JP2020523463A - 熱硬化性反応性化合物を含むアスファルト組成物 - Google Patents

熱硬化性反応性化合物を含むアスファルト組成物 Download PDF

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Abstract

組成物の総重量を基準として0.1〜10.0重量%の、ポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物を含む、アスファルト組成物であって、組成物の総重量を基準として少なくとも18重量%が、ホワイトスピリット溶媒において5000Svedを上回る沈降係数を有する粒子である、アスファルト組成物。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、本質的に、ポリマーMDI、エポキシおよびメラミンホルムアルデヒドからなる群からのアスファルト改質剤として熱硬化性反応性化合物を含むアスファルト組成物であって、組成物の総重量を基準として少なくとも18重量%が、ホワイトスピリット溶媒において5000Svedを上回る沈降係数を有する粒子である、アスファルト組成物に関する。本発明は、アスファルト組成物の製造方法にも関する。本発明のアスファルト組成物は、例えば、アスファルトの有効な温度範囲、弾性の増大、変形の可能性の低下など、アスファルトの機能温度範囲の増加および変形抵抗特性の改善を示す。
概して、アスファルトは、アスファルテンおよびマルテンに分類される異なる分子種を含むコロイド物質である。アスファルトは、粘弾性で熱可塑性であるため、極端な寒さから極端な熱までの温度範囲で特性が変化する。アスファルトは、暑い季節には柔らかくなり、極端な寒さでは割れる。低温では、アスファルトは脆くなり割れやすくなるが、高温では、軟化して物理的特性が失われる。
熱硬化性反応性成分を、バインダーとして、もしくはより一般的な用語で改質剤として添加すると、アスファルトの物理的特性は、温度範囲にわたってより一定に保たれ、かつ/またはアスファルトがさらされる温度範囲にわたって物理的特性が改善される。
バインダーもしくは改質剤の添加によって改質されたこのようなアスファルトは、長年にわたり技術水準で知られている。しかしながら、アスファルト業界では、改良されたアスファルトが未だ求められている。一部では、これは、現在知られているポリマー改質アスファルトには多くの欠陥があるためである。これらには、例えば、永久変形(わだち掘れ)、曲げ疲労、湿気、低温動作での弾性の低下に対する感受性が含まれる。
国際公開第01/30911号には、組成物の総重量を基準として、約1〜8重量%のポリマーMDIを含むアスファルト組成物が開示されており、ポリマーMDIは、少なくとも2.5の官能性を有する。これは、また、2時間未満の反応時間を使用する、アスファルト組成物の製造方法にも関する。製品のMDIアスファルトの形成は、製品の粘度の増加、またはより好ましくは動的機械分析(DMA)によって測定される。
国際公開第01/30912号には、アスファルトおよび水に加えて、乳化可能なポリイソシアネートを含む水性アスファルトエマルションが開示されている。これは、また、前記エマルションを含む凝集組成物、および前記組成物の製造方法にも関する。
国際公開第01/30913号には、組成物の総重量を基準として約1〜5重量%のポリマーMD1ベースのプレポリマーを含むアスファルト組成物が開示されており、ポリマーMD1は、少なくとも2.5の官能性を有する。これはさらに、前記アスファルト組成物の調製方法にも関する。
欧州特許第0537638号明細書には、100重量部のビチューメンに対して0.5〜10重量部の官能化ポリオクテナマー、および任意で架橋剤を含有するポリマー改質ビチューメン組成物であって、ポリオクテナマーが主にトランスポリオクテナマーであり、かつカルボキシル基、ならびに例えばマレイン酸から誘導される基を含むことを特徴とする、ポリマー改質ビチューメン組成物が開示されている。
その結果、従来技術に関連するすべての欠点、例えば、有効な温度間隔の制限、弾性応答の制限および低軟化点を回避する可能性のある、アスファルト組成物および関連する製造方法が手元にあることが非常に望ましいであろう。
本発明の課題の1つは、温度範囲にわたってより一定であるという点で改善された物理的特性を示すアスファルト組成物を提供することであった。さらに、有効な温度間隔(UTI)の増加を示し、回復不能なクリープコンプライアンス(Jnr)を減少させ、弾性応答を向上させ、負荷定格を増加させ、交通量が増加した状況でもしくは速度が低下した状況で永久アスファルト変形の可能性を低下させ、良好な接着性を示し、軟化点を上昇させ、そして針入度を低下させるアスファルト組成物が求められた。
さらに、それぞれのアスファルト組成物の製造方法が提供されることになった。
アスファルト組成物の様々な物理的特性は、当該技術分野で公知の様々な試験によって測定され、実験の部で詳細に説明されている。
弾性応答および回復不能なクリープコンプライアンス(Jnr)は、アスファルトに一定時間一定の負荷をかける多重応力クリープ回復(MSCR)試験で計算される。特定の期間の総変形は%で示され、バインダーの弾性の尺度に対応する。さらに、改変されたバインダーの弾性応答の改善(位相角の減少)を示す位相角も測定され得る。曲げビームレオメーター(BBR)は、低温でアスファルトの剛性を決定するために使用され、通常、アスファルトの曲げ剛性を指す。この試験では、2つのパラメーターが求められる:クリープ剛性は、一定の負荷に対するビチューメンの抵抗の尺度であり、クリープ率(またはm値)は、負荷がかかったときのアスファルト剛性の変化の尺度である。クリープの剛性が高すぎると、アスファルトは脆くなり、ひびが入りやすくなる。温度が変化して熱応力が蓄積し、剛性が比較的急速に変化するため、高いm値が望ましい。高いm値は、アスファルトが、低温割れが発生し得るレベルまで蓄積する応力を分散しやすいことを示す。
したがって、組成物の総重量を基準として0.1〜10.0重量%の、ポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物を含む、アスファルト組成物であって、組成物の総重量を基準として少なくとも18重量%が、ホワイトスピリット溶媒において5000Svedを上回る沈降係数を有する粒子である、アスファルト組成物が見出された。
本発明のさらなる態様によれば、以下の工程を含むアスファルト組成物の製造方法であって、
a)出発アスファルトを110〜190℃の温度に加熱する工程
b)撹拌しながら所望量の熱硬化性反応性化合物を添加する工程
c)工程b)の後、反応混合物を110〜190℃の範囲の温度で少なくとも2.5時間撹拌する工程
を含み、
ここで、反応は酸素雰囲気下で行われ、本発明の課題を果たす、アスファルト組成物の製造方法が提供される。さらに、アスファルトミックス組成物の製造のためのアスファルト組成物の使用が提供される。
驚くべきことに、本発明によるアスファルト組成物は、針入度の低下を伴って軟化点の上昇を示し、有効な温度間隔の増加、弾性応答の向上、良好な接着性および負荷定格の増加をもたらし、さらに永久アスファルト変形の可能性を低下させることが判明した。
この理論に縛られることなく、このことは、現在、5000Sved上回る沈降係数を有する組成物の総重量を基準として少なくとも18重量%の粒子の量によると考えられている。結果として生じる性能を得るには、特定の形態のコロイド構造が求められている。熱硬化性反応性化合物は、フェノール基、カルボン酸基、チオール基、無水物基および/またはピロール基、またはアスファルト成分由来の反応基と反応し、アスファルテンを結合して、結果として生じるアスファルト組成物の粒子を大きくする。
好ましい実施形態は、特許請求の範囲および詳細な説明で説明されている。好ましい実施形態の組み合わせは、本発明の範囲内であることが理解される。
本発明によれば、アスファルト組成物は、ポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物を含む。
一般に、本発明で使用されるアスファルトは、公知の任意のアスファルトであってよく、概して任意の瀝青化合物をカバーする。これは、ビチューメンまたはアスファルトと呼ばれる材料のいずれかであってよく、例えば、蒸留液、吹き込み、高真空およびカットバックビチューメン、さらには例えば、アスファルトコンクリート、キャストアスファルト、アスファルトマスティックおよび天然アスファルトである。例えば、80/100または180/220の貫通力を有する直接蒸留されたアスファルトが使用され得る。例えば、アスファルトにはフライアッシュが含まれていない。
好ましくは、アスファルトは、20〜30、30〜45、35〜50、40〜60、50〜70、70〜100、100〜150、160〜220、250〜330の貫通力、または52〜16、52〜22、52〜28、52〜34、52〜40、58〜16、58〜22、58〜28、58〜34、58〜40、64〜16、64〜22、64〜28、64〜34、64〜40、70〜16、70〜22、70〜28、70〜34、70〜40、76〜16、76〜22、76〜28、76〜34、76〜40の性能グレードを有し、より好ましくは、アスファルトは、30〜45、35〜50、40〜60、50〜70、70〜100、100〜150、160〜220の貫通力、または52〜16、52〜22、52〜28、52〜34、52〜40、58〜16、58〜22、58〜28、58〜34、58〜40、64〜16、64〜22、64〜28、64〜34、70〜16、70〜22、70〜28、76〜16、76〜22の性能グレードを有し、最も好ましくは、アスファルトは、40〜60、50〜70、70〜100、100〜150の貫通力、または52〜16、52〜22、52〜28、52〜34、52〜40、58〜16、58〜22、58〜28、58〜34、64〜16、64〜22、64〜28、70〜16、70〜22、76〜16、76〜22の性能グレードを有する。
一般に、熱硬化性反応性化合物は、それぞれのアスファルトのアスファルテンおよびマルテンに分類される異なる分子種と化学的に反応して特定の形態のコロイド構造を生成し、その結果、広範囲の温度にわたってアスファルトの物理的特性をより一定に保ち、かつ/またはアスファルトがさらされる温度範囲にわたって物理的特性をさらに改善する化合物である。
本発明による熱硬化性反応性化合物は、ポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される。
一般に、ポリマーMDIは当該技術分野で公知であり、ポリメチレンポリフェニレンポリイソシアネートとして知られており、ポリアリーレンポリイソシアネートまたはポリフェニルメタンポリイソシアネートとも呼ばれる。これは、例えば、4,4’−、2,2’−および2,4’−異性体などの様々な量の異性体を含み得る。好ましくは、4,4’MDI異性体の量は、26%〜98%の範囲、より好ましくは、30%〜95%の範囲、最も好ましくは、35%〜92%の範囲である。好ましくは、ポリマーMDIの2環含有量は、20%〜62%の範囲、より好ましくは、26%〜48%の範囲、最も好ましくは26%〜42%の範囲である。
これはまた、カルボジイミド基、ウレトンイミン基、イソシアヌレート基、ウレタン基、アロファネート基、ウレア基またはビウレット基を含む修飾された変種を含み得る。このすべてを、以下ではpMDIと呼ぶ。好ましくは、本発明に従って使用されるpMDIは、少なくとも2.3、より好ましくは少なくとも2.5、最も好ましくは少なくとも2.7、例えば2.8、2.9または3.0の平均イソシアネート官能価を有する。
一般に、ポリマーMDIの純度は、いかなる値にも限定されず、好ましくは、本発明に従って使用されるpMDIは、1〜100ppm、より好ましくは1〜70ppm、最も好ましくは1〜60ppmの鉄含有量を有する。
一般に、エポキシ樹脂は、当該技術分野で公知であり、本発明に従って使用されるエポキシ樹脂の化学的性質は特に制限されない。好ましくは、エポキシ樹脂は、1種以上の芳香族エポキシ樹脂および/または脂環式エポキシ樹脂であり、より好ましくはエポキシ樹脂は、ビスフェノールAビスグリシジルエーテル(DGEBA)、ビスフェノールFビスグリシジルエーテル、環水素化ビスフェノールAビスグリシジルエーテル、環水素化ビスフェノールFビスグリシジルエーテル、ビスフェノールSビスグリシジルエーテル(DGEBS)、テトラグリシジルメチレンジアニリン(TGMDA)、エポキシノボラック(エピクロロヒドリンおよびフェノール樹脂(ノボラック)からの反応生成物)、脂環式エポキシ樹脂、例えば、3,4−エポキシシクロヘキシルメチル3,4−エポキシシクロヘキサンカルボキシレートおよびジグリシジルヘキサヒドロフタレートであり、最も好ましくは、エポキシ樹脂は、ビスフェノールAビスグリシジルエーテルおよび/またはビスフェノールFビスグリシジルエーテルならびにこれらの2種のエポキシ樹脂の混合物である。
一般に、メラミンホルムアルデヒド樹脂は、当該技術分野で公知であり、主にメラミンとホルムアルデヒドとの縮合生成物である。所望の用途に応じて、それらは、例えば多価アルコールとの反応により修飾され得る。本発明に従って使用されるメラミンホルムアルデヒド樹脂の化学的性質は、特に制限されない。好ましくは、メラミンホルムアルデヒド樹脂は、水性メラミン樹脂混合物を基準として50〜70重量パーセントの範囲の樹脂含有量を有する水性メラミン樹脂混合物に関し、ここで、メラミンおよびホルムアルデヒドは、1:3〜1:1のモル比で樹脂中に存在し、より好ましくは、メラミンおよびホルムアルデヒドは、1:1.3〜1:2.0のモル比で樹脂中に存在し、最も好ましくは、メラミンおよびホルムアルデヒドは、1:1.5〜1:1.7のモル比で樹脂中に存在する。
メラミンホルムアルデヒド樹脂は、1〜10重量パーセントの多価アルコール、好ましくは3〜6重量パーセントの多価アルコール、より好ましくは3〜6重量パーセントのC〜C12ジオール、例えばジエチレングリコール、プロピレングリコール、ブチレングリコール、ペンタンジオールおよび/またはヘキサンジオール、特にジエチレングリコールを含有し得る。
さらなる添加剤として、メラミンホルムアルデヒド樹脂は、それぞれ水性メラミン樹脂混合物を基準として、0〜8重量パーセントのカプロラクタム、および0.5〜10重量パーセントの2−(2−フェノキシエトキシ)エタノールおよび/またはポリエチレングリコールを含有し、200〜1500の平均モル質量を有する。
本発明によれば、アスファルト組成物中のポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物の量は、アスファルト組成物の総重量を基準として10.0重量%以下である。好ましくは、アスファルト組成物の総重量を基準として5.0重量%以下、より好ましくは4.0重量%以下、最も好ましくは3.0重量%以下である。本発明によれば、アスファルト組成物中のポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物の量は、アスファルト組成物の総重量を基準として少なくとも0.1重量%、好ましくは少なくとも0.5重量%、より好ましくは少なくとも0.7重量%、最も好ましくは少なくとも0.9重量%である。例えば、アスファルト組成物中のポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物の量は、0.5重量%〜1.8重量%の範囲、0.8重量%〜1.7重量%の範囲、1.0重量%〜1.9重量%の範囲、1.1重量%〜2.0重量%の範囲、1.8重量%〜3.2重量%の範囲、2.1重量%〜3.7重量%の範囲、または0.5重量%〜2.5重量%の範囲であり得る。
一般に、熱硬化性反応性化合物の量は、それぞれのアスファルトの組成に依存し得る。針入度が85未満の硬いアスファルトの場合、より少ない熱硬化性反応性化合物、例えばpMDIが求められ、針入度が85を上回る柔らかいアスファルトの場合、より多量のそれぞれの熱硬化性反応化合物、例えばpMDIが求められ得る。この理論に縛られることなく、現在、異なるアスファルト中のアスファルテンの濃度が異なるため、熱硬化性反応性化合物の量を再調整する必要があると考えられている。85を上回る針入度に相当する柔らかいアスファルトでは、アスファルテンが希釈されており、したがって濃度が低くなるので、より良好な性能を達成するために、より多量のそれぞれの熱硬化性反応性化合物、例えばpMDIが必要とされ、また、アスファルト組成物の製造プロセスの酸素雰囲気によって供給され得る酸化がより多く必要とされる。
一般に、少なくとも64の高温限界を有する性能グレードに相当する85未満の針入度を有するアスファルトの場合、アスファルト組成物中のポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物の量は、アスファルト組成物の総重量を基準として、0.1〜3.0重量%の範囲の範囲であり得、好ましくは、熱硬化性反応性化合物の量は、2.5重量%以下、最も好ましくは2.3重量%以下、特に2.0重量%以下であり、熱硬化性反応物の量は、少なくとも0.1重量%、好ましくは少なくとも0.5重量%、より好ましくは少なくとも0.7重量%、最も好ましくは少なくとも1.0重量%である。
一般に、64以下の高温限界を有する性能グレードに相当する85を上回る針入度を有するアスファルトの場合、アスファルト組成物中のポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物の量は、アスファルト組成物の総重量を基準として、2.0重量%〜10.0重量%の範囲であり得、好ましくは熱硬化性反応性化合物の量は、5.0重量%以下、最も好ましくは4.5重量%以下、特に4.0重量%以下であり、熱硬化性反応物の量は、少なくとも2.0重量%、好ましくは少なくとも2.5重量%、より好ましくは少なくとも2.7重量%、最も好ましくは少なくとも3.0重量%である。
概して、アスファルトを改質することにより、例えば、弾性応答の向上など、様々な物理的特性に関する性能が向上し得る。
本発明によるアスファルト組成物を使用することにより、あるグレードから別のグレードへの移行が達成され得る。例えば、アスファルトpen50/70の改質により、それぞれの熱硬化性反応性化合物のそれぞれの量に応じて、2重量%の熱硬化性反応性化合物を使用したポリマー改質アスファルト25/55〜55Aが得られるか、またはpen20/30または30/45のようなより硬いグレードが得られる。同じことが、pen70−100が、例えば2重量%の熱硬化性反応性化合物によりpen50−70に変換されるか、または3重量%の熱硬化性反応性化合物によりPmB25/55−55Aに変換されるアスファルトにも当てはまる。また、性能グレードについては、より高いグレードへの移行が可能であり、例えば、PG64−22は、それぞれの熱硬化性反応性化合物2重量%で改質した後、PG70−22になる。
本発明によるアスファルト組成物の特性、例えば、針入度の減少を伴う軟化点の上昇、有効な温度間隔の増加、弾性応答の向上、良好な接着性および負荷定格の増加、ならびに永久アスファルト変形の可能性の低下は、それぞれ、相当する組成物の、粒子サイズに直接相関する特定の沈降係数を有する粒子の濃度に依存し得る。
本発明によれば、アスファルト組成物は、組成物の総重量を基準として、少なくとも18重量%の、ホワイトスピリット溶媒において5000Svedを上回る沈降係数を有する粒子を有する。より好ましくは、組成物の総重量を基準として20重量%の粒子は、ホワイトスピリット溶媒において5000Svedを上回る沈降係数を有し、より好ましくは組成物の総重量を基準として少なくとも23重量%の粒子は、ホワイトスピリット溶媒において5000Svedを上回る沈降係数を有し、ホワイトスピリット溶媒において5000Svedを上回る沈降係数を有する粒子は、組成物の総重量を基準として100重量%までであってよく、好ましくは、5000Svedを上回る沈降係数を有する粒子の量は、組成物の総重量を基準として95重量%以下、より好ましくは組成物の総重量を基準として90重量%以下、最も好ましくは組成物の総重量を基準として80重量%以下である。例えば、組成物の総重量を基準として18〜75重量%の粒子は、ホワイトスピリット溶媒において15000〜170000Svedの範囲の沈降係数を有し、例えば、組成物の総重量を基準として23〜65重量%の粒子は、ホワイトスピリット溶媒において25000〜140000Svedの範囲の沈降係数を有するか、または例えば、組成物の総重量を基準として30〜52重量%の粒子は、ホワイトスピリット溶媒において22000〜95000Svedの範囲の沈降係数を有する。
本発明の文脈におけるホワイトスピリット溶媒は、CAS−No.:64742−82−1で、18%の芳香族ベースおよび180〜220℃の沸点を有するホワイトスピリット高沸点石油を意味する。
沈降係数は、吸収光学装置と組み合わせた超遠心分離によって検出された。各成分の沈降および濃度は、350nmの波長で測定された。この方法は当該技術分野で公知であり、実験の部で詳細に説明されている。
本発明のアスファルト組成物は、従来技術の典型的なアスファルト組成物として使用され得る。本発明のアスファルト組成物は、特に、
− 特に防水用の塗料およびコーティング、
− ジョイントの充填および亀裂のシーリング用のマスチック
− 道路、飛行場、スポーツ場などの表面仕上げ用のグラウトおよび熱間注入面
− 石材と混合された骨材(約5〜20%のアスファルト組成物を含む)、例えば、アスファルトミックス
− 上記のような表面仕上げ用のホットコーティング
− 上記のような表面仕上げ用の表面コーティング
− ウォームミックスアスファルト(WMA)
− ホットミックスアスファルト(HMA)
の製造に有用であり得る。
さらに、本発明は、本発明によるアスファルト組成物の製造方法であって、以下の工程
a)出発アスファルトを110〜190℃の温度に加熱する工程
b)撹拌しながら所望量の熱硬化性反応性化合物を添加する工程
c)工程b)の後、反応混合物を110〜190℃の範囲の温度で少なくとも2.5時間撹拌する工程
を含み、
ここで、反応を酸素雰囲気下で行う、製造方法に関する。
例えば、本発明の方法は、工程a)および/または工程c)で110〜190℃の温度で実施され得る。好ましくは、温度は、110〜180℃の範囲、より好ましくは115〜170℃の範囲、最も好ましくは120〜155℃の範囲であり、例えば温度は、121〜152℃の範囲である。
一般に、工程a)、b)および工程c)の温度は、110〜190℃の範囲であり、工程ごとに異なり得る。好ましくは、3つの工程のすべての温度は、同じでかつ110〜190℃の範囲であり、より好ましくは、同じでかつ110℃〜170℃の範囲であり、最も好ましくは、同じでかつ110℃〜160℃の範囲である。
本発明によれば、アスファルト組成物の製造方法の工程b)では、所望量の熱硬化性反応性化合物は、撹拌下で添加される。所望量は、組成物の総重量を基準として0.1〜10重量%の範囲であり得る。
一般に、この量は、電位差滴定によって求められてもよく、その際、アスファルト中の反応性基の量が求められることになり、それぞれの熱硬化性化合物の反応性基の相当重量に相関する。滴定法は、当該技術分野で公知であり、実験の部で詳細に説明されている。
一般に、異なる供給業者のアスファルトは、組成に関して、原油がどの貯留層からのものかに応じて、さらには精油所での蒸留プロセスに応じて異なる。しかしながら、反応性基の累積合計量は、3.1〜4.5mgKOH/gの範囲であり得る。
例えば、浸透指数が50〜70または70〜100のアスファルトでは、pMDIの化学量論量は、0.8〜1.2重量%になる。アスファルト組成物の製造中の高温下でのアスファルト成分の酸化感受性のため、新たに形成された官能基と反応するために、さらに過剰のイソシアネートが使用されることになる。
本発明によれば、方法工程c)は、工程b)の後に実施される。反応混合物は、110℃〜190℃の範囲の温度で少なくとも2.5時間撹拌され、好ましくは混合時間は、少なくとも3時間、より好ましくは混合時間は、少なくとも3.5時間、最も好ましくは混合時間は、少なくとも4時間である。混合時間は、20時間までであってよく、好ましくは混合時間は、15時間以下、より好ましくは混合時間は、12時間以下、最も好ましくは混合時間は、9時間以下である。例えば、それぞれの熱硬化性化合物を1〜1.5重量%添加した後、混合時間は、2.5時間〜4時間の範囲、例えば3時間または3.5時間であり得る。例えば、それぞれの熱硬化性化合物を1.5〜5.0重量%添加した後、混合時間は、4時間〜6時間の範囲、例えば4.5時間、5時間または5.5時間であり得る。例えば、5〜10.0重量%の各熱硬化性化合物を添加した後、混合時間は、6時間〜15時間の範囲、例えば7時間、7.5時間、8時間、8.5時間、9時間、9.5時間、10時間、10.5時間、11時間、11.5時間、12時間、12.5時間、13時間、13.5時間、14時間、または14.5時間であり得る。
本発明によれば、本発明によるアスファルト組成物の製造方法は、酸素雰囲気下で実施されなければならない。好ましくは、酸素雰囲気中の酸素濃度は、1〜21体積%の範囲であり、より好ましくは、酸素雰囲気中の酸素濃度は、5〜21体積%の範囲であり、最も好ましくは、酸素雰囲気中の酸素濃度は、10〜21体積%の範囲であり、例えば、本発明の方法は、空気下または酸素の飽和雰囲気下で実施される。
一般に、この方法は、1つの反応容器、例えば、容器で実施されることに限定されない。それぞれのアスファルトは、例えば、酸素下で110℃〜190℃の温度で、例えば1時間にわたり、上記の条件下にて第1の工程で熱硬化性反応性化合物と反応し得る。その後、アスファルトは冷却され、別の反応容器に移され、移動後、酸素下での総反応時間が少なくとも2.5時間になるように加熱され得る。現在、この理論に拘束されることなく、工程a)およびb)(第1の工程)は、混合物を均質化し、アスファルトの反応性基とそれぞれの熱硬化性反応性化合物のそれぞれの反応性基との反応を誘導することであると考えられている。熱硬化性反応性化合物は、アスファルテン表面に負荷され得る。工程c)として要約される第2の工程または追加の加熱工程は、酸化による架橋反応を支持することである。
本発明によるアスファルト組成物の例
Z1:組成物の総重量を基準として1.0〜1.8重量%のポリマーMDI、ここで、組成物の総重量を基準として18〜65重量%は、ホワイトスピリット溶媒において8000〜200000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である。
Z2:組成物の総重量を基準として1.8〜3.2重量%のポリマーMDI、ここで、組成物の総重量を基準として22〜70重量%は、ホワイトスピリット溶剤において20000〜140000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である。
Z3:組成物の総重量を基準として1.2〜2.2重量%のポリマーMDI、ここで、組成物の総重量を基準として33重量%〜68重量%は、ホワイトスピリット溶媒において28000〜1000000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である。
Z4:組成物の総重量を基準として1.2〜1.6重量%のポリマーMDI、ここで、組成物の総重量を基準として33重量%〜85重量%は、ホワイトスピリット溶媒において25000〜150000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である。
Z5:組成物の総重量を基準として1.5〜2.0重量%のポリマーMDI、ここで、組成物の総重量を基準として22重量%〜58重量%は、ホワイトスピリット溶媒において20000〜250000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である。
Z6:組成物の総重量を基準として2.3〜2.9重量%のポリマーMDI、ここで、組成物の総重量を基準として27〜82重量%は、ホワイトスピリット溶媒において12000〜370000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である。
Z7:組成物の総重量を基準として3.0〜3.6重量%のポリマーMDI、ここで、組成物の総重量を基準として19〜62重量%は、ホワイトスピリット溶剤において15000〜135000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である。
Z8:組成物の総重量を基準として1.6〜3.5重量%のポリマーMDI、ここで、組成物の総重量を基準として21〜50重量%は、ホワイトスピリット溶剤において17000〜500000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である。
実施例および比較例
アスファルト組成物を製造するための一般的な手順
第3表〜第6表に記載の各グレードの2.5kgのアスファルトを、油浴(温度は150℃に設定)中で酸素雰囲気下にて400rpmで140℃まで加熱した。内部温度が100℃に達した際に、第3表〜第6表に従って、それぞれの熱硬化性反応性化合物50gを、溶融アスファルトに添加した。反応物を、室温で冷却する前に、140℃で420分間さらに処理する。試料を、さらに試験するために缶に入れて、室温で保管した。
比較例Comp1、Comp2、Comp3の場合、第3表〜第5表に記載の各グレードのアスファルト2.5kgを、室温で冷却する前に420分間まで油浴(温度は150℃に設定)中で酸素雰囲気下にて400rpmで140℃まで加熱した。試料を、さらに試験するために缶に入れて、室温で保管した。
実施例3(Ex3)の場合、3000gのアスファルト64〜22を、密閉容器内で2時間にわたり150℃のオーブンで加熱した。予熱した試料は、150℃で、その後、カバーを外し、酸素雰囲気下で加熱マントルに入れた。電気加熱マントルで20%のミキサー速度下にて、アスファルトで温度コントローラーを使用して温度を150℃の2℃のデルタ内に保持した。内部温度が150℃に達した際に、官能度2.7の60gのpMDI(As20)を、溶融アスファルトに添加した。反応物を、150℃で150分間さらに処理する。試験開始前に試料を150℃に加熱し、18.9lの容器からそれらを分離することによって、試料を缶に入れた。
実施例4(Ex4)の場合、3000gのアスファルト64〜22を、密閉容器内で2時間にわたり150℃のオーブンで加熱した。予熱した試料は、150℃で、その後、カバーを外し、酸素雰囲気下で加熱マントルに入れた。電気加熱マントルで20%のミキサー速度下にて、アスファルトで温度コントローラーを使用して温度を150℃の2℃のデルタ内に保持した。内部温度が150℃に達した際に、官能度2.9(As70)の60gのpMDIを、溶融アスファルトに添加した。反応物を、150℃で150分間さらに処理する。試験開始前に試料を150℃に加熱し、18.9lの容器からそれらを分離することによって、試料を缶に入れた。
実施例5(Ex5)の場合、2.5kgのアスファルト70〜100を、油浴(温度は150℃に設定)中で酸素雰囲気下にて400rpmで140℃まで加熱した。内部温度が100℃に達した際に、45gのpMDI As20(1.8重量%)を溶融アスファルトに添加した。反応物を、室温で冷却する前に、140℃で420分間さらに処理する。次に、試料を使用して、分析用超遠心機を使用してアスファルト組成物の粒子部分を求めた(第2表参照)。
比較例Comp4の場合、2.5kgのアスファルト70〜100を、油浴(温度は150℃に設定)中で酸素雰囲気下にて400rpmで140℃まで加熱した。内部温度が100℃に達した際に、45gのpMDI As20を溶融アスファルトに添加した。反応物を、室温で冷却する前に、140℃で30分間さらに処理する。次に、試料を使用して、分析用超遠心機を使用してアスファルト組成物の粒子部分を求めた(第2表参照)。
比較例Comp5の場合、2.5kgのアスファルト70〜100を、室温に冷却する前に、油浴(温度は150℃に設定)中で酸素雰囲気下にて400rpmで140℃まで30分間加熱した。次に、試料を使用して、分析用超遠心機を使用してアスファルト組成物の粒子部分を求めた(第2表参照)。
実施例で使用した熱硬化性反応性化合物
以下でAs20と呼ばれる官能度2.7のpMDI、または以下でAs70と呼ばれる官能度2.9のpMDIを使用した。
それぞれの官能度を有するpMDIは、例えば、次の企業、すなわちバイエル、BASF SE、ハンツマン等で市販されている。
アスファルトまたはアスファルト組成物またはアスファルトミックスの物理的特性を検出する方法
実施例の値を、それぞれのDIN規制に従って検出する。
使用方法の詳細な説明:
アスファルト試験
針入度DIN EN 1426
この試験では、ビチューメン試験試料における標準化された針の貫入を測定する。(3300.1)[mm]下での貫入の場合、試験温度は25[℃]であり、荷重100[g]で、荷重時間は5[秒]である。(3300.1)[mm]を上回る貫入が予想される場合、試験温度を15[℃]に下げて、負荷および負荷時間を変更せずに維持しなければならない。
軟化点DIN EN 1427
肩付き真鍮製リングに鋳込まれたビチューメンの2つの水平ディスクを、それぞれが鋼球を支えている間、液体浴中で制御された速度で加熱する。軟化点は、ビチューメンに包まれた各ボールが(25±0.4)[mm]の距離を落下できるように2つのディスクが十分に軟化する温度の平均として報告する。
力延性DIN EN 13589
ビチューメンを、両端にリングのある型にキャストする。試験片を水浴で調節した後、これを延性計のクリップのリングで固定する。試験片を、予め規定した温度(この場合は20[℃])の水浴で、壊れるかまた少なくとも400[mm]に達するまで50[mm/分]で引っ張る。応力および変形を、試験全体を通して測定する。
ローリング薄膜オーブン試験DIN EN 12607−1
ビチューメンを、オーブン内のボトルで85[分]間、163[℃]で加熱する。ボトルを15[rpm]で回転させ、加熱した空気を、4000[mL/分]でその最低移動点で各ボトルに吹き込む。熱および空気の影響は、オーブン処理の前後に測定した物理試験の値の変化から求める。
圧力エージング容器DIN EN 14769
RTFOTからの残留物を、標準的なステンレス製のパンに入れ、2.10[MPa]まで空気で加圧された容器内で指定された調整温度(90[℃]、100[℃]または110[℃])で20[時間]エージングする。温度を、アスファルトバインダー(用途)のグレードに従って選択する。最後に、残留物を、真空脱気する。
動的せん断レオメーター(DSR)DIN EN 14770−ASTM D7175
動的せん断レオメーター試験システムは、平行板、試験片の温度を制御する手段、ローディング装置、ならびに制御およびデータ収集システムで構成されている。
温度掃引DIN EN 14770
この試験の目的は、アスファルトバインダーの複素せん断係数および位相角を測定することである。試験は、定義された周波数および温度で、直径8または25[mm]の試験片を平行な金属板の間に押し付けることである。平行板の一方は、この場合は1.59[Hz]および角偏向振幅で他方に対して振動する。必要な振幅は、試験が線形動作の範囲内になるように選択されなければならない。これは、30、40、50、60、70、80および90[℃]で繰り返される。
多重応力クリープ回復試験DIN EN 16659−ASTM D7405
この試験方法は、せん断クリープ下でアスファルトバインダーの弾性応答の存在を判断し、2つの応力レベル(0.1および3.2[kPa])および指定温度(50[℃])で回復するために使用される。この試験では、DSRを使用して25[mm]を一定の応力で1[秒]負荷し、その後、9[秒]回復させる。10回のクリープおよび回復サイクルを、0.100[kPa]クリープ応力で実行し、続いて3.200[kPa]クリープ応力で10サイクル実行する。
曲げビームレオメーターDIN EN 14771−ASTM D6648
この試験は、アスファルトバインダーの単純支持されたプリズムビームの中間点に一定の荷重が加えられた場合のその中間点のたわみを測定するために使用される。角柱試験片を、温度制御された流体浴に入れ、一定の試験荷重で240[秒]負荷する。試験荷重(980±50[mN])および試験片の中間点のたわみを、コンピューター化されたデータ収集システムを使用して時間に対してモニターする。試験片の中間点での最大曲げ応力を、試験片の寸法、支持体間の距離、および8.0、15.0、30.0、60.0、120.0および240.0[秒]の荷重時間で試験片にかかる荷重から計算する。特定の荷重時間に対する試験片の剛性を、最大曲げ応力を最大曲げひずみで割って計算する。
アスファルトミックス試験
繰り返し圧縮試験−TPアスファルト−StB Teil 25 B1
一軸繰返し圧縮試験を、アスファルト試験片の変形挙動を決定するために使用する。この試験では、試験片を(50±0.3)[℃]で(150±10)[分]調節し、これは、試験が実施される温度と同じである。調節時間後、試験片を、万能試験機にセットし、周期的に負荷する。各サイクルは1.7[秒]であり、ここで、負荷時間は0.2[秒]であり、一時停止は1.5[秒]である。適用される上限荷重は、0.35[MPa]であり、下限荷重は、0.025[MPa]である。サイクル数および変形が登録されている。10,000回の負荷サイクルが完了するか、変形が40%を上回った場合に試験が終了する。
間接引張り強度試験−TPアスファルト−StB Teil 23
瀝青混合物の間接引張り強度試験を、特定の変形速度(この場合は50±02[mm/分])および試験温度(この場合は15±2[℃])で、円筒形試験片の垂直直径面にわたり負荷をかけることにより実施する。破損時のピーク荷重を記録し、これを用いて試験片の間接引張り強度を計算する。
アスファルト中の反応性基を決定するための電位差滴定法:
酸価
約0.5〜1gの試料を50mlのトルエンに溶解し、0.1モル/lの水酸化テトラブチルアンモニウム溶液で電位差滴定を行った。数滴の水を、滴定溶液に添加して、十分な導電性を確保することができる。空白値も同様に求めた。
塩基価
約0.5〜1gの試料を50mlのトルエンに溶解し、0.1モル/lのトリフルオロメタンスルホン酸溶液で電位差滴定した。数滴の水を、滴定溶液に添加して、十分な導電性を確保することができる。空白値も同様に求めた。
分析用超遠心機(AUC)を使用したアスファルト組成物の粒子部分の決定
アスファルト組成物の粒子部分を決定するために、分析的超遠心分離を用いた分別実験を行った。Beckman Optima XL−I(Beckman Instruments、Palo Alto、USA)を使用して沈降速度測定を実施した。統合スキャンUV/VIS吸収光学システムを使用した。350nmの波長を選択した。試料を、ホワイトスピリット溶媒(CAS−No.:64742−82−1)で希釈した後、約0.2g/Lの濃度で測定した。可溶性部分および不溶性部分を検出するために、遠心分離速度を、1000rpmと55,000rpmとの間で変化させた。
sとs+dsとの間の沈降係数を有する種の重量画分として定義される沈降係数の分布、および1つの沈降画分の濃度を、標準分析ソフトウェア(SEDFIT)を使用して求めた。全放射状濃度プロファイルの経時変化を記録し、沈降係数g(s)の分布に変換した。沈降係数は、Svedの単位(1Sved=10−13秒)である。アスファルト組成物の粒子部分を、使用される波長での高速および低速沈降画分の光吸収を定量化することにより決定した。
Figure 2020523463
Figure 2020523463
本発明によるアスファルトの改質は、軟化点の上昇および針入度の低下を伴う性能の向上につながっている。ハードグレードのアスファルトの場合、このような改質は、ソフトグレードの場合よりも顕著である。開始アスファルトをより硬くすることにより、MSCRの結果および位相角シフトに見られるように、弾性挙動が改善される。材料は一般に、クリープ剛性のわずかな増加によって検出される未改質アスファルトと比較して、低温でより硬くなり、同時にm値が減少する。改質アスファルトが早く割れるかどうかを判断するために、短時間のエージングを行い、クリープ剛性およびクリープ速度を測定した。RTFOT(短時間エージング)後、−10℃および−25℃での改質アスファルトのクリープ剛性は、未改質アスファルトほど増加していない。改質pen70〜100の−25°Cでのm値は、増加している。
アスファルトミックスの結果:
アスファルトミックス試験片の準備:
選択された粒度分布曲線は、SMA 8 Sであった。
Figure 2020523463
試験片を準備するために選ばれた石の骨材の材料指定は、以下の通りであった:
Figure 2020523463
アスファルトミックスの製造には、TPアスファルト−StB Part 35基準を使用した。以下の手順を実行した:
コンポーネントの調節
第8表に列挙した各骨材を、150℃±5[℃]で8[時間]調節した。例えばEx10の場合、アスファルトpen50〜70を、酸素雰囲気下で撹拌しながら150℃まで加熱した。内部温度が150℃に達した際に、2重量%のpMDI As20を溶融アスファルトに添加した。反応はさらに150℃で5時間処理し、次いで改質アスファルトを150℃±5[℃]で密閉する。比較例Comp6の場合、アスファルトpen50〜70を、酸素雰囲気下で撹拌しながら150℃まで加熱した。反応をさらに150℃で5時間処理し、次いでアスファルトを150℃±5[℃]で密閉する。
コンポーネントの混合
150°C±5[℃]の温度で、石マスチックアスファルトを、以下の順序で混合する:1.粗骨材、2.砕いた砂を含むフィラー、3.− ファイバー、4.− 乾燥ミックスを2[分]、5.− 事前にそれぞれのアスファルトまたは改質アスファルトを撹拌してから、混合物に加える、6.− 30[rpm]で3[分]混合する。
保管
混合後、混合物を、圧縮温度より10[℃]高い温度で最大3[時間]保管する。
試験片の製造および圧縮
試験片の製造および圧縮の場合、TPアスファルト−StB Part 33基準を使用した。この基準は、圧延圧縮機(Walzsektor−Verdichtungsgeraet)を使用して実験室で試験片を製造する手順を説明している。
試験片を準備するために、加熱混合したアスファルトミックスをプレートに注ぎ、圧延圧縮機を利用して圧縮した。プレートは、320[mm]の長さ、260[mm]の幅、少なくとも40[mm]の高さである。プレートの高さは、特定の試験に必要な試験片の寸法によって異なる。
プレートを圧縮するには、圧縮中の混合物の温度を以下の(第9表)に適合させながら、装置(機械、金型およびプレス)を80[℃]に調節しなければならない。
Figure 2020523463
試験片の切断
プレートの製造後、これらは必要な寸法で切断されなければならない。寸法は、試験により異なる。異なる試験に必要な試験片寸法は、以下の通りである(第10表)。
Figure 2020523463
Ex1によるpMDI改質アスファルトpen50〜70に基づくアスファルトミックスの物理的特性。
一軸繰返し圧縮試験(T=50[℃]−σ=0.35[MPa])
試験により、繰返し圧縮荷重によるアスファルトミックスの変形挙動を決定する。対象の値は、変形が一定の変形率から進行性の変形に変わる変曲点である。
Figure 2020523463
アスファルトをpMDIで改質すると、Comp6の未改質アスファルトミックスのnw:1002と比較して、変曲点がnw:3307まで右に移動したアスファルトミックス(Ex10)になる。改質後のロードサイクル数は大幅に増加した。
繰り返し間接引張り強度試験
この試験は、アスファルトミックスの疲労挙動を調べるために使用される。円柱状の試験片を、垂直直径面に垂直に負荷する。試験片には、予め決定された様々な負荷がかかっている。
Figure 2020523463
改変アスファルトミックスEx10は、Comp6の未改変アスファルトミックスと比較して、負荷サイクルの数が多いことから明らかなように、より多くの負荷に耐えることができる。試験によって、本発明による改質アスファルト組成物および得られた改質アスファルトミックス組成物の優れた弾性挙動が証明された。

Claims (13)

  1. 組成物の総重量を基準として0.1〜10.0重量%の、ポリマーMDI、エポキシ樹脂およびメラミンホルムアルデヒド樹脂からなる群から選択される熱硬化性反応性化合物を含む、アスファルト組成物であって、前記組成物の総重量を基準として少なくとも18重量%が、ホワイトスピリット溶媒において5000Svedを上回る沈降係数を有する粒子である、アスファルト組成物。
  2. 前記組成物の総重量を基準として20重量%超が、ホワイトスピリット溶剤において10000〜1000000Svedの範囲の沈降係数を有する粒子である、請求項1記載のアスファルト組成物。
  3. 前記熱硬化性反応性化合物がポリマーMDIであり、かつ前記ポリマーMDIが少なくとも2.5の官能性を有する、請求項1または2記載のアスファルト組成物。
  4. 前記ポリマーMDIの量が、前記組成物の総重量を基準として0.5〜2.0重量%である、請求項1から3までのいずれか1項記載のアスファルト組成物。
  5. 前記ポリマーMDIの量が、前記組成物の総重量を基準として2.0〜5.0重量%である、請求項1から3までのいずれか1項記載のアスファルト組成物。
  6. 前記ポリマーMDIが、少なくとも2.7の官能性を有する、請求項1から5までのいずれか1項記載のアスファルト組成物。
  7. 前記ポリマーMDIが、1〜80ppmの範囲の鉄含有量を有する、請求項1から6までのいずれか1項記載のアスファルト組成物。
  8. 以下の工程:
    a)出発アスファルトを110〜190℃の温度に加熱する工程
    b)撹拌しながら所望量の熱硬化性反応性化合物を添加する工程
    c)工程b)の後、反応混合物を110〜190℃の範囲の温度で少なくとも2.5時間撹拌する工程
    を含み、
    ここで、反応は、酸素雰囲気下で行われる、請求項1から7までのいずれか1項記載のアスファルト組成物の製造方法。
  9. 前記温度が、110〜150℃の範囲である、請求項8記載の方法。
  10. 工程a)および工程c)の温度が、同じでありかつ110〜150℃の範囲である、請求項8記載の方法。
  11. 前記温度が、110〜150℃の範囲であり、かつ前記反応混合物が、添加工程b)の後に少なくとも4時間撹拌される、請求項8から10までのいずれか1項記載の方法。
  12. 前記反応の完了をIR分光法により測定する、請求項8から11までのいずれか1項記載の方法。
  13. アスファルトミックス組成物を製造するための、請求項1から7までのいずれか1項記載のアスファルト組成物の使用。
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