JP3641053B2 - アスファルト組成物 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、長期に維持される有利な高温及び低温特性を示し、例えば屋根材用途で使用すると、推定耐用年数が改善されるアスファルト組成物に関する。これらの有利な特性は、ビニル含量が高く、特定の二ブロック含量を有する熱可塑性エラストマーブロックコポリマーを使用することによって付与される。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ビニル含量が多い(「The Analysis of Natural and Synthetic Rubbers by Infrared Spectroscopy」(H.L.Dinsmore及びD.C.Smith,Naval Research Laboratory Report No.P−2861,1964年8月20日)に記載のものと本質的に同一の赤外検査によって判明した)ブタジエンホモポリマーは米国特許第3,301,840号明細書に記載されており、このポリマーは重合中にテトラヒドロフランのような炭化水素溶媒を使用することにより製造可能である。
【0003】
米国特許第4,129,541号明細書は、(同様に赤外(IR)技術によって判明した)ビニル含量が47%であって、米国特許第3,639,521号明細書に記載の方法によりテトラヒドロフランを使用して製造され得るブロックコポリマーを比較ポリマーとして記載している。米国特許第4,129,541号明細書の発明者らは、海洋パイプライン設備の低温環境でパイプライン塗料として使用する際に、耐クラッキング性を改善することにより更に長い耐用年数をもたらすアスファルト(れき青としても知られる)含有組成物を探求している。同発明者らの知見は、0℃の温度では一般にポリマーの製造方法とは関係なく、共役ジエン含量が増すにつれてクラック時間の改善が徐々に低下するが、高ビニルポリマーAのようなポリマーのクラック時間はポリマーを全く含まない組成物に比べて実際に短縮(即ち悪化)することを示している。
【0004】
高ビニル共役ジエン/モノビニル芳香族ブロックコポリマーをゴム改質アスファルト屋根材又は防水材用改質剤として使用することは米国特許第4,530,652号明細書に記載されている。このようなブロックコポリマーのビニル含量は、全ジエン含量を基準にして少なくとも25%、例えば33%、40%及び45%であり、アスファルト中の分散性、粘度(177℃で測定)、高温流れ抵抗及び低温破壊抵抗の少なくとも1つを改善することが知見された。30〜40%のスチレン、40%のビニル不飽和を含み、数平均分子量が150,000〜250,000のラジアルテレブロックコポリマーが最も好ましいと言われている。実際に試験したコポリマーアスファルトブレンドは全て非常に良好な低温特性を示すが、高温での粘度及び流れ特性については変動性が大きく予測できない。
【0005】
高温粘度は、特にポリマー改質組成物を(150℃を超える)高温で高剪断混合により製造する場合、アスファルトブレンド処理の重要なパラメーターとなる。ブロックコポリマーアスファルトブレンドは望ましくは180℃で8Pas未満の測定粘度を示し、有利には4Pas以下、最も好適には2又は3Pasである。
【0006】
更には、戸外の屋根材として使用する場合、ポリマー改質アスファルトは、多くの環境で使用でき、長期に亙り特性を保持することにより耐用年数を延ばして、できるだけ屋根材交換を引き延ばすように高温特性及び低温特性が共に許容できるものでなければならない。
【0007】
米国特許第4,530,652号明細書のポリマー改質アスファルト組成物は大体において非常に許容できる低温特性を示すが、高温粘度及び/又は流れ抵抗性は開示されている大半のブレンドで適切でない。実際、これらの高温特性では結果が非常に変動的なので、どの種の組成物が許容可能で、常に高温特性及び低温特性を有し得るかということについての結論を引き出すことは困難である。米国特許第4,530,652号明細書には、被試験組成物の予想される耐用年数に関する記載はない。
【0008】
【課題を解決するための手段】
今回、ビニル含量の多いブロックコポリマーで改質したアスファルトで低温特性及び高温特性を常に改善することができ、更には該特性が従来のポリマー改質アスファルトよりも有利に長期に亙り保持され得ることが知見された。
【0009】
従って、本発明は、アスファルト成分と、少なくとも1個の共役ジエンブロック及び少なくとも1個のモノビニル芳香族炭化水素ブロックを含むブロックコポリマー組成物とを含んでなるアスファルト組成物を提供し、該アスファルト組成物は、ブロックコポリマー組成物のビニル含量が全ジエン含量を基準にして少なくとも25重量%であり、二ブロック含量が25重量%以下であり、任意に存在する二ブロックコポリマーの見掛け分子量が100,000〜170,000の範囲内にあることを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
本明細書で使用する「見掛け分子量」という用語は、ポリ(スチレン)検量標準(ASTM 3536)を用いてゲル透過クロマトグラフィー(GPC)で測定したポリマー分子量を指す。
【0011】
「二ブロック含量」とは、製造したブロックコポリマー組成物中に最終的に存在する非結合二ブロックコポリマーの量であると理解すべきである。ブロックコポリマーを完全逐次製造法(full sequential preparation method)で製造する場合、本質的に1個の三ブロックコポリマーが生成され、その見掛け分子量は200,000〜340,000の範囲内にある。
【0012】
二ブロック含量は好ましくは20重量%未満であり、更に好ましくは15重量%以下である。
【0013】
ブロックコポリマー組成物成分は線状であってもラジアルであってもよい。両方のコポリマー型で良好な結果が得られた。ブロックコポリマー組成物成分は、線状三ブロックコポリマー(ABA)、マルチアームブロックコポリマー((AB)nX)及び二ブロックコポリマー(AB)(ここで、Aはモノビニル芳香族炭化水素ポリマーブロックを示し、Bは共役ジエンポリマーブロックを示し、nは2以上の整数、好ましくは2〜6であり、Xはカップリング剤の残基を示す)を含んでいる。カップリング剤は当業界で公知の二官能性又は多官能性のカップリング剤、例えばジブロモエタン、四塩化ケイ素、アジピン酸ジエチル、ジビニルベンゼン、ジメチルジクロロシラン、メチルジクロロシランであり得る。このような製造方法で特に好ましいのは、非ハロゲン含有カップリング剤(例えばγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン(Epo 825)及びビスフェノールAのジグリシジルエーテル)を使用することである。
【0014】
本発明のアスファルト組成物で改質剤として有用なブロックコポリマーは、当業界で公知の方法(例えばよく知られた完全逐次重合法)を、場合によっては、例えば米国特許第3,231,635号明細書、第3,251,905号明細書、第3,390,207号明細書、第3,598,887号明細書、第4,219,627号明細書、ヨーロッパ特許出願公開第0413294号明細書、ヨーロッパ特許第0387671号明細書、ヨーロッパ特許出願公開第0636654号明細書、WO第04/22931号明細書に記載のような再誘導(reinitiation)及びカップリング法と組み合わせることにより製造することができる。
【0015】
従って、ブロックコポリマーは例えば、少なくとも2個の二ブロックコポリマー分子ABを結合(カップリング)することにより製造され得る。
【0016】
共役ジエン部分のビニル含量を増加させるための技術はよく知られており、エーテル、アミン及び他のルイス塩基、特にグリコールのジアルキルエーテルからなる群から選択される化合物のような極性化合物の使用が含まれ得る。最も好ましい改質剤は、同一又は異なる末端アルコキシ基を含み、場合によってはエチレンラジカル上にアルキル置換基を有するエチレングリコールのジアルキルエーテル(例えばモノグリム、ジグリム、ジエトキシエタン、1,2−ジエトキシプロパン、1−エトキシ−2,2−t−ブトキシエタン)の中から選択され、1,2−ジエトキシプロパンが最も好ましい。
【0017】
二ブロックコポリマー(AB)の見掛け分子量は100,000〜170,000の範囲内にある。前記二ブロックコポリマーの見掛け分子量は好ましくは110,000〜150,000、更に好ましくは115,000〜125,000の範囲内にある。
【0018】
最終ブロックコポリマーのモノビニル芳香族炭化水素の含量は、全ブロックコポリマーを基準にして、好適には10〜55重量%の範囲内にあり、好ましくは20〜45重量%の範囲内にあり、更に好ましくは25〜40重量%の範囲内にある。
【0019】
適切なモノビニル芳香族炭化水素には、スチレン、o−メチルスチレン、p−メチルスチレン、p−t−ブチルスチレン、2,4−ジメチルスチレン、α−メチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルトルエン及びビニルキシレン又はこれらの混合物が含まれ、スチレンが最も好ましい。
【0020】
ブロックコポリマーの全ビニル含量は少なくとも25重量%である。ビニル含量は好適には30〜80重量%の範囲内にあり、好ましくは35〜65重量%の範囲内にあり、更に好ましくは45〜55重量%の範囲内にあり、最も好ましくは50〜55重量%の範囲内にあり、特に50重量%以上である。
【0021】
適切な共役ジエンには、4〜8個の炭素原子を含むジエン(例えば1,3−ブタジエン、2−メチル−1,3−ブタジエン(イソプレン)、2,3−ジメチル−1,3−ブタジエン、1,3−ペンタジエン及び1,3−ヘキサジエン)が含まれる。このようなジエンの混合物を使用してもよい。好ましい共役ジエンは1,3−ブタジエン及びイソプレンであり、1,3−ブタジエンが最も好ましい。
【0022】
「ビニル含量」という用語は実際には、共役ジエンが1,2−付加によって重合していることを意味する。1,3−ブタジエンの1,2−付加重合の場合にのみ純粋な「ビニル」基が生成されるが、ブロックコポリマーや該ブロックコポリマーとアスファルトとのブレンドで知見される最終特性に対して他の共役ジエンの1,2−付加重合が及ぼす効果も同じであろう。
【0023】
本発明のアスファルト組成物で改質剤として使用されるブロックコポリマー組成物は新規であると考えられ、従って本発明は上述したいずれのブロックコポリマー組成物も包含する。
【0024】
本発明のアスファルト組成物中に存在するアスファルト成分は、天然アスファルトであってもよいし、鉱油から誘導されたものであってもよい。クラッキング法によって得られた石油ピッチやコールタールをアスファルト成分及び種々のアスファルト材料のブレンドとして使用することもできる。適切な成分の例には、蒸留又は「直留アスファルト」、沈殿アスファルト(例えばプロパンアスファルト)、ブローンアスファルト(例えば接触ブローンアスファルト又は「Multiphate」)及びこれらの混合物が含まれる。他の適切なアスファルト成分には、これらのアスファルトの1種以上と、エキステンダー(フラックス)(例えば芳香族エキストラクト、留分又は残油のような石油エキストラクト)又は油との混合物が含まれる。適切なアスファルト成分(「直留アスファルト」又は「溶融(fluxed)アスファルト」)は、25℃での針入度が50〜250dmmのものである。従って、針入度が60〜70dmmである十分に硬質のアスファルトを使用することができるが、一般には針入度が150〜250dmmの範囲内にある直留又は蒸留アスファルトを使用することが最も好都合である。相容性アスファルト及び不相容性アスファルトの両方を使用することができる。
【0025】
アスファルト組成物は更に、場合によっては、予想される最終用途のために必要とされ得る他の成分を含んでいてもよい。従って、例えばタルク、炭酸カルシウム及びカーボンブラックのような充填剤を含んでいてもよいし、樹脂、油、安定剤又は難燃剤のような他の成分を含んでいてもよい。このような充填剤や他の成分の含量は0〜40重量%の範囲内にあり得る。勿論、有利とあれば、他のポリマー改質剤を本発明のアスファルト組成物に含ませてもよい。
【0026】
本発明のポリマー−アスファルトブレンドで有用な低温特性及び高温特性が得られると共に、耐老化性が改善されれば、ブレンドが屋外暴露条件にさらされる使用において、例えば屋根材や道路用途、特に屋根材用途での使用において上記ブレンドに有意な利点がもたらされ得る。屋根材用途で使用する場合、全アスファルト組成物を基準にして6重量%から、又は更に好ましくは10重量%から15重量%の範囲の量のブロックコポリマー組成物がアスファルト組成物中に存在することが好適である。道路用途で使用する場合、全アスファルト組成物を基準にして1〜10重量%、更に好ましくは2〜8重量%の範囲の量のブロックコポリマー組成物がアスファルト組成物中に存在することが好適である。高温粘度が低いことは、ポリマー−アスファルトブレンドをより簡単に処理できることを意味するだけでなく、このブレンドによって最大許容処理粘度に達する前により多量の充填剤を取り込むことができるために、充填剤が一般的に使用されている上記用途においてより安価な製品を提供できることを意味する。
【0027】
ポリマー自体を使用できる他の例としては、消音、接着剤、シーラントもしくは塗料組成物、及び/又は防振組成物が挙げられる。
【0028】
【実施例】
以下の実施例で本発明を説明する。
【0029】
実施例1〜16
以下に記載する一般手順のどちらかに基づく慣用的な重合法により、本発明のブロックコポリマー組成物及び比較用のブロックコポリマー組成物を多数調製した。
【0030】
A.線状及び/又はラジアル結合ブロックコポリマー組成物の調製
B.完全逐次重合
一般手順A
以下の方法により、本発明の結合ブロックコポリマー組成物を調製した:
6リットルのシクロヘキサンに50℃で180gのスチレンを添加し、その後8.31mmolのsec−ブチルリチウムを添加した。40分後に反応を終了させた。その後、1.46mLのジエトキシプロパンを添加し、次いで418gのブタジエンを10分で添加した。反応混合物の温度が60℃に上昇した。この温度で85分間重合させた。重合のこの時点で反応物から試料を採取し、これをGPC ASTM D3536で分析した。次いで、表1に示すようなカップリング剤を添加した。ポリマー1〜5、10〜17の場合、添加したカップリング剤のモル量はsec−ブチルリチウムのmmol量の半分である。ポリマー8、9、18の場合、添加したカップリング剤のモル量はsec−ブチルリチウムのmmol量の4分の1である。
【0031】
反応混合物を60℃で30分間放置した。反応混合物を冷却した後に、安定化のために0.6重量%のIONOLをポリマーに添加した。生成物を蒸気ストリッピングにより単離して、白色片を得た。
【0032】
カップリング剤を除いて、sec−ブチルリチウムの量及び/又はDEPの量を変えて表1に示すブロックコポリマー組成物を製造し、表1の4欄に示す見掛け分子量を得た。
【0033】
一般手順B
6リットルのシクロヘキサンに50℃で90gのスチレンを添加し、その後4.16mmolのsec−ブチルリチウムを添加した。40分後に反応を終了させた。その後、1.46mLのジエトキシプロパンを添加し、次いで418gのブタジエンを10分で添加した。反応混合物の温度が60℃に上昇した。この温度で85分間重合させた。その後、別の90gのスチレンを1分で添加した。60℃で15分間重合させた後に、0.5mLのエタノールを添加して、重合を停止させた。反応混合物を冷却した後に、安定化のためにポリマー重量に対して0.6重量%のIONOLを添加した。生成物を蒸気ストリッピングにより単離して、白色片を得た。
【0034】
sec−ブチルリチウムの量及びDEPの量を変えて表1に示すブロックコポリマー組成物を製造し、表1のポリマー6、7、16について5欄に示す見掛け分子量を得た。
【0035】
比較用ポリマー組成物の詳細は以下の表2に示す。
【0036】
【表1】
【0037】
【表2】
【0038】
注
1 重量;ASTM 3314で測定
2 ブタジエンブロックの重量;一般にASTM 3677でのようにIR分光分析法で測定
3 重量平均分子量;UV吸収により検出するGPC(ASTM 3536)により測定
4 カップリングにより生成された物質の量/カップリング前に存在するリビング「二ブロック」の総量の重量比
DMDCS:ジメチルジクロロシラン
MDCS:メチルジクロロシラン
SiCl4:四塩化ケイ素
GPTS:γ−クリシドキシ−プロピルトリメトキシシラン
【0039】
【表3】
【0040】
DEAP:ジエチルアジペート
DBE:ジブロモエタン
実施例17
実施例1〜9の各々及び比較例の各々について、以下の手順によりアスファルト中の12重量%ブロックコポリマー組成物ブレンドを調製した。この手順では、Silverson LR2高剪断混合機を使用した:
アスファルトを160℃に加熱し、その後ブロックコポリマー組成物を添加した。ポリマー添加中に、混合機のエネルギー入力によって温度が180℃に上昇した。180℃になると、高剪断混合機のスイッチのon/offを切り換えて温度を一定に維持した。均質なブレンドが得られるまで蛍光鏡検法で監視しながら、混合を継続した。一般に、混合時間は約60分であった。
【0041】
この実施例で使用したアスファルトグレードは、針入度が200の相容性アスファルトPX−200である。
【0042】
次いで、ブロックコポリマー−アスファルトブレンドで、屋根材用途に対する適用可能性を試験した。本発明のブロックコポリマーブレンド及び比較用ブレンドについて、初期及び6カ月の老化時間の後に得られた低温性能及び高温性能の両方の評価を以下の表3に示す。使用した試験方法は次の通りであった:
粘度:Haeke回転粘度計及び20s-1から100s-1の剪断速度を用いて180℃で評価
低温曲げ(CB):DIN 52123で評価
流れ抵抗温度:DIN 52123で評価。
【0043】
暗所換気炉にて70℃で6カ月間処理することからなるUEAtc(Union Europeenne pour L’Agrement Technique dans la Construction)が推奨する実験室老化試験により、ブロックコポリマーアスファルトブレンドの老化特性を調べた。表3では、初期値及び6カ月の老化の後の値を示す。2つの値の差(Δ値)も示す。望ましくは、Δ値ができるだけ小さくなるべきである。値が高くなると、被試験組成物の推定耐用年数が短くなる。
【0044】
低温曲げ温度によって示されるような低温特性や安定性は一般にビニル含量の多いブロックコポリマー組成物を含む全てのブレンドで良好であるが、本発明のブロックコポリマー組成物は更に、時間と共に一般に粘度は下がるが、流れ抵抗温度は保持される有利な高温特性を示し、これが使用上の推定耐用年数が有利に長くなることを反映していることは、表3から明白であり得る。比較例C1−C7は一般に、より高い粘度を示し、流れ抵抗温度のΔ値が遥かに大きいことは、この高温特性が経時的にかなり低減したことを示している。ビニル含量の少ないブロックコポリマー組成物を含むブレンド(比較例C8及びC9)が、本発明のアスファルトブレンドに比べて、低温特性や安定性をそれほど保持せず、高温特性は比較的不良であることが更に観察された。
【0045】
【表4】
【0046】
【表5】
【0047】
実施例18
実施例10〜16のブロックコポリマー組成物について、実施例17の配合手順により、アスファルトグレードPX−200中の12重量%ポリマーブレンドを調製し、初期の高温特性及び低温特性を評価した。結果を表4に示す。
【0048】
【表6】
【0049】
表4のブロックコポリマーブレンドも、有利な「高温」粘度及び許容可能な流れ抵抗及び低温曲げ温度を示している。
【0050】
実施例19
この実施例では、実施例17の配合手順を用い、種々の非相容性アスファルトグレードB−180(針入度180)により実施例6、8及び比較例C8のブロックコポリマー組成物を配合して、上述の有利な特性が他のアスファルトとのブレンドでも一様に得られるかどうかを調べた。
【0051】
(実施例17で実施した)高温特性及び低温特性の結果の詳細を以下の表5に示す。
【0052】
本発明のブロックコポリマーブレンドの有利な特性が他のアスファルトグレードとのブレンドでも明らかに維持されることが表5から明白であろう。
【0053】
【表7】
Claims (6)
- アスファルト成分とブロックコポリマー組成物とを含んでなるアスファルト組成物であって、前記ブロックコポリマー組成物は、場合により二ブロックコポリマー(AB)が混合された、少なくとも1の線状三ブロックコポリマー(ABA)またはマルチアームブロックコポリマー((AB) n X)(ここで、Aはモノビニル芳香族炭化水素ポリマーブロックを示し、Bは共役ジエンポリマーブロックを示し、nは2以上の整数、Xはカップリング剤の残基を示す)を含み、ブロックコポリマー組成物のビニル含量が全ジエン含量を基準にして35〜65重量%であり、二ブロックコポリマー(AB)の含量は15重量%未満であり、製造したブロックコポリマー組成物中に任意に存在する二ブロックコポリマー(AB)の見掛け分子量が110,000〜150,000であり、三ブロックコポリマーは完全順次重合法により製造され、三ブロックコポリマーの見掛け分子量が200,000〜340,000であり、見掛け分子量はASTM D 3536に従ってポリスチレン検量標準を用いるゲル透過クロマトグラフィーで測定される、ことを特徴とする前記アスファルト組成物。
- ブロックコポリマー組成物のビニル含量が45〜55重量%の範囲内にある請求項1に記載のアスファルト組成物。
- 任意に存在する二ブロックコポリマーの見掛け分子量(ASTM D 3536に従ってポリスチレン検量標準を用いるゲル透過クロマトグラフィーで測定される)が115,000〜125,000の範囲内にある請求項1又は2に記載のアスファルト組成物。
- 全アスファルト組成物を基準にして6〜15重量%の範囲の量のブロックコポリマー組成物が存在する請求項1から3のいずれ一項に記載のアスファルト組成物。
- 改質後のアスファルト組成物の180℃での粘度を1〜8Pasの範囲内とし、UEAtc実験室老化試験で6カ月後の流れ抵抗温度及び低温曲げ温度の変化をそれぞれ25℃以下及び10℃以下とするアスファルト用改質剤として、請求項1から4のいずれ一項に記載のブロックコポリマー組成物を使用する方法。
- 場合により二ブロックコポリマー(AB)が混合された、少なくとも1の線状三ブロックコポリマー(ABA)またはマルチアームブロックコポリマー((AB) n X)(ここで、Aはモノビニル芳香族炭化水素ポリマーブロックを示し、Bは共役ジエンポリマーブロックを示し、nは2以上の整数、Xはカップリング剤の残基を示す)を含むブロックコポリマー組成物であって、ブロックコポリマー組成物のビニル含量が全ジエン含量を基準にして35〜65重量%であり、二ブロックコポリマー(AB)の含量は15重量%未満であり、製造したブロックコポリマー組成物中に任意に存在する二ブロックコポリマー(AB)の見掛け分子量が110,000〜150,000であり、三ブロックコポリマーは完全順次重合法により製造され、三ブロックコポリマーの見掛け分子量が200,000〜340,000であり、見掛け分子量はASTM D 3536に従ってポリスチレン検量標準を用いるゲル透過クロマトグラフィーで測定される、ことを特徴とする前記ブロックコポリマー組成物。
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