RO128213A0 - Nanocompozit asfaltic şi procedeu de obţinere şi aplicare a acestuia - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un nanocompozit asfaltic şi la un procedeu pentru obţinerea acestuia. Nanocompozitul conform invenţiei este constituit din nanopulberi cu distribuţie multimodală de tip carbonat de calciu, dolomită, diatomită silicioasă, cenosfere anorganice şi/sau oxid de zinc, sau amestecuri ale acestora, bitum rutier, monomeri, oligomeri, polimeri, elastomeri şi/sau copolimeri precum ceipe bază de acrilaţi, metacrilaţi, stiren şi/sau tiocoli, aditivi organici de tip agenţi tensioactivi, emulgatori neionici şi/sau anionici, coloizi de protecţie şi/sau agenţi de îngroşare-întărire, promotori de adezivitate, iniţiatori de polimerizare, solvenţi de tip distilate petroliere, ulei de terebentină hidrogenat sau nehidrogenat, şi/sau derivaţi hidrogenaţi ai naftalinei, sau amestecuri aleacestora, la un raport masic nanopulberi/bitum rutier/compuşi polimerici şi/sau precursori/aditivi organici/iniţiatori de polimerizare/solvenţi de 25...85/5...35/0,1...20/0,1...10/0,001...0,5/5...45. Procedeul conform invenţiei constă în omogenizarea solvenţilor şi aditivilor prin amestecare mecanică, urmată de solubilizarea compuşilor polimerici sau a precursorilor şi a bitumului prin amestecaremecanică la o temperatură de 20...200°C, timp de 0,3...10 h, apoi suspendarea nanopulberilor şi adăugarea soluţiei de iniţiatori de polimerizare înainte de utilizare.

Description

Nanocompozit asfaltic si procedeu de obținere a acestuia

Invenția se refera la un nanocompozit asfaltic si la un procedeu de obținere a acestuia.

Utilizarea nanopulberilor ca faza dispersata în medii fluide, pentru consolidarea structurilor dense, și ca materie primă pentru formarea de filme și depuneri de straturi, s-a extins in domenii diverse. Aplicarea nanocompozitelor in domeniul rutier favorizează imbunatatirea unor proprietăți importante precum duritatea si rezistenta la uzura si la traficul greu, mărind durata de utilizare a cailor rutiere.

Procedeele utilizate la fabricarea compozitelor rutiere constau in contactarea bitumului cu diverse nanopulberi, eventual in prezenta unor diverse tipuri de compuși chimici (polimeri, elastomeri, etc.).

Astfel in brevetul US 6,695,902 se propune o metodă pentru producerea unui compozit pe baza de asfalt, care presupune amestecarea bitumului cu o umplutură de cenușă ce prezintă o distribuție a mărimii particulelor trimodala. Amestecul de umplutura poate fi folosit în cantități mai mari de 45% in volum sau mai mari de 70% in greutate, pentru a imbunatati proprietățile mecanice ale compozitelor asfalt.

Intr-un alt procedeu, [Brevet US 7,582,155] este propusa obținerea nanocompozitelor de asfalt, pe bază de particule minerale de argila stratificata, acestea adaugandu-se într-o proporție variind de la aproximativ 1% gr. la aproximativ 15% gr.

Un compozit de asfalt îmbunătățit utilizează un amestec de asfalt și un material granulat, ce prezintă pierderi reduse la absorbția microundelor, și dispersat omogen în întreaga matrice de asfalt. Utilizarea unui material ce absoarbe microunde, în special unul care are o temperatură Curie, în intervalul de aproximativ 100.degree.

C., favorizează recondiționarea și reformarea asfaltului în timpul operațiunilor de reparații care se realizează prin încălzirea cu radiații de tip microunde. [Brevet US 4,849,020]

Brevetul US 7,063,808 propune o o metodă de preparare a unui material conductor pe baza de carbon de tip compozit asfalt - sulfonat - polianilina prin polimerizarea anilinei în prezența materialului conductor de carbon și a asfaltului sulfonat.

In brevetul US 6,692,669 se propune o metodă de valorificare a resturilor de asfalt ce presupune prelucrarea într-un material relativ grosier ce conține particule de dimensiuni prestabilite. Acestea sunt prelucrate într-un produs de tip compozit printr-o metodă care include (i) amestecarea particulelor fine cu un conținut relativ ridicat de

FICÎUL de _S| _măd_ ^c«or_e de _de ^Nr- â)

0 1 2 - 0 0 5 3 4”

6 -07- 2012 fibre saturat cu solvent, (ii), măcinarea și încălzirea fulgilor și fibrelor pentru a forma un amestec omogen semi-lichid , (iii), extrudarea și transportul amestecului omogen la o statie de fabricare, și (iv) comprimarea amestecul în produsul compozit de tip placa.

Un material nanocompozit asfaltic conține un etastomer, un mineral stratificat in proporție de 0.5...15% gr. si asfalt in proporție de 0.1...15% gr fata de total compozit. [Brevet US 5,652,284]

In toate aceste procedee se urmărește imbunatatirea caracteristicilor compozitelor asfaltice.

Este cunoscut ca, in condițiile de trafic greu, este favorizata imbatranirea imbracamintilor asfaltice. Schimbările climaterice contribuie, de asemenea, la deteriorarea rapida a asfaltului rutier. Utlizarea unui strat superficial de nanocompozit asfaltic diminuează amploarea acestor fenomene, prelungind durata de utilizare a imbracamintilor asfaltice. Eficienta acestor filme de nanocompozit este data de caracteristicile fizico-mecanice ale acestora. Astfel obținerea unor filme de nanocompozit cu o rugozitate optima, cu un coeficient de conductivitate termica scăzut, cu o elasticitate, o plasticitate, o rezistenta la rupere, o etanseizare eficienta si o rezistenta imbunatatita a filmului de nanocompozit la temperaturi ridicate, sunt deziderate pentru care nu s-au găsit inca soluții tehnice.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția consta in realizarea „in situ” a unui nanocompozit asfaltic care sa prezinte o rugozitate adecvata, o protecție termica ridicata a imbracamintii rutiere, caracteristici de elasticitate, plasticitate si rezistenta la rupere imbunatatite, aderenta la îmbrăcămintea asfaltica, etanseizarea eficienta si rezistenta la degradare.

Prin aplicarea nanocompozitului conform invenției se obțin următoarele avantaje:

- imbunatateste caracteristicile antiaglomerante ale nanocompozitului;

- asigura o compactizare ridicata a nanocompozitului;

- mărește eficiența la protecția fata de radiația termica si UV;

- imbunatateste caracteristicile de elasticitate - plasticitate - etanseizare ale suprafeței rutiere;

- menține stabila dispersia coloidala de nanocompozit pana la aplicare;

- imbunatateste caracteristicile reologice ale liantului utilizat;

-2012-00534-1 6 -07- 2012

- definitivează polimerizarea „in situ” a monomerilor si/sau oligomerilor in porii nanopulberilor;

- se asigura o fluidizare si o omogenizare eficienta a nanocompozitului asfaltic înainte de aplicare.

Nanocompozitul asfaltic, conform invenției, elimina dezavantajele menționate prin aceea ca este constituit din: (i) nanopulberi cu o distribuție multimodală de tipul carbonat de calciu, dolomita, diatomita silicioasa, cenosfere anorganice si/sau oxid de zinc, sau amestec al acestora, care prezintă caracteristici antiaglomerante, asigura o compactizare ridicata si eficiență maximă la protecția fata de radiația termica si UV (ii) bitum rutier cu penetrația de 10...180 mm*10^-1, (iii) monomeri, oligomeri, polimeri si/sau copolimeri precum cei de tip acrilat de etil/ acrilat de butii si/ sau octil / stiren, acrilati si/sau metacrilati ai unor compuși aminici sau hidroxilici, copolimeri SBS, si/sau tiocoli, care sa imbunatateasca caracteristicile de elasticitate - plasticitate etanseizare ale nanocompozitului, (iv) aditivi organici precum substanțe tensioactive cu caracteristici dispersante cum ar fi lignina sulfonata, oligomeri tensioactivi si agenți auxiliari cum ar fi coloizii de proiecție si/sau agenți de ingrosare care sa mențină stabila dispersia coloidala de nanocompozit pana la aplicare; amestecuri de emulgatori neionici si anionici precum esteri ai acizilor grași cu sorbitol etoxilati, alcooli etoxilati, alchilbenzenesulfonati; promotori de adezivitate cum ar fi produsii de condensare ai acizilor grași sau naftenici cu poliamine alifatice si/sau hidroxi poliamine alifatice; ceruri bisamidice cum ar fi produsii de condensare ai acizilor grași cu acizi dicarboxilici si etilendiamina, care sa imbunatateasca caracteristicile reologice ale liantului, (v) peroxizi, precum peroxidul de benzoil, hidroperoxidul de pinan, hidroperoxidul de tetralil, hidroperoxidul de decalil, care sa definitiveze polimerizarea „in situ” a monomerilor si/sau oligomerilor in porii nanopulberilor, (vi) ) solventi, precum distilatul petrolier aromatic, naftenic si/sau semiparafinos C7...C11; ulei de terebentina hidrogenat sau nehidrogenat; si/ sau derivați hidrogenați ai naftalinei precum tetralina si decalina; sau amestec al acestora, care asigura fluiditatea si omogenizarea nanocompozitului asfaltic înainte de aplicare.

Raportul masic intre componenti: nanopulberi / bitum rutier/ compuși polimerici si/sau precursori ai acestora / aditivi organici / peroxizi / solvent este de: 25....85 / 5....35/ 0,1....20/0,1....10/0.001....0.5/5....45.

^-2012-00534-1 6 -07- 2012 t

Procedeul de obținere a nanocompozitului asfaltic, conform invenției, consta in omogenizarea inițiala a amestecului format din aditivii organici si 90..95 % din cantitatea totala de solventi, urmata de solubilizarea succesiva a compușilor polimerici si/sau aprecursorilor acestora, si a bitumului rutier; si ulterior dispersarea pulberilor, prin amestecarea mecanica, la temperaturi de 20-120 °C pe o durata de 0,3-18 h. Compusul peroxidic dizolvat in restul de solvent se omogenizează cu suspensia de nanocompozit înainte de aplicare.

Se dau trei exemple de realizare a procedeului conform invenției.

Exemplul 1.

Un balon, echipat cu un sistem de amestecare prin agitare mecanica, sistem de control si reglarea temperaturii si turației, este alimentat cu 75 g solvent hidrocarbonat aromatic (interval de fierbere 130-145 °C), 3 g esteri ai acizilor grași cu sorbitol etoxilat (Sorbital T80 PH), 0,5 g promotor de adezivitate ABR 1, produs de ATICA CHEMICALS, 1,5 g ceara bisamidica; se reglează temperatura la valoarea de 75 °C si se adauga 5 g copolimer radial SBS (Kraton), 10 g rasina stiren-acrilat obtinuta din dispersia apoasa Acronal NX 4627 X, 5 g stiren (Sigma-AIdrich), 1 g acrilat de 2-hidroxi-etil (Sigma-AIdrich), 100 g bitum rutier D 5070; amestecul se menține sub agitare timp de 10 ore, după care peste amestecul omogen format se adauga sub agitare intensa 485 g de pulbere omogenizata de amestec format din 45 parti carbonat de calciu, 40 parti dolomita si 15 parti cenosfere din aluminosilicat de tip HD - 3, fabricate in China. După racirea suspensiei la temperatura ambianta si înainte te utilizare, se adauga 0,8 g peroxid de benzoil dizolvat in 10 g solvent aromatic sub agitare intensa timp de 30 min.

Exemplul 2.

Se aplica un strat de suspensie de nanocompozit pe o suprafața de asfalt la o grosime medie de 50 mm, si se lașa la uscat timp de 4 ore, temperatura la suprafața asfaltului fiind de 40 °C. Se determina rugozitatea pe suprafața acoperita cu nanocompozit comparativ cu cea pe suprafața neacoperita cu nanocompozit. Determinarea rugozității s-a făcut conform standardului SR EN 13036/4-2004 (pendulul englezesc). Valorile rugozității au fost următoarele:

- rugozitatea de 55 pe suprafața neacoperita;

- rugozitatea de 70 pe suprafața acoperita.

Λ-2 Ο 1 2 - Ο Ο 5 3 4 - 1 6 -07- 21)12 / J

Se masoara temperatura la suprafața nanocompozitului cu ajutorul unui termometru cu 2 spoturi in infrarosu si cea de la adancimea de 20 mm cu ajutorul unui termometru electronic cu tija; din figura 1 se observa ca diferența dintre cele 2 temperaturi creste cu creșterea temperaturii la suprafața asfaltului, astfel evidentiandu-se protecția termica imbunatatita odata cu creșterea temperaturii la suprafața imbracamintii rutiere.

Temperatura la suprafața nanocompozitului, °C

Figura 1. Influenta temperaturii de la suprafața asfaltului asupra diferenței intre temperatura la suprafața asfaltului pe care s-a depus nanocompozitul si cea de la adancimea de 20 mm

Exemplul 3.

Se introduce o proba de nanocompozit într-o matriță; după uscarea probei la greutate constanta intr-o etuva la 60 °C, se presează într-o presă hidraulică, la presiunea de 160 kgf/cm², temperatura de 120 °C, timp de 5 min., si se prelevează proba pentru analiza termo-mecanica. Curbele dinamico - mecanice de răspuns, respectiv modul de stocare (figura 2) și Tan Delta, adica raportul dintre valoarea modului de stocare si a modulului de pierderi (figura 3), pentru proba de nanocompozit comparativ cu cele pentru aceiași proba de nanocompozit ce nu conține polimeri, au fost determinate cu aparatul DMA Q800 TA Instruments. Parametrii analizei DMA au fost:

geometria probei analizate: 60x~10x~4mm;

clema: dubla consola;

amplitudinea oscilației: 15pm;

* eșantionare: 0.5s/punct/ £< 2 0 1 2-00534 - 1 6 -07- 2012 η

Figura 2. Influenta temperaturii asupra modulului de stocare (NCB - nanocompozitul fara polimer; NCP - nanocompozitul cu polimer)

Scăderea modulului de stocare cu creșterea temperaturii se datoreaza scăderii elasticitatii nanocompozitului cu creșterea temperaturii. Scăderea elasticitatii este mai pronunțata pentru proba ce nu conține polimer.

Figura 3. Influenta temperaturii asupra Tan Delta (NCB - nanocompozitul fara polimer; NCP - nanocompozitul cu polimer)

Din figura 3 se observa ca Tan Delta, respectiv raportul dintre valoarea modului de stocare si a modulului de pierderi, indica o comportare predominant elastica la temperaturi mai mici de 42 °C si o comportare predominant plastica la valori mai mari de aceasta. Nanocompozitul ce nu conține polimeri nu prezintă un maxim al tangentei de pierderi la temperaturi mai mari de 30°C si deci, nu prezintă comportare elastica.

Claims (2)

REVENDICĂRI

1. Nanocompozit asfaltic, caracterizat prin aceea ca este constituit din: (i) nanopulberi cu o distribuție multimodala de tipul carbonat de calciu, dolomita, diatomita silicioasa, cenosfere anorganice si/sau oxid de zinc, sau amestec al acestora, (ii) bitum rutier cu penetrația de 10...180 mm*10’¹, (iii) monomeri, oligomeri, polimeri si/sau copolimeri precum cei de tip acrilat de etil/ acrilat de butii si/ sau octil / stiren, acrilati si/sau metacrilati ai unor compuși aminici sau hidroxilici, copolimeri SBS, si/sau tiocoli, (iv) aditivi organici precum: substanțe tensioactive cu caracteristici dispersante cum ar fi lignina sulfonata, oligomeri tensioactivi si agenți auxiliari cum ar fi coloizii de protecție si/sau agenți de ingrosare; amestecuri de emulgatori neionici si anionici precum esteri ai acizilor grași cu sorbitol etoxilati, alcooli etoxilati, alchilbenzenesulfonati; promotori de adezivitate cum ar fi produsii de condensare ai acizilor grași sau naftenici cu poliamine alifatice si/sau hidroxi-poliamine alifatice; ceruri bisamidice cum ar fi produsii de condensare ai acizilor grași cu acizi dicarboxilici si etilendiamina, (v) peroxizi, precum peroxidul de benzoil, hidroperoxidul de pinan, hidroperoxidul de tetralil, hidroperoxidul de decalil, (vi) ) solvenți, precum distilatul petrolier aromatic, naftenic si/sau semiparafinos C7...C11; ulei de terebentina hidrogenat sau nehidrogenat; si/ sau derivați hidrogenați ai naftalinei precum tetralina si decalina; sau amestec al acestora, la un raport masic intre componenti: nanopulberi / bitum rutier/ compuși polimerici si precursori ai acestora/ substanțe tensioactive / peroxizi / solvent de: 25....85 / 5....35/ 0,1 ....20 / 0,1 ....10 / 0.001 ....0.5 / 5....45.

2. Procedeu de obținere a nanocompozitului asfaltic definit la revendicarea 1 caracterizat prin aceea ca se realizează prin amestecare mecanica, respectiv prin omogenizarea inițiala a amestecului de solvenți si aditivi organici, urmata de solubilizarea compușilor de tip monomer-oligomer-polimerici si a bitumului prin amestecarea mecanica, la temperaturi de 20...200 °C pe o durata de 0,3...10 h si apoi de suspendarea nanopulberilor, si de adaugarea înainte de utilizare, a soluției de compuși peroxidici.