KR20160106070A - 아스팔트 바인더 조성물 및 이의 제조 및 사용 방법 - Google Patents

아스팔트 바인더 조성물 및 이의 제조 및 사용 방법 Download PDF

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Abstract

아스팔트 및 중합체 블렌드를 포함하는 아스팔트 바인더 조성물로서, 상기 중합체 블렌드는 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 및 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 및 이들의 조합에서 선택되는 다른 중합체를 포함하는 아스팔트 바인더 조성물이 제공된다. 상기 언급된 아스팔트 바인더 조성물 및 골재 재료를 포함하는 포장 및 지붕 재료도 제공된다. 상기 아스팔트 바인더 조성물의 제조 및 사용 방법도 제공된다.

Description

아스팔트 바인더 조성물 및 이의 제조 및 사용 방법{ASPHALT BINDER COMPOSITIONS AND METHODS TO MAKE AND USE SAME}
관련 출원에 대한 교차 출원
본 출원은 USC 119(e)에 따라, 2014년 1월 7일 출원된 미국 가출원 제61/924,582호의 이익을 청구한다.
분야
본 개시는 일반적으로 아스팔트 바인더 조성물 및 이의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 역청 및 명시된 폴리올레핀을 포함하는 중합체 블렌드를 포함하는 아스팔트 바인더 조성물이, 이러한 아스팔트 바인더 조성물의 제조 및 사용 방법과 함께 제공된다.
아스팔트 믹스는 도로 건설 및 유지를 위한 포장 재료(paving material)로서 보통 사용된다. 통상적으로, 종종 아스팔트 바인더, 아스팔트 시멘트 또는 역청으로 지칭되는 아스팔트를 골재와 혼합하여 아스팔트 포장에 사용되는 재료를 형성시킨다. 이 재료의 가공 및 사용으로 아스팔트 포장재(pavement)가 얻어진다. 더욱 구체적으로, 아스팔트 포장재는 아스팔트 바인더를 골재에 부착시켜 아스팔트 바인더의 연속상 내에 유지된 골재를 포함한다.
아스팔트 포장재의 강도 및 내구성은 사용되는 재료의 특성, 다양한 재료의 상호 작용, 믹스 설계, 건설 실시, 및 포장재가 노출되는 환경 및 교통 조건과 같은 다양한 인자에 따라 달라진다. 포장재의 수명 동안 양호한 성능을 갖는 믹스를 제조하기 위해, 골재의 아스팔트로의 적당한 코팅 및 양쪽 성분 사이의 양호한 접착력 뿐 아니라 아스팔트의 양호한 전반적인 점착 강도를 달성하는 것이 중요하다.
종래의 아스팔트 재료는 예컨대 고온에서의 영구 변형, 크리프 및 바퀴 자국 패임(rutting) 및 저온에서의 취약성 및 크래킹과 같은 환경 조건에의 노출로 인해 다양한 유형의 결함(distress) 양태로부터 어려움을 겪는다. 이들 다양한 결함 양태에 대한 아스팔트 재료의 내성을 개선하기 위해, 고온 성능 첨가제, 예컨대, 플라스토머 및/또는 엘라스토머, 및/또는 저온 성능 첨가제, 예컨대, 프로세스 오일을 아스팔트 재료에 혼입한다. 고온 성능 첨가제는 영구 변형 및 크리프에 견디기 위해 더 높은 온도에서는 아스팔트 재료의 모듈러스를 증가시키는 경향이 있는 반면, 저온 성능 첨가제는 취약성 및 크래킹에 견디기 위해 더 낮은 온도에서는 아스팔트 재료의 가요성 및 연성을 증가시키는 경향이 있다.
불행하게도, 현재의 저온 성능 첨가제는 항상 더 낮은 온도에서 아스팔트 재료의 가요성 및 연성을 원하는 만큼 증가시키는 데에 효과적인 것은 아니며, 종종 고온 성능 첨가제를 첨가하여도 아스팔트 재료의 고온 성능 특성을 손상시킨다. 한편, 현재의 고온 성능 첨가제는 항상 고온에서 영구 변형, 크리프 및 바퀴 자국 패임의 감소에 원하는 만큼 효과적인 것은 아니며, 종종 저온 성능 첨가제를 첨가하여도 아스팔트 재료의 저온 성능 특성을 손상시킨다. 바퀴 자국 패임의 감소 또는 방지를 위해 아스팔트 바인더의 개질에 사용되는 통상적인 중합체는 예컨대, 스티렌/부타디엔/스티렌 공중합체(SBS)와 같은 엘라스토머, 및 예컨대, 폴리에틸렌, 에틸/비닐 아세테이트 공중합체(EVA)와 같은 플라스토머 등을 포함한다.
아스팔트 성능 등급(PG) 레이팅 시스템은 상이한 온도에서 바인더의 성능에 기초하여 아스팔트 포장재에 사용되는 아스팔트 바인더를 분류한다. 약 64-22의 PG 레이팅을 갖는 아스팔트 바인더는 예컨대, 포장재가 +64℃만큼 높고 -22℃만큼 낮은 온도에 도달하는 기후에서 이 아스팔트 바인더를 사용할 수 있음을 의미한다. 아스팔트 바인더의 PG 범위 밖의 온도에서는 보통 이 바인더가 사용되는 아스팔트 포장재의 악화가 초래된다. 따라서, 얼마 전부터 도로 포장재 용도에 사용되는 아스팔트 바인더 조성물의 PG 범위를 넓히는 것이 목적이 되어 왔다.
고온 PG 등급과 저온 PG 등급 사이에는 아스팔트의 유효 온도 간격(useful temperature interval, UTI)에 차이가 있다. 일반적으로, > 92℃의 UTI를 얻기 위해, 개질 아스팔트가 요구된다. 예컨대, PG 76-22의 보통 중합체 개질 아스팔트는 98℃의 UTI를 갖는다. 아스팔트 바인더의 PG 범위의 증가에 더해, 개질제는 결과로 나온 아스팔트의 일반적인 인성 및 마모 특성과 같은 다른 품질도 개선시킨다.
아스팔트 바인더의 PG 범위를 넓히고 유효 온도 간격을 증가시키는 새로운 아스팔트 바인더 개질제에 대한 필요가 남아 있다. 본원에서 설명되는 아스팔트 바인더 조성물의 다른 바람직한 특징 및 특성 및 이 조성물의 제조 및 사용 방법은 하기 상세한 설명 및 청구범위로부터 명백할 것이다.
본 개시는 아스팔트 바인더 조성물 뿐 아니라 이의 제조 및 사용 방법을 제공한다. 예시적인 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물은 a) 아스팔트 및 b) 중합체 블렌드를 포함하며, 여기서 중합체 블렌드는 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 및 (ii) 말레산염화(maleated) 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체를 포함한다.
다른 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물은 실질적으로 a) 아스팔트 및 b) 중합체 블렌드로 이루어지며, 여기서 중합체 블렌드는 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 및 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체를 포함한다.
다른 예시적인 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은 아스팔트, 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 및 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체를 혼합하여 아스팔트 바인더 조성물을 형성시키는 것을 포함한다.
신규한 아스팔트 바인더 조성물 및 이의 제조 및 사용 방법이 본원에 제공되고 설명된다. 아스팔트 바인더 조성물에 특정 중합체의 블렌드를 첨가하는 것이 아스팔트 바인더 조성물의 PG 범위를 넓히고 UTI를 증가시킴이 놀랍게도 밝혀졌다. 아스팔트 바인더 조성물의 PG 범위 및 UTI에 대한 이들 중합체 블렌드의 효과는 상승적이다. 즉, 동일한 총 중합체 투입 수준에서, 중합체 블렌드는, 동일한 투입 수준으로의 각각의 개별 중합체보다 양호한 성능을 갖는다. 양호한 성능은 더 긴 도로 수명 또는 더 긴 빌딩 수명으로 해석될 수 있고, 이는 소비자에게 상당한 경제적 이익을 가져온다. 본원에서 고려되고 설명되는 아스팔트 바인더 조성물의 다른 이점은, 상당한 비용 감소로 해석되는 상당히 감소된 중합체 양과 함께 PG 범위 및 UTI에 관한 동일한 수준의 성능을 달성할 수 있다는 것이다.
예시적인 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물은 아스팔트 및 중합체 블렌드를 포함하며, 여기서 중합체 블렌드는 하기를 포함한다: (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체. 일부 구체예에서, 중합체 블렌드는 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌을 포함한다. 다른 구체예에서, 중합체 블렌드는 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 (ii) 폴리에틸렌 단독 중합체를 포함한다. 또 다른 구체예에서, 중합체 블렌드는 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 (ii) 고결정화도 폴리에틸렌을 포함한다.
아스팔트는 우세한 성분이 자연에서 생성되거나 또는 석유 가공에서 얻어지는 역청인 암갈색 내지 흑색 시멘트 유사 재료로서 ASTM에 의해 정의된다. 아스팔트는 특징적으로 포화 화합물(saturate), 방향족, 수지 및 아스팔텐을 함유한다. 용어 "아스팔트" 및 "역청"은 종종, 모두가 본원에서 고려되고 설명되는 조성물 및 방법의 범위 내에 있는 재료의 천연 및 제조 형태 양쪽을 의미하기 위해 상호 교환적으로 사용된다. 본원에서 하기에는, 적절한 아스팔트 및 역청 재료를 설명하는 데에 용어 "아스팔트"만이 사용될 것이다.
본원에서 고려되고 설명되는 조성물 및 방법에 사용하기에 적절한 아스팔트의 유형은 특별히 한정되지 않으며, 현재 또는 미래에 공지되는 임의의 천연 생성, 합성 제조 및 개질 아스팔트를 포함한다. 천연 생성 아스팔트는 천연석 아스팔트, 레이크 아스팔트 등을 포함한다. 합성 제조 아스팔트는 종종 석유 정련 조작의 부산물이며, 공기 취입(air-blown) 아스팔트, 블렌드 아스팔트, 크래킹 또는 잔류 아스팔트, 석유 아스팔트, 프로판 아스팔트, 스트레이트런(straight-run) 아스팔트, 열 아스팔트 등을 포함한다. 개질 아스팔트는 엘라스토머, 인산, 폴리인산, 플라스토머, 분쇄 아이어 고무(GTR), 재생 아스팔트 포장재(RAP), 재생 아스팔트 싱글(RAS) 등, 또는 이들 개질제의 다양한 조합으로 개질된 베이스 아스팔트(예컨대 천연 생성 또는 합성 제조될 수 있는 순수한(neat) 또는 비개질된 아스팔트)를 포함한다.
또한, 포장 등급 아스팔트를 포함하나 이에 한정되지 않는 산업 등급 아스팔트가 본원에서 고려되고 설명되는 조성물 및 방법에 사용하기에 유리하다. 포장 등급 아스팔트의 비배제적인 예는 하기 성능 등급 레이팅 중 임의의 하나를 갖는 아스팔트를 포함한다: PG 46-34, PG 52-34, PG 52-28, PG 58-28, PG 64-22, PG 64-16, PG 64-10, PG 67-22, PG 70-28, PG 70-22, PG 70-16, PG 70-10, PG 76-28, PG 76-22, PG 76-16 및 PG 76-10. 추가로, 본 발명의 범위 내에 있는 포장 등급 아스팔트의 비배제적인 예는 하기 침투 등급 중 임의의 하나를 갖는 포장 등급 아스팔트를 포함한다: 50/70, 60/90, 80/100, 80/120 및 120/150.
추가로, 지붕 등급 아스팔트와 같은 산업 등급 아스팔트를 본원에서 고려되고 설명되는 아스팔트 바인더 조성물에 사용하는 것이 유리할 수 있음이 고려된다. 이러한 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물은 지붕 용도에 유용하다. 적절한 지붕 등급 아스팔트는 하기 경도 등급 중 임의의 하나를 갖는 아스팔트를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다: PG 58-28, 64-22, 67-22, 70-22 및 76-22를 포함하지만 이에 한정되지 않는 100/150 dmm pen, 150/200 dmm pen, 200/300 dmm pen 및 300+ dmm pen. 아스팔트 바인더 조성물의 일부 구체예에서, 아스팔트는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 65 중량% 내지 약 99 중량%(wt%)의 농도로 존재한다. 예컨대, 아스팔트는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 70~90 wt%, 또는 약 65 wt% 내지 약 75 wt%, 또는 약 75 wt% 내지 약 99 wt%, 또는 약 75 wt% 내지 약 95 wt%, 또는 약 75 wt% 내지 약 85 wt%, 또는 심지어 약 85 wt% 내지 약 99 wt%의 농도로 존재할 수 있다. 일부 예시적인 구체예에서, 아스팔트는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 96.5 wt%와 같은 약 94 wt% 내지 약 99 wt%의 농도로 존재한다.
일부 구체예에서, 중합체 블렌드는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 0.5 wt% 내지 약 25 wt%의 농도로 존재한다. 예컨대, 한정하는 것은 아니며, 중합체 블렌드는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 0.5 wt% 내지 약 5 wt%, 또는 약 0.5 wt% 내지 약 10 wt%, 또는 약 3 wt% 내지 약 8 wt%, 또는 약 5 wt% 내지 약 10 wt%, 또는 약 5 wt% 내지 약 15 wt%, 또는 약 10 wt% 내지 약 15 wt%, 또는 약 10 wt% 내지 약 20 wt%, 또는 약 15 wt% 내지 약 20 wt%, 또는 약 15 wt% 내지 약 25 wt%, 또는 심지어 약 20 wt% 내지 약 25 wt%의 농도로 존재한다. 일부 구체예에서, 중합체 블렌드는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 1 wt% 내지 약 5 wt%, 예컨대, 약 3.5 wt%의 농도로 존재한다. 아스팔트 바인더 조성물의 임의의 구체예에서의 중합체 블렌드의 적절한 소정 농도는 의도하는 특정 최종 용도, 예컨대 PG 또는 지붕 등급 아스팔트 시험에 필요한 최종 특성에 따라 실험에 의해 결정 및 선택될 것이다.
본원에서 고려되고 설명되는 아스팔트 바인더 조성물의 일부 구체예에서, 중합체 블렌드는 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체를, 약 1:4 내지 약 4:1의 (산화형 고밀도 폴리에틸렌):(개질 중합체)의 중량비로 포함한다. 예컨대, 한정하는 것은 아니며, 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 개질 중합체는 각각 약 1:3 내지 약 3:1, 또는 약 1:2 내지 약 2:1, 또는 약 1:2 내지 약 1:3, 또는 약 1:4 내지 약 3:1, 또는 약 1:4 내지 약 2:1, 또는 약 1:3 내지 약 4:1, 또는 약 2:3 내지 약 4:1, 또는 약 2:3 내지 약 3:1, 약 2:3 내지 약 3:2, 또는 약 3:1 내지 4:1, 또는 약 3:1 내지 약 2:1, 또는 심지어 약 1:1의 중량비로 존재할 수 있다. 아스팔트 바인더 조성물의 임의의 구체예에서 중합체 블렌드 중 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 개질 중합체에 적절한 중량비는 의도하는 특정 최종 용도, 예컨대 PG 또는 지붕 등급 아스팔트 시험에 필요한 최종 특성에 따라 실험에 의해 결정 및 선택될 것이다.
아스팔트 바인더 조성물의 일부 구체예에서, 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체 및 고결정화도 폴리에틸렌 각각은 독립적으로 약 800 g/몰 내지 약 50,000 g/몰의 중량 평균 분자량(Mw)을 갖는다. 예컨대, 상기 언급된 중합체 각각의 Mw는 약 1000 g/몰 내지 약 5000 g/몰, 또는 약 5000 g/몰 내지 약 10,000 g/몰, 또는 약 10,000 g/몰 내지 약 20,000 g/몰, 또는 약 20,000 g/몰 내지 약 30,000 g/몰, 또는 약 30,000 g/몰 내지 약 40,000 g/몰, 또는 심지어 약 40,000 g/몰 내지 약 50,000 g/몰일 수 있다. 일구체예에서, 예컨대, 이들 중합체 각각은 약 2000 g/몰 내지 약 15,000 g/몰, 예컨대 약 4000 g/몰 내지 약 20,000 g/몰의 분자량을 가질 수 있다. 중량 평균 분자량은 당업계에 일반적으로 공지된 기술인 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의해 결정된다. 더욱 구체적으로, 이용되는 GPC 방법에 따르면, 측정할 샘플을 140℃에서 2.0 mg/ml의 농도로 1,2,4-트리클로로벤젠에 용해시킨다. 용액(200 ㎕)을 2개의 140℃로 유지된 PL 겔 5 ㎛ Mixed-D(300x7.5 mm) 컬럼에, 1.0 mL/분의 유속으로 주입한다. 기구에는 2개의 검출기(굴절 지수 및 점도 검출기)가 구비되어 있다. 선형 폴리에틸렌 협 Mw 표준의 세트로부터 생성된 보정 곡선을 이용하여 분자량(중량 평균 분자량, Mw)을 결정한다.
또한, 일부 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물에 사용하기에 적절한 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체 및 고결정화도 폴리에틸렌은 각각 설명되는 중합체의 총 중량을 기준으로, 50% 초과의 결정화도를 갖는다. 예컨대, 한정하는 것은 아니며, 상기 언급된 중합체는 각각 설명되는 중합체의 총 중량을 기준으로, 약 75% 초과, 또는 약 50% 내지 약 60%, 또는 약 60% 내지 약 70%, 또는 약 70% 내지 약 80%, 또는 약 80% 내지 약 90%, 또는 심지어 약 90% 내지 약 100%의 결정화도를 가질 수 있다. 또한, 폴리에틸렌 단독 중합체가 사용되는 일부 구체예에서, 폴리에틸렌 단독 중합체는 80% 초과의 결정화도를 가질 수 있다. 반면, 고결정화도 폴리에틸렌이 사용되는 일부 다른 구체예에서, 고결정화도 폴리에틸렌은 90% 초과의 결정화도를 갖는다. 상기 언급된 중합체의 결정화도는 당업계에 일반적으로 공지된 기술인 시차 주사 열량법(DSC)에 의해 결정한다. DSC는 10℃/분의 가열 및 냉각 속도로 열, 냉, 재가열 사이클로 실시한다. 더욱 구체적으로, 샘플을 우선 -50℃로 냉각시킨 후 150℃로 가열하고, 재차 -50℃로 냉각시킨 후, 150℃로 재가열한다.
상기 논의된, 상기 언급된 중량 평균 분자량 및 결정화도 범위 내에서, 다양한 중합체(즉, 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체 및 고결정화도 폴리에틸렌)의 유형 및 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 본원에 설명된 것에 따른 적절한 중합체는 미국 뉴저지주 소재 Honeywell International로부터 상표명 HONEYWELL TITAN 7686(산화형 고밀도 폴리에틸렌), HONEYWELL TITAN 7278(말레산염화 폴리프로필렌), HONEYWELL TITAN 7212(폴리에틸렌 단독 중합체) 및 HONEYWELL TITAN™ 7387(고결정화도 폴리에틸렌)로 시판 중이다.
일부 구체예에서, 본원에서 고려되는 아스팔트 바인더 조성물은 넓어진 PG 범위를 가지며, 또한 적어도 90℃의 유효 온도 간격(UTI)을 가질 수 있다. 예컨대, 한정하는 것은 아니며, 아스팔트 바인더 조성물의 UTI는 적어도 약 92℃, 또는 적어도 93℃, 또는 적어도 94℃, 또는 적어도 95℃, 또는 적어도 약 96℃, 또는 적어도 약 97℃, 또는 심지어 적어도 약 98℃일 수 있다.
다른 예시적인 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물은 아스팔트 및 중합체 블렌드를 포함하며, 여기서 중합체 블렌드는 산화형 고밀도 폴리에틸렌의 부재 하에 하기에서 선택되는 2 이상의 중합체를 포함한다: 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체 및 고결정화도 폴리에틸렌. 또한, 이 예시적인 구체예의 일부 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물은 아스팔트 및 중합체 블렌드를 포함하며, 여기서 중합체 블렌드는 산화형 고밀도 폴리에틸렌의 부재 하에 실질적으로 하기에서 선택되는 2 이상의 중합체로 이루어진다: 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체 및 고결정화도 폴리에틸렌.
추가로, 아스팔트 바인더 조성물은 현재 및 미래에 관련 업계에서 숙련자에게 친밀한 것들과 같은 1 이상의 추가의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 이러한 첨가제는 통상적으로 아스팔트 바인더 조성물 및 이로부터 제조되는 제품의 특정 특성(예컨대 몇 가지 예를 들면 침투성(즉, 강도), 점도 및 연화점)을 개선시키는 데에 사용된다. 본원에서 고려되고 설명되는 아스팔트 바인더 조성물 중에 포함시키기에 적절한 이러한 첨가제의 비배제적인 예는 그 중에서도 플라스토머, 엘라스토머, 왁스, 폴리인산, 플럭스 오일(flux oil), 가소화제, 항산화제 및 이들의 조합, 예컨대 재활용 분쇄 타이어 고무, 폐타이어 분말(crumb rubber) 또는 폴리옥테나머(polyoctenamer)및 박리 방지(anti-strip) 첨가제(이의 비제한적인 예는 수화 석회임) 및 아민을 포함하며, 이에 한정되지 않는다.
아스팔트 바인더 조성물의 일부 구체예에서, 1 이상의 추가의 첨가제는 함께 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 0.5 wt% 내지 약 20 wt%의 총 농도로 존재한다. 예컨대, 아스팔트 바인더 조성물 중 이러한 추가의 첨가제의 총 농도는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 0.5 wt% 내지 약 1.0 wt%, 또는 약 1.0 wt% 내지 약 5.0 wt%, 또는 약 5.0 wt% 내지 약 10 wt%, 또는 심지어 약 10 wt% 내지 약 20 w%일 수 있다. 더욱 구체적으로, 일부 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물은 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 1 wt% 내지 약 2 wt%, 예컨대 약 1 wt%의 추가의 첨가제의 총 농도를 포함할 수 있다.
적절한 엘라스토머는 예컨대 천연 고무 및 합성 중합 고무로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 적절한 엘라스토머 또는 플라스토머의 다른 비배제적인 예는 부틸, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌 및 폴리이소부텐 고무; 스티렌/부타디엔 공중합체, 예컨대 스티렌/부타디엔/스티렌 삼블록 공중합체(SBS); 스티렌/에틸렌-부틸렌/스티렌 삼블록 공중합체(SEBS); 폴리(스티렌-이소프렌-스티렌)(SIS); 에틸렌-메타크릴레이트(EMA); 에틸렌-프로필렌 디엔 단량체(EPDM); 에틸렌-비닐-아세테이트(EVA); 및 에틸렌-부틸 아크릴레이트-글리시딜 메타크릴레이트 삼원 혼성 중합체를 포함한다.
아스팔트 바인더 조성물 중 추가의 첨가제로서 사용하기에 적절한 왁스는 작용화 또는 합성 왁스 또는 천연 생성 왁스일 수 있다. 또한, 왁스는 산화 또는 비산화형일 수 있다. 합성 왁스의 비배제적인 예는 에틸렌 비스-스테아르아미드 왁스(EBS), 피셔-트롭슈 왁스(FT), 산화형 피셔-트롭슈 왁스(FTO), 폴리올레핀 왁스, 예컨대 폴리에틸렌 왁스(PE), 산화형 폴리에틸렌 왁스(OxPE), 폴리프로필렌 왁스, 폴리프로필렌/폴리에틸렌 왁스, 알콜 왁스, 실리콘 왁스, 석유 왁스, 예컨대 미정질 왁스 또는 파라핀 및 다른 합성 왁스를 포함한다. 작용화 왁스의 비배제적인 예는 아민 왁스, 아미드 왁스, 에스테르 왁스, 카르복실산 왁스 및 미정질 왁스를 포함한다. 천연 생성 왁스는 식물, 동물 또는 광물, 또는 현재 또는 미래에 공지되는 다른 공급원에서 유래될 수 있다. 천연 왁스의 비배제적인 예는 식물 왁스, 예컨대 칸데리라 왁스, 카나우바 왁스, 라이스 왁스(rice wax), 목랍 및 호호바 오일; 동물 왁스, 예컨대 밀랍, 라놀린 및 고래 왁스; 및 광물 왁스, 예커대 몬탄 왁스, 오조케라이트 및 세레신을 포함한다. 상기 언급된 왁스의 혼합물도 적절하며, 예컨대 왁스는 피셔-트롭슈(FT) 왁스 및 폴리에틸렌 왁스의 블렌드를 포함할 수 있다.
아스팔트 바인더 조성물의 일부 구체예에서, 인산은 예컨대 생성물의 연화점을 올리기 위해 종래량으로 추가의 첨가제로서 사용될 수 있는 다른 물질이다. 인산은 인산의 상이한 형태의 혼합물을 비롯한 임의의 적절한 형태로 제공될 수 있다. 예컨대, 인산의 일부 적절한 상이한 형태는 인산, 폴리인산, 과인산, 피로인산 및 삼인산을 포함한다.
가소화제도 본원에 설명된 구체예에 따라 아스팔트 바인더 조성물의 가소성 또는 유동성을 증가시키기 위해 종래량으로 추가의 첨가제로서 사용될 수 있다. 적절한 가소화제의 비배제적인 예는 현재 또는 미래에 업계의 숙련자들에게 친밀한 다른 것들 중에서 탄화수소 오일(예컨대, 파라핀, 방향족 및 나프텐 오일), 장쇄 알킬 디에스테르(예컨대, 프탈산 에스테르, 예컨대 디옥틸 프탈레이트, 및 아디프산 에스테르, 예컨대 디옥틸 아디페이트), 세바크산 에스테르, 글리콜, 지방산, 인산 및 스테아르산 에스테르, 에폭시 가소화제(예컨대, 에폭시화 대두유), 폴리에테르 및 폴리에스테르 가소화제, 알킬 모노에스테르(예컨대, 부틸 올레에이트), 장쇄 부분 에테르 에스테르(예컨대, 부틸 셀로솔브 올레에이트)를 포함한다.
산화 방지제는 이들 재료에서 강도 및 가요성의 손실을 일으키는 중합체의 산화 분해를 방지하기 위해 아스팔트 바인더 조성물에 대한 추가의 첨가제로서 종래량으로 사용될 수 있다.
본원에서 상기 설명된 아스팔트 바인더 조성물의 제조 및 사용 방법도 제공된다. 일반적으로, 아스팔트 바인더 조성물의 제조 방법은 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌을 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 다른 중합체 및 아스팔트와 적절량으로 혼합하여 상기 설명된 아스팔트 바인더 조성물의 구체예 중 임의의 것을 형성시키는 것을 포함한다. 일부 구체예에서, 아스팔트 바인더 조성물의 제조 방법은 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌을 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 다른 중합체와 적절량으로 제1 혼합하여 상기 설명된 바의 적절한 중합체 블렌드를 형성시킨 후, 중합체 블렌드를 아스팔트와 적절량으로 혼합하여 상기 설명에 따른 아스팔트 바인더 조성물을 형성시키는 것을 포함할 수 있음이 주지된다. 아스팔트, 및 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 개질 중합체를 의미하는 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 (ii) 개질 중합체의 "적당량"은 중량비가 각각 약 3:1 내지 약 1:3인 양으로 제공될 수 있고, 아스팔트는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 65 wt% 내지 약 99 wt%의 농도로 결과로 나온 아스팔트 바인더 조성물에 존재한다.
혼합은 적절한 온도 및 교반에서, 그리고 현재 및 미래에 업계의 숙련자에게 친숙한 전반적인 조건 하에서 수행한다. 방법의 일부 구체예에서, 예컨대 혼합은 약 75℃ 내지 약 200℃의 온도에서 약 30 분 내지 약 6 시간의 시간 동안 수행한다. 또한, 혼합은 예컨대 약 5의 분당 회전(RPM) 내지 약 100 RPM의 속도로 저전단 믹서를 이용하여 수행할 수 있다.
본원에 상기 설명된 것들에 따라 아스팔트 바인더 조성물의 PG 범위를 넓히거나 유효 온도 간격(UTI)을 증가시키는 방법도 고려된다. 이러한 방법 양쪽은 (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌을 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 다른 중합체 및 아스팔트와 적당량으로 혼합하여 상기 설명된 아스팔트 바인더 조성물의 구체예 중 임의의 것을 형성시키는 것을 포함한다. 예컨대, 한정하는 것은 아니며, 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 개질 중합체는 중량비가 각각 약 3:1 내지 약 1:3인 양으로 제공될 수 있으며, 아스팔트는 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 65 wt% 내지 약 99 wt%의 농도로 결과로 나온 아스팔트 바인더 조성물에 존재한다.
다른 예시적인 구체예에서, 본원에 설명된 아스팔트 바인더 조성물을 사용하는 방법이 제공된다. 일구체예에서, 예컨대, 상기 방법은 아스팔트 바인더 조성물을 골재와 혼합하여 포장 재료를 제조하는 것을 수반한다. "골재"는 예컨대 모래, 자갈 또는 분쇄된 돌과 같은 광물 재료에 대한 총칭이다. 골재는 천연 골재, 제조 골재 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 천연 골재는 통상적으로 기계적 분쇄에 의해 사용 가능한 크기로 감소되는, 개방 발굴지(open excavation)(예컨대 채석장)로부터 추출된 암석이다. 제조 골재는 통상적으로 야금 가공(예컨대 강철, 주석 및 구리 제조)으로부터의 슬래그와 같은 다른 제조 공정의 부산물이다. 제조 골재는 또한 천연 암석에서는 발견되지 않는 특별한 물리적 특성을 갖게 하기 위해 제조되는 특수 재료를 포함한다.
이러한 방법은 도로 건설, 도로 유지 또는 둘다를 위한 포장 재료의 사용을 더 포함할 수 있다. 이러한 방법에 의해 얻어진 포장 재료 및 도로는 고온에서의 영구 변형, 크리프 및 바퀴 자국 패임 및 저온에서의 취약성 및 크래킹과 같은 결함 양태의 감소로 인해, 더 긴 유용 수명을 가짐과 함께 유지 요구가 감소될 것이다. 다른 구체예에서, 상기 방법은 아스팔트 바인더 조성물을 골재와 혼합하여 지붕 재료를 제조하는 것을 수반한다. 이러한 방법은 지붕 건설, 지붕 유지 또는 둘다를 위해 지붕 재료를 사용하는 것을 더 포함할 수 있다. 이러한 방법에 의해 얻어진 지붕 재료 및 지붕은 고온에서의 스커핑(scuffing), 슬라이딩 및 저온에서의 취약성 및 크래킹과 같은 결함 양태의 최소화로 인해, 더 긴 유용 수명을 가짐과 함께 유지 요구가 감소될 것이다.
상기 상세한 설명에서 1 이상의 예시적인 구체예를 제시하였지만, 방대한 수의 변형예가 존재할 수 있음을 이해해야 한다. 예시적인 구체예(들)는 단지 예이며, 어떠한 식으로든 본원에 설명된 조성물 및 방법의 범위, 적용성 또는 구성을 제한하려는 것이 아님도 이해해야 한다. 오히려, 상기 상세한 설명은 업계의 숙련자에게 상기 조성물 및 방법의 예시적인 구체예를 실시하기 위한 편리한 로드맵을 제공할 것이다. 청구범위에 기재된 바의 조성물 및 방법의 범위로부터 벗어나지 않고, 예시적인 구체예에서 설명된 요소의 기능 및 배열에 다양한 변화를 이룰 수 있음이 이해된다.
실시예
하기 명시된 아스팔트 및 다양한 중합체 블렌드를 포함하는 포장형 아스팔트 바인더 조성물을 제조하고, 이의 성능 등급을 결정하기 위해 실험 단계를 거치게 하였다:
하기 실시예에 사용된 중합체 각각의 Mw는 하기와 같다:
TITAN 7686(ox.HDPE): Mw = 8800 g/몰; 77% 결정화도
TITAN 7278(MAPP): Mw = 8560 g/몰; 56% 결정화도
TITAN 7212(PE homo.): Mw = 2950 g/몰; 84% 결정화도
TITAN 7387(PE homo): Mw = 2575 g/몰; 100% 결정화도
샘플 아스팔트 바인더 조성물을 제제화하기 위해 이용되는 일반 절차는 하기와 같다: (1) 아스팔트(PG 64-22)를 140℃로 설정된 고온 오븐에서 파인트 캔(pint can)에서 용해시켰고; (2) 아스팔트 캔을 고온 오븐에서 가열 맨틀로 옮겼고; (3) 가열 맨틀을 190℃의 온도로 설정하였고; (4) 저전단 믹서를 아스팔트 샘플 쪽으로 낮췄고; (5) 저전단 믹서를 켜고, 250 rpm으로 혼합 속도로 설정하였고; (6) 아스팔트 샘플이 190℃의 온도에 도달하였고; (7) 중합체 첨가제를 2 분 기간 내에 아스팔트 샘플에 천천히 첨가하였고; (8) 아스팔트 샘플을 1 시간 동안 혼합하였고; (9) 저전단 믹서를 정지시키고, 아스팔트 샘플로부터 제거하였고; (10) 파인트 캔을 가열 맨틀로부터 조심스럽게 꺼냈고; (11) 파인트 캔으로부터의 시험 견본을 AASHTO M320에 따라 제조 및 시험하였다. 수행한 시험 결과를 하기 표 1에 요약한다.
Figure pct00001
표 1의 데이터는, 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 말레산염화 폴리프로필렌의 블렌드가 아스팔트 바인더의 PG 범위(UTI)를, 동일량의 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 말레산염화 폴리프로필렌 단독보다 높은 정도로 넓혔음을 보여준다(블렌드 1, 2 및 3 비교). 이들 데이터는 또한, 더 적은 총량의 중합체 블렌드가 더 많은 양의 개별 중합체와 동일한 정도로 아스팔트 바인더의 PG 범위를 넓힐 수 있음을 보여준다(블렌드 1 및 4 비교).
최적 블렌딩 비를 결정하기 위해 유사한 시험도 수행하였다. 이들 시험의 결과를 하기 표 2에 요약한다.
Figure pct00002
표 2의 데이터는, 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 말레산염화 폴리프로필렌에 관해 3:2의 블렌딩 비가 최적임을 보여준다(블렌드 3 참조).
산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 폴리에틸렌 단독 중합체의 블렌드를 분석하기 위해 유사한 실험도 수행하였다. 이들 시험의 결과를 하기 표 3에 요약한다.
Figure pct00003
표 3의 데이터는, 더 적은 총량의 중합체 블렌드가 더 많은 양의 개별 중합체와 동일한 정도로 아스팔트 바인더의 PG 범위를 넓힐 수 있음을 보여준다(블렌드 1 및 2 비교).
상기 설명된 블렌드로서 본 발명의 다른 중합체 블렌드를 시험하였고, 이는 유사한 시험 결과를 제공하였다.
산화형 고밀도 폴리에틸렌(Ox. HDPE) 또는 말레산염화 폴리프로필렌(MAPP), 또는 양쪽 유형의 중합체의 블렌드를 포함하는 지붕형 아스팔트 바인더 조성물도 시험하였다(표 4). 이들 시험은, 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 말레산염화 폴리프로필렌의 블렌드가 아스팔트 경도(PEN) 및 아스팔트의 연화점에 상승적 효과를 가짐을 보여준다. ASTM D5를 이용하여 투과도를 측정하였고, ASTM D36 시험 프로토콜을 이용하여 연화점을 측정하였다.
Figure pct00004

Claims (10)

  1. a) 아스팔트, 및
    b) (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 및 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체를 포함하는 중합체 블렌드
    를 포함하는 아스팔트 바인더 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 개질 중합체는 각각 약 1:4 내지 약 4:1의 중량비로 존재하는 아스팔트 바인더 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 약 90℃의 유효 온도 간격(UTI)을 갖는 아스팔트 바인더 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    a) 아스팔트, 및
    b) (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 및 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체를 포함하는 중합체 블렌드
    로 실질적으로 이루어지는 아스팔트 바인더 조성물.
  5. 골재; 및
    a) 아스팔트; 및
    b) (i) 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 및 (ii) 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체를 포함하는 중합체 블렌드
    를 포함하는 아스팔트 바인더 조성물
    을 포함하는 포장 또는 지붕 재료.
  6. 제5항에 있어서, 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 개질 중합체는 각각 약 1:4 내지 약 4:1의 중량비로 존재하고, 아스팔트 바인더 조성물은 적어도 약 90℃의 유효 온도 간격(UTI)을 갖는 포장 또는 지붕 재료.
  7. 아스팔트 바인더 조성물의 제조 방법으로서, 아스팔트, 산화형 고밀도 폴리에틸렌, 및 말레산염화 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 단독 중합체, 고결정화도 폴리에틸렌 또는 이들의 조합에서 선택되는 개질 중합체를 혼합하여 아스팔트 바인더 조성물을 형성시키는 것을 포함하는 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 혼합은 약 75℃ 내지 약 200℃의 온도에서, 그리고 약 30 분 내지 약 6 시간의 시간 동안 수행하는 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 아스팔트 바인더 조성물은, 아스팔트 바인더 조성물의 총 중량을 기준으로, 약 65 중량% 내지 약 99 중량%의 아스팔트 및 합계 약 1 중량% 내지 약 35 중량%의 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 개질 중합체를 포함하는 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서, 산화형 고밀도 폴리에틸렌 및 개질 중합체는 각각 약 1:4 내지 약 4:1의 중량비로 존재하는 제조 방법.
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