Изобретение относится к промышленности строительных материалов. Предлагаемый способ предусматривает технологический процесс приготовления битумно-полимерного вяжущего, состоящего из битума, полимера, пластификатора и минерального наполнителя, и предназначенного для изготовления рулонных мягких кровельных и гидроизоляционных материалов. Вяжущего используется в сочетании с волокнистой основой, пропитывает ее и с обеих сторон образует покровный слой, на который наносится слой посыпки или полимерная пленка для улучшения эксплуатационных характеристик материала и предотвращения слипания его в рулоне. Одним из условий хорошего качества рулонных материалов является однородность свойств вяжущего по объему, что достигается равномерным распределением смешиваемых компонентов в массе. Известны различные способы интенсификации процесса смешения битумно-полимерных композиций. Так в патенте РФ [1] описывается способ смешения в смесителе битума, бутилкаучука, пластификатора и наполнителя, в котором для повышения качества смешения в состав композиции дополнительно вводят фенолформальдегидную или нефтеполимерную смолу, при этом первоначально осуществляют смешение каучука, смолы и диоксида кремния до получения однородной массы, затем вводят разогретый до 170-190oC битум с температурой размягчения 50oC, наполнитель вводят до или после введения битума. Известен [2] способ получения битумно-резиновой композиции, в котором с целью повышения технологичности композиции вводят госсиполовую смолу. Смешение осуществляют в смесителе с электрообогревом при температуре 190-210oC и скорости перемешивания 500-700 об/мин. Недостатками рассмотренных способов является достаточно высокая температура смешения (до 210oC) и введение дополнительного компонента - смолы, что усложняет технологический процесс и повышает стоимость получаемого материала. Описан способ [3] приготовления битумно-каучукового вяжущего, в котором с целью равномерного распределения каучука в битуме, каучуксодержащий компонент вводят в растворенном состоянии с последующим удалением растворителя при нагреве вяжущего до 180oC. Введение и последующее удаление растворителя усложняет технологический процесс, снижает безопасность процесса, ухудшает экологическую ситуацию на рабочих местах. Более равномерное распределение компонентов может быть достигнуто путем повышения температуры при смешении. Описан способ [4] , позволяющий уменьшить вязкость битумного вяжущего, согласно которому полиолефиновый материал, преимущественно полиэтилен или полипропилен, и битум смешивают и гомонизируют при температуре 260-310oC наиболее близким к предлагаемому способу получения битумно-полимерной композиции является способ приготовления битумного вяжущего, описанный в заявке Великобритании [5], который авторами принят за прототип. Согласно описанию этого способа, для получения битумного вяжущего расплавленный битум при нагревании смешивают с полиолефином для растворения и равномерного распределения полиолефинов в расплаве битума и продолжают перемешивание при нагревании до тех пор, пока вязкость раствора при данной температуре не понизится до значения ниже той вязкости, которую этот раствор имел бы при той же температуре непосредственно после приготовления. Смешение проводят при температуре 260-310oC. Минеральный наполнитель, например измельченный кварц, нагревают и нагретый смешивают с вяжущим. Недостатком данного способа является высокая температура смешения, которая усложняет технологический процесс, требует значительных энергетических затрат, может привести к деструкции полимера. Перед сливом в пропиточную ванну такое вяжущее необходимо охладить, т.к. нагретое до такой высокой температуры вяжущее пропитает волокнистую основу, но не сможет образовать покровный слой из-за низкой вязкости. Кроме того, нагрев минерального наполнителя является дополнительной операцией, требующий также энергетических затрат.The invention relates to the construction materials industry. The proposed method provides a process for preparing a bitumen-polymer binder, consisting of bitumen, polymer, plasticizer and mineral filler, and intended for the manufacture of rolled soft roofing and waterproofing materials. The binder is used in combination with the fibrous base, impregnates it and forms a coating layer on both sides, on which a coating layer or a polymer film is applied to improve the operational characteristics of the material and prevent it from sticking to the roll. One of the conditions for good quality roll materials is the uniformity of the properties of the binder in volume, which is achieved by a uniform distribution of the mixed components in the mass. There are various methods of intensifying the process of mixing bitumen-polymer compositions. So in the patent of the Russian Federation [1] describes a method of mixing in a mixer of bitumen, butyl rubber, plasticizer and filler, in which to improve the quality of mixing, phenol-formaldehyde or oil-polymer resin is additionally added to the composition, while the rubber, resin and silicon dioxide are initially mixed until a homogeneous mass, then enter bitumen preheated to 170-190 o C with a softening temperature of 50 o C, the filler is introduced before or after the introduction of bitumen. Known [2] is a method for producing a bitumen-rubber composition in which gossypol resin is introduced to increase the processability of the composition. The mixing is carried out in a mixer with electric heating at a temperature of 190-210 o C and a stirring speed of 500-700 rpm The disadvantages of the considered methods is a rather high mixing temperature (up to 210 o C) and the introduction of an additional component - resin, which complicates the process and increases the cost of the resulting material. A method [3] for the preparation of a bitumen-rubber binder is described, in which, in order to uniformly distribute the rubber in the bitumen, the rubber-containing component is introduced in the dissolved state, followed by removal of the solvent when the binder is heated to 180 ° C. The introduction and subsequent removal of the solvent complicates the process, reduces safety process worsens the environmental situation in the workplace. A more uniform distribution of components can be achieved by increasing the temperature during mixing. The method described [4], which allows to reduce the viscosity of the bitumen binder, according to which a polyolefin material, mainly polyethylene or polypropylene, and bitumen are mixed and homonized at a temperature of 260-310 o C the closest to the proposed method for producing a bitumen-polymer composition is a method of preparing a bitumen binder, described in the application of the UK [5], which the authors adopted as a prototype. According to the description of this method, to obtain a bitumen binder, molten bitumen when heated is mixed with a polyolefin to dissolve and evenly distribute the polyolefins in the bitumen melt and stirring is continued when heated until the viscosity of the solution at this temperature drops to a value lower than that viscosity the solution would have at the same temperature immediately after preparation. The mixture is carried out at a temperature of 260-310 o C. Mineral filler, such as crushed quartz, is heated and heated is mixed with a binder. The disadvantage of this method is the high mixing temperature, which complicates the process, requires significant energy costs, can lead to the destruction of the polymer. Before draining into the impregnation bath, such an astringent must be cooled, because a binder heated to such a high temperature will impregnate the fibrous base, but will not be able to form a coating layer due to its low viscosity. In addition, heating the mineral filler is an additional operation, which also requires energy costs.
Технической задачей предлагаемого изобретения являлась разработка технологии смешения битумно-полимерного вяжущего, обеспечивающей равномерное распределение смешиваемых компонентов при сравнительно низких температурах, получение качественного вяжущего, а также кровельного и гидроизоляционного материалов на его основе. The technical task of the invention was to develop a technology for mixing a bitumen-polymer binder, providing a uniform distribution of the mixed components at relatively low temperatures, obtaining a high-quality binder, as well as roofing and waterproofing materials based on it.
Поставленная цель достигается путем применения двухстадийного смешения в двух последовательно установленных смесителях. В первом осуществляют смешение битума и полимера: полиэтилена при температуре 160-200oC. Затем двойную смесь перекачивают во второй смеситель, к ней добавляют остальные компоненты - пластификатор, в качестве которого выбрано нефтяное масло, и минеральный наполнитель и смешение продолжают при более низкой температуре 140-160oC. Удовлетворительное качество смешения получают путем оптимального выбора температуры.This goal is achieved through the use of two-stage mixing in two sequentially installed mixers. In the first, bitumen and polymer are mixed: polyethylene at a temperature of 160-200 o C. Then the double mixture is pumped into the second mixer, the remaining components are added to it - a plasticizer, which is selected as oil, and the mineral filler and mixing are continued at a lower temperature 140-160 o C. A satisfactory mixing quality is obtained by optimal temperature selection.
Исследование зависимости вязкости битума от напряжения сдвига при различных температурах позволило выбрать температурные режимы смешения. В диапазоне температур от 85 до 160oC проявляется тип кривых течения со слабо выраженным эффектом аномалии вязкости и высоким абсолютным значением вязкости. При последующих высоких температурах характер кривых течения изменяется: проявляется зависимость вязкости от нагрузки, т.е. реализует истинно вязкое течение. Это можно объяснить изменением структуры материала под воздействием температуры. Первый диапазон температур вызывает размягчение материала, однако сохраняет внутреннюю структуру его, обусловленную межмолекулярным взаимодействием. Второй диапазон температур приводит к разрушению пространственных контактов, что позволяет реализоваться перемещению макромолекул в направлении потока, поэтому вязкость изменяется по традиционной зависимости от нагрузки. Температура 160oC является критической температурой, начиная с которой происходит истинно вязкое течение материала. Для смешения битума с полиэтиленом авторами выбран диапазон температур 160-200oC, когда межмолекулярная структура битума разрушена и вязкость его низкая. В таком битуме полиэтилен легко распределяется, образуются новые надмолекулярные структуры битумно-полимерной смеси. Снижение температуры такой смеси уменьшает подвижность структурных элементов и таким образом фиксирует вновь образовавшуюся структуру, которую не следует разрушать при дальнейшем смешении с пластификатором и наполнителем, т.к. последние заполняют межструктурные ячейки и не участвуют в образовании структурной сетки. Перекачка двойной смеси из первого смесителя во второй и введение холодных пластификатора и наполнителя снижают температуру смеси. Во втором смесителе поддерживают температуру 140-160oC. Повышения температуры в первом смесителе выше 210oC следует избегать, т.к. при такой температуре возможны процессы деструкции и зашивки, наблюдается охрупчивание битума. Снижение температуры во втором смесителе ниже 140oC нецелесообразно, т.к. выбранная температура обеспечивает оптимальную вязкость смеси после слива ее в пропиточную ванну, нужную для пропитки вяжущим волокнистой основы и формирования на ней покровного слоя.The study of the dependence of the viscosity of bitumen on shear stress at various temperatures made it possible to choose the temperature regimes of mixing. In the temperature range from 85 to 160 o C, the type of flow curves with a weakly expressed effect of viscosity anomalies and a high absolute value of viscosity is manifested. At subsequent high temperatures, the nature of the flow curves changes: the dependence of viscosity on load appears, i.e. implements a truly viscous flow. This can be explained by a change in the structure of the material under the influence of temperature. The first temperature range causes softening of the material, however, it retains its internal structure due to intermolecular interaction. The second temperature range leads to the destruction of spatial contacts, which allows the movement of macromolecules in the direction of flow, so the viscosity changes according to the traditional dependence on the load. A temperature of 160 ° C. is the critical temperature at which a truly viscous flow of material begins. To mix bitumen with polyethylene, the authors chose a temperature range of 160-200 o C, when the intermolecular structure of bitumen is destroyed and its viscosity is low. In this bitumen, polyethylene is easily distributed, and new supramolecular structures of the bitumen-polymer mixture are formed. Lowering the temperature of such a mixture reduces the mobility of the structural elements and thus fixes the newly formed structure, which should not be destroyed upon further mixing with a plasticizer and filler, because the latter fill the interstructural cells and do not participate in the formation of the structural network. Pumping a double mixture from the first mixer to the second and the introduction of cold plasticizer and filler reduce the temperature of the mixture. In the second mixer, the temperature is maintained at 140-160 ° C. Temperature rises in the first mixer above 210 ° C. should be avoided, as at this temperature, destruction and suturing processes are possible, bitumen embrittlement is observed. The temperature drop in the second mixer below 140 o C is impractical, because the selected temperature ensures the optimal viscosity of the mixture after pouring it into an impregnating bath, which is necessary for impregnation of the fibrous base with a binder and the formation of a coating layer on it.
Для смешения компонентов вяжущего выбран смеситель планетарный с электрообогревом и двумя мешалками: шнековой мешалкой с числом оборотов 48,9 об/мин и рамной мешалкой с числом оборотов 34,5 об/мин. И у рамной и у шнековой мешалки лопасти или угол атаки направлены на опускание смеси вниз. Сочетание таких мешалок обеспечивает перемещение смешиваемой массы вяжущего как вокруг оси, параллельно плоскости днища смесителя, так и вдоль оси, т.е. по высоте смесителя. Минимальное время смешения определялось временем, необходимым для получения однородного состава при смешении. Для смешения битумно-полимерной композиции в первом смесителе оно составляет 90 мин, для смешения всех компонентов во втором смесителе - 30 мин. Руководствуясь экономической и технологической целесообразностью, авторами выбран предел по времени смешения: для первого смесителя 90-100 мин, для второго 30-40 мин. For mixing the binder components, a planetary mixer with electric heating and two mixers was selected: a screw mixer with a speed of 48.9 rpm and a frame mixer with a speed of 34.5 rpm. Both the frame and the screw mixer blades or angle of attack are aimed at lowering the mixture down. The combination of such mixers ensures the movement of the mixed binder mass both around the axis, parallel to the plane of the mixer bottom, and along the axis, i.e. the height of the mixer. The minimum mixing time was determined by the time required to obtain a homogeneous composition when mixed. For mixing the bitumen-polymer composition in the first mixer, it is 90 minutes, for mixing all the components in the second mixer - 30 minutes. Guided by economic and technological feasibility, the authors chose a limit on the mixing time: for the first mixer 90-100 min, for the second 30-40 min.
Технологический процесс осуществляется следующим образом. The technological process is as follows.
Пример. Example.
В смеситель планетарный с электрообогревом и двумя мешалками (шнековой и рамной) загружают 2000 кг битума марки БН - 70/30 с температурой 180oC, вводят полимер-полиэтилен в количестве 125 кг, смешивают при температуре 170- 175oC в течение 95 мин, смесь перекачивают во второй такой же конструкции смеситель, добавляют последовательно 100 кг нефтяного, например индустриального, масла и через 15 - 20 мин 700 кг минерального наполнителя, температура смеси снизилась до 140-150oC, перемешивают в течение еще 15-20 мин, далее смесь вяжущего сливают в пропиточную ванну, через которую с помощью системы валков пропускают предварительно высушенную стеклоткань шириной 100 см и плотностью 200 г/м2. Стеклоткань, пропитанную и покрытую с двух сторон вяжущим пропускают через ванну с водной суспензией каолина так, чтобы верхняя поверхность полотна была покрыта слоем водной суспензии каолина, далее нижнюю сторону полотна дублируют с полиэтиленовой пленкой и такой материал через систему охлаждающих барабанов направляют на намоточный станок и затем в виде рулонов на склад. Испытание пробы вяжущего из ванны показало удовлетворительную однородность при нанесении его на зеркальную поверхность и высокую температуру размягчения методом кольца и шара.2000 kg of BN-70/30 grade bitumen with a temperature of 180 o C are loaded into a planetary mixer with electric heating and two mixers (screw and frame), a temperature of 180 o C is introduced, polymer-polyethylene in the amount of 125 kg is introduced, mixed at a temperature of 170-175 o C for 95 min , the mixture is pumped into a mixer of the second construction of the same design, 100 kg of petroleum, for example industrial, oil are added sequentially and after 15-20 minutes 700 kg of mineral filler, the temperature of the mixture drops to 140-150 o C, mix for another 15-20 minutes, then the binder mixture is poured into an impregnation bath, h which using a system of rolls pass pre-dried fiberglass with a width of 100 cm and a density of 200 g / m 2 . Fiberglass, impregnated and coated on both sides with a binder, is passed through a bath with an aqueous kaolin suspension so that the upper surface of the fabric is covered with a layer of an aqueous suspension of kaolin, then the lower side of the fabric is duplicated with a plastic film and such material is sent to a winding machine through a system of cooling drums and then in the form of rolls to the warehouse. Testing a binder sample from the bath showed satisfactory uniformity when applied to a mirror surface and a high softening temperature using the ring and ball method.