СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИНОБИТУМНОЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD TO PREPARE RUBBER MODIFIED BITUMEN

Изобретение относится к строительным материалам широкого спектра применения и может быть использовано для дорожных, кровельных, изоляционных, герметизирующих работ.
Известен способ приготовления битумно-резиновой композиции, включающий приготовление смеси, содержащей в мас.%: битум - 70-80, крошку из вулканизированной резины из отработанных автомобильных шин - 15-25 и нафталиновую фракцию каменноугольной смолы - 5-10 (см. RU №2327719, C08L 95/00, C08L 17/00, C08J 3/20, 2008).
Физико-механические характеристики композиции, получаемой известным способом, очень высоки, но существенным недостатком является использование в процессе ее приготовления фракции каменноугольной смолы с температурой кипения больше 200°С в качестве пластификатора. Этот продукт является исключительно вредным для здоровья персонала, так как содержит токсичные вещества, особенно бензопирены.
Известен также способ приготовления резинобитумной композиции, включающий приготовление смеси битума, резиновой крошки и пластификатора (см. RU №2178434, C08L 95/00, С08K 5/32, С08K 5/14, С04В 26/26, C08L 17/00, 2002).
В композицию дополнительно вводят смесь соединения или соединений, выбранных из группы нитронов, способных к образованию стабильных радикалов, и перекисного соединения. Резину используют в виде различимых частично деструктированных частиц и продуктов ее деструкции, содержащихся в количестве не менее 0,5 мас.% в расчете на резину до деструкции. Частицы резины содержат ненасыщенные связи в количестве не менее 2% от общего числа связей. Композиция дополнительно содержит смесь вышеуказанного нитрона и перекисного соединения, взятых в массовом соотношении нитроны:перекисное соединение от 1:1 до 10:1 соответственно. Перечисленные компоненты используют в следующих количествах: вышеуказанная смесь из нитронов и перекисного соединения - 1-2 мас.%, вышеуказанная смесь из резины и продуктов ее деструкции - 5-30 мас.%, битум - до 100 мас.%.
Отдельные физико-механические характеристики этой известной битумной композиции достаточно высоки, но недостаток этого решения проявляется в неудовлетворительном комплексе таких параметров, как температуры размягчения и хрупкости и эластичность. В частности, если достигается наилучший показатель температуры хрупкости (-28°С), то ему соответствует неудовлетворительная температура размягчения (+50°С), а если достигается наилучший показатель температуры размягчения (+92°С), то ему соответствует неудовлетворительная температура хрупкости (-18°С). И во всех случаях эластичность очень низкая (не более 35%). Таким образом, композиция, получаемая в рамках известного способа, не может эффективно работать в составе покрытий в суровых климатических условиях (при температурах наружного воздуха ниже -30°С и выше +30°С).
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в обеспечении возможности получения резинобитумной композиции с повышенными значениями эластичности, сохраняемыми в суровых климатических условиях при повышенных механических нагрузках.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности получения материалов, эффективно «работающих» в суровых климатических условиях (при температурах наружного воздуха ниже -30°С и выше +30°С) при повышенных механических нагрузках в широком спектре строительных и дорожных конструкций.
Поставленная задача решается тем, что способ приготовления резинобитумной композиции, включающий приготовление смеси битума, резиновой крошки и пластификатора, отличается тем, что в составе смеси дополнительно используют малеиновый ангидрид, при этом в качестве пластификатора используют растительное масло, причем названные компоненты в составе композиции используют при следующем соотношении, мас. %:
Резиновая крошка
12,0-15,0
Пластификатор
5,0-20,0
Малеиновый ангидрид
0,3-0,5
Битум
остальное
кроме того, в процессе приготовления резинобитумной композиции растительное масло помещают в емкость смесителя и нагревают до температуры 120°С, после чего в него вводят битум, предпочтительно в расплавленном состоянии, и, после их перемешивания, в смеситель вводят резиновую крошку и, перемешивая, нагревают полученную смесь до температуры 170°С, которую поддерживают до окончания приготовления композиции, при этом операцию перемешивания смеси с резиновой крошкой ведут не менее часа, затем в смесь водят малеиновый ангидрид и операцию перемешивания полученной смеси ведут еще не менее получаса. Кроме того, используют битум марки БНД 90/130. Кроме того, используют резиновую крошку шинных отходов, фракции до 1,5 мм, без ее дополнительной обработки. Кроме того, используют смеситель, выполненный с возможностью подогрева смеси до 180°С.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки, указывающие, что в составе композиции «дополнительно используют малеиновый ангидрид», обеспечивают возможность создания (с девулканизируемым из резиновой крошки каучуком) полимерного комплекса, обеспечивающего повышение температуры размягчения и эластичности композиции после ее затвердевания. Кроме того, введение малеинового ангидрида обеспечивает повышение адгезионной способности композиции с различными материалами (с наполнителями, с бетоном, с металлом).
Признаки, указывающие, что «в качестве пластификатора используют растительное масло», обеспечивают пластификацию битума до уровня, дающего возможность получить более низкие температуры хрупкости композиции и повысить эффективность девулканизации резиновой крошки шинных отходов (материала, не подвергнутого дополнительной промежуточной обработке).
Признаки, указывающие на диапазон концентраций резиновой крошки, малеинового ангидрида и пластификатора (растительное масло), обеспечивают значения концентраций этих компонентов, при которых обеспечивается получение однородного геля. Причем варьированием концентраций малеинового ангидрида и пластификатора (при заданном значении концентрации резиновой крошки, варьируемой в небольшом диапазоне - разница между максимальным и минимальным значениями порядка 20%) можно получать различные значения температур размягчения и хрупкости композиции. Это дает возможность оперативно регулировать значения вязкости (пенетрации) и температур размягчения и хрупкости композиций, что очень важно для условий производства, поскольку обеспечивает возможность высокой адаптации свойств материала композиции условиям его эксплуатации в конкретных условиях.
При этом увеличение содержания пластификатора в композиции свыше заявленного диапазона приводит к его выпотеванию на поверхность отвержденного покрытия или превращает его в гелеобразный материал. Уменьшение содержания пластификатора ниже заявленного диапазона не позволяет достичь необходимой вязкости композиции и температуры хрупкости.
Признаки, указывающие на диапазон концентраций малеинового ангидрида, обеспечивают температуру размягчения композиции на уровне, меньшем температуры кипения растительного масла. При этом увеличение содержания малеинового ангидрида в композиции свыше заявленного диапазона приводит к его свободному избытку в составе композиции и ее дополнительной пластификации. Уменьшение содержания малеинового ангидрида ниже заявленного приводит к неэффективному использованию девулканизированного из резиновой крошки каучука, что снижает температуру размягчения композиции и ее адгезионную способность.
«Выход» значения концентрации битума за нижний предел заявленного диапазона (ниже 64,5% - при выводе суммарного значения концентраций остальных компонентов выше 35,5%) снижает гидроизоляционные свойства композиции, а «выход» значения концентрации битума за верхний предел заявленного диапазона (выше 82,7% - при выводе суммарного значения концентраций остальных компонентов ниже 17,3%) ведет к образованию слабосшитого покрытия, с пониженными эксплуатационными свойствами.
Признаки, указывающие, что в «процессе приготовления резинобитумной композиции растительное масло помещают в емкость смесителя и нагревают до температуры 120°С, после чего в него вводят битум, предпочтительно в расплавленном состоянии», после чего их перемешивают, - обеспечивают эффективную пластификацию битума, что при последующем введении резиновой крошки обеспечивает возможность ее эффективной девулканизации с получением полимерного комплекса, обеспечивающего повышение рабочих характеристик композиции.
Признаки, указывающие, что после пластификации битума в смесителе в последний «вводят резиновую крошку и, перемешивая, нагревают полученную смесь до температуры 170°С и при этом операцию перемешивания смеси с резиновой крошкой ведут не менее часа», обеспечивают возможность создания (с девулканизируемым из резиновой крошки каучуком) полимерного комплекса, обеспечивающего повышение температуры размягчения и эластичности композиции после ее затвердевания.
Признаки, указывающие, что температуру смеси, включающей пластифицированный битум и резиновую крошку, 170°С (и затем добавку малеинового ангидрида) «поддерживают до окончания приготовления композиции», обеспечивают достаточную оперативность процесса приготовления композиции, полноту протекания реакции полимеризации смеси и одновременно исключают потерю части компонентов из-за испарения при превышении температурного режима.
Признак, указывающий, что «операцию перемешивания смеси с резиновой крошкой ведут не менее часа», обеспечивает полноту вовлечения компонентов смеси в реакцию полимеризации. Превышение этого показателя ведет к неоправданному повышению энергоемкости процесса приготовления смеси.
Признаки, указывающие, что по завершении предшествующего этапа формирования композиции (приготовления смеси из трех компонентов) в нее «водят малеиновый ангидрид и операцию перемешивания полученной смеси ведут еще не менее получаса», обеспечивают температуру размягчения композиции на уровне, несколько меньшем температуры кипения растительного масла, и повышение эффективности использования каучука, девулканизированного из резиновой крошки.
Признаки второго пункта формулы изобретения конкретизируют марку битума, оптимальную для достижения результата изобретения.
Признаки третьего пункта формулы изобретения, конкретизируя характеристику резиновой крошки (отсутствие дополнительной обработки и крупность), обеспечивают минимизацию стоимости компонента из-за отсутствия его дополнительной обработки и одновременно (за счет минимизации крупности) обеспечивают сокращение продолжительности процесса ее девулканизации.
Признаки четвертого пункта формулы изобретения обеспечивают возможность реализации температурных режимов на всех операциях способа.
Для приготовления композиции используют: битум марки БНД 90/130 (ГОСТ 22245-90) - битум нефтяной дорожный; малеиновый ангидрид по ГОСТ 11153-75; растительное масло по ГОСТ 7825-76; резиновую крошку - продукт переработки шинных отходов, фракция до 1,5 мм.
Для приготовления композиции используют устройства известной конструкции, выполненные в виде емкости, снабженной лопастной или шнековой мешалкой и средствами поддержания температурного режима не менее 180°С.
Композицию готовят и используют следующим образом.
При приготовлении и использовании композиции необходимо соблюдение следующего комплекса мер безопасности:
- работники должны быть обеспечены средствами индивидуальной защиты в соответствии с ГОСТ 12.4.103 (комбинезоны, фартуки, ботинки кожаные, средства защиты органов дыхания - респираторы с аэрозольным фильтром, для защиты глаз - очки);
- работы, связанные с использованием композиции, должны проводиться в соответствии с «Санитарными правилами организации технологических процессов и гигиеническими требованиями к производственному оборудованию» ГОСТ 12.3.002, ГОСТ 12.3.035;
- работы, связанные с приготовлением и применением композиции в замкнутых помещениях, должны проводиться только при непрерывно действующей приточно-вытяжной вентиляции или с использованием средств защиты органов дыхания, при этом запрещается применение открытого огня;
- при работе в закрытых помещениях разрешается применение светильников только во взрывобезопасном исполнении;
- перед началом работы следует проверить исправность электрооборудования и наличие заземления во избежание искрения.
Изобретение иллюстрируется, но не исчерпывается следующими примерами.
Пример 1. 9,04 кг (9,04 мас.%) пластификатора - растительного масла помещают в емкость и нагревают до температуры 120°С. Затем туда вводят 77 кг (77 мас.%) битума марки БНД 90/30, полученную смесь перемешивают и в нее добавляют 13,6 кг (13,6 мас.%) резиновой крошки шинных отходов. Далее смесь нагревают до 170°С и перемешивают со скоростью 200 об/мин 60 минут. Затем, продолжая перемешивание, вводят 0,36 кг (0,36 мас.%) малеинового ангидрида. Полученную смесь перемешивают 30 минут со скоростью 200 об/мин. После этого полученная резинобитумная композиция готова к дальнейшему использованию.
Пример 2. 5 кг (5 мас.%) пластификатора - растительного масла помещают в емкость и нагревают до температуры 120°С. Затем туда вводят 80,63 кг (80,63 мас.%) битума марки БНД 90/130, полученную смесь перемешивают и в нее добавляют 14 кг (14 мас.%) резиновой крошки шинных отходов. Далее смесь нагревают до 170°С и перемешивают со скоростью 200 об/мин 60 минут. Затем, продолжая перемешивание, вводят 0,37 кг (0,37 мас.%) малеинового ангидрида. Полученную смесь перемешивают 30 минут со скоростью 200 об/мин. После этого полученная резинобитумная композиция готова к дальнейшему использованию.
Пример 3. 19,9 кг (19,9 мас.%) пластификатора - растительного масла помещают в емкость и нагревают до температуры 120°С. Затем туда вводят 67,88 кг (67,88 мас.%) битума марки БНД 90/130, полученную смесь перемешивают и в нее добавляют 12 кг (12 мас.%) резиновой крошки шинных отходов. Далее смесь нагревают до 170°С и перемешивают со скоростью 200 об/мин 60 минут. Затем, продолжая перемешивание, вводят 0,32 кг (0,32 мас.%) малеинового ангидрида. Полученную смесь перемешивают 30 минут со скоростью 200 об/мин. После этого полученная резинобитумная композиция готова к дальнейшему использованию.
Пример 4. 20 кг (20 мас.%) пластификатора - растительного масла помещают в емкость и нагревают до температуры 120°С. Затем туда вводят 64,5 кг (64,5 мас.%) битума марки БНД 90/130, полученную смесь перемешивают и в нее добавляют 15 кг (15 мас.%) резиновой крошки шинных отходов. Далее смесь нагревают до 170°С и перемешивают со скоростью 200 об/мин 60 минут. Затем, продолжая перемешивание, вводят 0,5 кг (0,5 мас.%) малеинового ангидрида. Полученную смесь перемешивают 30 минут со скоростью 200 об/мин. После этого полученная резинобитумная композиция готова к дальнейшему использованию.
Пример 5. 9 кг (9 мас.%) пластификатора - растительного масла помещают в емкость и нагревают до температуры 120°С. Затем туда вводят 77,13 кг (77,13 мас.%) битума марки БНД 90/130, полученную смесь перемешивают и в нее добавляют 13,6 кг (13,6 мас.%) резиновой крошки шинных отходов. Далее смесь нагревают до 170°С и перемешивают со скоростью 200 об/мин 60 минут. Затем, продолжая перемешивание, вводят 0,37 кг (0,37 мас.%) малеинового ангидрида. Полученную смесь перемешивают 30 минут со скоростью 200 об/мин. После этого полученная резинобитумная композиция готова к дальнейшему использованию.
Пример 6. 19,9 кг (19,9 мас.%) пластификатора - растительного масла помещают в емкость и нагревают до температуры 120°С. Затем туда вводят 67,8 кг (67,8 мас.%) битума марки БНД 90/130, полученную смесь перемешивают и в нее добавляют 13,6 кг (13,6 мас.%) резиновой крошки шинных отходов. Далее смесь нагревают до 170°С и перемешивают со скоростью 200 об/мин 60 минут. Затем, продолжая перемешивание, вводят 0,3 кг (0,3 мас.%) малеинового ангидрида. Полученную смесь перемешивают 30 минут со скоростью 200 об/мин. После этого полученная резинобитумная композиция готова к дальнейшему использованию.
Пример 7. 13 кг (13 мас.%) пластификатора - растительного масла помещают в емкость и нагревают до температуры 120°С. Затем туда вводят 73,65 кг (73,65 мас.%) битума марки БНД 90/130, полученную смесь перемешивают и в нее добавляют 13 кг (13 мас.%) резиновой крошки шинных отходов. Далее смесь нагревают до 170°С и перемешивают со скоростью 200 об/мин 60 минут. Затем, продолжая перемешивание, вводят 0,35 кг (0,35 мас.%) малеинового ангидрида. Полученную смесь перемешивают 30 минут со скоростью 200 об/мин.
Измеренные температурные характеристики и эластичность композиций, составы которых приведены в примерах 1-7, представлены в табл.1.
Таблица 1
Рабочие характеристики резинобитумной композиции
№ примера
Температура размягчения
Температура хрупкости
Интервал пластичности
Эластичность, %
1
57°С
-35°С
92°С
76
2
62°С
-30°С
92°С
70
3
38°С
-53°С
91°С
70
4
44°С
-55°С
99°С
75
5
58°С
-36°С
94°С
76
6
37°С
-54°С
91°С
73
7
52°С
-42°С
94°С
77
Прототип
50°С
-28°С
78°С
<35
Результаты испытаний полученных по изобретению резинобитумных композиций, приведенные в таблице, показывают, что они характеризуются гораздо большими интервалами пластичности и эластичностью по сравнению с аналогичными характеристиками прототипа.
Готовую композицию используют в качестве материала широкого спектра применения - она может быть использована для дорожных, кровельных, изоляционных, герметизирующих работ. При этом предпочтительно из нее известным образом, с использованием известных технических средств формируют защитный (изолирующий) слой или объем.