RO128213B1 - Nanocompozit asfaltic şi procedeu de obţinere a acestuia - Google Patents

Description

Invenția se referă la un nanocompozit asfaltic și la un procedeu de obținere a acestuia. Utilizarea nanopulberilor ca fază dispersată în medii fluide, pentru consolidarea structurilor dense, și ca materie primă pentru formarea de filme și depuneri de straturi, s-a extins în domenii diverse. Aplicarea nanocompozitelor în domeniul rutier favorizează îmbunătățirea unor proprietăți importante, precum duritatea și rezistența la uzură și la traficul greu, mărind durata de utilizare a căilor rutiere.

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

Astfel, în brevetul US 6.695.902 se propune o metodă pentru producerea unui compozit pe bază de asfalt, care presupune amestecarea bitumului cu o umplutură de cenușă care prezintă o distribuție trimodală a mărimii particulelor. Amestecul de umplutură poate fi folosit în cantități mai mari de 45% în volum sau mai mari de 70% în greutate, pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice ale compozitelor asfalt.

într-un alt procedeu, prezentat în brevetul US 7.582.155, este propusă obținerea nanocompozitelor de asfalt, pe bază de particule minerale de argilă stratificată, acestea adăugându-se într-o proporție variind de la aproximativ 1% g la aproximativ 15% g.

Un compozit de asfaltîmbunătățit utilizează un amestec de asfalt și un material granulat, ce prezintă pierderi reduse la absorbția microundelor, și este dispersat omogen în întreaga matrice de asfalt. Utilizarea unui material ce absoarbe microunde, în special unul ce are o temperatură Curieîn intervalul de aproximativ 100°C, favorizează recondiționarea și reformarea asfaltului în timpul operațiunilor de reparații care se realizează prin încălzirea cu radiații de tip microunde. [US 4.849.020]

Brevetul US 7.063.808 propune o metodă de preparare a unui material conductor pe bază de carbon de tip compozit asfalt-sulfonat-polianilină, prin polimerizarea anilinei în prezența materialului conductor de carbon și a asfaltului sulfonat.

în 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 fibre saturat cu solvent, (ii), măcinarea și încălzirea fulgilor și fibrelor, pentru a forma un amestec omogen semilichid , (iii), extrudarea și transportul amestecului omogen la o stație de fabricare, și (iv) comprimarea amestecului în produsul compozit de tip placă.

Un material nanocompozit asfaltic conține un elastomer, un mineral stratificat în proporție de 0,5...15% g și asfalt în proporție de 0,1...15% g față de total compozit. [US 5.652.284]

De asemenea, WO 2004/033547 A2 prezintă o compoziție pe bază de bitum, care cuprinde 0,1...25% elastomer ales dintre poliester, poliacrilați, poliesteramide, butadiene sau izopren, sau copolimer cum este stirenul, 0,1...40% solvent care este ales în funcție de modul în care va fi folosită compoziția, 30...99% bitum, de preferat cu o penetrație de 140...260 dmm la 25°C, 0,1...30% sare de litiu a acizilor grași C₁₀-C₄₀, până la 70% umplutură care poate fi organică sau anorganică (carbonat de calciu, diatomită) și, opțional, compoziția mai poate conține aditivi convenționali (antioxidanți, microbicide, agenți hidrofobi). Compoziția poate fi utilizată pentru aplicare în rosturile drumurilor din beton. Procedeul de obținere constă în obținerea unui prim amestec A (elastomerul cu solventul) la temperatura camerei, obținerea celui de-al doilea amestec B (bitum, sarea de litiu a acizilor grași și opțional umplutura), prin amestecare la o temperatură de 22O...28O°C. Amestecul A se toarnă peste amestecul B la temperatura ambiantă, dar, dacă este nevoie, temperatura poate fi ridicată până la 80°C, pentru a facilita amestecarea.

RO 128213 Β1 în cererea de brevet de invenție a 2007 00452 A2 se descrie un amestec de bitumuri 1 și o compoziție care conține acest amestec, utilizată pentru hidroizolații. Amestecul de bitumuri este constituit din bitum natural, bitum parafinos și bitum rutier, și se obține prin amestecarea 3 componentelor la 15O...22O°C. Compoziția bituminoasă conține amestecul de bitumuri și polimeri aleși dintre cauciuc stiren-butadienic, polipropilenă izotactică, polipropilenă atactică și 5 polietilenă de joasă densitate, și carbonat de calciu.

în toate aceste procedee se urmărește îmbunătățirea caracteristicilor compozitelor 7 asfaltice.

Este cunoscut că, în condițiile de trafic greu, este favorizată îmbătrânirea îmbrăcăminți- 9 lor asfaltice. Schimbările climaterice contribuie, de asemenea, la deteriorarea rapidă a asfaltului rutier. Utilizarea unui strat superficial de nanocompozit asfaltic diminuează amploarea acestor 11 fenomene, prelungind durata de utilizare a îmbrăcăminților asfaltice. Eficiența acestor filme de nanocompozit este dată de caracteristicile fizico-mecanice ale acestora. Astfel, obținerea unor 13 filme de nanocompozit cu o rugozitate optimă, cu un coeficient de conductivitate termică scăzut, cu o elasticitate, o plasticitate, o rezistență la rupere, o etanșeizare eficientă și o rezistență 15 îmbunătățită a filmului de nanocompozit la temperaturi ridicate, sunt deziderate pentru care nu s-au găsit încă soluții tehnice. 17

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în realizarea in situ a unui nanocompozit asfaltic ce asigură aderență la suprafața asfaltică și etanșeizare eficientă. 19

Nanocompozitul asfaltic, conform invenției, elimină dezavantajele menționate prin aceea că este constituit din: (i) amestec 3:3:1 de nanopulberi cu o distribuție multimodală de tipul car- 21 bonat de calciu, dolomită, și cenosfere din aluminosilicat, (ii) bitum rutier cu penetrația de

10...180 mm*10·¹, (iii) monomeri, polimeri și copolimeri de tip stiren, acrilat de 2-hidroxietil, 23 sti ren-acri lat și stiren-butadien-stirenic, (iv) aditivi organici de tip esteri ai acizilor grași cu sorbitol etoxilați, produși de condensare ai acizilor grași cu poliamine alifatice și ceruri 25 bisamidice, (v) peroxid de benzoil, (vi) solvent hidrocarbonat aromatic, cu temperatura de fierbere de 13O...145°C, la un raport masic nanopulberi:bitum rutier:compuși polimerici:aditivi 27 organici:peroxizi:solvent de 25...85:5...35:0,1...20:0,1...10:0,001...0,5:5...45.

Procedeul de obținere a nanocompozitului asfaltic, conform invenției, constăîn omogeni- 29 zarea prin amestecare mecanică, la temperatura camerei, a solventului cu aditivii organici, după care se solubilizează compușii polimerici și bitumul prin amestecare mecanică la o temperatură 31 de 20...200°C, timp de 0,3...10 h, urmată de răcirea suspensie până la temperatura camerei, și adăugarea, înainte de utilizarea soluției, a unui inițiator de polimerizare. 33

Prin aplicarea invenției se obțin următoarele avantaje:

- îmbunătățește caracteristicile antiaglomerante ale nanocompozitului;35

- asigură o compactizare ridicată a nanocompozitului;

- mărește eficiența la protecția față de radiația termică și UV;37

- îmbunătățește caracteristicile de elasticitate - plasticitate - etanșeizare ale suprafeței rutiere;39

- menține stabilă dispersia coloidală de nanocompozit până la aplicare;

- îmbunătățește caracteristicile reologice ale liantului utilizat;41

- definitivează polimerizarea in situ a monomerilor și/sau oligomerilor în porii nanopulberilor;43

- se asigură o fluidizare și o omogenizare eficientă a nanocompozitului asfaltic înainte de aplicare.45

RO 128213 Β1

Se dau în continuare trei exemple de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...3, ce reprezintă:

- fig. 1, influența temperaturii de la suprafața asfaltului asupra diferenței între temperatura la suprafața asfaltului pe care s-a depus nanocompozitul, și cea de la adâncimea de 20 mm;

- fig. 2, influența temperaturii asupra modulului de stocare (NCB - nanocompozitul fără polimer; NCP - nanocompozitul cu polimer);

- fig. 3, influența temperaturii asupra Tan Delta (NCB - nanocompozitul fără polimer; NCP - nanocompozitul cu polimer).

Exemplul 1

Un balon, echipat cu un sistem de amestecare prin agitare mecanică, sistem de control și reglarea temperaturii și turației, este alimentat cu 75 g solvent hidrocarbonat aromatic (interval de fierbere 13O...145°C), 3g 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 ceară bisamidică; se reglează temperatura la valoarea de 75°C și se adaugă 5 g copolimer radial SBS (Kraton), 10 g rășină stiren-acrilat obținută din dispersia apoasă Acronal NX4627 X, 5 g stiren (SigmaAldrich), 1 g acrilat de 2-hidroxietil (Sigma-AIdrich), 100 g bitum rutier D 50-70; amestecul se menține sub agitare timp de 10 h, după care peste amestecul omogen format se adaugă, sub agitare intensă, 485 g de pulbere omogenizată de amestec format din 45 părți carbonat de calciu, 40 părți dolomită și 15 părți cenosfere din aluminosilicat de tip HD - 3, fabricate în China. După răcirea suspensiei la temperatura ambiantă și înainte de utilizare, se adaugă 0,8 g peroxid de benzoil dizolvat în 10 g solvent aromatic sub agitare intensă timp de 30 min.

Exemplul 2

Se aplică un strat de suspensie de nanocompozit pe o suprafață de asfalt, la o grosime medie de 50 mm, și se lasă la uscat timp de 4 h, temperatura la suprafața asfaltului fiind de 40°C. Se determină rugozitatea pe suprafața acoperită cu nanocompozit, comparativ cu cea pe suprafața neacoperită 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 neacoperită;

- rugozitatea de 70 pe suprafața acoperită.

Se măsoară temperatura la suprafața nanocompozitului, cu ajutorul unui termometru cu 2 spoturi în infraroșu, și cea de la adâncimea de 20 mm, cu ajutorul unui termometru electronic cu tijă; din fig. 1 se observă că diferența dintre cele 2 temperaturi crește în același timp cu creșterea temperaturii la suprafața asfaltului, astfel evidențiindu-se protecția termică îmbunătățită odată cu creșterea temperaturii la suprafața îmbrăcăminții rutiere.

Exemplul 3

Se introduce o probă de nanocompozit într-o matriță; după uscarea probei la greutate constantă, într-o etuvă, la 60°C, se presează într-o presă hidraulică, la presiunea de 160 kgf/cm², temperatura de 120°C, timp de 5 min, și se prelevează probă pentru analiza termomecanică. Curbele dinamico-mecanice de răspuns, respectiv, modulul de stocare (fig. 2) și Tan Delta, adică raportul dintre valoarea modulului de stocare și a modulului de pierderi (fig. 3), pentru proba de nanocompozit, comparativ cu cele pentru aceeași probă de nanocompozit care nu conține polimeri, au fost determinate cu aparatul DMA Q800 TA Instruments.

RO 128213 Β1

Parametrii analizei DMA au fost:1

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

- clema: dublă consolă;3

- amplitudinea oscilației: 15 pm;

- eșantionare: 0,5 s/punct.5

Scăderea modulului de stocare odată cu creșterea temperaturii se datorează scăderii elasticității nanocompozitului odată cu creșterea temperaturii. Scăderea elasticității este mai 7 pronunțată pentru proba ce nu conține polimer.

Din fig. 3 se observă că Tan Delta, respectiv, raportul dintre valoarea modulului de sto- 9 care și a modulului de pierderi, indică o comportare predominant elastică la temperaturi mai mici de 42°C, și o comportare predominant plastică la valori mai mari decât această temperatură. 11 Nanocompozitul care nu conține polimeri nu prezintă un maxim al tangentei de pierderi la temperaturi mai mari de 30°C și, deci, nu prezintă comportare elastică. 13

Claims (2)

Revendicări

1. Nanocompozit asfaltic pe bază de bitum, caracterizat prin aceea că este constituit din: (i) amestec 3:3:1 de nanopulberi cu o distribuție multimodală de tipul carbonat de calciu, dolomită, și cenosfere din aluminosilicat, (ii) bitum rutier cu penetrația de 10...180 mm*10^_1, (iii) monomeri, polimeri și copolimeri de tip stiren, acrilat de 2-hidroxietil, stiren-acrilat și stirenbutadien-stirenic, (iv) aditivi organici de tip esteri ai acizilor grași cu sorbitol etoxilați, produși de condensare ai acizilor grași cu poliamine alifatice și ceruri bisamidice, (v) peroxid de benzoil, (vi) solvent hidrocarbonat aromatic, cu temperatura de fierbere de 130...145°C, la un raport masic nanopulberi:bitum rutier:compuși polimerici :aditivi organici: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 în revendicarea 1, caracterizat prin aceea că se omogenizează, prin amestecare mecanică la temperatura camerei, solventul cu aditivii organici, după care se solubilizează compușii polimerici și bitumul, prin amestecare mecanică la o temperatură de 20...200°C, timp de 0,3...10 h, urmată de răcirea suspensiei până la temperatura camerei, și adăugarea, înainte de utilizarea soluției, a unui inițiator de polimerizare.