ES2330767T3 - Polimeros y su uso en composiciones de asfalto y hormigones asfalticos. - Google Patents

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Abstract

Una composición de asfalto modificado que comprende: un asfalto nafténico; y un copolímero de bloque que incluye un bloque que comprende unidades de dieno caracterizado por tener un contenido de vinilo de al menos el 15% en peso.

Description

Polímeros y su uso en composiciones de asfalto y hormigones asfálticos.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a polímeros y a su uso en composiciones de asfalto y hormigones asfálticos.
Antecedentes de la invención
Se sabe cómo combinar composiciones bituminosas, particularmente composiciones de asfalto, con agregados para formar composiciones que son útiles en la preparación de firmes de carretera. La mezcla de asfalto y agregado puede denominarse hormigón asfáltico. El asfalto sirve como aglutinante para el agregado. La interacción entre el aglutinante y el agregado, por lo tanto, es deseable.
El asfalto puede reforzarse por sí mismo o modificarse con un polímero. El polímero puede mejorar muchas propiedades del asfalto tales como penetración, temperatura de reblandecimiento, dureza, tenacidad y resistencia térmica. Los polímeros o aditivos poliméricos conocidos incluyen copolímeros de bloque de radical simétrico que comprenden brazos que tienen bloques de polímero de dieno y bloques de polímero aromático de vinilo; copolímeros de bloque de un monómero de hidrocarburo aromático monoalquenílico y una diolefina conjugada; homopolímeros y copolímeros de olefina, particularmente homopolímero y copolímero de 1-buteno; y homopolímeros de isoolefina.
Entre la técnica anterior, el documento US 5.130.354 describe una composición bituminosa que comprende un componente bituminoso y un polímero funcionalizado con silano o un polímetro funcionalizado con ácido de una diolefina conjugada, y el documento DE 20310484 U1 describe un bitumen modificado con polímero, en el que el polímero modificado es una mezcla del copolímero tribloque poli(estireno-butadieno-estireno) y el polímero dibloque poli(estireno-butadieno).
Aunque los hormigones asfálticos han resultado ser útiles en la preparación de firmes de carretera, su fallo, sin embargo, es inevitable. Los fallos ocurren generalmente por corrimiento, exudación, agrietamiento y desescamado. El tiempo hasta el fallo varía con diversos factores tales como la cantidad y peso de tráfico y diversos factores ambientales tales como temperatura y lluvia. Desafortunadamente, la frecuencia de fallo ocurre a intervalos de tiempo más cortos de lo deseado.
Por lo tanto hay una necesidad continua de mejorar las composiciones de asfalto y los hormigones asfálticos.
Compendio de la invención
En general la presente invención proporciona una composición de asfalto modificado que comprende un asfalto nafténico, y un copolímero de bloques de alto contenido en vinilo.
La presente invención proporciona adicionalmente una composición de asfalto modificada que comprende el producto de combinar un asfalto nafténico, y un copolímero de bloque incluyendo un bloque que comprende unidades dieno caracterizado por tener un contenido de vinilo de al menos el 15% en peso.
La presente invención proporciona también un método de preparación de una composición de asfalto modificada que comprende combinar un asfalto nafténico y el copolímero de bloque anterior.
La presente invención incluye además un hormigón asfáltico que comprende un asfalto, un copolímero de bloque funcionalizado y un agregado silíceo.
La presente invención incluye también un hormigón asfáltico que comprende el producto de combinar un asfalto, un copolímero de bloque funcionalizado y un agregado silíceo.
La presente invención incluye además un copolímero dibloque que comprende un bloque de vinilo que comprende unidades aromáticas de vinilo conjugadas, un bloque de dieno que comprende unidades de dieno conjugadas y sustancialmente desprovisto de una sección de bloque ahusada entre el bloque de vinilo y el bloque de dieno, en el que el copolímero dibloque comprende un contenido de vinilo de al menos el 20% y un peso molecular de al menos 50.000.
La presente invención incluye también adicionalmente un método para preparar el copolímero dibloque que comprende polimerizar aniónicamente una primera carga de monómero de dieno con un iniciador funcionalizado en presencia de un modificador de vinilo formando de esa manera un polímero que tiene un contenido de vinilo, y con lo que dicha polimerización comprende el consumo de sustancialmente todo dicho monómero de dieno, y polimerizar una segunda carga de monómero aromático de vinilo en presencia de dicho polímetro formando un copolímero dibloque que comprende un bloque de dieno y un bloque de vinilo, con lo que dicho copolímero dibloque comprende un contenido de vinilo de al menos el 20% y un peso molecular de al menos 50.000.
Descripción detallada de las realizaciones ilustrativas
En una primera realización, la invención proporciona una composición de asfalto modificada que incluye un asfalto nafténico y un copolímero de bloque que incluye un bloque que comprende unidades dieno caracterizado por tener un contenido de vinilo de al menos el 15% en peso.
Esta composición de asfalto modificada puede usarse para preparar hormigones asfálticos que son especialmente útiles para pavimentar calzadas, carreteras, rampas de salida, calles, entradas, aparcamientos, pistas de aeropuertos y pistas de rodaje de aeropuertos utilizando procedimientos convencionales.
Se ha descubierto inesperadamente que la mezcla o combinación del asfalto nafténico y el copolímero de bloque anterior supera algunos de los inconvenientes asociados con la modificación de los asfaltos nafténicos. En particular, se han observado resultados sorprendentemente buenos comparados con los asfaltos modificados con copolímeros de bloque convencionales cuando estas composiciones se someten al Ensayo de Separación por Temperatura de Reblandecimiento, que se prefiere según el Sistema Superpave del Programa Estratégico de Investigación en Carreteras. Se cree que el copolímero de bloque que incluye un bloque que comprende unidades dieno caracterizado por tener un contenido de vinilo de al menos el 15% en peso y el asfalto nafténico interaccionan sinérgicamente para proporcionar estos resultados ventajosos. Esto es especialmente ventajoso porque las fuentes de asfalto nafténico están localizadas estratégicamente por todo el globo y los copolímeros de bloque convencionales han resultado tener un alto grado de separación a partir de estos asfaltos nafténicos.
Los asfaltos incluyen bitúmenes que se originan en la naturaleza o se obtienen en el procesamiento del petróleo. Los asfaltos típicamente contienen hidrocarburos de muy alto peso molecular denominados asfaltenos, que son solubles en disulfuro de carbono, piridina, hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos clorados y THF. Los asfaltos o materiales bituminosos son típicamente sólidos, semi-sólidos o líquidos y típicamente se emplea un ensayo de penetración para consistencia o viscosidad. En esta clasificación, los materiales sólidos son aquellos que tienen una penetración a 25ºC bajo una carga de 100 gramos aplicada durante 5 segundos no mayor de 10 decimilímetros (1 milímetro). Los semisólidos son aquellos que tienen una penetración a 25ºC bajo una carga de 100 gramos aplicada durante 5 segundos de más de 10 decimilímetros (1 milímetro) y una penetración a 25ºC bajo una carga de 50 gramos aplicada durante 1 segundo de no más de 35 milímetros.
El asfalto nafténico o los bitúmenes generalmente se caracterizan por incluir un exceso neto de compuestos ácidos. Preferiblemente, el valor de ácido (mg KOH/g) es de aproximadamente 1,5 a aproximadamente 5. El valor de base (mg KOH/g) de los bitúmenes nafténicos es preferiblemente de aproximadamente 0 a aproximadamente 1.
Una fuente particularmente útil de asfalto nafténico se obtiene en China y en sus zonas costeras. Otras fuentes de asfalto nafténico incluyen aquellas obtenidas en América del Sur y Central.
El copolímero de bloque anterior es preferiblemente un copolímero dibloque que incluye un bloque que incluye unidades aromáticas de vinilo y un bloque que incluye unidades de dieno caracterizado por tener un contenido de vinilo de al menos el 15% en peso.
El bloque aromático de vinilo preferiblemente incluye unidades aromáticas de vinilo derivadas de un monómero aromático de vinilo. Los aromáticos de vinilo útiles incluyen aquellos que tienen de 8 a aproximadamente 20 átomos de carbono tales como estireno, \alpha-metilestireno, p-metilestireno, vinil antraceno y vinil naftaleno; el estireno es el aromático de vinilo preferido. El bloque de dieno preferiblemente incluye unidades de dieno derivadas de dienos conjugados. Los dienos conjugados adecuados incluyen aquellos que tienen de aproximadamente 4 a aproximadamente 12 átomos de carbono tales como 1,3-butadieno, 1,3-ciclohexadieno, isopreno, 1,3-pentadieno, 1,3-hexadieno, 2,3-dimetil-1,3-butadieno, 2-etil-1,3-butadieno, 2-metil-1,3-pentadieno, 3-metil-1,3-pentadieno, 4-metil-1,3-pentadieno y 2,4-hexadieno; 1,3-butadieno es el dieno conjugado preferido. El copolímero de bloque puede incluir una sección ahusada, que incluye tanto unidades de estireno como de butadieno. En las realizaciones preferidas, la sección ahusada se minimiza; en otras palabras, el copolímero de bloque incluye menos del 5% en peso, más preferiblemente menos del 3% en peso, y más preferiblemente aún menos del 1% en peso de una sección ahusada. En una realización, el copolímero de bloque carece de una sección ahusada.
El copolímero de bloque anterior se caracteriza generalmente por tener un peso molecular promedio en peso de al menos 50 kg/mol, preferiblemente al menos aproximadamente 75 kg/mol, más preferiblemente al menos aproximadamente 100 kg/mol y aún más preferiblemente al menos aproximadamente 125 kg/mol; también, el copolímero de bloque tiene un peso molecular promedio en peso que es de 500 kg/mol o menor, preferiblemente 250 kg/mol o menor, más preferiblemente 200 kg/mol o menor, y más preferiblemente 150 kg/mol o menor, según se determina por análisis GPC usando patrones de poliestireno.
El copolímero de bloque también se caracteriza generalmente por tener una distribución de peso molecular que es menor de aproximadamente 2, preferiblemente menor de aproximadamente 1,5, más preferiblemente menor de aproximadamente 1,2 y aún más preferiblemente menor de aproximadamente 1,05.
En una realización, el copolímero de bloque anterior incluye más del 10% en peso, en otra realización el copolímero de bloque incluye más del 15% en peso, y en otra realización más del 20% en peso, y en otra realización más, más del 23% en peso de unidades de aromáticas de vinilo; también, en una realización, el copolímero de bloque incluye menos del 50% en peso y en otra realización menos del 35% en peso, y en otra realización, menos del 30% en peso, y en otra realización más, menos del 27% en peso de unidades aromáticas de vinilo. El resto del copolímero preferiblemente incluye el bloque de dieno.
El bloque de dieno se caracteriza por incluir un contenido de vinilo (es decir, una microestructura 1,2) que es al menos aproximadamente el 15% en peso, preferiblemente al menos aproximadamente el 20% en peso, más preferiblemente al menos el 23% en peso, aún más preferiblemente al menos aproximadamente el 25% en peso, y todavía más preferiblemente aún al menos aproximadamente el 27% en peso basado en el peso del contenido de dieno del copolímero de bloque (es decir, el bloque de dieno). También, en otra realización particular el bloque de dieno puede caracterizarse por un contenido de vinilo que es preferiblemente del 34% en peso, más preferiblemente del 33% en peso o menor, más preferiblemente del 32% en peso o menor, y aún más preferiblemente del 31% en peso o menor, basado en el peso del contenido de dieno del copolímero de bloque.
El copolímero de bloque se caracteriza también generalmente por tener un contenido de gel menor de aproximadamente el 1,5% en peso, preferiblemente menor de aproximadamente el 1,2% en peso, más preferiblemente menor de aproximadamente el 1,0% en peso y aún más preferiblemente menor de 0,7% en peso determinado por la cantidad de material insoluble cuando una muestra se disuelve en tolueno a temperatura ambiente.
Los copolímeros de bloque de alto contenido de vinilo se preparan preferiblemente por técnicas de polimerización aniónica en vivo. Los polímeros vivos, polimerizados aniónicamente, se forman haciendo reaccionar iniciadores aniónicos con ciertos monómeros insaturados para propagar una estructura polimérica. Durante toda la formación y propagación del polímetro, la estructura polimérica es aniónica y "viva". Un nuevo lote de monómero añadido posteriormente a la reacción puede añadirse a los extremos vivos de las cadenas existentes y aumentar el grado de polimerización. Un polímero vivo, por lo tanto, es un segmento polimérico que tiene una extremo vivo o reactivo. La polimerización aniónica se describe adicionalmente en George Odian, Principles of Polymerization, ch. 5 (3ª Ed. 1991), o Panek, 94 J. Am. Chem. Soc., 8768 (1972).
La técnica de preparación empleada en esta realización preferiblemente incluye polimerización de un primer bloque seguido de la polimerización secuencial de un segundo bloque. Como apreciarán los especialistas en la técnica, esta polimerización secuencial incluye cargar el iniciador y el monómero que dará lugar al primer bloque, y una vez que el monómero que da lugar al primer bloque se consume (o se consume hasta un grado deseado), el monómero que dará lugar al segundo bloque puede cargarse posteriormente.
El bloque de dieno puede ser el primer bloque sintetizado o el bloque aromático de vinilo puede ser el primer bloque sintetizado. En cualquier caso, en una realización se prefiere que el monómero cargado o proporcionado para sinterizar el primer bloque se consuma hasta un grado tal que el ahusada se limite como se ha definido anteriormente. En las realizaciones preferidas, al menos el 90%, más preferiblemente al menos el 95%, y más preferiblemente al menos el 98% y aún más preferiblemente al menos el 99% del monómero disponible o cargado al reactor para sintetizar el primer bloque se consume antes de cargar o proporcionar el monómero para sintetizar el segundo bloque.
Puede emplearse cualquier iniciador aniónico para iniciar la formación y propagación de los polímeros vivos. Los iniciadores útiles incluyen iniciadores funcionalizados, cuyo residuo conferirá a la cabeza del polímero con un grupo funcional, así como iniciadores no funcionalizados. Los iniciadores aniónicos ejemplares incluyen, aunque sin limitación, iniciadores de alquil litio tales como n-butil litio, iniciadores de arenilitio, iniciadores de arenilsodio, amidas de dihidrocarburo de N-litio, aminoalquillitios, y alquil estaño litios. Otros iniciadores útiles incluyen litiohexametilenimina, N-litiohexametileninzida, N-litiopirrodinina y N-litiododecametilenimida así como compuestos de organolitio tales como los aductos de tri-alquil litio de aldiminas sustituidas y cetiminas sustituidas, y sales de N-litio de aminas secundarias sustituidas. Los iniciadores ejemplares se describen también en las siguientes patentes de Estados Unidos: 5.332.810, 5.329.005, 5.578.542, 5.393.721, 5.698.646, 5.491.230, 5.521.309, 5.496.940, 5.574.109, 5.786.441 y en la Publicación Internacional Nº WO 2004/020475.
La cantidad de iniciador empleada para realizar las polimerizaciones aniónicas puede variar ampliamente basándose en las características deseadas del polímero. En una realización, se prefiere emplear de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 100, y más preferiblemente de aproximadamente 0,33 a aproximadamente 10 mol de litio por
100 g de monómero.
Las polimerizaciones aniónicas pueden realizarse en un disolvente polar tal como tetrahidrofurano (THF) o un hidrocarburo no polar tal como los diversos hexanos, heptanos, octanos, pentanos, cíclicos y acíclicos, sus derivados alquilados y mezclas de los mismos, así como benceno.
En una realización, para controlar el contenido de vinilo dentro del segmento elastomérico, puede añadirse un modificador de vinilo a los ingredientes de polimerización. Las cantidades varían entre 0 a 90 o más equivalentes por equivalente de litio. La cantidad depende de la cantidad de vinilo deseada, el nivel de estireno empleado y la temperatura de la polimerización, así como la naturaleza del modificador de vinilo especifico (modificador) empleado. Los modificadores de polimerización adecuados incluyen, por ejemplo, éteres o aminas para proporcionar la microestructura deseada y la aleatorización de las unidades de comonómero. En una realización, aproximadamente el 30% de las cadenas poliméricas tienen una amina.
Los compuestos útiles como modificadores de vinilo incluyen aquellos que tienen un heteroátomo de oxígeno o nitrógeno y un par de electrones no unidos. Los ejemplos incluyen éteres de dialquilo de mono y oligo alquilenglicoles; éteres "corona"; aminas terciarias tales como tetrametiletilen diamina (TMEDA); oligómeros de THF lineales. Los ejemplos específicos de los compuestos útiles como modificadores de vinilo incluyen tetrahidrofurano (THF), oxolanil alcanos oligoméricos lineales y cíclicos tales como 2,2-bis(2'-tetrahidrofuril)propano, di-piperidil etano, dipiperidil metano, hexametilfosforamida, N,N'-dimetilpiperazina, diazabiciclooctano, dimetil éter, dietil éter y tributilamina. Los modificadores de oxolanil alcano oligoméricos lineales y cíclicos (OOP) se describen en la patente de Estados Unidos Nº 4.429.091.
La síntesis del bloque de dieno, particularmente la síntesis de un bloque de polibutadieno mediante polimerización de 1,3-butadieno, ocurre preferiblemente en presencia de un modificador de vinilo. Aunque ciertos modificadores pueden aleatorizar el copolímero cuando se emplean en cantidades particulares, en una realización la cantidad de modificador de vinilo que se usa es insuficiente para aleatorizar el copolímero. Los modificadores de vinilo útiles incluyen los OOP. Los especialistas en la técnica podrán seleccionar fácilmente la cantidad de modificador de vinilo que será útil para conseguir las propiedades deseadas indicadas anteriormente. Por ejemplo, cuando se emplea un modificador de vinilo OOP, la cantidad presente dentro de la polimerización es generalmente de aproximadamente 0,001 a aproximadamente 1,0 y se basa en la cantidad de litio cargado en el reactor.
Los polímeros vivos polimerizados aniónicamente pueden prepararse por métodos discontinuos o continuos. Una polimerización discontinua se inicia preferiblemente cargando monómero y disolvente en un recipiente de reacción adecuado, seguido de la adición del modificador de vinilo (si se emplea) y un compuesto iniciador. El modificador de vinilo o el iniciador pueden añadirse en cualquier orden al monómero en el recipiente de reacción. Los reactantes se calientan preferiblemente a una temperatura de aproximadamente 20 a aproximadamente 130ºC y se permite que la polimerización transcurra de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 24 horas. Esta reacción produce preferiblemente un polímero reactivo que tiene un extremo reactivo o vivo. Preferiblemente, al menos aproximadamente el 30% de las moléculas de polímero contienen un extremo vivo. Más preferiblemente, al menos aproximadamente el 50% de las moléculas de polímero contienen un extremo vivo. Aún más preferiblemente, al menos aproximadamente el 80% contienen un extremo vivo.
En las realizaciones preferidas, un agente de terminación o compuesto de inactivación se añade al medio de polimerización para terminar la reacción de polimerización. En general, la adición de estos agentes o compuestos neutraliza la naturaleza aniónica del polímero vivo. En una realización, la polimerización se interrumpe por adicción de un donador de electrones que puede protonar al polímero vivo. Los donadores de protones ejemplares incluyen alcohol isopropílico. Estos donadores de protones típicamente incluyen agentes de terminación o inactivación no funcionalizados que simplemente proporcionan al extremo terminal del polímero con un átomo de hidrógeno. En otras realizaciones, se emplean agentes de terminación funcionalizados. Estos agentes de terminación típicamente neutralizan el carácter aniónico del polímero vivo por adición al extremo terminal del polímero y dando un grupo funcional al extremo terminal. Se conocen numerosos agentes de terminación y la práctica de esta realización no está limitada por la selección de ningún agente de terminación particular.
Después de la formación del copolímero de bloque, puede añadirse un adyuvante de procesamiento u otros aditivos opcionales tales como aceite al cemento de polímero. En una realización particular, el polímero se extiende con aceite. En otra realización particular, el polímero se extiende aproximadamente un 10 a 20% extendido. El extender con aceite el polímero es ventajoso porque aumenta la soldabilidad del polímero durante los procesos de fabricación posteriores, y acelera la velocidad a la que el polímero se disuelve durante los procesos de fabricación posteriores tal como mezcla del polímero y agente de curado con asfalto. El copolímero de bloque y otros ingredientes opcionales se aíslan después del disolvente y preferiblemente se secan. Pueden emplearse procedimientos convencionales para la eliminación del disolvente y el secado. En una realización, el copolímero de bloque puede aislarse del disolvente por retirada del disolvente con vapor o coagulación en agua caliente del disolvente seguido de filtración. El disolvente residual puede retirarse usando técnicas de secado convencionales tales como secado en horno o secado con tambor. Como alternativa, el cemento puede secarse en tambor directamente.
Los agentes de curado pueden añadirse a las composiciones de asfalto modificadas de esta realización. Los agentes de curado usados a menudo en las composiciones de asfalto incluyen resinas fenólicas y azufre elemental. Un agente de curado preferido es el agente de curado de bismaleimida, que se describe en la patente de Estados Unidos Nº 6.486.236.
Pueden emplearse cantidades convencionales en la práctica de esta invención.
En una realización, una premezcla incluye un agente de curado añadido al copolímero de bloque sin curar completamente el polímero. El contenido de gel del polímero aumenta a medida que se cura el polímero. El contenido de gel puede indicarse midiendo el peso relativo del polímero que es insoluble en tolueno a temperatura ambiente. En una realización, el agente de curado se añade sin aumento sustancial del contenido de gel del polímero. En otra realización, el agente de curado, en solución con hexano, se añade a la reacción de polimerización completada después de la adición del agente de terminación. El polímero y el agente de curado se mezclan a aproximadamente 93ºC (200ºF) durante aproximadamente 5½ minutos. En una realización particular, antes de retirar el disolvente y de que el polímero se seque, el polímero se extiende con aceite. En una realización particular el polímero se extiende a aproximadamente un 10 a 20% extendido. En esta realización, el agente de curado puede estar presente durante la extensión del polímero. La extensión con aceite es ventajosa puesto que aumenta la solubilidad del polímero durante los procesos de fabricación posteriores, y acelera la velocidad a la que el polímero se disuelve durante los procesos de fabricación posteriores tales como la mezcla del polímero y el agente de curado con el asfalto.
Los agentes de curado adecuados incluyen Azufre, Santocure (disponible en Flexsys, de Akron, Ohio), ZnO, Ácido Esteárico, HVA-2 (disponible en DuPont de Delaware), Vanax PY (disponible en R.T. Vanderbilt de Connecticut) Slufasan (disponible en Flexsys, de Akron, Ohio) y PAXL (disponible en ATOFina de Philadelphia, PA). En una realización, la cantidad de agente de curado es menor de aproximadamente el 2%, en otra realización menor de aproximadamente el 1%, en una realización adicional menor de aproximadamente el 0,5% y en otra realización aproximadamente el 0,2%.
Una premezcla es más deseable que la mezcla del agente de curado junto con los otros componentes del PMA porque se requiere menos tiempo para mezclar la premezcla y el asfalto del que se requeriría después para mezclar el polímero, con el asfalto y el agente de curado. Otro beneficio es que se requiere menos agente de curado en la premezcla que si el agente de curado, el asfalto y el polímero se añaden como componentes diferentes. Típicamente, si el agente de curado y el polímero se añaden al asfalto como componentes diferentes, el usuario final del asfalto mezclará al menos el asfalto, el polímero y el agente de curado. Otra ventaja de la premezcla es que el usuario final necesitaría añadir menos de uno de los ingredientes, dando como resultado una menor oportunidad de error en la mezcla.
Las composiciones de asfalto modificadas de esta realización pueden incluir también aquellos otros ingredientes o constituyentes que se emplean habitualmente en la industria. Por ejemplo, las composiciones pueden incluir compuestos anti-separación, fibras, agentes de liberación y cargas. Algunos ejemplos específicos de aditivos que pueden emplearse incluyen arcilla, caolín, carbonato de calcio, arcilla de bentonita, polvo de lijadora y fibras de celulosa.
Las composiciones de asfalto modificadas de esta realización pueden prepararse usando técnicas convencionales. Esto típicamente incluye mezclar el asfalto con una cantidad deseada de copolímero de bloque a una temperatura deseada. Esta etapa de mezcla puede ocurrir antes de o junto con la adición de un agente de curado o los otros aditivos. En una realización, el copolímero de bloque se disuelve en asfalto fundido a temperaturas mayores de aproximadamente 120ºC. La mezcla continúa preferiblemente durante aproximadamente 25 a aproximadamente 400 minutos a una temperatura de aproximadamente 145 a aproximadamente 205ºC (preferiblemente de aproximadamente 160 a aproximadamente 193ºC). Preferiblemente, se obtiene una mezcla homogénea.
Las composiciones de asfalto de esta realización incluyen de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 10 partes en peso (pep), en otra realización las composiciones de asfalto incluyen de 0,3 a aproximadamente 5 pep, y en otra realización, de aproximadamente 3 a aproximadamente 6 pep del copolímero de bloque por 100 partes en peso de asfalto.
Las composiciones de asfalto modificadas de esta realización pueden emplearse para preparar composiciones de hormigón asfáltico que incluyen el asfalto modificado y un agregado. El agregado convencional que se usa en la industria de pavimentación puede utilizarse en la práctica de esta realización. El agregado típicamente incluye rocas, piedras, piedra machacada, grava, arena, sílice o mezclas de uno o más de los mismos. Los ejemplos específicos de agregados incluyen mármol, piedra caliza, basalto, dolomita, arenisca, granito y cuarcita.
El agregado típicamente tiene una distribución amplia de tamaños de partículas que varían desde polvo hasta el tamaño de una bola de golf. La mejor distribución en el tamaño de partícula varía de una aplicación a otra. En ciertas realizaciones, puede ser ventajoso recubrir el agregado con látex de acuerdo con las enseñanzas de la patente de Estados Unidos Nº 5.262.240 para mejorar la resistencia a la separación con agua.
El hormigón asfáltico, que se prepara mezclando el asfalto modificado con el agregado, puede prepararse usando un equipo y procedimientos convencionales. En una o más realizaciones, el agregado se mezcla con el asfalto para obtener un hormigón asfáltico básicamente homogéneo. Por ejemplo, el agregado puede mezclarse con asfalto para producir hormigón asfáltico en una base continua en una mezcladora convencional.
Cuando se prepara un hormigón asfáltico, generalmente se mezcla de aproximadamente el 1 por ciento en peso a aproximadamente el 10 por ciento en peso del asfalto modificado y de aproximadamente el 90 por ciento en peso a aproximadamente el 99 por ciento en peso del agregado (basado en el peso total del hormigón asfáltico). Preferiblemente, el hormigón asfáltico contiene de aproximadamente el 3 por ciento en peso a aproximadamente el 8 por ciento en peso del hormigón asfáltico modificado y de aproximadamente el 92 por ciento en peso a aproximadamente el 97 por ciento en peso del agregado. Más preferiblemente, el hormigón asfáltico contiene de aproximadamente el 4 por ciento en peso a aproximadamente el 7 por ciento en peso del cemento asfáltico modificado y de aproximadamente el 93 por ciento en peso a aproximadamente el 96 por ciento en peso del agregado.
En una segunda realización, la invención proporciona una composición de hormigón asfáltico que incluye un asfalto, un copolímero de bloque funcionalizado y un agregado silíceo. Este hormigón asfáltico es especialmente útil para pavimentar calzadas, carreteras, rampas de salida, calles, entradas, aparcamientos, pistas de aeropuerto o pistas de rodaje de aeropuerto utilizando procedimientos convencionales.
Inesperadamente se ha descubierto que el uso del copolímero de bloque funcionalizado puede aliviar algunos de los inconvenientes que están asociados con el uso del agregado silíceo en la preparación del hormigón asfáltico. En particular, la pavimentación resultante sorprendentemente está caracterizada por un menor agrietamiento y desmenuzado que los pavimentos similares que emplean un agregado silíceo y un copolímero de bloque no funcionalizado y copolímeros de bloque no funcionalizados. Se cree que el agregado silíceo interacciona sinérgicamente con el copolímero de bloque funcionalizado para proporcionar estos resultados ventajosos. Estas ventajas pueden resultar ser significativas en lo que respecta a que muchas fuentes del agregado silíceo pueden encontrarse por todo el mundo y el uso del agregado silíceo puede resultar ser tecnológicamente útil.
El copolímero de bloque funcionalizado incluye al menos un bloque de dieno, al menos un bloque aromático de vinilo y al menos un grupo funcional terminal. El grupo funcional puede cargarse en la cabeza o cola del copolímero de bloque y puede unirse a cualquiera del bloque de dieno o el bloque aromático de vinilo. En una realización, el copolímero de bloque funcionalizado, incluye dos grupos funcionales terminales en extremos opuestos del copolímero. Aunque el copolímero de bloque puede incluir diversas arquitecturas moleculares incluyendo tribloques, los copolímeros de bloque funcionalizados preferidos incluyen dibloques que incluyen un bloque elastomérico y un bloque termoplástico.
En una realización, el copolímero de bloque funcionalizado puede definirse por la fórmula I
\alpha-\pi-\theta-\omega
donde \alpha es una átomo de hidrógeno o un grupo funcionalizado, \pi es un bloque de dieno, \theta es un bloque aromático de vinilo y \omega es un átomo de hidrógeno o un grupo funcional, con la condición de que al menos uno de \alpha u \omega sea un grupo funcional.
El bloque aromático de vinilo preferiblemente incluye unidades aromáticas de vinilo derivadas del monómero aromático de vinilo. Los aromáticos de vinilo útiles incluyen aquellos que tienen de 8 a aproximadamente 20 átomos de carbono tales como estireno, \alpha-metilestireno, p-metilestireno, vinil antraceno y vinil naftaleno; el estireno es el aromático de vinilo preferido. El bloque de dieno preferiblemente incluye unidades de dieno derivadas de dienos conjugados. Los dienos conjugados adecuados incluyen aquellos que tienen de aproximadamente 4 a aproximadamente 12 átomos de carbono tales como 1,3-butadieno, 1,3-ciclohexadieno, isopreno, 1,3-pentadieno, 1,3-hexadieno, 2,3-dimetil-1,3-butadieno, 2-etil-1,3-butadieno, 2-metil-1,3-pentadieno, 3-metil-1,3-pentadieno, 4-metil-1,3-pentadieno y 2,4-hexadieno; el 1,3-butadieno es el dieno conjugado preferido. El copolímero de bloque puede incluir una sección ahusada que incluye tanto unidades estireno como butadieno. En las realizaciones preferidas, la sección ahusada se minimiza; en otras palabras, el copolímero de bloque incluye menos del 5% en peso, más preferiblemente menos del 3% en peso y aún más preferiblemente menos del 1% en peso de una sección ahusada. En una realización, el copolímero de bloque carece de una sección ahusada.
El copolímero de bloque funcionalizado generalmente se caracteriza por tener un peso molecular promedio en peso de al menos 50 kg/mol, preferiblemente al menos aproximadamente 75 kg/mol, más preferiblemente al menos aproximadamente 100 kg/mol y aún más preferiblemente al menos aproximadamente 125 kg/mol; también, el copolímero de bloque tiene un peso molecular promedio en peso que es de 500 kg/mol o menor, preferiblemente 250 kg/mol o menor, más preferiblemente 200 kg/mol o menor y más preferiblemente 150 kg/mol o menor, como se determina por análisis GPC usando patrones de poliestireno.
El copolímero de bloque se caracteriza también generalmente por tener una distribución de peso molecular que es menor de aproximadamente 2, preferiblemente menor de aproximadamente 1,5, más preferiblemente menor de aproximadamente 1,2 y aún más preferiblemente menor de aproximadamente 1,05.
El copolímero de bloque de vinilo, en una realización, incluye más del 5% en peso y, en una realización, más del 10% en peso y, en una realización, más del 20% en peso y, en otra realización, más del 23% en peso de unidades aromáticas de vinilo; también el copolímero de bloque en una realización incluye menos del 45% en peso y en otra realización menos del 35% en peso y, en otra realización, menos del 30% en peso y, en otra realización, menos del 27% en peso de unidades aromáticas de vinilo. El resto del copolímero preferiblemente incluye en bloque de dieno.
El bloque de dieno incluye un contenido de vinilo (es decir, una microestructura 1,2) que es al menos el 15% en peso y, en otra realización, al menos el 20% en peso y, en otra realización más, al menos el 23% en peso y, en otra realización, al menos el 25% en peso y, en otra realización más, al menos el 27% en peso basado en el peso total del copolímero de bloque funcionalizado. También este bloque de dieno se caracteriza por un contenido de vinilo que en una realización incluye un 34% en peso o menos y, en otra realización, un 33% en peso o menos y, en otra realización, un 32% en peso o menos y, en otra realización más, un 31% en peso o menos basado en el peso total del bloque de dieno.
El copolímero de bloque se caracteriza también generalmente por tener un contenido de gel menor de aproximadamente el 1,5% en peso, preferiblemente menor de aproximadamente el 1,2% en peso, más preferiblemente menor del 1,0% en peso y aún más preferiblemente menor de aproximadamente el 0,7% en peso según se determina por la cantidad de material insoluble cuando una muestra se disuelve el tolueno a temperatura ambiente.
En una o más realizaciones, el grupo funcional \alpha u \omega incluye aquellos grupos o sustituyentes que reaccionan o interaccionan con el agregado silíceo. En una realización, estos grupos o sustituyentes se caracterizan por la capacidad para unirse químicamente con el agregado silíceo. Los grupos funcionales preferidos incluyen grupos funcionales que contienen silicio. Por consiguiente, un copolímero de bloque funcionalizado preferido puede definirse por la fórmula II
[Copolímero de Bloque]-Si(R^{1})_{3}
donde cada R^{1} se selecciona individualmente entre hidrocarbilo, hidrocarbilo sustituido o grupos alcoxi. Preferiblemente, el menos un R^{1} es un grupo alcoxi. En las realizaciones preferidas, el grupo funcional \alpha u \omega incluye un grupo sililo que está unido al bloque elastomérico que es preferiblemente un bloque de polibutadieno.
El grupo hidrocarbilo o hidrocarbilo sustituido incluye, aunque sin limitación, grupos alquilo, cicloalquilo, cicloalquilo sustituido, alquenilo, cicloalquenilo, cicloalquinilo sustituido, arilo, alilo, arilo sustituido, aralquilo, alcarilo y alquinilo, conteniendo preferiblemente cada grupo de 1 átomo de carbono, o el número mínimo apropiado de átomos de carbono para formar el grupo, hasta 20 átomos de carbono. Estos grupos hidrocarbilo pueden contener heteroátomos tales como, aunque sin limitación, átomos de nitrógeno, boro, oxígeno, silicio, azufre y fósforo.
Los grupos alcoxi pueden definirse por la fórmula OR, donde R es un grupo orgánico monovalente que es preferiblemente un grupo hidrocarbilo o hidrocarbilo sustituido.
Los grupos que contienen silicio ejemplares incluyen grupos trimetoxisililo, trietoxisililo, tripropoxisililo, tri t-butoxisililo, dimetoximetilsililo, dietoxi etilsililo, dipropoxipropilsililo, tri t-butoxibutilsililo y trifenoxisililo; el grupo funcional preferido incluye grupos trietoxisililo.
Los copolímeros de bloque elastoméricos funcionalizados se preparan preferiblemente empleando las técnicas de polimerización en vivo aniónicas que se han descrito anteriormente. El grupo funcional puede unirse a la cabeza del copolímero usando un iniciador funcionalizado, a la cola del copolímero usando un agente de terminación funcionalizado o tanto a la cabeza como a la cola del copolímero usando tanto un iniciador funcional como un agente de terminación funcionalizado. El grupo funcional se une preferiblemente a la cola o extremo terminal del polímero vivo empleando un agente de terminación funcionalizado. El agente de terminación se añade preferiblemente después de que se haya conseguido el pico de temperatura de polimerización para la segunda carga de monómero (es decir, la carga que da lugar al segundo bloque). En las realizaciones preferidas, el agente de terminación se añade al medio de polimerización en 30 minutos, más preferiblemente en 15 minutos y aún más preferiblemente en 7,5 minutos de la temperatura de polimerización del pico desde la segunda carga de monómero.
Los agentes de terminación útiles incluyen, aunque sin limitación, aquellos representados por la fórmula
(R^{1})_{4-z}Si(OR^{2})_{z}
donde R^{1} es independientemente un halógeno o un grupo hidrocarbilo o hidrocarbilo sustituido, cada R^{2} es independientemente un grupo hidrocarbilo o hidrocarbilo sustituido y z es un número entero de 1 a 4. Los ejemplos adecuados de agentes de terminación de siloxano incluyen tetraalcoxisilanos, alquilalcoxisilanos, arilalcoxisilanos, alquenilalcoxisilanos y haloalcoxisilanos.
Los ejemplos de compuestos de tetraalcoxisilano incluyen ortosilicato de tetrametilo, ortosilicato de tetraetilo, ortosilicato de tetrapropilo, ortosilicato de tetrabutilo, ortosilicato de tetra(2-etilhexilo), ortosilicato de tetrafenilo, tetratoluiloxisilano.
Los ejemplos de compuestos de alquilalcoxisilano incluyen metiltrimetoxisilano, metiltrietoxisilano, metiltri-n-propoxisilano, metiltri-n-butoarilsilano, metiltrifenoxisilano, etiltrimetoxisilano, etiltrietoxisilano, etiltri-n-propoxisilano, etiltri-n-butoxisilano, etiltrifenoxisilano, dimetildimetoxisilano, dimetildietoxisilano, dimetildi-n-propoxisilano, dimetildi-n-butoxisilano, dimetildifenosixilano, dietildimetosixilano, difenildimetoxisilano, 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPMOS), \gamma-metacriloxi propil trimetoxisilano.
Los ejemplos de compuestos de arilalcoxisilano incluyen feniltrimetoxisilano, feniltrietoxisilano, feniltri-n-propoxisilano, feniltri-n-butoxisilano, feniltrifenoxisilano y similares.
Los ejemplos de alquenilalcoxisilano incluyen viniltrimetoxisilano, viniltrietoxisilano, viniltri-n-propoxisilano, viniltri-n-butoxisilano, viniltrifenoxisilano, aliltrimetoxisilano, octeniltrimetoxisilano, divinildimetoxisilano.
Los ejemplos de compuestos de haloalcoxisilano incluyen trimetoxiclorosilano, trietoxiclorosilano, ti-n-propoxiclorosilano, tri-n-butoxiclorosilano, trifenoxiclorosilano, dimetoxidiclorosilano, dietoxidiclorosilano, di-n-propoxidiclorosilano, difenoxidiclorosilano, metoxitriclorosilano, etoxitriclorosilano, n-propoxitriclorosilano, fenoxitriclorosilano, trimetoxibromosilano, trietoxibromosilano, tri-n-propoxibromosilano, trifenoxibromosilano, dimetoxidibromosilano, dietoxidibromosilano, di-n-propoxidibromosilano, difenoxidibromosilano, metoxitribromosilano, etoxitribromosilano, n-propoxitribromosilano, fenoxitribromosilano, trimetoxiyodosilano, trietoxiyodosilano, tri-n-propoxiyodosilano, trifenoxiyodosilano, dimetoxidiyodosilano, di-n-propoxidiyodosilano, difenoxidiyodosilano, metoxitriyodosilano, etoxitriyodosilano, n-propoxitriyodosilano, fenoxitriyodosilano.
Otros silanos útiles incluyen bis-(trimetoxisilano)-éter, 3-mercaptopropiltrietoxisilano, 3-mercaptopropiltrimetoxisilano, 3,3'-bis (trietoxisililpropil)disulfuro, Si-69 (bis-(3-trietoxisililpropil) tetrasulfuro).
Los agentes de terminación de hidroalcoxi silano preferidos incluyen ortosilicato de tetraetilo.
En una realización, el agregado de silicio se caracteriza generalmente por incluir al menos el 30% en peso, en otra realización al menos el 40% en peso, en otra realización más al menos el 50% en peso, en otra realización más al menos el 60% en peso, en otra realización más al menos el 70% en peso, en otra realización más al menos el 80% en peso y en otra realización más al menos el 90% en peso de sílice (dióxido de sílice). Los agregados silíceos ejemplares incluyen arenisca, granito, cuarcita, sílex y diatomita.
Aparte del uso del copolímero de bloque funcionalizado y del agregado silíceo, los hormigones asfálticos de esta realización pueden prepararse de una manera convencional. Por consiguiente, en una realización, en copolímero de bloque funcionalizado se añade a un asfalto para preparar una composición de asfalto modificada. Puede emplearse prácticamente cualquier tipo de asfalto en la preparación del asfalto modificado de esta realización. El asfalto se ha descrito de forma genérica anteriormente; el asfalto se describe también de forma genérica en las patentes de Estados Unidos Nº 4.145.322, 5.955.37 y 5.986.010 y en la Publicación de Estados Unidos Nº 2003/0191212 A1.
Este asfalto modificado, que incluye el copolímero de bloque funcionalizado, se combina entonces con el agregado silíceo para formar el hormigón asfáltico de esta realización. Como es habitual en la técnica, el asfalto modificado y/o el hormigón asfáltico pueden incluir otros aditivos que se utilizan convencionalmente en la técnica incluyendo, aunque sin limitación, agentes de curado.
Los métodos empleados para preparar el asfalto modificado o el hormigón asfáltico incluyen aquellos procedimientos que son convencionales en la técnica y, por lo tanto, puede contarse con la descripción anterior con respecto a la primera realización para una descripción de estas técnicas.
La cantidad de copolímero de bloque funcionalizado empleado puede variar. En una realización, y con referencia a la preparación de una composición de asfalto modificada, el asfalto modificado puede incluir al menos aproximadamente el 0,001% en peso, más preferiblemente al menos aproximadamente el 1,0% en peso, y aún más preferiblemente al menos aproximadamente el 3,0% en peso del copolímero de bloque funcionalizado basado en el peso total de la composición de asfalto modificado; por otro lado, la composición de asfalto modificado preferiblemente incluye menos de aproximadamente el 10% en peso, más preferiblemente menos de aproximadamente el 8% en peso, y aún más preferiblemente menos de aproximadamente el 6% en peso del copolímero de bloque funcionalizado basado en el peso total del asfalto modificado.
La cantidad de copolímero de bloque funcionalizado puede describirse también con referencia al hormigón asfáltico. En una realización, el hormigón asfáltico incluye preferiblemente al menos aproximadamente el 0,001% en peso, más preferiblemente al menos aproximadamente el 1,0% en peso y aún más preferiblemente al menos aproximadamente el 3,0% en peso de copolímero de bloque funcionalizado basado en el peso total del hormigón asfáltico; por otro lado, el hormigón asfáltico preferiblemente incluye menos de aproximadamente el 10% en peso, más preferiblemente menos de aproximadamente el 8% en peso y aún más preferiblemente menos de aproximadamente el 6% en peso del copolímero de bloque funcionalizado basado en el peso total del hormigón asfáltico.
El hormigón asfáltico preferiblemente incluye al menos aproximadamente el 57% en peso, más preferiblemente al menos aproximadamente el 75% en peso y aún más preferiblemente al menos aproximadamente el 90% en peso del agregado silíceo basado en el peso total del hormigón asfáltico; y por otro lado, el hormigón asfáltico preferiblemente incluye al menos aproximadamente el 99% en peso, más preferiblemente menos de aproximadamente el 95% en peso y aún más preferiblemente al menos aproximadamente el 93% en peso del agregado silíceo basado en el peso total del hormigón asfáltico.
La práctica de esta realización no altera de forma general la cantidad de otros ingredientes que se emplean en la preparación del asfalto modificado o el hormigón asfáltico. Por ejemplo, el hormigón asfáltico puede incluir cantidades convencionales de asfalto, que se conocen en la técnica y que se han descrito de forma general en lo anterior con respecto a la primera realización. El hormigón asfáltico puede incluir otros agregados que se conocen en la técnica incluyendo los descritos en la presente memoria.

Claims (19)

1. Una composición de asfalto modificado que comprende:
un asfalto nafténico; y
un copolímero de bloque que incluye un bloque que comprende unidades de dieno caracterizado por tener un contenido de vinilo de al menos el 15% en peso.
2. La composición de la reivindicación 1, donde el copolímero de bloque comprende un copolímero dibloque que comprende un bloque que incluye unidades aromáticas de vinilo y un bloque que comprende las unidades de dieno caracterizada porque tiene un contenido de vinilo de al menos el 15% en peso.
3. La composición de la reivindicación 2, donde el copolímero de bloque está sustancialmente desprovisto de una sección ahusada.
4. La composición de la reivindicación 1, en la que el copolímero de bloque comprende adicionalmente un agente de curado.
5. El copolímero de bloque de la reivindicación 4, donde dicho agente de curado comprende uno de los miembros del grupo que consiste en azufre, ZnO y ácido esteárico o mezclas de los mismos.
6. Un hormigón asfáltico que comprende:
un asfalto;
un copolímero de bloque funcionalizado; y
un agregado silíceo.
7. El hormigón asfáltico de la reivindicación 6, donde el copolímero de bloque funcionalizado incluye al menos un bloque de dieno, al menos un bloque aromático de vinilo y al menos un grupo funcional terminal.
8. El hormigón asfáltico de las reivindicaciones 6 ó 7, donde el copolímero de bloque funcionalizado se define por la fórmula
\alpha-\pi-\theta-\omega
donde \alpha comprende un átomo de hidrógeno o un grupo funcionalizado, \pi comprende un bloque de dieno, \theta comprende un bloque aromático de vinilo y \omega comprende un átomo de hidrógeno o un grupo funcional, donde al menos uno de \alpha u \omega comprende un grupo funcional.
9. El hormigón asfáltico de la reivindicación 8, donde al menos un grupo funcional comprende un grupo que contiene silicio.
10. Un copolímero dibloque que comprende:
un bloque de vinilo que comprende unidades aromáticas de vinilo conjugadas;
un bloque de dieno que comprende unidades de dieno conjugadas y que está sustancialmente desprovisto de una sección de bloque ahusada entre el bloque de vinilo y el bloque de dieno, donde el copolímero dibloque comprende un contenido de vinilo de al menos el 2% y un peso molecular de al menos 50.000.
11. El copolímero dibloque de la reivindicación 10, donde el copolímero dibloque comprende una distribución del peso molecular de menos de 1,2.
12. Un método para preparar un copolímero dibloque que comprende:
polimerizar aniónicamente una primera carga o monómero de dieno con un iniciador funcionalizado en presencia de un modificador de vinilo formando de esta manera un polímero que tiene un contenido de vinilo y con lo que dicha polimerización comprende el consumo de prácticamente todo dicho monómero de dieno; y
polimerizar una segunda carga de monómero aromático de vinilo en presencia de dicho polímero formando un copolímero dibloque que comprende un bloque de dieno y un bloque de vinilo, con lo que dicho copolímero dibloque comprende un contenido de vinilo de al menos el 20% y un peso molecular de al menos 50.000.
\newpage
13. El método de la reivindicación 12, donde el consumo de dicho monómero de dieno comprende al menos el 90% del primer monómero polimerizado.
14. El método de la reivindicación 12, que comprende adicionalmente funcionalizar el copolímero con un grupo funcional que contiene sílice de fórmula
Si(R^{1})_{3}
donde cada R^{1} comprende uno del grupo que consiste en hidrocarbilo, hidrocarbilo sustituido y grupos alcoxi.
15. La composición de la reivindicación 1, en la que el bloque que comprende unidades de dieno se caracteriza por tener un contenido de vinilo de al menos el 20% en peso.
16. La composición de la reivindicación 1, en la que el bloque que comprende unidades de dieno se caracteriza por tener un contenido de vinilo de al menos el 23% en peso.
17. La composición de la reivindicación 1, en la que el bloque que comprende unidades de dieno se caracteriza por tener un contenido de vinilo de al menos el 25% en peso.
18. La composición de la reivindicación 1, en la que el bloque que comprende unidades de dieno se caracteriza por tener un contenido de vinilo de al menos el 27% en peso.
19. La composición de la reivindicación 1, en la que el bloque que comprende unidades de dieno se caracteriza por tener un contenido de vinilo de al menos el 27% en peso y menos del 34% en peso.
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