СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИСТИРОЛЬНОЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD FOR PRODUCING POLYSTYRENE COMPOSITION

Изобретение относится к получению полистирольных композиций на основе полистирола и нефтяных битумов. Получаемые полистирольные композиции могут быть использованы в качестве связующего при получении композиционных материалов, в промышленном и гражданском строительстве для кровельных, гидроизоляционных работ, в дорожном строительстве в качестве связующих для ремонта асфальтобетонных покрытий.
Известен способ получения композиции, заключающийся в полимеризации различных виниловых соединений и битума или асфальтенов, выделенных из битума. Обязательным условием является содержание битумом или асфальтенами одного или нескольких переходных металлов, в частности металлов групп IVA, VA, VIA и VII Периодической системы элементов, преимущественно титана или ванадия. Полимеризация выбранного винилового соединения инициируют добавлением восстанавливающего агента к смеси битума или асфальтенов и полимеризуемого винилового мономера. В качестве восстанавливающего агента выступают металлические восстанавливающие агенты, такие как гидриды, алкилы и арилы металлов I, II, III и IV групп Периодической таблицы элементов, наиболее предпочтительны алюминий три-изопропил, алюминий три-изобутил, хлорид алюминия. Процесс полимеризации проводят в диапазоне температур 20-250°C (US Patent 3303151 POLYMERIZATION PROCESS Edwin F. Peters, Lansing, and Omar O. Juveland, South Holland, Ill., ′assignors to Standard Oil Company, Chicago, Ill., a corporation of Indiana No Drawing. Filed Dec. 23, 1963, Ser. N3329045 Claims. (Cl. 26028.5)).
Недостатком известного способа является высокая температура получения композиции выше 200°C, что приводит к необходимости проведения процесса полимеризации при повышенном давлении, что сопряжено с необходимостью использования сложного аппаратного обеспечения, а также к излишним энергозатратам. Существенным недостатком приведенного способа является использование битума или асфальтенов с содержанием соответствующих переходных металлов, что на практике сложно осуществимо, так как производимый промышленностью нефтяной битум всегда имеет различное содержание, как самих асфальтенов так и металлов в них. Также к существенным недостаткам метода можно отнести использование в качестве восстанавливающего агента солей алюминия, использование которых сопряжено с большим количеством технологических проблем, связанных с высокой реакционностью данных солей.
Известен способ получения полимерно-битумной композиции, включающий смешение нефтяного битума с раствором винилового соединения (например, винилхлорида, винилацетата и акрилонитрила, стирола) и органического пероксида (например, перекиси бензоила, гидроперекиси кумола, перекиси скипидара) в инертном алифатическом или ароматическом растворителе (например, гексане, гептане или бензоле). После смещения процесс полимеризации винилового соединения протекает в течение 4 ч при 90°C, в результате образуется полимерно-битумная композиция (Patented Mar. 20, 1951 PROCESS FOR PRODUCING ASPHALT COMPOSITIONS Charles Mack, Sarina, Ontario, Canada, assignor to Standard Oil Development Company, a corporation of Delaware N Drawing. Application December 2, 1948, Serial N63, 191).
Недостатком известного способа является использование большого количества (до 25%) дополнительного огнеопасного и токсичного растворителя, что существенно усложняет аппаратное обеспечение процесс и увеличивает стоимость получаемого продукта. Также на стоимость получаемой полимерно-битумной композиции сильно влияет использование дорогостоящих перекисных инициаторов.
Наиболее близким предлагаемому изобретению способом получения полистирольных композиций является способ, представленный в патенте 2522618 C2, C08L 95/00, C08F 2/14, C08J 3/00 (Россия). Нефтяной битум перемешивается при нагревании с полимер-модификатором, при этом полимер-модификатор получают непосредственно в среде нефтяного битума путем радикальной полимеризации виниловых мономеров (в том числе стирола) при температуре 60-80°C в присутствии инициатора радикальной полимеризации, полимеризацию ведут в течение 2-4 часов при этой же температуре.
Недостатком известного способа является длительность получения композиции и не возможность получения композиции в непрерывном режиме. А также высокая стоимость получаемой композиции за счет использования инициаторов радикальной полимеризации.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение стоимости и сокращения длительности процесса, а также обеспечения возможности проведения процесса приготовления композиций в непрерывном режиме и отсутствия дорогостоящих инициирующих ингредиентов при их получении.
Поставленная задача достигается тем, что предлагается способ получения полистирольных композиции путем термической полимеризации стирола в среде нефтяного битума при температуре 120-180°C, процесс получения полистирольной композиции ведут в течение 0,5-3 часов при этой же температуре, при следующем соотношение компонентов в композиции составляет, мас.%:
Стирол
25-50
Нефтяной битум
остальное
Для этого при температуре 120-180°C в реактор-смеситель помещается нефтяной битум (75-50 мас.%) после чего туда при постоянном перемешивании помещается стирол, далее при температуре 120-180°C проводят процесс термической полимеризации в течение 0,5-3 ч, до полной полимеризации мономера. Полученную готовую к применению гомогенную композицию сливают, без охлаждения, в емкости для транспортировки.
В указанных условиях образуется однородная полистирольная композиция, при этом полимер равномерно распределен по всему объему композиции, что препятствует расслоению композиции при использовании. Полученный продукт отличается как от исходного нефтяного битума, так и от полистирола новыми характеристиками, а именно уменьшением температуру стеклования по сравнению с полистиролом, что способствует уменьшению температуры переработки композиции в готовое изделие, при этом показатель пенетрации получаемой композиции (при 25°C) приближается к значениям этого параметра для полистирола, что позволяет создавать изделия на основе получаемой композиции с необходимыми механическими свойствами. При этом получаемая композиция обладает высокой адгезией практически ко всем группам материалов, что не характерно для полистирола. Для приготовления композиции используют нефтяные битумы: битум нефтяной дорожный марки БНД 60/90 или 90/130 по ГОСТ 22245-90, битум нефтяной строительный марки БН 90/30 по ГОСТ 6617-76. Концентрационный интервал содержания стирола в композиции обусловлен варьированием эксплуатационных характеристик конечного продукта.
Изобретение иллюстрируется примерами, представленными в табл. 1 и 2.
В табл. 1 приведены составы исходной смеси, температурные режимы и продолжительность приготовления композиций, а в табл. 2 физико-механические свойства получаемых композиций.
Пример 1. В 2-литровый металлический реактор, снабженный обогреваемой рубашкой и механической лопастной мешалкой, и герметичной крышкой, помещают 500 г нефтяного битума марки БНД 90/130 (температуру битума составляет 60°C), при перемешивании в реактор помещают смесь 500 г стирола. Реактор герметично закрывается, и содержимое постоянно перемешивается, при этом внутри смеси поддерживается постоянная температура 180°C. По истечении 30 мин полученная гомогенная полистирольная композиция сливается из реактора.
Пример 5. В 2-литровый металлический реактор, снабженный обогреваемой рубашкой и механической лопастной мешалкой, и герметичной крышкой, помещают 500 г нефтяного битума марки БНД 90/130 (температуру битума составляет 60°C), при перемешивании в реактор помещают смесь 500 г стирола. Реактор герметично закрывается, и содержимое постоянно перемешивается, при этом внутри смеси поддерживается постоянная температура 140°C. По истечении 3 ч полученная гомогенная полистирольная композиция сливается из реактора.
Пример 8. В 2-литровый металлический реактор, снабженный обогреваемой рубашкой и механической лопастной мешалкой, и герметичной крышкой, помещают 500 г нефтяного битума марки БНД 60/90 (температуру битума составляет 60°C), при перемешивании в реактор помещают смесь 500 г стирола. Реактор герметично закрывается, и содержимое постоянно перемешивается, при этом внутри смеси поддерживается постоянная температура 180°C. По истечении 30 мин полученная гомогенная полистирольная композиция сливается из реактора.
Пример 10. В 2-литровый металлический реактор, снабженный обогреваемой рубашкой и механической лопастной мешалкой, и герметичной крышкой, помещают 750 г нефтяного битума марки БН 90/30 (температуру битума составляет 90°C), при перемешивании в реактор помещают смесь 250 г стирола. Реактор герметично закрывается, и содержимое постоянно перемешивается, при этом внутри смеси поддерживается постоянная температура 180°C. По истечении 30 мин полученная гомогенная полистирольная композиция сливается из реактора.
Пример 13. В 2-литровый металлический реактор, снабженный обогреваемой рубашкой и механической лопастной мешалкой, и герметичной крышкой, помещают 500 г нефтяного битума марки БН 90/30 (температуру битума составляет 90°C), при перемешивании в реактор помещают смесь 500 г стирола. Реактор герметично закрывается, и содержимое постоянно перемешивается, при этом внутри смеси поддерживается постоянная температура 120°C. По истечении 3 ч полученная гомогенная полистирольная композиция сливается из реактора.
Способ по предлагаемому изобретению прост в исполнении, позволяет получать широкий ассортимент полистирольных композиции, за счет возможности создания композиций с различными нефтяными битумами при различном соотношении компонентов. Получаемая полистирольная композиция отличается как от исходного нефтяного битума, так и от полистирола новыми характеристиками, а именно уменьшением температуру стеклования по сравнению с полистиролом (на 2-15°C), что способствует уменьшению температуры переработки композиции в готовое изделие, при этом показатель пенетрации получаемой композиции (при 25°C) приближается к значениям этого параметра для полистирола (от 2-3 мм), что позволяет создавать изделия на основе получаемой композиции с необходимыми механическими свойствами. Существенно увеличивается адгезия получаемых полистирольных композиций практически ко всем группам материалов, что не характерно для полистирола. Небольшая продолжительность термической полимеризации стирола в среде нефтяного битума при отсутствии дорогостоящих инициирующих агентов позволяет снизить стоимость получаемых полистирольных композиций по сравнению с полистиролом. Предлагаемое изобретение является одним из эффективных подходов к получения композиционных полимерных материалов.