipo 2:1, con una capa de octaedros de magnesio entre dos capas de tetraedros de silicio. A diferencia de otros miembros del grupo, como son las esmecticas ó bentonitas, la sepiolita tiene estructura longitudinal en vez de laminar. Esto es consecuencia de que transversalmente, cada seis átomos de silicio, se produce una inversión en la capa tetraédrica, mientras que longitudinalmente se conserva la continuidad.
La sepiolita de grado reológico, obtenida a partir de sepiolita natural mediante procesos de micronización en húmedo, se dispersa fácilmente en agua y otros líquidos polares, y presenta una superficie externa con alto grado de irregularidades. Esto le proporciona una superficie específica muy elevada para ser un producto natural (superior a 300 m^{2}/g) y una gran densidad de centros activos para la adsorción, que le confieren una muy elevada capacidad de retención de agua y de moléculas polares, que son capaces de formar con relativa facilidad, puentes de hidrógeno con dichos centros activos. El carácter microfibroso de las partículas de la sepiolita de grado reológico hace que ésta sea de elevada porosidad y baja densidad aparente. Normalmente, la sepiolita de grado reológico presenta una distribución granulométrica de tamaño de partícula inferior a 100 \mum, preferiblemente inferior a 75 \mum. El tamaño de partícula se puede determinar con un analizador de tamaño de partícula por dispersión de láser (por ejemplo el modelo Master Sizer 2000 fabricado por Malvern Instruments) y se expresa como diámetro medio en micras (\mum).
En la solicitud de patente europea EP-A-0170299 se describe una sepiolita de grado reológico adecuada como componente (a) del emulsionante objeto de la presente invención.
Derivado de colofonia
La colofonia es un producto natural que está constituido por ácidos insaturados mixtos con pequeñas proporciones de componentes no ácidos. Los ácidos de colofonia son principalmente ácidos carboxílicos monobásicos que contienen un esqueleto de fenantreno con 20 átomos de carbono en la molécula (ácidos abiéticos, levopiméricos y afines). La diferencia entre los ácidos es el número y la posición de los dobles enlaces. Son sólidos y normalmente transparentes y de aspecto vítreo. Según la cantidad de impurezas que contengan, su color varía entre el amarillo claro y pardo oscuro.
La colofonia natural puede clasificarse debido a su origen, a saber, como colofonia de miera, colofonia de madera o colofonia de "tall-oil" (aceite de resina).
La colofonia se obtiene normalmente según los procedimientos siguientes:
1)
separación de los componentes terpénicos volátiles (esencia de trementina y disolventes terpénicos) durante la destilación de las materias oleorresinosas previamente recogidas como exudados de pinos u otras coníferas (resina de pino, galipot, barras, etc.)
2)
extracción con disolventes de los tocos de pinos
3)
destilación fraccionada del "tall-oil", subproducto de las industrias de la pasta de papel.
La colofonia puede ser colofonia cruda y no tratada o se puede hidrogenar, desproporcionar (dismutar) o polimerizar antes de obtener los derivados de la misma.
El índice de acidez (número de miligramos de hidróxido de potasio necesarios para neutralizar los ácidos libres en 1 gramo de muestra) y el índice de saponificación (número de miligramos de hidróxido de potasio necesarios para neutralizar los ácidos libres y saponificar los ésteres presentes en 1 g de muestra) son indicadores de la buena calidad de la colofonia. Preferiblemente, la colofonia presenta un índice de acidez comprendido entre 160-210 mg KOH/g (según norma ASTM D 465-92) y un índice de saponificación comprendido entre 170-210 mg KOH/g (según norma ASTM D 464-92).
Los derivados de colofonia de acuerdo con la presente invención se obtienen según procedimientos conocidos para el experto en la materia. Así, en una realización preferente de la invención, la colofonia inicialmente se injerta con un ácido o anhídrido carboxílico insaturado. Preferiblemente, el ácido carboxílico es un ácido carboxílico \alpha,\beta-etilénicamente insaturado que se injerta en la colofonia por reacción con la insaturación de los ácidos de colofonia. Una reacción normal entre el ácido insaturado y el ácido de colofonia es la reacción de refuerzo. En esta reacción se forma un aducto de Diels-Alder a partir de un doble enlace conjugado del ácido de colofonia y el ácido o anhídrido carboxílico \alpha,\beta-insaturado. Como ácidos adecuados pueden mencionarse ácido fumárico y sus hemiésteres, ácido (y anhídrido) maleico y sus hemiésteres, ácido acrílico, ácido metacrílico y ácidos acrílico y arílico relacionados, ácido (y anhídrido) itacónico y oligómeros y copolímeros de compuestos acrílicos y vinilos con ácidos etilénicamente insaturados (por ejemplo, copolímeros de estireno/ácidos acrílicos, etc.). Preferiblemente, el ácido carboxílico es un ácido o anhídrido dicarboxílico \alpha,\beta-insaturado, entre los cuales destacan el ácido fumárico y ácido (y anhídrido) maleico.
El ácido carboxílico insaturado se hace reaccionar en la relación molar de 0.05:1 a 1.5:1, preferiblemente 0.4:1 a 1.2:1 con cada colofonia. La temperatura de reacción oscila desde aproximadamente 170ºC hasta aproximadamente 220ºC.
En una segunda etapa, el aducto de colofonia obtenido previamente se esterifica con un alcohol. La esterificación del aducto de colofonia puede llevarse a cabo por métodos normales, por ejemplo por calentamiento del aducto de colofonia con un alcohol polihidroxilado en un recipiente de reacción cerrado o abierto en presencia o ausencia de un catalizador de esterificación y en presencia o ausencia de un disolvente desde 150ºC hasta 300ºC, preferiblemente desde 180ºC hasta 280ºC durante 1 a 20 horas, preferiblemente 5 a 15 horas.
Normalmente durante la esterificación se lleva a cabo una agitación vigorosa con el fin de prevenir la carbonización del alcohol polihidroxilado fundido que no ha reaccionado y para ayudar a la eliminación de agua de la mezcla de reacción.
Si la esterificación del aducto de colofonia con el alcohol polihidroxilado se lleva a cabo en presencia de un catalizador, dicho catalizador generalmente se encuentra presente en el intervalo comprendido entre 0.01 y 2.0% en peso sobre la base del peso de la colofonia, preferiblemente entre 0.1 y 0.5% de la misma.
Ejemplos de catalizadores de esterificación, empleados si se desea, son los catalizadores de carácter ácido, tales como ácido sulfúrico, ácido acético, ácido fosfórico, ácido fosforoso, ácido hipofosforoso y ácido p-toluenosulfónico, hidróxidos de metales alcalino-térreos, tales como hidróxido de calcio, óxidos metálicos, tales como oxido de magnesio y óxido de calcio, carbonatos, tales como carbonato de calcio, acetatos, tales como acetato de magnesio y acetato de calcio, fosfitos e hipofosfitos, tales como hipofosfito de sodio, hipofosfito de potasio, hipofosfito de bario, hipofosfito de amonio, fosfito de sodio, fosfito de potasio, fosfito de calcio, fosfito de bario, fosfito de amonio y compuesto similares.
Preferiblemente, la reacción de esterificación se lleva a cabo en presencia de una atmósfera inerte, tal como una atmósfera de nitrógeno gaseoso proporcionada por una purga con nitrógeno del recipiente de reacción antes de la adición de los reactivos y un rociado con nitrógeno durante la reacción.
Los alcoholes empleados en la esterificación del aducto de colofonia son alcoholes polihidroxilados tanto aromáticos, como pirocatecol (1,2-benzenodiol), resorcinol (1,3-benzenodiol), hidroquinona (1,4-benzenodiol), o bisfenol A (4,4'-isopropilidendifenol), como alifáticos. Preferiblemente, los alcoholes empleados en la esterificación del aducto de colofonia son alcoholes polihidroxilados de cadena lineal o ramificada que contienen 2 a 18 átomos de carbono. Alcoholes adecuados son:
- dioles, como etilénglicol, dietilénglicol, trietilénglicol, tetraetilénglicol, trimetilénglicol, bisfenol A, pirocatecol, resorcinol, hidroquinona;
- trioles, como glicerol,
- tetroles, como pentaeritritol, diglicerol
- hexoles, como manitol, sorbitol y polioles similares.
Los preferidos son etilénglicol, dietilénglicol, trietilénglicol, glicerol, pentaeritritol, manitol y sorbitol. Más preferiblemente, los alcoholes polihidroxilados se seleccionan entre etilénglicol, glicerol y pentaeritritol. Los alcoholes pueden emplearse solos o combinados.
El alcohol se emplea preferiblemente en tal cantidad que la relación de los equivalentes hidroxilo del alcohol a los equivalentes carboxilo del aducto de colofonia esté en el intervalo de 0.2:1.0 a 1.5:1.0.
De forma alternativa, se puede llevar a cabo primeramente la reacción de esterificación de la colofonia con un alcohol polihidroxilado, para posteriormente injertar el éster de colofonia así obtenido con un ácido o anhídrido carboxílico \alpha,\beta-insaturado mediante reacción de Diles-Alder. En este caso, las condiciones de reacción preferidas (temperatura, catalizador, relaciones molares de reactivos, etc.) son las mismas que las descritas anteriormente.
Preferiblemente, los derivados de colofonia adecuados como componente (b) del emulsionante objeto de la presente invención, comprenden
(i)
entre un 40-95%, preferiblemente entre un 50-80% en peso de colofonia,
(ii)
entre un 5-45%, preferiblemente 15-35% en peso de un ácido carboxílico \alpha,\beta-insaturado, o mezcla de los mismos,
(iii)
entre un 1-35%, preferiblemente entre un 5-20% en peso de un alcohol polihidroxilado o mezcla de los mismos,
con la condición de que las cantidades sumen 100%.
Emulsiones bituminosas
Las emulsiones acuosas de productos bituminosos son bien conocidas por el experto y se obtienen mediante la emulsificación en agua del producto bituminoso, con la ayuda de un agente emulsionante, aplicando técnicas convencionales de mezclado.
El producto bituminoso puede ser cualquiera de los habitualmente utilizados en la pavimentación de carreteras y de cualquier otro tipo de estructuras constructivas. Entre otros se pueden citar el betún de destilación de petróleo, puros o modificados con polímeros, los betunes oxidados y semioxidados, los alquitranes de hulla, los betunes fluidificados, los betunes fluxados y los asfaltos o rocas asfálticas.
El contenido de betún o ligante bituminoso en las emulsiones bituminosas respecto del peso total de dichas emulsiones está comprendido entre un 20% y un 90% en peso, preferiblemente entre un 40% y un 80%, correspondiendo el resto a la disolución acuosa que comprende el agente emulsionante de la invención.
Los productos bituminosos normalmente utilizados para la obtención de emulsiones bituminosas se caracterizan por presentar una penetración comprendida entre 20 y 500, medida en dmm (décimas de milímetro) según la norma de ensayo del centro de estudios de carreteras CEDEX NLT-124/99.
Asimismo, se pueden utilizar mezclas de los productos bituminosos anteriormente descritos con gomas y polímeros naturales y/o sintéticos. Entre otros se pueden citar los copolímeros estireno-butadieno, los copolímeros etileno-acetato de vinilo, los copolímeros estireno-butadieno-estireno, así como los cauchos naturales y/o sintéticos.
Los derivados de colofonia de acuerdo con la presente invención presentan buenas condiciones para la fabricación de la emulsión. Sin embargo las emulsiones que se forman no son estables y presentan alta sedimentación. Normalmente su rango de pH óptimo de trabajo está comprendido entre 10.5 y 11.
Por otro lado, la sepiolita de grado reológico por sí sola no presenta propiedades emulsionantes, pero al emplearla junto con un derivado de colofonia de acuerdo con la presente invención, además de verse ampliado el rango de pH óptimo para la saponificación, sorprendentemente se obtienen emulsiones bituminosas de viscosidad adecuada y consistencia cremosa, con excelente comportamiento tixotrópico y pseudoplástico, lo que permite gran variedad en su forma de empleo, mejorando su estabilidad e impidiendo la sedimentación y la coalescencia.
El emulsionante según la presente invención, puede prepararse mediante el mezclado de sus componentes ((a) y (b)) sin que sea necesario algún orden específico de adición, por ejemplo 5 minutos en una mezcladora de sólidos de alta efectividad.
Para utilizar el emulsionante en un ligante bituminoso como por ejemplo en una emulsión bituminosa de carácter aniónico, el emulsionante puede incorporarse en la preparación del agua emulsionante, sobre la que se añadirá dicho ligante bituminoso. Preferentemente dicha operación se realiza en un molino coloidal. El pH de dicha disolución acuosa está comprendido entre 9.5 y 13.0, preferiblemente entre 9.5 y 11.5.
La incorporación del emulsionante de la presente invención a ligantes bituminosos para formar emulsiones asfálticas de carácter aniónico, implica las siguientes características:
- Ausencia de sedimentación, basada en las cualidades reguladoras de la viscosidad y tixotrópicas del emulsionante, que contribuye a impartir homogeneidad en la distribución y tamaño de las micelas de betún.
- Mejora el almacenamiento evitando efectos de rotura de la emulsión, debido a la alta estabilización electroquímica que produce el emulsionante.
- Alta estabilidad de la emulsión, basada en las cualidades reguladoras de la viscosidad del emulsionante.
- Posibilidad de aumento de la dilución de la emulsión, debido a la mayor estabilidad de la mezcla por la mejora del comportamiento reológico impartido por el emulsionante.
- Aumento de la capacidad cubriente en la aplicación, debido a la mejora de la tixotropía y plasticidad que permite mayor espesor de película.
- Consistencia adecuada debido al aumento de las propiedades reguladoras de viscosidad que ofrece el emulsionante, que facilita la aplicación en gran variedad de campos.
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En las emulsiones aniónicas se suele añadir una base, tal como un hidróxido alcalino, tal como hidróxido sódico o potásico, hasta alcanzar un pH situado en la zona alcalina, habitualmente entre 10 y 12.
Preferiblemente, las emulsiones bituminosas aniónicas, comprenden:
i)
entre un 10 y un 80%, preferiblemente entre un 20-60% en peso de una disolución acuosa que contiene el emulsionante objeto de la presente invención
ii)
entre un 20 y un 90%, preferiblemente entre un 80-40% en peso de un ligante bituminoso.
La cantidad de emulsionante objeto de la presente invención (formado por la mezcla del componente a y del componente b) a añadir a un ligante bituminoso para formar una emulsión bituminosa está comprendida entre un 0.01-10% en peso de emulsionante del 100%, preferiblemente entre 0.1-5% en peso, respecto del peso total de dicha emulsión.
Las emulsiones bituminosas aniónicas de acuerdo con la presente invención pueden contener otros aditivos, como látex de tipo aniónico incorporado i) en la fase acuosa antes de añadir el ligante bituminoso ó ii) adicionado una vez fabricada dicha emulsión.
Las emulsiones bituminosas de la presente invención son particularmente útiles en la impermeabilización de superficies y en la pavimentación de carreteras.
La posibilidad de sustitución de la resina Vinsol®, como producto emulsionante de prestaciones adecuadas para formular emulsiones bituminosas aniónicas, permite crear una alternativa y obtener, además de mejores cualidades respecto a las anteriormente reseñadas, una reducción del coste de la emulsión asfáltica.
Los ejemplos que siguen a continuación se exponen a efectos de proporcionar al experto en la materia una explicación suficientemente clara y completa de la presente invención, pero no deben ser considerados como limitaciones a los aspectos esenciales del objeto de la misma, tal como han sido expuestos en los apartados anteriores de esta descripción.
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Ejemplos Ejemplo 1
Se preparará una muestra de 50 Kg del emulsionante según la invención mezclándose en un mezclador de sólidos de alta efectividad durante 5 minutos, los siguientes componentes:
26 Kg de sepiolita de grado reológico de TOLSA, S.A., Madrid (España)
24 Kg de derivado de colofonia de KAO Corporation, S.A., que comprende colofonia, glicerol y ácido maleico con las siguientes especificaciones:
índice de acidez: 180-230 mg KOH/g;
índice de saponificación 310-390 mg KOH/g;
índice de hidroxilo 35-55 mg KOH/g
obteniéndose un producto homogéneo.
Ejemplo 2
Se preparan varias emulsiones bituminosas de carácter aniónico, bien con el derivado de colofonia o con el emulsionante objeto de la presente invención preparado según el Ejemplo 1.
Dichas emulsiones bituminosas aniónicas presentan un contenido del 60% (porcentaje sobre peso total de la emulsión) de un ligante bituminoso de penetración 140/160 de naturaleza parafínica, clasificado en función de sus características de penetración y medida en dmm (décimas de milímetro) según la norma de ensayo del centro de estudios de carreteras CEDEX NLT-124/99. En esta norma se define la penetración como la distancia expresada en décimas de milímetro que penetra verticalmente en el betún una aguja normalizada cuando el ensayo se realiza a 25ºC, durante un tiempo de 5 segundos y con una carga móvil total, incluida la aguja de 100 gramos.
Las fases acuosas (40% respecto el peso total de la emulsión) se obtienen por adición en agua de hidróxido sódico y posterior adición del emulsionante preparado según el ejemplo 1, ajustando el pH a 10. La preparación de la fase acuosa se realiza entre 45ºC y 50ºC.
Las emulsiones bituminosas se preparan mezclando en un molino coloidal de laboratorio de la marca ATOMIX a 9000 r.p.m. las fases acuosas y el ligante bituminoso a unas temperaturas respectivamente de 45ºC y 145ºC.
Las emulsiones bituminosas se obtienen a una temperatura de entre 80ºC y 90ºC.
Las características de las emulsiones se especifican en la siguiente tabla:
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TABLA 1
1
Todas las emulsiones bituminosas preparadas (muestras I, II y III) se dejan enfriar hasta temperatura ambiente. Se realizaron ensayos de tamizado (según norma CEDEX NLT 142/99), residuo por evaporación (según norma CEDEX NLT 147/91), estabilidad con cemento (según norma CEDEX NLT 144/98), sedimentación a 7 días (según norma CEDEX NLT 140/99) y viscosidad Brookfield 5 rpm (husillo ("spindle") 2, 25ºC).
Sus propiedades cumplen las especificaciones de emulsiones bituminosas aniónicas de tipo EAL-2, recogidas en el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para Obras de Carreteras, PG-3, aprobado por la Orden de 6 de febrero de 1976 del Ministerio de Obras Públicas de España, cuya redacción vigente data de 27 de Diciembre de 1999 (B.O.E. de 22 de Enero de 2000).
Los resultados se reflejan en la siguiente tabla:
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TABLA 2
2
Según los resultados obtenidos se observa que el derivado de colofonia por sí solo no es capaz de controlar la sedimentación, incluso cuando se aumenta su concentración, mientras que la muestra obtenida con el emulsionante objeto de esta invención se mantiene totalmente estable. De esta manera se observa el efecto sinérgico que desarrollan el componente mineral (a) y el derivado de colofonia (b) al trabajar de forma conjunta ya que, el componente mineral no presenta propiedades emulsionantes en solitario y el derivado de colofonia por sí solo tampoco es capaz de mantener estables las mezclas.
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Ejemplo 3
Se prepararon dos muestras de emulsiones bituminosas de carácter aniónico, una con un emulsionante convencional (Vinsol®, resina comercializada por Hércules), y la otra con el emulsionante según la presente invención preparado de acuerdo con el Ejemplo 1. Dichas muestras se preparan de acuerdo con el Ejemplo 2, exceptuando que la emulsión bituminosa obtenida con el emulsionante convencional es llevada a pH 12, que es el valor típico de trabajo de la resina Vinsol®, ya que a pH inferiores no se consiguen emulsiones estables y/o con las propiedades requeridas. Las características de las emulsiones se especifican en la siguiente tabla:
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TABLA 3
3
Todas las emulsiones bituminosas preparadas (muestras IV y V) se dejan enfriar hasta temperatura ambiente. Se realizaron ensayos de tamizado, residuo por evaporación, estabilidad con cemento, sedimentación a 7 días y viscosidad Brookfield 5 rpm (spindle 2, 25ºC). Finalmente, se comprobó si sus propiedades cumplen las especificaciones de emulsiones bituminosas aniónicas de tipo EAL-2. Los resultados se reflejan en la siguiente tabla:
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TABLA 4
4
En la tabla 4 se reflejan los resultados que comparan una muestra aditivada con un emulsionante convencional (resina Vinsol®), frente a otra en la que se ha empleado el nuevo emulsionante según la presente invención. Se comprueba que el nuevo emulsionante desarrollado se comporta mejor, y muy especialmente frente a la sedimentación.
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Ejemplo 4
Se preparan varias emulsiones bituminosas de carácter aniónico, bien con el derivado de colofonia o con el emulsionante objeto de la presente invención preparado según el Ejemplo 1. Dichas emulsiones bituminosas se preparan de acuerdo con el Ejemplo 2, exceptuando que se utiliza un betún de penetración 150/200 de naturaleza nafténica. Las características de las emulsiones se especifican en la siguiente tabla:
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TABLA 5
5
Todas las emulsiones bituminosas preparadas (muestras VI, VII y V) se dejan enfriar hasta temperatura ambiente. Se realizaron ensayos de tamizado, residuo por evaporación, estabilidad con cemento, sedimentación a 7 días y viscosidad Brookfield 5 rpm (spindle 2, 25ºC). Finalmente, se comprobó si sus propiedades cumplen las especificaciones de emulsiones bituminosas aniónicas de tipo EAL-2. Los resultados se reflejan en la siguiente tabla:
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TABLA 6
6
Analizando los resultados reflejados en la tabla anterior, se observa que la dosificación de derivado de colofonia empleado en la muestra VI no es suficiente para conseguir emulsiones que cumplan la normativa en vigor, ya que el valor de tamizado es algo superior al permitido y la sedimentación es muy superior. Al aumentar la dosificación del derivado de colofonia, según la muestra VII, tampoco es posible formular emulsiones que se encuentren dentro de las especificaciones, ya que, aunque los resultados de sedimentación se ven claramente mejorados, se empeoran los valores de tamizado. La muestra VIII, que contiene el nuevo emulsionante objeto de esta invención, aporta resultados claramente diferenciados respecto a los anteriores, paliando los efectos negativos que presenta el derivado de
colofonia.
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Ejemplo 5
Se prepararon dos muestras de emulsiones bituminosas de carácter aniónico, una con un emulsionante convencional (Vinsol®, resina comercializada por Hércules), y la otra con el emulsionante según la presente invención preparado de acuerdo con el Ejemplo 1. Dichas muestras se preparan de acuerdo con el Ejemplo 3. Las características de las emulsiones se especifican en la siguiente tabla:
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TABLA 7
7
Todas las emulsiones bituminosas preparadas (muestras IX y X) se dejan enfriar hasta temperatura ambiente. Se realizaron ensayos de tamizado, residuo por evaporación, estabilidad con cemento, sedimentación a 7 días y viscosidad Brookfield 5 rpm (spindle 2, 25ºC). Finalmente, se comprobó si sus propiedades cumplen las especificaciones de emulsiones bituminosas aniónicas de tipo EAL-2. Los resultados se reflejan en la siguiente tabla:
TABLA 8
8
En la tabla 8 se reflejan los resultados que comparan una muestra aditivada con un emulsionante convencional (resina Vinsol®), frente a otra en la que se ha empleado el nuevo emulsionante según la presente invención, observándose que el nuevo emulsionante desarrollado en la invención, además de buenas prestaciones técnicas, se comporta especialmente bien frente a la sedimentación.

Claims (19)

1. Agente emulsionante para formar emulsiones bituminosas de carácter aniónico, caracterizado porque comprende una mezcla de:
(a)
al menos, un componente mineral sólido del grupo de los filosilicatos, y
(b)
al menos, un derivado de colofonia.
2. Agente emulsionante según reivindicación 1, caracterizado porque el componente mineral (a) se selecciona de entre las arcillas de grado reológico bentonita o montmorillonita, atapulgita, diatomita, sepiolita y mezclas de las mismas.
3. Agente emulsionante según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el componente mineral (a) es sepiolita de grado reológico.
4. Agente emulsionante según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el derivado de colofonia (b) es obtenible mediante
(i)
reacción de Diels-Alder entre la colofonia y un ácido o anhídrido carboxílico \alpha,\beta-insaturado, y
(ii)
reacción de esterificación entre el aducto formado en (i) y un alcohol polihidroxilado.
5. Agente emulsionante según reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la colofonia se selecciona entre la colofonia de miera, colofonia de madera y colofonia de "tall-oil".
6. Agente emulsionante según la reivindicación 4, caracterizado porque el ácido o anhídrido carboxílico \alpha,\beta-insaturado se selecciona de entre el grupo consistente en ácido fumárico y sus hemiésteres, ácido o anhídrido maléico y sus hemiésteres, ácido acrílico, ácido metacrílico y ácidos acrílico y arílico relacionados, ácido o anhídrido itacónico, oligómeros y copolímeros de compuestos acrílicos y vinilos con ácidos etilénicamente insaturados, preferentemente es un ácido o anhídrido dicarboxílico \alpha,\beta-insaturado, más preferentemente es ácido fumárico, ácido maleico, anhídrido maleico o mezcla de los mismos.
7. Agente emulsionante según la reivindicación 4 donde el alcohol polihidroxilado se selecciona de entre el grupo consistente en etilénglicol, dietilénglicol, trietilénglicol, tetraetilénglicol, trimetilénglicol, bisfenol A, pirocatecol, resorcinol, hidroquinona, glicerol, pentaeritritol, diglicerol, manitol, sorbitol y combinaciones de los mismos, preferentemente es etilénglicol, dietilénglicol, trietilénglicol, glicerol, pentaeritritol, manitol o sorbitol o mezclas de los mismos.
8. Agente emulsionante según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el derivado de colofonia (b) comprende:
(i)
entre 40-95%, preferentemente entre 50-80% en peso de colofonia,
(ii)
entre 5-45%, preferentemente entre 15-35% en peso de ácido o anhídrido \alpha,\beta-insaturado o mezcla de los mismos, y
(iii)
entre 1-35%, preferentemente entre 5-20% en peso de alcohol polihidroxilado o mezcla de los mismos.
con la condición de que las cantidades sumen 100%.
9. Agente emulsionante según reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende entre un 20 y un 75% en peso del componente mineral (a) y entre un 25 y un 80% en peso de derivado de colofonia (b).
10. Agente emulsionante según reivindicación 9, caracterizado porque comprende entre un 35 y un 60% en peso del componente mineral (a) y entre un 40 y un 65% en peso de derivado de colofonia.
11. Procedimiento de obtención de un agente emulsionante como el definido en las reivindicaciones 1 a 10 que comprende el mezclado físico de los componentes (a) y (b) en una mezcladora de sólidos de alta efectividad.
12. Uso de un agente emulsionante como el definido en las reivindicaciones 1 a 10 como agente de suspensión, estabilizante y espesante en formulaciones de emulsiones bituminosas de carácter aniónico.
13. Disolución acuosa que comprende el agente emulsionante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 donde el pH está comprendido entre 9.5 y 13.0, preferentemente entre 9.5 y 11.5.
14. Uso de una disolución acuosa según reivindicación 13 como emulsionante de ligantes bituminosos.
15. Una emulsión bituminosa aniónica, caracterizada porque comprende un agente emulsionante según las reivindicaciones 1 a 10.
16. Una emulsión bituminosa aniónica según reivindicación 15, caracterizada porque comprende:
i)
entre un 10 y un 80%, preferentemente entre un 20 y un 60% en peso de una disolución acuosa según la reivindicación 13, y
ii)
entre un 20 y un 90%, preferentemente entre un 40 y un 80% en peso de un ligante bituminoso.
17. Una emulsión bituminosa aniónica según las reivindicaciones 15 y 16, caracterizada porque comprende entre un 0.01-10% en peso, preferentemente entre 0.1-5% en peso de agente emulsionante según las reivindicaciones 1 a 10, respecto del peso total de dicha emulsión.
18. Uso de una emulsión bituminosa aniónica según las reivindicaciones 15 a 17 para pavimentar carreteras.
19. Uso de una emulsión bituminosa aniónica según reivindicaciones 15 a 17 para impermeabilizar superficies.
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