ES2895323T3 - Procedimiento de preparación de una mezcla de betún-polímero - Google Patents

Abstract

Procedimiento para preparar una mezcla que contiene betún y al menos un polímero, en el que el betún y al menos un polímero se mezclan por extrusión y en el que la mezcla obtenida por extrusión es una mezcla madre con una elevada tasa de polímero destinado a ser diluido en un betún para fabricar un aglutinante bituminoso, caracterizado por que el polímero es un copolímero tribloque de estireno-butadieno-estireno (SBS) cuya tasa másica en la mezcla madre está entre el 20 y el 40 %, y por que la temperatura de la mezcla se ajusta a diferentes valores a lo largo de la cavidad de extrusión entre una zona de introducción de constituyentes y un orificio de salida.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de preparación de una mezcla de betún-polímero

La invención se refiere a un procedimiento de preparación de una mezcla que contiene betún y al menos un polímero. Los betunes puros que salen de la refinería se utilizan comúnmente para fabricar aglutinantes anhidros o en emulsión para aplicaciones en carretera. Para reducir la sensibilidad térmica de estos betunes, aumentar su cohesión o elasticidad y, en consecuencia, mejorar el comportamiento del aglutinante en condiciones de alta tensión, también es común el uso de polímeros dispersos en el betún.

Esta incorporación se lleva a cabo generalmente en fábricas dedicadas que comprenden tanques agitados, calentados, conectados a sistemas de alimentación de betún, de polímero y aditivos, así como a tanques de almacenamiento donde se puede agitar el aglutinante, contribuyendo, si es necesario, a su maduración.

Dependiendo de la tasa de modificación deseada, se pueden utilizar o no sistemas de reticulación o de dispersión. Por otra parte, la duración requerida para la dispersión puede variar mucho, afectando considerablemente a las velocidades de producción, así como a los costes. El uso de ciertos aditivos puede tener un impacto medioambiental significativo. Todas estas limitaciones implican inversiones, a veces pesadas, para cada sitio de producción.

El calentamiento de tanques de mezclado que a veces pueden contener más de 50 m3 requiere cantidades importantes de energía que también se repiten en cada fábrica.

La evolución permanente de las necesidades, la proximidad de áreas que requieren grandes cantidades de aglutinantes, así como la racionalización de herramientas industriales, requieren la ampliación de las capacidades de producción así como una mayor flexibilidad de estos emplazamientos industriales. Además del sobrecoste de inversión correspondiente a estas nuevas necesidades, la necesidad de calentar y de agitar volúmenes superiores o de aumentar el número de lotes por día tiene un fuerte impacto medioambiental, tanto en términos de consumo de energía como de emisiones atmosféricas.

Para limitar estos costes adicionales e impactos medioambientales, una solución consiste en hacer premezclas llamadas mezclas madres. Estas mezclas se utilizan comúnmente para la fabricación de aglutinantes para revestimientos de superficies. En este caso, el uso de productos disolventes bituminosos llamados fluxantes o fluidificantes permite la predisolución del polímero en gran cantidad a temperaturas compatibles con el punto de inflamación de estos fluxantes, así como el posterior bombeo del aglutinante. Los polímeros más utilizados en los betunes son los copolímeros de estireno y de butadieno, sean estadísticos, bisecuenciados o trisecuenciados. Los copolímeros de etileno y de acetato de vinilo también son de uso común. Otros polímeros se utilizan marginalmente. Después de la dispersión de la mezcla madre en el betún, el aglutinante obtenido tiene características muy similares a las de un aglutinante equivalente obtenido de forma convencional, es decir, mediante sucesivas adiciones de polímero y luego de fluxante en el betún.

En el caso de aglutinantes de aglomerado, la situación es más delicada. En efecto, estos aglutinantes no incluyen ningún fluxante, una premezcla con tecnologías convencionales que incorporan una elevada tasa de polímeros plantea un problema de viscosidad y, en consecuencia, requiere una duración de fabricación larga.

Con las tecnologías convencionales, contenidos superiores al 20 % son prácticamente impensables.

El documento FR 2619821 A describe la incorporación de partículas de caucho en aglutinantes y/o mezclas bituminosas. El documento BE 1002 939 divulga un procedimiento para la preparación por extrusión de composiciones de betún modificado y composiciones de betún-polímero utilizadas en este procedimiento.

La baja compatibilidad de estas partículas con el betún suele requerir el uso de aditivos adicionales destinados a mejorar esta compatibilidad, cuya incorporación prolonga la duración de fabricación.

Finalmente, se pueden añadir de forma útil otros polímeros como polietilenos, polipropilenos y otras poliolefinas a la mezcla bituminosa para mejorar la resistencia a la formación de roderas o a los hidrocarburos. Estos polímeros no son miscibles con betún y, por lo tanto, se agregan directamente a la mezcla durante el mezclado en la planta de aglomerado. Los estudios llevados a cabo por el solicitante han demostrado que un parámetro esencial en la preparación de mezclas de aglutinante-polímero es la granulometría del polímero. Cuanto más finamente se disperse, menor será la duración de agitación. No obstante, el acondicionamiento de polímeros en forma de polvo tiene un coste mayor cuanto menor es el tamaño de este último. El interés de la optimización de las duraciones de mezclado mediante el ajuste de este parámetro es, por lo tanto, económicamente limitado.

El solicitante también ha intentado mezclar el polímero en forma líquida con el betún. Los tiempos de mezclado son entonces muy cortos, siendo la mezcla casi instantánea. Por el contrario, la energía requerida para ablandar el polímero es muy alta y el tiempo requerido es largo. Globalmente, el interés es limitado, excepto por incorporar una gran cantidad de polímero con viscosidades suficientemente bajas para que la mezcla con el betún sea instantánea. El objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento para incorporar polímeros en aglutinantes bituminosos evitando los inconvenientes de los procedimientos conocidos.

La invención se refiere en particular a un procedimiento de preparación de una mezcla que contiene betún y al menos un polímero, en el que el betún y al menos un polímero se mezclan por extrusión, como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Por extrusión, se entiende cualquier tratamiento que permita el cizallamiento de una masa pastosa y su transporte a través de un orificio adecuado para obtener un perfilado. En el procedimiento según la invención, la agitación asegura la homogeneización de la mezcla de betún y del polímero introducidos por separado en la extrusora. Estas operaciones pueden realizarse mediante uno o más tornillos del tipo tornillo de Arquímedes.

En el caso de una extrusora con al menos dos tornillos, estos pueden girar en la misma dirección o en la dirección opuesta. En todo caso, los experimentos han demostrado que la mezcla se lleva a cabo en unas pocas decenas de segundos. Aunque no es necesario un perfil de tornillo en particular, el experto en la materia podrá determinar los perfiles apropiados con el fin de optimizar las velocidades así como la eficiencia del mezclado.

A menos que se indique lo contrario, todos los porcentajes dados aquí son en peso.

Características opcionales de la invención, complementarias o de sustitución, se detallan a continuación:

- El betún en estado líquido y al menos un polímero en estado fundido se mezclan por extrusión.

- El polímero se elige entre un plastómero, un elastómero, una resina termoendurecible y mezclas de los mismos. - El polímero es un plastómero elegido entre los polietilenos, polipropilenos y otras poliolefinas, los poliestirenos y cualquier copolímero obtenido por reacción de cualquier monómero con una poliolefina y/o con estireno.

- El elastómero es un elastómero natural o sintético elegido preferiblemente entre copolímeros que comprenden unidades de estireno, butadieno o cualquier otro dieno, acrilonitrilo, isopreno, cloropreno, acrilatos, metacrilatos, etileno, propileno, isobuteno.

- El elastómero se presenta en forma de partículas de caucho resultantes de la trituración de cauchos nuevos o usados. - La mezcla contiene un estabilizador del polímero.

- El estabilizador comprende al menos azufre y/o un donador de azufre y/o un activador de vulcanización y/o un acelerador de vulcanización o al menos un peróxido o al menos una sal metálica.

- La tasa de estabilizador está entre el 1 y el 20 % con respecto al polímero, preferiblemente entre el 3 y el 10 %. - La temperatura de la mezcla se puede ajustar a diferentes valores a lo largo de la cavidad de extrusión entre una zona de introducción de constituyentes y un orificio de salida, y es, por ejemplo, máxima en la zona de introducción y mínima en las proximidades del orificio de salida.

- La mezcla obtenida por extrusión es una mezcla madre con una alta tasa de polímero destinado a ser diluido en un betún para fabricar un aglutinante bituminoso.

- La tasa de polímero en la mezcla madre está entre el 10 y el 90 %, preferiblemente entre el 20 y el 60 %.

El objeto de la invención es también una mezcla madre obtenida por el procedimiento reivindicado para aplicación en carretera, así como el uso de dicha mezcla madre para la fabricación por dilución de un aglutinante bituminoso anhidro o en emulsión, fluxado o no.

Según características ventajosas:

- La relación entre la mezcla madre y el aglutinante final está entre el 5 y el 80 %, preferiblemente entre el 10 y el 40 %. - La mezcla madre caliente se diluye directamente después de la extrusión.

- La mezcla madre se enfría y, opcionalmente, se granula antes de la dilución.

- El aglutinante se pone en contacto con fragmentos minerales sólidos después de la dilución.

- La mezcla madre y el betún de dilución se ponen en contacto simultáneamente con fragmentos minerales sólidos. Una ventaja de utilizar una extrusora es la posibilidad de hacer variar la temperatura de trabajo a lo largo del manguito en el que gira el tornillo. Se ha descubierto que es preferible una temperatura superior a 160 °C, en el caso de un copolímero tribloque de estireno-butadieno-estireno (SBS), en las zonas de alimentación y de mezclado para asegurar su ablandamiento. En áreas de transferencia y al nivel de la línea, es útil reducir la temperatura para favorecer el enfriamiento.

Según la invención, la mezcla madre se puede utilizar caliente, directamente después de la extrusión, o en frío después del enfriamiento y posible granulación. El uso en caliente es interesante en el caso de que la mezcla madre se diluya inmediatamente en un proceso continuo o discontinuo. En el caso de almacenamiento antes de la dilución, tanto el enfriamiento como el granulado permiten evitar el consumo energético asociado al mantenimiento de la temperatura así como la inversión en una bomba de capacidad muy grande para suministrar al mezclador final una premezcla muy viscosa.

Dependiendo del tipo y la cantidad de polímero, los gránulos de la mezcla madre pueden ser más o menos adherentes. Para evitar su aglomeración, se puede retener la utilización de un agente antiadherente. Este último se podrá elegir entre cargas minerales (sílices, talco...), sustancias grasas (ácido graso, estearatos u otras sales...) o polímeros (siliconas, polímeros organofluorados, polietileno...).

Los agentes antiadherentes se pueden agregar directamente a la extrusora. Preferiblemente, sin embargo, se aplicarán a la superficie del perfil durante el enfriamiento en la salida de la extrusora. Para hacer esto, en particular, se elegirán sustancias capaces de disolverse o suspenderse en agua.

Los perfiles serán, según el caso, muy elásticos, blandos o duros. El granulador se elegirá en consecuencia.

Los ensayos realizados han demostrado que, asombrosamente, el tamaño de los gránulos tuvo poco efecto sobre la velocidad de fabricación del aglutinante final por dilución. Esta es una gran diferencia con la incorporación de polvo según el estado de la técnica, debiendo ser este polvo lo más fino posible.

Igualmente sorprendente es la considerable reducción del tiempo de dilución necesario para obtener un aglutinante comercial, especialmente para los productos más ricos en polímeros que requieren los tiempos de mezcla más prolongados, para los cuales se observó un factor de cuatro. De este modo, en el caso de un betún 70/100 con un 5 % de SBS, el tiempo necesario para obtener una dispersión homogénea pasa de 70 minutos a al menos 5 a 20 minutos, según el modo operatorio.

El aspecto del aglutinante también es mucho más suave y brillante. Se evita el aspecto de "piel de naranja" que se obtiene con los procedimientos convencionales.

Las características y ventajas de la invención se exponen con más detalle en la descripción siguiente, con referencia a los dibujos adjuntos.

Las figuras 1 a 3 son gráficos que representan la variación de la viscosidad de diferentes aglutinantes bituminosos en función del tiempo de mezclado.

Los ejemplos que siguen muestran que los aglutinantes obtenidos según la invención no solo tienen características físicas al menos equivalentes a las de los aglutinantes conocidos, sino que también una estabilidad de almacenamiento mejorada. Esto hace posible la premezcla incluso con polímeros que a priori son incompatibles con el betún. El enfriamiento de la mezcla madre, que ralentiza la separación de fases, mejora aún más esta propiedad.

La dilución puede preceder inmediatamente al uso del aglutinante, simplificando la fabricación de la mezcla bituminosa. Esta se puede simplificar aún más agregando la mezcla madre directamente a la planta de aglomerado al mismo tiempo que el betún utilizado para ajustar el contenido final de betún.

Se observa, el procedimiento permite reducir considerablemente los tiempos de fabricación de los aglutinantes bituminosos.

Realizada en extrusoras que trabajan en volúmenes mucho más pequeños que los reactores convencionales, la fabricación de la mezcla madre requiere poca energía. El calentamiento del material provocado por los importantes cizallamientos que se producen dentro de la extrusora también contribuye a la reducción de la energía necesaria para el proceso.

Asombrosamente, los ensayos realizados han demostrado que el tiempo necesario para obtener una mezcla homogénea varía poco con el contenido de polímero en la mezcla madre (véase el ejemplo 3).

Por tanto, la ganancia de energía será mayor cuanto mayor sea el contenido de polímero.

La ganancia tanto de energía como de velocidad de producción es aún más marcada en el caso de la incorporación de partículas de caucho.

En este caso, es posible incorporar en el momento de la extrusión los aditivos previstos en el documento FR 2619 821 A para facilitar la dispersión. La fabricación del aglutinante final requiere aproximadamente 1 minuto de extrusión y 30 minutos de dilución, contra 3 horas según el procedimiento del documento anterior.

Finalmente, los rendimientos de los aglutinantes que contienen polímeros elastoméricos de dieno se pueden optimizar mediante la utilización de un sistema denominado de "vulcanización" que permite estabilizar la dispersión y disminuir las cantidades de polímero necesarias para la obtención de las características deseadas de estos aglutinantes. El documento FR 2 617 491 A describe un procedimiento en el que el contenido de vulcanización es de aproximadamente el 20 % con respecto al polímero.

La adición de tales cantidades en la extrusora puede conducir a una vulcanización excesiva que da como resultado un apelmazamiento. Por tanto, en la presente invención se prefiere un contenido menor o igual al 5 %, (véase el ejemplo 4). Esto da como resultado una ganancia medioambiental ya que los sistemas de vulcanización contienen compuestos de azufre capaces de producir H2S durante la reacción. Se reducen así las emisiones. Además, la instalación de una aspiración encima de la extrusora permite de forma sencilla evitar cualquier emisión al medio ambiente.

La dilución de las mezclas maestras vulcanizadas se lleva a cabo en las mismas condiciones que las de las mezclas maestras no vulcanizadas. Las características del aglutinante obtenido con estos contenidos de vulcanización reducidos son idénticas a las obtenidas por el procedimiento descrito en el documento FR 2617491 A.

Los ejemplos siguientes utilizan un betún 70/100 y un SBS lineal comercializado por la sociedad Kraton con el nombre 1101 CM.

Con el fin de evaluar el tiempo de mezclado necesario para obtener los aglutinantes estudiados, las medidas de la viscosidad dinámica en función del tiempo se llevaron a cabo a 150 °C utilizando un dispositivo del tipo Brookfield cap 1000 equipado con un cono plano de tamaño 3.

Ejemplo 1

Se prepararon dos aglutinantes con SBS al 5 %, uno mezclando directamente SBS en polvo (diámetro medio 1 mm) y betún (control), el otro por las siguientes etapas (invención):

- mezcla en una extrusora de un solo tornillo, en 20 a 40 segundos, del 30 % de SBS y 70 % de betún, siendo la temperatura de 180 °C en toda la extrusora;

- dilución de la mezcla madre obtenida, mantenida a 160 °C, a razón del 16,7 % en el betún.

Los resultados de las mediciones de viscosidad se muestran en la figura 1, el símbolo ■ correspondiente a la invención y el símbolo ♦ al control.

Las oscilaciones observadas en la curva de control son el resultado de una heterogeneidad de la dispersión del polímero que demuestra que este último no está completamente disperso. Luego hay una meseta de viscosidad que muestra que la dispersión es uniforme. El tiempo necesario para alcanzar esta meseta se utiliza como tiempo de dispersión.

En el caso de la dispersión en caliente de la mezcla madre, se observa que después de 5 minutos de dispersión ya se ha alcanzado la meseta, mientras que con el procedimiento convencional se requieren 70 minutos.

Ejemplo 2

Después de la extrusión, se dejó reposar una mezcla madre de SBS al 40 % hasta que alcanzó la temperatura ambiente, luego se granuló manualmente hasta un tamaño de gránulo entre 0,5 y 3 mm. Los gránulos se dispersaron en una cantidad del 12,5 % en el betún. La adición de los gránulos fríos al betún a 170 °C se llevó a cabo de una vez en 10 segundos.

La evolución de la viscosidad se muestra en la Figura 2 (símbolo ■), en comparación con la curva de control en la figura 1.

Si la dispersión de los gránulos se produce más lentamente que la de la mezcla madre caliente, el ahorro de tiempo sigue siendo significativo, ya que 20 minutos son suficientes en lugar de los 70 minutos del control.

Ejemplo 3

Se produjeron dos mezclas madres que contenían respectivamente 30 y 40 % de SBS, enfriadas a temperatura ambiente, luego granuladas para obtener gránulos con un tamaño de entre 0,5 y 3 mm. Estas mezclas madre se diluyeron con betún a 170 °C para obtener un contenido final de polímero del 5 %.

La evolución de la viscosidad se muestra en la figura 3 (■ = 30 %, ♦ = 40 %).

Asombrosamente, parece que el contenido de SBS de la mezcla madre tiene muy poca influencia sobre la velocidad de dispersión en el betún.

Se compararon las características de uso de los aglutinantes obtenidos con las del aglutinante control. No se pudo medir ninguna diferencia significativa. Sin embargo, se observó una mejor estabilidad al almacenamiento.

Ejemplo 4

Como ya se describió, una solución técnica interesante para la optimización de las cantidades y el rendimiento de los polímeros de dieno en el betún es el uso de los denominados sistemas de vulcanización, mezclas complejas de azufre, de donante de azufre, de acelerador de vulcanización y de activador de vulcanización.

Se mezcló betún en una extrusora de tornillo doble con 20 % de SBS y 3 % de una composición de vulcanización de acuerdo con el documento FR 2619 821 A, o una relación de composición de vulcanización/polímero igual al 15 % como se usa en una fabricación convencional. La formación de un gel que tapona la extrusora fue inmediata. Por tanto, los ensayos se llevaron a cabo utilizando 2/3 y 1/3 respectivamente de esta cantidad habitual. En los dos casos, la extrusión fue posible sin ninguna dificultad. Las mezclas madre se enfriaron a temperatura ambiente.

La granulación de la mezcla madre vulcanizada con un 2 % de composición de vulcanización pareció difícil debido a su elasticidad excepcional. La del 1 % no planteó ningún problema y se añadió al betún a 170 °C para obtener un aglutinante que contenía un 5,5 % de polímero.

Las mediciones de viscosidad indican, aquí también, que el tiempo de dispersión se divide por 4 en comparación con una fabricación convencional.

Las características físicas del aglutinante obtenido son idénticas a las de la mezcla convencional y por tanto cumplen con las especificaciones internas del solicitante, como se muestra en la tabla.

Tabla

Una división por tres de las cantidades de agente vulcanizante obviamente tiene un impacto extremadamente positivo en términos de medio ambiente y de economía. Además, las pocas emisiones atmosféricas asociadas con su utilización se aspiran y se fijan fácilmente en un sistema de aspiración por encima de la extrusora. La centralización de la fabricación de mezclas madres vulcanizadas también permite evitar las correspondientes inversiones en las plantas de fabricación de los aglutinantes, finales. De este modo, también pueden acceder a una tecnología interesante tanto económica como técnicamente, con bajo impacto medioambiental.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para preparar una mezcla que contiene betún y al menos un polímero, en el que el betún y al menos un polímero se mezclan por extrusión y en el que la mezcla obtenida por extrusión es una mezcla madre con una elevada tasa de polímero destinado a ser diluido en un betún para fabricar un aglutinante bituminoso, caracterizado por que el polímero es un copolímero tribloque de estireno-butadieno-estireno (SBS) cuya tasa másica en la mezcla madre está entre el 20 y el 40 %, y por que la temperatura de la mezcla se ajusta a diferentes valores a lo largo de la cavidad de extrusión entre una zona de introducción de constituyentes y un orificio de salida.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la tasa másica del polímero en la mezcla maestra es del 20 %.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el betún en estado líquido y al menos un polímero en estado fundido se mezclan por extrusión.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla maestra contiene un estabilizador para el polímero.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el estabilizador comprende al menos azufre y/o un donador de azufre y/o un activador de vulcanización y/o un acelerador de vulcanización o al menos un peróxido o al menos una sal metálica.

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, en el que la tasa másica de estabilizador está comprendida entre el 1 y el 20 % con respecto al polímero, preferiblemente entre el 3 y el 10 %.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha temperatura es máxima en la zona de introducción y mínima en las proximidades del orificio de salida.

8. Mezcla madre obtenida por el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7 para aplicaciones de carretera.

9. Uso de una mezcla madre según la reivindicación 8 para la fabricación por dilución de un aglutinante bituminoso anhidro o en emulsión, fluxado o no.

10. Uso según la reivindicación 9, en el que la relación másica de la mezcla madre al aglutinante final está comprendida entre el 5 y el 80 %, preferiblemente entre el 10 y el 40 %.

11. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 9 y 10, en el que la mezcla madre caliente se diluye directamente después de la extrusión.

12. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 9 y 10, en el que la mezcla madre se enfría y, opcionalmente, se granula antes de la dilución, con el uso de agentes antiadherentes en su caso.

13. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el que el aglutinante se pone en contacto con fragmentos minerales sólidos después de la dilución.

14. Uso según una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en el que la mezcla madre y el betún de dilución se ponen en contacto simultáneamente con fragmentos minerales sólidos.