БИТУМНЫЕ КОМПОЗИЦИИ И СПОСОБЫ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ
BITUMEN COMPOSITIONS AND METHODS FOR PRODUCTION THEREOF

Область техники
Настоящее изобретение по существу относится к битумным композициям и способам их получения. В частности, битумная композиция содержит битум, неэпоксидированное масло и полиолефин. Битумная композиция демонстрирует неожиданное повышение класса эффективности как при низких, так и при высоких температурах и может быть адаптирована к конкретным областям применения.
Предпосылки создания изобретения
Асфальт, или битум, обычно собирают или синтезируют и очищают для использования в таких областях применения, как асфальтирование и покрытие крыш. Тип битума, подходящего для таких областей применения, как асфальтирование, обычно называют «битумом класса асфальтирования», «битумом для асфальтирования» или «дорожным битумом». Битум, подходящий для таких областей применения, как покрытие крыш, обычно называют «кровельным гудроном», «разжиженным битумом» или просто «гудроном». Как правило, битум для асфальтирования тверже кровельного гудрона.
Прочность и долговечность битумных композиций зависят от различных факторов, включая свойства материалов, применяемых для получения битумных композиций, и условий окружающей среды, воздействию которых подвергаются битумные композиции. Традиционные битумные композиции имеют различные недостатки из-за воздействия условий окружающей среды, такие как, например, растрескивание при низких температурах, усталостное растрескивание и образование колеи при высоких температурах.
Для повышения устойчивости битумных композиций к этим и другим проблемам можно использовать различные материалы. Например, в битумные композиции могут входить высокотемпературные добавки, например пластомеры, и/или эластомеры, и/или низкотемпературные добавки. Высокотемпературные добавки, как правило, увеличивают модуль упругости битумных композиций при более высоких температурах, чтобы битумные композиции могли быть устойчивыми к постоянной деформации и ползучести, при этом низкотемпературные добавки, как правило, повышают гибкость и пластичность битумных композиций при более низких температурах, что позволяет битумным композициям быть устойчивыми к хрупкости и растрескиванию. Тем не менее, применение таких материалов, как правило, единовременно решает только одну проблему, при этом не улучшая или даже усугубляя другую проблему. Например, несмотря на снижение растрескивания при низких температурах, проблема образования колеи при высоких температурах не может быть устранена или может быть даже усугублена. Также можно наблюдать обратное.
Соответственно, существует возможность одновременного улучшения высокотемпературных и низкотемпературных характеристик битумных композиций. Дополнительные полезные признаки и характеристики различных битумных композиций будут понятны из приведенного ниже подробного описания и примеров.
Изложение сущности изобретения
3
3
В настоящем изобретении предложена битумная композиция, содержащая битум, неэпоксидированное масло и полиолефин. Битум присутствует в количестве от около 85 массовых процентов (мас.%) до около 97 мас.% в расчете на общую массу композиции. Неэпоксидированное масло выбрано из полугудронов, бионефтей, регенерированных моторных масел, жидких пластификаторов и их комбинаций и присутствует в количестве от около 2 мас.% до около 10 мас.% в расчете на общую массу композиции для повышения устойчивости к термическому растрескиванию. Для повышения устойчивости к деформации полиолефин присутствует в количестве от около 1 мас.% до около 5 мас.% в расчете на общую массу композиции. Средневесовая молекулярная масса (Mw; molecular weight) полиолефина составляет от около 1000 г/моль до около 20000 г/моль, необязательное кислотное число составляет от около 5 мг KOH/г до около 50 мг KOH/г, необязательное число омыления составляет от около 10 мг KOH/г до около 100 мг KOH/г, и плотность составляет от около 0,92 г/см до около 1 г/см. Битумная композиция имеет класс эффективности PG (от 52 до 88) и (от -22 до -40), причем (от 52 до 88) представляет собой среднюю максимальную расчетную температуру дорожного покрытия за семь дней в градусах Цельсия и представляет устойчивость к деформации, и (от -22 до -40) представляет собой среднюю минимальную расчетную температуру дорожного покрытия за один день в градусах Цельсия и представляет устойчивость к термическому растрескиванию. Каждый из данных показателей определяют согласно стандарту M320 Американской ассоциации служащих автомобильных дорог штатов (AASHTO; American Association of State Highway and Transportation Officials). Комбинация неэпоксидированного масла и полиолефина обеспечивает одновременное улучшение как низкотемпературных, так и высокотемпературных характеристик.
В настоящем изобретении также предложен способ получения битумной композиции. Способ включает в себя этапы получения битума, получения неэпоксидированного масла, получения полиолефина и объединения битума, неэпоксидированного масла и полиолефина с получением битумной композиции.
Подробное описание
Приведенное ниже подробное описание носит лишь иллюстративный характер и не предназначено для ограничения настоящего изобретения. Более того, авторы не имеют намерения ограничиваться какой-либо теорией, представленной выше в разделе о предпосылках создания изобретения или ниже в подробном описании изобретения.
Варианты осуществления настоящего изобретения по существу относятся к битумным композициям и способам их получения. Для краткости некоторые традиционные технологии, относящиеся к получению и применению битумной композиции, могут быть подробно не описаны в настоящем документе. Более того, различные задачи и этапы процесса, описанные в настоящем документе, могут быть включены в более обширную процедуру или процесс, включающий дополнительные этапы или функциональные возможности, не описанные подробно в настоящем документе. В частности, различные этапы изготовления и применения битумных композиций хорошо известны и, таким образом, с целью краткости в настоящем документе множество традиционных этапов будут кратко упомянуты или полностью опущены без предоставления хорошо известных подробностей процесса.
В настоящем изобретении предложена битумная композиция (далее называемая «композицией»), содержащая битум, неэпоксидированное масло и полиолефин, каждый из которых подробно описан ниже. В различных вариантах осуществления композиция представляет собой, содержит битум, неэпоксидированное масло и полиолефин, и состоит по существу или состоит из них. Кроме того, композиция может представлять собой, содержать битум, неэпоксидированное масло, полиолефин и один или более дополнительных компонентов, как описано ниже, и состоять по существу или состоять из них. Также предполагается, что композиция может не содержать или содержать менее около 10 мас.%, 5 мас.%, 4 мас.%, 3 мас.%, 2 мас.%, 1 мас.%, 0,5 мас.%, 0,1 мас.%, 0,05 мас.% или 0,01 мас.% одного или более компонентов, описанных ниже. В еще одном варианте осуществления композиция состоит по существу из битума, кукурузного масла и окисленного полиэтилена высокой плотности. Термин «состоит по существу из» подразумевает, что композиция не содержит (или содержит менее около 10 мас.%, 5 мас.%, 4 мас.%, 3 мас.%, 2 мас.%, 1 мас.%, 0,5 мас.%, 0,1 мас.%, 0,05 мас.% или 0,01 мас.%) один или более полимеров, добавок, наполнителей, эпоксидированных масел и т. п. Композиция может также содержать менее около 10 мас.%, 5 мас.%, 4 мас.%, 3 мас.%, 2 мас.%, 1 мас.%, 0,5 мас.%, 0,1 мас.%, 0,05 мас.% или 0,01 мас.% эпоксидированных масел или может не содержать эпоксидированные масла. Аналогично композиция может содержать менее около 10 мас.%, 5 мас.%, 4 мас.%, 3 мас.%, 2 мас.%, 1 мас.%, 0,5 мас.%, 0,1 мас.%, 0,05 мас.% или 0,01 мас.% или может не содержать эпоксидированные или неэпоксидированные полиолефины при условии, что полиолефин согласно настоящему изобретению включен в композицию. В настоящем изобретении также предложен способ получения битумной композиции. Данный способ также более подробно описан ниже.
Битум
Используемый в настоящем документе термин «битум», как правило, определен в соответствии со стандартом D8 Американского общества по испытанию материалов (ASTM; American Society for Testing Materials) и, как правило, представляет собой темно-коричневый или черный цементоподобный материал, в котором преобладающими составляющими являются битумы природного происхождения или получаемые при переработке нефти. Типично битум содержит насыщенные соединения, ароматические соединения, смолы и асфальтены. Термины «асфальт» и «битум» часто применяются взаимозаменяемо для обозначения как природной, так и произведенной композиции, причем все они явным образом рассматриваются для применения в настоящем документе в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления.
Тип битума, подходящего для применения в настоящем изобретении, не имеет конкретных ограничений и может включать в себя любой битум, известный в данной области техники. Например, битум может представлять собой или содержать любой битум природного происхождения, изготовленный синтетическим путем, или модифицированный битум. Битум может представлять собой комбинацию битумов. Битум природного происхождения, как правило, включает в себя природный битум, тринидадский битум и т.п. Изготовленный синтетическим путем битум часто является побочным продуктом операций нефтепереработки и включает в себя продутый битум, асфальтовую смесь, крекинг-битум или гудрон, нефтяной битум, пропановый битум, остаточный битум, горячий битум и т. п. Модифицированный битум, как правило, включает в себя базовый битум (например, чистый или немодифицированный битум, который может быть природного происхождения или может быть синтетически изготовлен), модифицированный эластомерами, усилители клейкости, фосфорную кислоту, полифосфорную кислоту, пластомеры, каучук из измельченных шин (GTR), дорожное покрытие из регенерированного битума (RAP), черепицу из регенерированного битума (RAS) и т.п. или их различные комбинации. Кроме того, можно применять битумы промышленного класса, включая, помимо прочего, битумы класса асфальтирования. Подходящие битумы класса асфальтирования включают в себя, помимо прочего, битумы любого из следующих классов твердости: PG46-40, PG46-34, PG52-40, PG52-37, PG52-34, PG52-28, PG58-40, PG58-37, PG58-34, PG58-28, PG58-22, PG64-37, PG64-34, PG64-28, PG64-22, PG64-16, PG67-22, PG70-10, PG70-16, PG70-22, PG70-28, PG76-10, PG76-16, PG76-22, PG76-28, в соответствии с M320 AASHTO. Кроме того, эти битумы класса асфальтирования также могут соответствовать M332 AASHTO, в котором определены классы восстановления ползучести под воздействием многочисленных напряжений (MSCR; multiple stress creep recovery), следующие за 4 типами уровней транспортного потока: стандартным (S), интенсивным (H), очень интенсивным (V) и чрезвычайно интенсивным (E), например PG58S-28, PG64H-22, PG70V-16, PG76E-10 и т. д. Кроме того, предполагается, что можно применять битумы промышленного класса, такие как битумы кровельного класса. Подходящие битумы кровельного класса включают в себя, помимо прочего, битумы любого из следующих классов твердости: пенетрация 0 децимиллиметров (пенетрация ... дмм), пенетрация 10 дмм, пенетрация 20/30 дмм, пенетрация 30/50 дмм, пенетрация 35/50 дмм, пенетрация 40/60 дмм, пенетрация 50/70 дмм, пенетрация 60/90 дмм, пенетрация 70/100 дмм, пенетрация 80/110 дмм, пенетрация 120/150 дмм, пенетрация 100/150 дмм, пенетрация 150/200 дмм, пенетрация 200/300 дмм и пенетрация 300+ дмм. Классы твердости определяют в соответствии со способом испытаний, указанным в D5 ASTM. В одном варианте осуществления используют следующий(ие) тип(ы) битума: PG52-34, PG58-28, PG64-22, PG64-28.
Битум присутствует в композиции в количестве от около 85 мас.% до около 97 мас.% в расчете на общую массу композиции. В различных вариантах осуществления битум присутствует в количестве от около 85 мас.% до около 95 мас.%, от около 80 мас.% до около 90 мас.%, от около 90 мас.% до около 95 мас.%, от около 90 мас.% до около 97 мас.% или от около 95 мас.% до около 97 мас.% в расчете на общую массу композиции. Также предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления битум может присутствовать в любом количестве или диапазоне количеств, как целых, так и дробных, включающем указанные выше или промежуточные значения.
Неэпоксидированное масло
Что касается неэпоксидированного масла, присутствующего в композиции, неэпоксидированное масло выбирают из полугудронов, бионефтей, регенерированных моторных масел, жидких пластификаторов и их комбинаций. Эти масла подходят для смешивания с битумом или асфальтом с получением продукта с большей текучестью или более мягкой консистенцией.
Битум в своем естественном состоянии может быть подвержен низкотемпературному растрескиванию в зависимости от условий окружающей среды. Полугудроны помогают сделать битум менее подверженным низкотемпературному растрескиванию. Подходящие полугудроны могут быть основаны на нефтяных дистиллятах и могут представлять собой сложные углеводороды. Полугудрон можно описать как масло, подходящее для смешивания с битумом или асфальтом с получением продукта с большей текучестью и/или более мягкой консистенцией. Более того, полугудрон может представлять собой нелетучую фракцию нефти. В различных вариантах осуществления полугудрон может представлять собой любое масло, применяемое для модификации битума и представляющее собой конечные продукты, получаемые в результате дистилляции неочищенной нефти. Полугудроны могут представлять собой нелетучие масла, которые смешивают с битумом в качестве смягчителей. Они могут быть ароматическими, парафиновыми, нафтеновыми или минеральными.
Бионефть может быть любой бионефтью, известной в данной области техники. В различных вариантах осуществления бионефть представляет собой темно-коричневую подвижную жидкость, полученную посредством термохимической обработки биомассы. В случае асфальтовых дорожных покрытий окисление может приводить к ухудшению состояния посредством длительного старения и в конечном счете приводить к растрескиванию. В различных вариантах осуществления бионефть выбрана из растительных масел, животных масел и их комбинаций. В других вариантах осуществления бионефть представляет собой растительное масло. Подходящие растительные масла включают в себя, помимо прочего, растительные масла, соевое масло, арахисовое масло, масло грецкого ореха, пальмовое масло, пальмоядровое масло, кунжутное масло, подсолнечное масло, сафлоровое масло, рапсовое масло, льняное масло, олифу, сурепное масло, кокосовое масло, кукурузное масло, хлопковое масло, оливковое масло, касторовое масло, масло из ложного льна, конопляное масло, горчичное масло, редисовое масло, рамтиловое масло, масло из рисовых отрубей, солеросово масло, масло земляного миндаля, тунговое масло и т. д. и их комбинации. Типичное растительное масло, применяемое в настоящем изобретении, включает в себя соевое масло, льняное масло, кукурузное масло, олифу или рапсовое масло и их комбинации.
В одном варианте осуществления бионефть может включать в себя масла, выделенные из растений, животных и водорослей. Примеры растительных масел могут включать в себя, помимо прочего, соевое масло, льняное масло, каноловое масло, рапсовое масло, касторовое масло, талловое масло, хлопковое масло, подсолнечное масло, пальмовое масло, арахисовое масло, сафлоровое масло, кукурузное масло, кукурузное дистиллированное масло, лецитин (фосфолипиды) и их комбинации, дистилляты, производные и нефть на переработку. Примеры масел животного происхождения могут включать в себя, помимо прочего, животный жир (например, свиной жир, твердый животный жир) и лецитин (фосфолипиды), а также их комбинации, дистилляты, производные и нефть на переработку. Бионефть может также представлять собой биовозобновляемые масла, такие как частично гидрогенизированные масла, масла с конъюгированными связями и полимеризованные масла, в которых гетероатом не вводят, например, помимо прочего, диацилглицериды, моноацилглицериды, свободные жирные кислоты (и потоки их дистиллята), алкиловые сложные эфиры жирных кислот (например, метиловые, этиловые, пропиловые и бутиловые сложные эфиры), сложные эфиры диола и триола (например, этиленгликоль, пропиленгликоль, бутиленгликоль, триметилолпропан), а также их смеси и потоки их производных. Примером биовозобновляемых масел может быть отработанное пищевое масло или другие используемые масла.
В одном варианте осуществления неэпоксидированное масло представляет собой кукурузное масло. В другом варианте осуществления неэпоксидированное масло выбрано из парафиновых масел, ароматических масел, нафтеновых масел и их комбинаций.
Регенерированное моторное масло также можно описать как кубовый продукт регенерированного моторного масла (REOB; re-refined engine oil bottoms), битумные расширители вакуумной колонны (VTAE; vacuum tower asphalt extender) или кубовый продукт luwa. Это масло может представлять собой недистиллятную фракцию после регенерирования отработанных моторных масел (смазывающих масел или смазочных масел). В одном варианте осуществления это масло представляет собой фракцию самой высокой температуры кипения парафиновых смазочных масел.
Жидкие пластификаторы могут представлять собой пластификаторы, которые повышают пластичность или текучесть битума. Не имеющие ограничительного характера примеры пластификаторов включают в себя углеводородные масла (например, парафиновые, ароматические и нафтеновые масла), длинноцепочечные алкильные сложные диэфиры (например, сложные эфиры фталевой кислоты, такие как диоктилфталат, и сложные эфиры адипиновой кислоты, такие как диоктиладипат), сложные эфиры себациновой кислоты, сложные эфиры гликоля, жирной кислоты, фосфорические и стеариновые сложные эфиры, полиэфирные и сложные полиэфирные пластификаторы, сложные алкилмоноэфиры (например, бутилолеат), длинноцепочечные неполные эфиры алкоксикислоты (например, бутилцеллозольволеат) и другие пластификаторы, известные специалистам в данной области техники.
Неэпоксидированное масло присутствует в композиции в количестве от около 2 мас.% до около 10 мас.% в расчете на общую массу композиции. В различных вариантах осуществления неэпоксидированное масло присутствует в количестве от около 2 мас.% до около 5 мас.% от около 5 мас.% до около 10 мас.%, от около 2 мас.% до около 7 мас.%, от около 5 мас.% до около 7 мас.% или от около 7 мас.% до около 10 мас.% в расчете на общую массу композиции. Также предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления неэпоксидированное масло может присутствовать в любом количестве или диапазоне количеств, как целых, так и дробных, включающем указанные выше или промежуточные значения.
Без привязки к какой-либо конкретной теории считают, что неэпоксидированное масло способствует повышению устойчивости к термическому растрескиванию благодаря уменьшению модуля упругости битума, уменьшению значения S и увеличению значения m, измеренному в соответствии с T-313 AASHTO/D6648 ASTM при низких температурах.
Полиолефин
Что касается полиолефина, полиолефин может быть любым известным веществом в данной области техники. Полиолефин может быть окисленным или неокисленным. Например, полиолефин может представлять собой окисленные или неокисленные формы любого из полиэтилена (PE), полипропилена (PP), полибутилена (PB), полиметилпентена (PMP), полибутена-1 (PB-1), полиолефиновых эластомеров (POE), полиизобутилена (PIB), этиленпропиленового каучука (EPR), каучуков этиленпропилендиенового мономера (каучуков EPDM) и их комбинаций. В альтернативном варианте полиолефин можно описать как поли-альфа-олефин. В различных вариантах осуществления полиолефин выбирают из гомополимера полиэтилена, малеинированного полипропилена, окисленного полиэтилена высокой плотности и их комбинаций. В одном варианте осуществления полиолефин представляет собой гомополимер полиэтилена. В другом варианте осуществления полиолефин представляет собой малеинированный полипропилен. В дополнительном варианте осуществления полиолефин представляет собой окисленный полиэтилен высокой плотности. В дополнительных вариантах осуществления полиолефин представляет собой полиолефин средней или низкой плотности.
В других вариантах осуществления полиолефин выбирают из группы, состоящей из гомополимера полиэтилена (PE), гомополимера полиэтилена низкой плотности (LDPE), линейного гомополимера полиэтилена низкой плотности (LLDPE), гомополимера полиэтилена высокой плотности (HDPE), гомополимера окисленного полиэтилена низкой плотности (Ox LDPE), гомополимера окисленного полиэтилена средней плотности (Ox MDPE), гомополимера окисленного полиэтилена высокой плотности (Ox HDPE), гомополимера полипропилена (PP), сополимера этилен-акриловой кислоты (EAA), сополимера этилен-винилацетата (EVA), сополимера этилен-малеинового ангидрида (MAPE), сополимера пропилен-малеинового ангидрида (MAPP), парафина Фишера-Тропша (парафин FT (Fischer-Tropsch)) и их смесей.
Полиолефин можно окислить любым способом, известным в данной области техники. Одним из показателей степени окисления является кислотное число полиолефинов, измеренное способом D1386 ASTM. В различных вариантах осуществления полиолефин представляет собой окисленный полиэтилен. Например, окисленный полиэтилен может представлять собой любой окисленный полиэтилен, окисленный полиэтилен высокой плотности, окисленный полиэтилен средней плотности, окисленный полиэтилен низкой плотности, окисленный линейный полиэтилен низкой плотности и их комбинации.
3
3
Средневесовая молекулярная масса (Mw; molecular weight) полиолефина составляет от около 1000 г/моль до около 20000 г/моль, необязательное кислотное число составляет от около 5 мг KOH/г до около 50 мг KOH/г, необязательное число омыления составляет от около 10 мг KOH/г до около 100 мг KOH/г, и плотность составляет от около 0,92 г/см до около 1 г/см.
В различных вариантах осуществления полиолефин имеет средневесовую молекулярную массу (Mw) от около 1000 г/моль до около 5000 г/моль, от около 5000 г/моль до около 7500 г/моль, от около 7500 г/моль до около 10000 г/моль, от около 8000 г/моль до около 12000 г/моль, от около 10000 г/моль до около 12500 г/моль, от около 12500 г/моль до около 15000 г/моль, от около 15000 г/моль до около 17500 г/моль, от около 17500 г/моль до около 20000 г/моль, от около 6000 г/моль до около 10000 г/моль, от около 10000 г/моль до около 15000 г/моль, от около 15000 г/моль до около 20000 г/моль и т.д. Также предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления средневесовая молекулярная масса может иметь любое значение или диапазон значений, как целых, так и дробных, включающий указанные выше или промежуточные значения.
Молекулярные массы, описанные в настоящем документе, как правило, определяют с помощью гель-проникающей хроматографии (GPC; gel permeation chromatography), которая представляет собой технологию, по существу известную в данной области техники. Для целей GPC подлежащий измерению образец растворяют в 1,2,4-трихлорбензоле при температуре 140°C в концентрации 2,0 мг/мл. Раствор (200 мкл) вводят в GPC, содержащий две смешанные D колонки PLgel 5μm (300 x 7,5 мм), выдержанные при 140°C со скоростью потока 1,0 мл/мин. Прибор оснащен двумя детекторами (детектором показателя преломления и детектором вязкости). Молекулярную массу (средневесовую молекулярную массу, Mw) можно определить с помощью калибровочной кривой, построенной на основе набора стандартов узкой Mw линейного полиэтилена.
В других вариантах осуществления полиолефин имеет необязательное кислотное число от около 5 мг KOH/г до около 50 мг KOH/г, от около 10 мг KOH/г до около 50 мг KOH/г, от около 15 мг KOH/г до около 45 мг KOH/г, от около 20 мг KOH/г до около 40 мг KOH/г, от около 25 мг KOH/г до около 35 мг KOH/г, от около 25 мг KOH/г до около 30 мг KOH/г, от около 30 мг KOH/г до около 35 мг KOH/г, от 24 мг KOH/г до около 27 мг KOH/г. Также предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления кислотное число может представлять собой любое значение или диапазон значений, как целых, так и дробных, включающий указанные выше или промежуточные значения. Кислотное число является необязательным, поскольку оно имеет отношение к полиолефинам, которые, например, окислены. Степень окисления, например содержание карбоксильной группы, в полиолефине может характеризоваться титрованием горячего раствора ксиленов в полиолефине 0,1 N спиртовым раствором гидроксида калия (KOH) до визуально «розовой» конечной точки с применением фенолфталеина в качестве индикатора для определения общей кислотности или кислотного числа полиолефина.
Аналогично, в еще других вариантах осуществления полиолефин имеет необязательное число омыления от около 15 мг KOH/г до около 95 мг KOH/г, от около 25 мг KOH/г до около 95 мг KOH/г, от около 50 мг KOH/г до около 95 мг KOH/г, от около 75 мг KOH/г до около 95 мг KOH/г, от около 15 мг KOH/г до около 25 мг KOH/г, от около 15 мг KOH/г до около 50 мг KOH/г, от около 25 мг KOH/г до около 75 мг KOH/г или от около 25 мг KOH/г до около 50 мг KOH/г. Также предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления число омыления может представлять собой любое значение или диапазон значений, как целых, так и дробных, включающий указанные выше или промежуточные значения. Число омыления является необязательным, поскольку оно имеет отношение к полиолефинам, которые, например, малеинированы. В других вариантах осуществления полиолефин имеет кислотное число от около 14 мг KOH/г до около 32 мг KOH/г или число омыления от около 75 мг KOH/г до около 95 мг KOH/г. В частности, число омыления определяют путем нагревания с обратным холодильником ~ 0,3 г малеинированного полимера в 150 мл ксиленов, 5 мл свежего метилэтилкетона и семи капель воды в течение 15 минут. Раствору дают немного охладиться и добавляют 10 мл изопропилового спирта и 3–5 капель раствора фенолфталеинового индикатора. Раствор титруют стандартизованным раствором 0,0535 N KOH/изопропилового спирта по каплям до получения устойчивого блеклого розового раствора. Для компенсации кислотных примесей в различных растворителях следует использовать контрольную пробу.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
В еще других вариантах осуществления полиолефин имеет плотность около 0,92 г/см, 0,93 г/см, 0,94 г/см, 0,95 г/см, 0,96 г/см, 0,97 г/см, 0,98 г/см, 0,99 г/см или 1 г/см. В других вариантах осуществления полиолефин имеет плотность от около 0,92 г/см до около 0,95 г/см, от около 0,95 г/см до около 0,98 г/см, от около 0,97 г/см до около 1 г/см или от около 0,98 г/см до около 1 г/см. Также предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления плотность может иметь любое значение или диапазон значений, как целых, так и дробных, включающий указанные выше или промежуточные значения. Плотность можно измерить с помощью способа в соответствии с D1505 ASTM.
Для повышения устойчивости к деформации полиолефин присутствует в количестве от около 1 мас.% до около 5 мас.% в расчете на общую массу композиции. В различных вариантах осуществления полиолефин присутствует в количестве около 1 мас.%, около 1,5 мас.%, около 2 мас.%, около 2,5 мас.%, около 3 мас.%, около 3,5 мас.%, около 4 мас.%, около 4,5 мас.% или около 5 мас.% в расчете на общую массу композиции. В еще других вариантах осуществления полиолефин присутствует в количестве от около 1 мас.% до около 5 мас.%, от около 2 мас.% до около 3 мас.%, от около 1,5 мас.% до около 3,5 мас.%, от около 1,5 мас.% до около 2,5 мас.% или от около 1,5 мас.% до около 3 мас.% в расчете на общую массу композиции. Также предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления плотность может иметь любое значение или диапазон значений, как целых, так и дробных, включающий указанные выше или промежуточные значения.
3
3
3
3
3
3
3
3
В одном варианте осуществления полиолефин представляет собой окисленный полиэтилен высокой плотности, имеющий средневесовую молекулярную массу (Mw) от около 8000 г/моль до около 12000 г/моль, кислотное число от около 24 мг KOH/г до около 27 мг KOH/г и плотность от около 0,97 г/см до около 1,0 г/см. В другом варианте осуществления полиолефин представляет собой гомополимер полиэтилена низкой плотности, имеющий средневесовую молекулярную массу (Mw) от около 5000 г/моль до около 7000 г/моль и плотность от около 0,92 г/см до около 0,94 г/см. В другом варианте осуществления полиолефин представляет собой окисленный полиэтилен высокой плотности, имеющий средневесовую молекулярную массу (Mw) от около 8000 г/моль до около 12000 г/моль и плотность от около 0,97 г/см до около 1,0 г/см. В еще другом варианте осуществления полиолефин представляет собой малеинированный полипропилен, имеющий средневесовую молекулярную массу (Mw) от около 7000 г/моль до около 11000 г/моль, число омыления от около 75 мг KOH/г до около 95 мг KOH/г и плотность от около 0,92 г/см до около 0,94 г/см.
Без привязки к какой-либо конкретной теории считают, что полиолефин способствует повышению устойчивости к деформации, поскольку он образует небольшие кристаллиты, которые укрепляют битум, и/или помогают кристаллизовать части битума, чтобы способствовать повышению высокотемпературных свойств битума.
Класс эффективности
Композиция имеет класс эффективности PG (от 52 до 88) и (от -22 до -40). Другими словами, первое значение (от 52 до 88) представляет собой определенное число из 52, 58, 64, 70, 76, 82 или 88. Номенклатура (от 52 до 88) представляет собой среднюю максимальную расчетную температуру дорожного покрытия за семь дней в градусах Цельсия и представляет устойчивость к образованию колеи. Второе значение (от -22 до -40) представляет собой определенное число из -22, -28, -34 или -40. Номенклатура (от -22 до -40) представляет собой среднюю минимальную расчетную температуру дорожного покрытия за один день в градусах Цельсия и представляет устойчивость к термическому растрескиванию. Каждое значение определяют в соответствии с M320 AASHTO. Также предполагается, что одно или оба значения могут быть определены с помощью тестов DSR согласно T-315 AASHTO/D7175 ASTM и/или тестов BBR согласно T-313 AASHTO/D6648 ASTM.
В различных вариантах осуществления композиция имеет класс эффективности 52-28; или 52-34; или 52-37, или 52-40; или 58-28; или 58-34; или 58-37, или 58-40; или 64-28; или 64-34; или 64-37, или 64-40; или 70-28; или 70-34; или 70-40; или 76-28; или 76-34; или 76-40; или 82-28; или 82-34; или 82-40; 88-28, 88-34 или 88-40. В различных вариантах осуществления композиция имеет класс эффективности PG (от 58 до 88) и (от -28 до -40). Эти классы эффективности можно настраивать на основании географического местоположения применения композиций и т. п. Также предполагается, что композиция может иметь обозначение класса S, H, V или E, как понятно из уровня техники. Эти обозначенные буквами классы могут быть определены в соответствии с M332 AASHTO и/или с помощью теста MSCR: T-350 AASHTO/D7405 ASTM. Также предполагается, что в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления класс эффективности может представлять собой какое-либо отдельное значение или диапазон указанных выше значений и/или обозначенные буквами классы, включающие указанные выше или промежуточные значения.
Добавки
В различных вариантах осуществления композиция также содержит одну или более добавок. В одном варианте осуществления одну или более добавок выбирают из пластомеров, эластомеров и т. д. Пластомеры и эластомеры в настоящем документе могут быть совместно описаны как «полимеры». В различных вариантах осуществления композиция содержит один или более из этих полимеров в количестве от около 0,5 мас.% до около 30 мас.% в расчете на общую массу композиции. Не имеющие ограничительного характера примеры таких полимеров включают в себя натуральные или синтетические каучуки, включая каучук из измельченных шин (GTR), девулканизированный GTR, бутилкаучук, стирольный/бутадиеновый каучук (SBR), тройные сополимеры стирола/этилена/бутадиена/стирола (SEBS), полибутадиен, полиизопрен, тройные сополимеры этилена/пропилена/диена (EPDM), тройные сополимеры этилена/н-бутилакрилата/глицидилметакрилата и стирольный/конъюгированный диеновый блок или статистические сополимеры, такие как, например, стирол/бутадиен, включая сополимер стирола/бутадиена/стирола (SBS), блок-сополимер стирола/изопрена, стирола/изопрена/стирола (SIS) и стирола/изопренбутадиена. Блок-сополимеры могут быть разветвленными или линейными и могут представлять собой диблочный, триблочный, тетраблочный или мультиблочный сополимер.
В других вариантах осуществления одну или более добавок выбирают из парафинов, полифосфорных кислот, дополнительных пластификаторов, антиоксидантов, усилителей клейкости, технологических добавок, защищающих от УФ-излучения добавок и т.д. и их комбинаций. Примеры парафинов включают в себя этилен-бис-стеарамидный парафин (EBS), парафин Фишера-Тропша (FT), окисленный парафин Фишера-Тропша (FTO), полиолефиновые парафины, такие как полиэтиленовый парафин (PE), окисленный полиэтиленовый парафин (OxPE), полипропиленовый парафин, полипропиленовый/полиэтиленовый парафин, спиртовой парафин, силиконовый парафин, нефтяные парафины, такие как микрокристаллический парафин или парафиновый воск, и другие синтетические парафины. Иллюстративные дополнительные пластификаторы включают в себя сложные диэфиры длинноцепочечных алкилов (например, сложные эфиры фталевой кислоты, такие как диоктилфталат, и сложные эфиры адипиновой кислоты, такие как диоктиладипат), сложные эфиры себациновой кислоты, сложные эфиры гликоля, жирной кислоты, фосфорные и стеариновые эфиры, эпоксидные пластификаторы (например, эпоксидированное соевое масло), полиэфирные и сложные полиэфирные пластификаторы (которые также могут быть полимерами), сложные алкилмоноэфиры (например, бутилолеат), длинноцепочечные неполные эфиры алкоксикислоты (например, бутилцеллозольволеат) и т. д. Иллюстративные усилители клейкости включают в себя канифоли и их производные; терпены и модифицированные терпены; алифатические, циклоалифатические и ароматические смолы (C5 алифатические смолы, C9 ароматические смолы и C5/C9 алифатические/ароматические смолы); гидрогенизированные углеводородные смолы; терпен-фенольные смолы; и их комбинации.
Способ получения композиции
В настоящем изобретении также предложен способ получения битумной композиции. Способ включает в себя этапы получения битума, получения неэпоксидированного масла, получения полиолефина и объединения битума, неэпоксидированного масла и полиолефина с получением битумной композиции. Битумная композиция, полученная данным способом, может представлять собой любую композицию, описанную выше.
В различных вариантах осуществления любой один или более этапов получения могут быть дополнительно определены как подача, предварительное отверждение и т. д. Специалист в данной области техники сможет выбрать подходящие количества и методы получения вышеупомянутых компонентов. Более того, способ может включать в себя этап получения любой одной или более из описанных выше добавок и может включать в себя объединение одной или более добавок с битумом, неэпоксидированным маслом и полиолефином. Любой один или более из вышеупомянутых компонентов могут быть объединены полностью или частично и в любом порядке, выбранном специалистом в данной области техники. Другими словами, все порядки добавления настоящим прямо предусмотрены для использования в различных не имеющих ограничительного характера вариантах осуществления. В различных вариантах осуществления этап объединения выполняют при подходящих температурах, и он может включать в себя перемешивание/встряхивание для тщательного смешивания компонентов. В некоторых вариантах осуществления этап объединения дополнительно определен как смешивание и может осуществляться при температуре от около 75°C до около 200°C в течение периода времени от около 30 минут до около 8 часов. Кроме того, этап объединения или смешивания можно осуществлять, например, с помощью смесителя с низким или высоким усилием сдвига от около 5 оборотов в минуту (об/мин) до около 5000 об/мин.
В настоящем описании также предложен способ получения материала асфальтирования. Способ включает в себя этап смешивания описанной выше битумной композиции и агрегата в условиях, эффективных для получения материала асфальтирования, причем битумная композиция присутствует в количестве от около 3 мас.% до около 8 мас.% материала асфальтирования, а агрегат присутствует в количестве от около 92 мас.% до около 97 мас.% материала асфальтирования. Агрегат может быть любым из известных в данной области техники. Аналогично, битумная композиция может присутствовать в любом количестве от около 3 мас.% до около 8 мас.%, например 3,5 мас.%, 4 мас.%, 4,5 мас.%, 5 мас.%, 5,5 мас.%, 6 мас.%, 6,5 мас.%, 7 мас.% или 7,5 мас.% в расчете на общую массу материала асфальтирования. Агрегат может присутствовать в любом количестве от около 92 мас.% до около 97 мас.%, например 92,5 мас.%, 93 мас.%, 93,5 мас.%, 94 мас.%, 94,5 мас.%, 95 мас.%, 95,5 мас.%, 96 мас.% или 96,5 мас.% в расчете на общую массу материала асфальтирования.
ПРИМЕРЫ
В соответствии с настоящим изобретением получают ряд композиций (композиции 2, 4, 5, 6, 7, 9 и 12). Также получают, но не в соответствии с настоящим изобретением, ряд сравнительных композиций (сравнительные композиции 1, 3, 8, 10 и 11).
В частности, композиции и сравнительные композиции оценивают для определения класса эффективности в соответствии с M320 AASHTO. Результаты определения указанных оценок представлены ниже в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1
Сравнительная композиция 1
Композиция 2
PG 58-28 базовый битум
100,0%
94,5%
Кукурузное масло
4,0%
Полиолефин 2
1,5%
Всего
1,00
1,00
Фактический класс PG
59,3-29,4
61,2-34,8
Торговый класс PG
58-28
58-34
ТАБЛИЦА 1 (продолжение)
Композиция
Сравнительная композиция 3
Композиция 4
PG 64-22 базовый битум
100,0%
96,0%
Кукурузное масло
2,5%
Полиолефин 2
1,5%
Всего
1,00
1,00
Фактический класс PG
65,2-23,9
65,2-28,8
Торговый класс PG
64-22
64-28
ТАБЛИЦА 1 (продолжение)
Композиция
Сравнительная композиция 3
Композиция 5
PG 64-22 базовый битум
100,0%
91,0%
Кукурузное масло
6,0%
Полиолефин 2
3,0%
Всего
1,00
1,00
Фактический класс PG
65,2-23,9
64,5-34,3
Торговый класс PG
64-22
64-34
ТАБЛИЦА 1 (продолжение)
Композиция
Сравнительная композиция 3
Композиция 6
PG 64-22 базовый битум
100,0%
95,0%
Кукурузное масло
3,0%
Полиолефин 1
2,0%
Всего
1,00
1,00
Фактический класс PG
65,2-23,9
65,6-29,7
Торговый класс PG
64-22
64-28
ТАБЛИЦА 1 (продолжение)
Композиция
Сравнительная композиция 1
Композиция 7
PG 58-28 базовый битум
100,0%
93,0%
Кукурузное масло
5,0%
Полиолефин 1
2,0%
Всего
1,00
1,00
Фактический класс PG
59,3-29,4
58,1-37,6
Торговый класс PG
58-28
58-34
ТАБЛИЦА 1 (продолжение)
Композиция
Сравнительная композиция 8
Композиция 9
PG 52-34 базовый битум
100%
95,0%
Полугудрон
3,0%
Полиолефин 1
1,2%
Полиолефин 3
0,8%
Всего
1,00
1,00
Фактический класс PG
54,7-35,1
60,3-37,6
Торговый класс PG
52-34
58-37
ТАБЛИЦА 1 (продолжение)
Композиция
Сравнительная композиция 1
Сравнительная композиция 10
Сравнительная композиция 11
PG 58-28 базовый битум
100%
98,0%
95,0%
Бионефть
5,0%
Полиолефин 2
2,0%
Всего
1,00
1,00
1,00
Фактический класс PG
59,3-29,4
67,4-29,5
50,6-36,6
Торговый класс PG
58-28
64-28
46-34
ТАБЛИЦА 1 (продолжение)
Композиция
Сравнительная композиция 1
Композиция 12
PG 58-28 базовый битум
100%
93,0%
Бионефть
5,0%
Полиолефин 2
2,0%
Всего
1,00
1,00
Фактический класс PG
59,3-29,4
66,6-34
Торговый класс PG
58-28
64-34
PG 58-28 базовый битум доступен в продаже от Flint Hills Resources.
РG 64-22 базовый битум доступен в продаже от Flint Hills Resources.
3
3
Полиолефин 1 представляет собой гомополимер полиэтилена низкой плотности, имеющий средневесовую молекулярную массу (Mw) от около 5000 г/моль до около 7000 г/моль и плотность от около 0,92 г/см до около 0,94 г/см
3
3
Полиолефин 2 представляет собой окисленный полиэтилен высокой плотности, имеющий средневесовую молекулярную массу (Mw) от около 8000 г/моль до около 12000 г/моль, кислотное число от около 24 мг KOH/г до около 27 мг KOH/г и плотность от около 0,97 г/см до около 1,0 г/см.
3
3
Полиолефин 3 представляет собой малеинированный полипропилен, имеющий средневесовую молекулярную массу (Mw) от около 7000 г/моль до около 11000 г/моль, число омыления от 75 мг KOH/г до 95 мг KOH/г и плотность от около 0,92 г/см до около 0,94 г/см.
TM
Кукурузное масло представляет собой Jive, доступный в продаже от компании Poet.

Полугудрон доступен в продаже от Hollyfrontier Refining & Markineting, LLC под торговым наименованием HYDROLENE.
Фактический класс PG относится к классу эффективности по результатам анализа в соответствии с M320 AASHTO.
Торговый класс PG относится к торговому классу эффективности, который соответствует фактическому классу PG.
Примеры 2, 7 и 9 показывают, как можно получить PG 58-34, начиная либо с PG 58-28 (примеры 2 и 7), либо с PG 52-34. В первом случае поддерживают высокую температуру PG при снижении низкой температуры, тогда как в последнем случае высокотемпературный класс повышается, сохраняя при этом нижний предел. Примеры 2 и 7 также демонстрируют, каким образом различные количества масла и полиолефинов могут регулировать более высокую температуру или фактический класс (пример 2), или регулировать PG более низкой температуры или фактический класс (пример 7). Пример 9 демонстрирует применение другого масла и комбинации полиолефинов для повышения верхнего предела при сохранении нижнего предела.
Примеры 4 и 6 демонстрируют получение PG 64-28 из легкодоступного PG 64-22. В обоих случаях для модификации нижнего предела использовали кукурузное масло, в то время как для поддержания высокотемпературного класса PG64 использовали различные полиолефины.
Пример 5 демонстрирует возможность понижения низкой температуры на два класса, от PG64-22 до PG64-34.
Пример 10 демонстрирует, что сам по себе 2% полиолефин 2 повышал только высокотемпературный класс (от PG58 до PG64), но не снижал низкотемпературный класс. Пример 11 демонстрирует, что само по себе 5% кукурузное масло снижало только низкотемпературный класс (от PG-28 до PG-34), но не повышало высокотемпературный класс (фактически снижало высокотемпературный класс от PG58 до PG46). Пример 12 демонстрирует, что при совместном использовании полиолефина и кукурузного масла они повышали высокотемпературный класс PG (от PG58 до PG64) и одновременно снижали низкотемпературный класс PG (от PG-28 до PG-34).
Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что комбинации масла и полиолефинов могут снижать низкотемпературный класс PG, одновременно сохраняя высокотемпературный класс, или повышая высокотемпературный класс PG, одновременно сохраняя нижний предел, или повышая высокотемпературный класс PG и одновременно снижая низкотемпературный класс PG. В таблице 1 также показано, что различные полиолефины и различные масла могут удовлетворять этим различным требованиям к улучшению характеристик битума.
В различных вариантах осуществления явным образом предусмотрены все возможные комбинации вышеупомянутых компонентов, даже если они не описаны вместе в одном абзаце или разделе. Хотя в приведенном выше подробном описании был представлен по меньшей мере один пример осуществления, следует понимать, что существует большое число его вариантов. Следует также понимать, что пример осуществления или примеры осуществления являются лишь примерами и не предназначены для ограничения каким-либо образом объема, применимости или конфигурации. Представленное выше подробное описание, скорее, предоставит специалистам в данной области удобную концепцию для реализации того или иного примера осуществления. Следует понимать, что в функции и конструкции элементов, описанных в том или ином примере осуществления, можно вносить различные изменения без отступления от объема, как указано в приложенной формуле изобретения.