SE440228B

SE440228B - Vattenhaltig emulsion av bitumen och gummi och forfarande for dess framstellning

Info

Publication number: SE440228B
Application number: SE7808426A
Authority: SE
Inventors: F Defoor
Original assignee: Labofina Sa; Screg Routes & Travaux
Priority date: 1978-02-20
Filing date: 1978-08-07
Publication date: 1985-07-22
Also published as: FR2417526B1; NL7808092A; CH632778A5; FR2417526A1; NO148224B; NL175313C; NO148224C; JPS5758371B2; SU1109053A3; BE874001A; ES472311A1; DE2834138B2; BR7804966A; IT1099596B; PL116463B1; JPS54111540A; DK169180B1; IT7827134A0; NO782620L; NL175313B

Description

7808426-6 vägbanorna. Detta förfaringssätt har emellertid vissa olägen- heter i det att stora mängder lösningsmedel måste förångas i atmosfären och det är nödvändigt att vänta förhållandevis lång tid innan trafik kan tillåtas på vägen.

En första förbättring_har uppnåtts genom att framställa vatten- haltiga emulsioner av bitumen och gummi. Enligt deüa tillväga- gångssätt blandas gummi eller närmare bestämt en gummiliknande block-sampolymer av en konjugerad dien och ett vinylaromatiskt kolväte med bitumen och blandningen emulgeras därefter med vatten som innehåller ett emulgeringsmedel och en syra. Det är emellertid inte lätt att fullständigt emulgera blandningen av bitumen och gummi vid de temperaturer som vanligtvis före- ligger när de skall användas på vägen och som ligger mellan omkring 1200 och omkring 1400 C. I verkligheten kommer inte mängden av blanding som emulgeras i allmänhet att överstiga 40 %.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att eliminera dessa olägenheter. Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstad- komma en ny vattenhaltig emulsion som innehåller en blandning av bitumen och gummi coh ett emulgeringsmedel. Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett förbättrat för- farande för framställning av vattehaltiga emulsioner av bitu- men och gummi där hela mängden av blandningen av bitumen och gummi blir emulgerad.

Följaktligen innehåller de vattenhaltiga emulsionerna av bi- tumen och gummi enligt föreliggande uppfinning huvudsakligen: a) en bituminös massa, b) en block-sampolymer av butadien och styren, c) ett emulgeringsmedel bestående av ett salt av en alifatisk eller alicyklisk amin som innehåller minst 10 kolatomer, samt d) vatten, och kännetecknas av att block-sampolymeren är en ra- diell block-sampolymer. Härigenom uppnås emulsioner med mycket små miceller. 7808426-6 Förfarande för framställning av dessa vattenhaltiga emulsioner av bitumen och gummi bestàr huvudsakligen i hopblandning av en bituminös massa med en radiell block-sampolymer av butadien och styren, tillsättning av denna blandning till en del av den totala mängden av amin som erfordras för att framställa emul- sioner, och emulgering av den resulterande blandningen med vatten som innehälller resterande mängden av amin och en syra som användes i en mängd som är minst lika den som erfordras för att neutralisera aminen.

Den bituminösa massan, som är huvudkomponenten i den vattenhal- tiga emulsionen enligt uppfinningen, kan vara naturlig bitumen, en tjära som bildas vid destillation av råolja, oxiderad eller blåst bitumen och liknande. En bituminös massa kännetecknas vanligtvis genom sitt genomträngningsvärde, som bestämmes av det djup (i tiondelsndllimeter) som en standardnál tränger in i massan under en belastning på 100 g vid en temperatur av 250C och under 5 sekunder (ASTM-D-S5lL Ett annat kännetecken hos en bitumen är dess mjukningstemperatur, vilken bestämmes med ring- - och kul-metoden (ASTM-D-3626). Enligt föreliggande uppfinning utnyttjas med fördel bituminösa massor som har en inträngning i området 10 - 300 och en mjukningstemperatur som ligger mellan 9s° och z5°c.

De radiella block-sampolymennma framställes av en konjugerad dien och ett vinylaromatiskt kolväte, närmare bestämt av buta- dien och styren. Dessa block-sampolymerer kan uppfattas som att vara sammansatta av minst tre block-sampolymergrenar. Varje gren omfattar ett segment av dien-polymer med ett segment av vinylaromatisk polymer vid en ände. Den andra änden är förbun- den med andra liknande grenar. En sådan radiell block-sampoly- mer kan exempelvis framställas enligt det förfarande som be- skrivs i den amerikanska patentskriften 3.281.383. De radiella plock-sampolymererna omfattar i allmänhet 4 grenar i en stjärn- liknande struktur. Dien-polymersegmentet och det vinylaromatiska polymersegmentet i varje gren, såväl som de totala mängderna dien och vinyl i den radiella block-sampolymeren, kan variera inom vida gränser. I allmänhet ligger mängden av dien mellan omkring 50 och 70 viktprocent och mängden av vinylaromatiskt kolväte mellan omkring 50 och 30 viktprocent. Molekylvikten hos dessa radiella block-sampolymerer kan variera från omkring väv-fa- /s 'oo-rf \ raw...

PCf-ïï 'w 11-1... 7808426-6 50.000 till 300.000 och ligger i allmänhet mellan omkring' 75.000 och 250.000. Mängden av de radiella block-sampolymererna som användes i de vattenhaltiga lösningarna enligt föreliggande uppfinning ligger i allmänhet mellan 2 och 20 %, närmare be- stämt mellan omkring 5 och 15 %, räknat på vikten av bitumen och sampolymer.

Emulgeringsmedlen som användes i kompositionerna enligt före- liggande uppfinning är katjoniska emulgatorer, närmare bestämt emulgatorer som erhålles genom neutraliseringen av en amin (mono-, di- eller polyamin eller blandningar av dessa), vilken kan vara en alifatisk amin eller en alicyklisk amin som inne- håller minst 10 kolatomer, med en organisk eller Oorganisk syra, såsom ättiksyra, _saltsyra, svavelsyra eller fosforsyra.

Denna neutralisering utföres i emulsionen. Representativa aminer är talgdiamin (vid vilken alkylkedjan innehåller i huvudsak 16 - 18 kolatomer), amidoaminer och imidazolin-derivat av hartssyror och liknande. Den syra som användes för neutrali- seringen av dessa aminer kan väljas i beroende av priset, till- gänglighet och den teknologi som utnyttjas för framställning av emulsionerna. En syra som är lätt tillgänglig till lågt pris och som inte är för flyktig användes företrädesvis. Saltsyra är därför särskilt användbar.

Mängden av emulgator som användes i de föreliggande kompositionerna kan variera inom vida gränser. I allmänhet kommer den valda mäng- den emulgator att vara den lägsta mängd som kan utnyttjas för att uppnå en emulsion med en lämplig stabilitet. Dessutom häm- mas nedbrytningen av emulsionerna på användningsstället när det användes för stora mängder emulgator. Dmulgatormängder mellan 0,05 och 2 %, och särskilt mellan 0,1 och 1,5 %, räknat på den sammanlagda vikten av emulsionen, användes vanligtvis.

Ett särdrag vid förfarandet enligt föreliggande uppfinning för framställning av vattenhaltiga emulsioner av bitumen och gummi, består i tillsättning av omkring 40 - 70 % av den totala mäng- den av amin i blandningen av bitumen och gummi, varvid den res- terande mängden av amin tillsättes med syran till den vatten- haltiga fasen. Hela blandningen av bitumen och gummi kan inte emulgeras när den totala mängden amin tillsättes antingen till blandningen av bitumen och gummi eller till den vattenhaltiga \ 5 7808426-6 fasen.

Ett annat kännetecken vid förfarandet enligt föreliggande upp- finning är den höga viskositeten på de blandningar av bitumen och gummi som kan emulgeras utan behov av ett lösningsmedel.

Det är känt att tillsättningen av en block-sampolymer till en bitumen resulterar i en kraftig ökning i viskositeten på bi- tumenen. Viskositeten på blandningarna av bitumen och gummi, som skall emulgeras, måste emellertid i allmänhet vara lägre än 400 centipois vid emulgeringstemperaturen, varvid det i annat fall måste användas ett lösningsmedel. Vid förfarandet enligt uppfinningen kan emellertid blandningar av bitumen och radiella block-sampolymerer som har viskositeter upp till 5.000 centipois emulgeras utan behov av något lösningsmedel vid emulgeringstem- peraturer som i allmänhet ligger mellan 1400 och 1900 C. Det är emellertid mer ändamålsenligt att använda blandningar av bitumen och radiella block-sampolymerer som har en viskositet som ligger mellan 1.000 och 2.000 centipois vid emulgerings- temperaturen.

Vattenmängden beror på den önskade viskositeten på emulsionen.

På ena sidan är det inte lätt att hantera en emulsion med en hög viskositet vid päföringstemperaturen. Pâ den andra sidan kommer en emulsion med för låg viskositet att kunna flyta bort från påföringsstället. I allmänhet ligger vattenmängden mellan 25 och 55 %, företrädesvis mellan 30 och 40 %, räknat på den sammanlagda vikten av emulsionen.

Den vattenhaltiga fasen innehåller också en syra som användes i en mängd som minst är lika stor som den mängd som krävs för neutraliseringen av den amin som finns i blandningen av bitumen och radiell sampolymer och i den vattenhaltiga fasen. Denna syra- mängd måste vara tillräckligt stor för att säkerställa emulsionens stabilitet. Diffusion av aminen mot det yttre av micellerna sker förhållandevis långsamt och kan kräva flera dagar. Om den till- satta syramängden inte är tillräcklig, kommer en emulsion som ser stabil ut när den framställes att brytas ner några dagar senare, med framträdande av aminsammansättningar som inte är neu- traliserade. I allmänhet ligger syramängden mellan 1,2 och 2 gånger den stökiometriska mängden som krävs för neutralisering av den använda aminen. 'ïšöíéïll 7808426-6 Följande exempel är belysande på uppfinningen, men skall icke uppfattas som några begränsningar. Dessa exempel innehåller upp- gifter om genomsníttsstorleken på micellerna i emulsionen och om sedimenteringsindex, som ger upplysningar om lagringsstabi- liteten hos de bituminösa emulsionerna resp. deras nedbrytnings- hastighet. Nedbrytningshastigheten bestämmes med nedbrytninge- index som är det antal gram SiO2 som måste tillsättas till 100 g emulsion för att nedbryta emulsionen. Ju lägre nedbrytningsindexet är desto högre är nedbrytningshastigheten. Denna hastighet får varken vara för låg (ostabila emulsioner) eller för hög (för stabila emulsioner). Det anses allmänt att nedbrytningsindexet bör ligga mellan 25 och 100. Nedbrytningshastigheten kan också bestämmas genom den tid som krävs för att nedbryta emulsionen efter att den har påförts på användningsstället. Denna hastig- het beror för övrigt på atmosfäriska betingelser och den ligger vanligtvis mellan 20 och 90 minuter.

Exempel 1 En bitumen med en inträngning av 200 och en mjukningspunkt av 42° C blandades med en radiell block-sampolymer (molekylvikt 250.000).Mängden av sampolymer var 6 % räknat på den sammanlag- da vikten av bitumen och sampolymer. Blandningstiden var 2,5 timmar. 0,3 % talg-díamin Oﬂh 0,075 % talg-polyamin (räknat på vikten av bitumen och sampolymer) tillsattes till denna blandning.

Viskositeten på den resulterande blandningen var 1.500 centipois vid 1750 C (bestämd med en Brookfield-viskosimeter).

Denna sistnämnda blandning emulgerades genom att den vid normalt tryck och vid 175° C infördes i en kolloidkvarn (typ Hurrell) tillsammans med en vattenhaltig fas som innehåller vatten, 0,3 viktprocent talg-diamin, 0,075 víktprocent talg-polyamin och 1,2 viktprocent saltsyra (densitet 1,19), varvid dessa procent- tal är beräknade på vikten av vatten. Denna vattenhaltiga fas hade en temperatur av 60° C. Viktförhållandet mellan den bitumi- nösa blandningen och den vattenhaltiga fasen var 66:34.

Den emulgerade kompositionen hade följande egenskaper: 7 7808426-6 Genomsnittlig storlek 'på micellerna: 3 - 5 Pm.

Sedimenteringindex (ASTM-D-244-75): 3 % Nedbrytningsindex: 35 Nedbrytningshastighet (in situ): 30 min.

I jämförande syfte framsälldes samma blandning av bitumen och radiell block-sampolymer, men utan att amin tillsattes. Denna blandning emulgerades därefter genom att den infördes i en ko- loidkvarn under atmosfärtryck och vid 1750 C tillsammans med en vattenhaltig fas som innehöll 0,8 viktprocent talg-diamin, 0,23 viktprocent talg-polyamin och 1,2 viktprocent saltsyra (densitet 1,19), varvid dessa procentdelar är beräknade på vattenvikten. Denna vattenhaltiga fas hade en temperatur av 600 C. Viktförhållandet mellan den bituminösa blandningen och den vattenhaltiga fasen var 66:34. Bara 70 % av denna bituminösa blandning emulgerades.

Vid ett annat jämförande exempel framställdes samma blandning av bitumen och radiell block-sampolymer och det tillsattes där- efter 0,45 viktprocent talg-diamin och 0,12 viktprocent talg- -polyamin (räknat på vikten av bitumen och sampolymer). Denna komposition emulgerades på samma sätt som beskrivits ovan, men vid användning av en vattenhaltig fas som bara innehöll salt- syra (densitet 1,19, 1,2 viktprocent räknat på vattenvikten).

Denna vattenhaltiga fas hade en temperatur av 60° C. Viktför- hållandet mellan den bituminösa blandningen och den vattenhal- tiga fasen var 66:34. Bara 40 % av denna bituminösa blandning emulgerades.

Exempel 2 En bitumen med en inträngning av 180 och en mjukningspunkt av 420 C blandades med en radiell block-sampolymer (molekylvikt 250.000). Mängden sampolymer var 7 %, räknat på den sammanlagda vikten av bitumen och sampolymer. Blandningstiden var 3 timmar. 0,4 viktprocent talg-diamin och 0,1 viktprocent talg-polyamin (räknat på den sammanlagda vikten av bitumen och sampolymer) tillsattes till blandningen.

Viskositeten på den resulterande blandningen var 2.500 centipois í-í 7sos426+s_ vid 145° C (bestämd med en Brookfield-viskosimeter).

Den sistnämnda blandningen emulgerades genom att införas i en kolloid-kvarn (typ Hurrell) under atmosfärtryck och vid 1400 C tillsammans med en vattenhaltig fas som innehåller vatten, 0,4 viktprocent talg-diamin, 0,1 viktprocent talg-polyamin och 2 viktprocent saltsyra (densitet 1,19), varvid dessa procentdelar är beräknade på vattenvikten. Temperaturen på den vattenhaltiga fasen var 600 C. Viktförhållandet mellan den bituminösa bland- ningen och den vattenhaltiga fasen var 70§30.

Hela den bituminösa blandningen emulgerades. Emulsionen hade följande kännetecken: Genomsnittlig storlek på micellerna: 15 - 30 Pm.

Sedimenteringsindex: 20 % Nedbrytningsindex: 90.

Exemgel 3 Det förfarande som beskrivs i exempel 1 upprepades, men under an- vändning av 1,9 viktprocent (räknat på vattenmängden) av en 85 %- lösning av fosforsyra istället för saltsyra.

Hela den bituminösa blandningen emulgerades. Emulsionen hade föl- jande kännetecken: Genomsnittlig storlek på micellerna: 4 - 7/nn Sedimenteríngsindex: 4 % Nedbrytníngsindex: 35.

Exemgel 4 En bitumen med en inträngning av omkring 30 blandades med en ra- diell block-sampolymer av polystyren och polybutadien med en mo- lekylvikt av 150.000. Mängden sampolymer var 5 viktprocent räk- nat på den sammanlagda vikten av bitumen och sampolymer. Bland- ningstiden var 2 timmar. 0,4 viktprocent (räknat på vikten av blandningen) amido-amin av hartssyror tillsattes till blandningen. Viskositeten på den resul- 7soß426+e terande blandningen vid 175° C var 1.750 centipois (bestämd med en Brookfield-viskosimeter).

Den sistnämnda blandningen emulgerades genom att den infördes under atmosfärtryck och vid 1750 C i en kolloid-kvarn (typ Hurrell) tillsammans med en vattenhaltig fas som innehöll vat- ten, 0,4 viktprocent av den ovannämnda amino-massan och 0,8 viktprocent saltsyra (densitet 1,19), varvid dessa procenttal är beräknade på vattenvikten. Temperaturen på den vattenhaltiga fasen var 600 C. Viktförhâllandet mellan den bituminösa bland- ningen och den vattenhaltiga fasen var 66:34.

Hela bitumenmängden emulgerades. Emulsionen hade följande känne- tecken: Genomsnittlig storlek på micellerna: 3 - S/Jm Sedimenteringsindex: 3 Nedbrytningsindex: 40.

Exemgel 5 En bituminös komposition framställdes såsom beskrivits i exempel 1, men under användning av talg-diamin (0,4 % räknat på den totala vikten av bitumen och sampolymer). Viskositeten på den resulterande blandningen vid 1750 C var 1.500 centipois.

Denna blandning emulgerades genom att den infördes under atmosfär- tryck och vid 1700 C i en kolloid-kvarn (typ Charlotte) till- sammans med en vattenhaltig fas som innehöll vatten, 0,4 vikt- procent talg-díamin och 1,2 viktprocent saltsyra (densitet 1,19), varvid dessa procenttal är beräknade på vattenmängden. Tempera- turen på den vattenhaltiga fasen var 600 C. Viktsförhållandet mellan den bituminösa blandningen och den vattenhaltiga fasen var 68:32.

Hela mängden bitumen emulgerades. Emulsionen hade följande egen- skaper: Genomsnittlig micellstorlek: 4 - 6/um Sedimenteringsindex: 3 Nedbrytningsindex: 33. u» 1 7805425-6 *° I jämförande syfte upprepades samma tillvägagångssätt, men un- der användning av en sampolymer som var en linjär block-sampoly- mer som innehöll block av polystyren (molekylvikt 14.000) och block av polybntadien (molekylvikt 65.000).

Denna emulsion hade följande egenskaper: Genomsnittlig storlek på micellerna: 20 - 30 Pm (nâgra miceller hade en storlek som låg mellan 200 och 500 Fm) Sedimenteringsindex: 45 Nedbrytningsindex: 30.

Exemgel 6 1 En bitumen med en inträngning av omkring 180 blandades med en ra- diell block-sampolymer av styren och butadien (molekylvikt 150.000).

Mängden sampolymer var 15 % räknat på den totala vikten av bitumen och sampolymer. Blandningstiden var 3 timmar. 0,4 % talg-diamin och 0,4 talg-polyamin (procenttalen räknade på den sammanlagda vikten av bitumen och sampolymer) sattes till bland- ningen. Viskositeten på den resulterande blandningen var 4.500 centipois vid 1900 C, bestämd med en Brookfield-viskosimeter.

Den sistnämnda blandningen emulgerades genom att den infördes i en kolloid-kvarn (typ Hurrell) under atmosfärtryck och vid en temperatur av 1900 C tillsammans med en vattenhaltig fas som innehöll vatten, 0,4 % talg-diamin, 0,4 % talg-polyamin och 2 % saltsyra (densitet 1,19), varvid dessa procenttal är räknade på vikten av den bituminösa kompositionen. Temperaturen på den vattenhaltiga fasen var 600 C. Viktförhållandet mellan den bi- tuminösa blandningen och den vattenhaltiga fasen var 60:40.

Hela mängden bitumen emulgerades. Emulsionen hade följande egen- skaper: Genomsnittlig storlek på micellerna: Omkring 80 % mellan 5 och 10 ' pm, och omkring 20 % mellan 30 och S0 Pm.

Sedimenteringsindex: 40 Nedbrytningsindex: 90.

Claims

7808426-6 11 P a t e n t k r a v

1. Vattenhaltig emulsion av bitumen och gummi omfattande: a) bitumen b) en block-sampolymer av butadien och styren c) en emulgator bestående av ett salt av en alifatisk eller alicyklisk amin som innehåller minst 10 kol- atomer, samt d) vatten, k ä n n e t e c k n a d av att block-sampolymeren är en radiell block-sampolymer.

2. Vattenhaltig emulsion enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a d av att vattenmängden utgör mellan 25 och 55 %, sär- skilt mellan 30 och 40 %, räknat på emulsionsvikten och att emulgatormängden utgör mellan 0,05 och 2 %, särskilt mellan 0,1 och 1,5 % räknat på emulsionsvikten, varvid resten ut~ gör blandningen av bitumenet och den radiella block-sam- polymeren, varvid sampolymermängden utgör mellan 2 och 20 viktprocent, särskilt mellan 4 och 15 viktprocent.

3. Vattenhaltig emulsion enligt kraven 1 och 2, k ä n - n e t e c k n a d av att den radiella block-sampolymeren har en molekylvikt mellan 50.000 och 300.000, särskilt mellan 75.000 och 250.000.

4. Förfarande för framställning av en vattenhaltig emul- sion omfattande: a) bitumen, b) en block-sampolymer av butadien och styren c) en emulgator bestående av ett salt av en alifatisk eller alicyklisk amin innehållande minst 10 kolatomer och d) vatten AAA Aﬂ' vﬁauuub -- “' _ "~~':.ïi.f»-~ 5 P"°" 7808426-6 12 enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e t e c k n a t av att bitumen blandas med en radiell block-sampolymer av buta- dien och styren, att till denna blandning sättes en del av den totala aminmängden, och att den resulterande bland- ningen emulgeras med en vattenhaltig fas innehållande den resterande delen av aminen och en syra som användes i en mängd som minst är lika stor som den mängd som erfordras för neutralisering av aminen.

5. Förfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att aminen totalt tillsättes i en mängd av mellan 0,05 och 2 %, särskilt mellan 0,1 och 1,5 %, räknat på emul- sionsvikten.

6. Förfarande enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k - n a t av att mängden amin som tillsättes till blandningen av bitumen radiell sampolymer utgör mellan 40 och 70 % av den totala aminmängden.

7. Förfarande enligt något av kraven 7 - 9, k ä n n e - t e c k n a t av att emulgeringen utföres vid en tempera- tur från 14o° till 19o°c.

8. Förfarande enligt något av kraven 4 ~ 7, k ä n n e - t e c k n a t av att syran tillsättes i en mängd som ut- gör mellan 1,2 och 2 gånger den stökiometriska mängden som erfordras för att neutralisera hela aminmängden.