СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИТУМПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF PRODUCING BITUMEN POLYMER MATERIALS

Изобретение относится к области получения битумполимерных материалов, используемых в автодорожном строительстве, герметизации, гидроизоляции и ремонте, изготовлении кровельных материалов, адгезивов, клеев, мастик и др.
Введение полимеров в состав битумов и/или нефтяных остатков способствует направленной модификации отдельных свойств битумов, таких как пластичность, эластичность, широкий температурный диапазон эксплуатации и т.д. Важнейшими характеристиками битумполимеров являются их пластические и адгезионные свойства, которые характеризуются температурой размягчения (стеклования) и адгезией.
Известны способы повышения качественных показателей битумов путем добавления к ним полимеров: полиэтилена, полипропилена, этиленпропиленового полимера, поливинилхлорида и т.п. в количествах от 1 до 15 мас.% [Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М.: Химия, 1989, с.24, 144].
Также известен способ получения битума из нефтяных остатков и полимерных отходов [RU 2191797, 27.10.2002, МПК 8 С10С 3/04], согласно которому в нефтяные остатки вводят пленочные полимерные бытовые отходы, лом полимерных бутылок, пенопласт и/или органическое стекло и окисляют, или окисляют и компаундируют с окисленными и остаточными битумами, или в нефтяные остатки вводят указанные отходы и компаундируют с дистиллятами и окисленными и остаточными битумами, или в дистилляты вводят промышленные отходы поливинилхлорида и компаундируют с нефтяными остатками.
Общими недостатками описанных выше способов являются:
- значительные энергетические затраты;
- отсутствие единых правил приготовления, основанных на общей теории строения подобных материалов и универсального аппаратурного оформления промышленных процессов;
- основным критерием качества и контролируемым параметром является температура размягчения (стеклования), характеризующая пластические свойства битумов; параметр адгезии учитывается лишь в отдельных случаях и основным не является.
Известен способ получения битумполимерной композиции [RU 2177969, 10.01.2002, МПК 8 C08L 95/00], по которому смешивают 100 мас.ч. термоэластопласта на основе сопряженного диена и винилароматического мономера, 70-200 мас.ч. предварительно нагретого до температуры 90-110°С битума, 30-250 мас.ч. минерального наполнителя и ведут перемешивание при температуре 70-100°С в течение 10-15 мин, полученную смесь гомогенизируют при температуре 130-160°С в течение 10-15 мин в шнековом экструдере, снабженном гранулирующим устройством, охлаждаемым водой, имеющей температуру 20-40°С, через которое проходит композиционная масса, затем полученные гранулы композиции сушат и упаковывают. В начале смешения в композицию можно дополнительно вводить пластификатор - индустриальное или талловое масло в количестве 10-20 мас.ч. на 100 мас.ч. указанного термоэластопласта. Способ позволяет упростить технологию получения битумполимерной композиции за счет устранения многостадийности и снижения длительности процесса, а также получать битумполимерную композицию с высокими эластическими свойствами в технологически удобной выпускной форме - гранулах, что обеспечивает упрощение транспортировки, хранения, дозирования композиции, возможность ее многофункционального использования при изготовлении полимербитумных вяжущих, кровельных материалов, мастик, праймеров.
Известный способ имеет следующие недостатки:
- невозможность получения битумполимерного материала с заранее заданными температурой размягчения и адгезией;
- в качестве полимерной составляющей используется дорогостоящий каучук и термоэластопласты;
- в процессе получения контролируются только пластические (температура размягчения) и низкотемпературные (температура хрупкости) свойства, которые не позволяют учитывать изменение адгезии при изменении состава сырья.
При создании изобретения ставилась задача получения битумполимерных материалов с заранее заданными характеристиками (температура размягчения и/или адгезия), что позволит сократить расходы исходных компонентов, уменьшить затраты рабочего времени, снизить энергетические затраты.
Вышеуказанная задача решается способом получения битумполимерных материалов, включающим смешение тяжелого нефтяного сырья и полимера в перемешивающем устройстве при температуре гомогенизации и вывод готового продукта, в котором согласно изобретению в качестве полимера используют полиэтилен, при этом предварительно устанавливают графическую зависимость температуры размягчения и адгезии битумполимерного материала от его состава и графическую зависимость адгезии от температуры размягчения битумполимерного материала, а затем, в зависимости от заданных температуры размягчения и/или адгезии, по установленным графическим зависимостям подбирают необходимое соотношение тяжелого нефтяного сырья и полиэтилена.
В качестве тяжелого нефтяного сырья используют битум или гудрон. Предлагаемый способ получения битумполимеров с заданными температурой размягчения и/или адгезией реализуется следующим образом:
- сначала проводят предварительные лабораторные исследования для установления графической зависимости температуры размягчения и адгезии битумполимера от его состава, а также графической зависимости адгезии битумполимера от его температуры размягчения, включающие построение фазовых диаграмм состояния битумполимерных материалов (система «Битум (нефтяной остаток) - Полиэтилен») «Температура размягчения - Концентрация полиэтилена» и «Адгезия - Концентрация полиэтилена» и/или «Адгезия - Температура размягчения» и выбор, в зависимости от заданных температуры размягчения и/или адгезии, необходимого соотношения полиэтилена и битума и/или нефтяного остатка;
- затем приготавливают битумполимерный состав в аппарате с механическим перемешивающим устройством.
На стадии предварительных лабораторных исследований строят диаграммы зависимости температуры размягчения от концентрации полиэтилена, адгезии от концентрации полиэтилена и/или адгезии от температуры размягчения. Определение температуры размягчения выполняют стандартным методом по ГОСТ 11506-73 (Определение температуры размягчения методом «Кольца и шара»). Определение адгезии проводят по методу отрыва субстрата (пластины) от расплава материала (адгезива).
На диаграммах состояния выделяют области, которые разделяются критическими точками: первая область - полиэтилен в битуме, вторая область - переходная, третья область - битум в полиэтилене. Для данного вида сырья определяется эмпирическая зависимость адгезии от температуры размягчения. В соответствии с требуемыми пластическими и адгезионными свойствами определяется оптимальный состав битумполимерной композиции, необходимый для получения материала с заданными температурой размягчения и адгезией.
На второй стадии в стандартный аппарат с механическим перемешивающим устройством для вязких сред загружают битум. Температуру в аппарате поднимают до 180°С путем нагрева водяным паром соответствующих параметров или электроэнергией. Включают перемешивающее устройство. Далее порциями через дозатор загружают рассчитанное количество полиэтилена в раздробленном (гранулированном) виде. Перемешивание производят при температуре 180°С до образования однородной массы, но не менее одного часа. Далее полученный продукт откачивают шестеренчатым насосом в емкость для хранения (с подогревом и циркуляцией) или фасуют.
Данная технология имеет универсальное применение для производства битумполимерных материалов с заданными температурой размягчения и/или адгезией.
Ниже приведены примеры создания битумполимерной композиции, которые иллюстрируются прилагаемыми фигурами (1-6).
Пример 1. Необходимо получить битумполимер с температурой размягчения не ниже 100°С (373 К) и адгезией не менее 300 Н/м.
Пример 2. Необходимо получить битумполимер с адгезией не менее 1500 Н/м и температурой размягчения не ниже 120°С (393 К).
Битумполимерные композиции с заданными температурой размягчения и адгезией готовят на основе остаточного битума вакуумной перегонки БН 90/130 производства АО «Уфанефтехим» и полиэтилена высокого давления марки 110862 ГОСТ 1.6337-72.
На стадии предварительных лабораторных исследований построены фазовые диаграммы состояния битумполимерных материалов (система «Остаточный битум - Полиэтилен») «Температура размягчения - Концентрация полиэтилена» и «Адгезия - Концентрация полиэтилена» и/или «Адгезия - Температура размягчения». По полученным диаграммам сделан выбор, в зависимости от заданных температуры размягчения и/или адгезии, необходимого соотношения полиэтилена и битума.
На фиг.1 представлена зависимость температуры размягчения системы «Остаточный битум - Полиэтилен» от концентрации полиэтилена. Зависимость температуры размягчения системы «Остаточный битум - Полиэтилен» от концентрации полиэтилена имеет полиэкстремальный характер. Наблюдается две критические точки: при концентрации полиэтилена 10 и 80 мас.%.
На фиг.2 представлена зависимость адгезии системы «Остаточный битум - Полиэтилен» от концентрации полиэтилена. Зависимость адгезии системы «Остаточный битум - Полиэтилен» от концентрации полиэтилена также имеет полиэкстремальный характер. Наблюдается две критические точки: при концентрации полиэтилена 10 и 80 мас.%.
На фиг.3 представлена зависимость адгезии системы «Остаточный битум - Полиэтилен» от температуры размягчения. Зависимость адгезии системы «Остаточный битум - Полиэтилен» от температуры размягчения также имеет полиэкстремальный характер и по форме кривой аналогична зависимости «Концентрация полиэтилена - Адгезия».
Для реализации примера 1 использованы диаграммы на фиг.1 и фиг.2. Для получения битумполимера с температурой размягчения не ниже 100°С (373 К) и адгезией не менее 300 Н/м необходимо взять 92 мас.% остаточного битума и 8 мас.% полиэтилена.
Для реализации примера 2 использованы диаграммы на фиг.3, фиг.1 и фиг.2. По диаграмме на фиг.3 определено, что при адгезии 1500 Н/м битумполимер имеет температуру размягчения примерно 127°С (400 К), что соответствует заданным параметрам. По диаграммам на фиг.1 и фиг.2 определено, что для получения битумполимера с адгезией не менее 1500 Н/м и температурой размягчения не ниже 120°С (393 К) необходимо взять 40 мас.% остаточного битума и 60 мас.% полиэтилена.
На второй стадии в соответствии с определенными по фазовым диаграммам составами битумполимеров производится их получение в стандартном аппарате с механическим перемешивающим устройством для вязких сред.
Пример 3. Необходимо получить битумполимер с температурой размягчения не ниже 85°С (358 К) и адгезией не менее 500 Н/м.
Пример 4. Необходимо получить битумполимер с адгезией не менее 400-450 Н/м и температурой размягчения не ниже 75°С (348 К).
Битумполимерные композиции с заданными температурой размягчения и адгезией готовят на основе остаточной высококипящей нефтяной фракции (гудрона вакуумной перегонки нефти с температурой кипения выше 400°С (673 К), и полиэтилена высокого давления марки 110862 ГОСТ 1.6337-72.
На стадии предварительных лабораторных исследований построены фазовые диаграммы состояния битумполимерных материалов (система «Гудрон - Полиэтилен») «Температура размягчения - Концентрация полиэтилена» и «Адгезия - Концентрация полиэтилена» и/или «Адгезия - Температура размягчения». По полученным диаграммам сделан выбор, в зависимости от заданных температуры размягчения и/или адгезии, необходимого соотношения полиэтилена и гудрона.
На фиг.4 представлена зависимость температуры размягчения системы «Гудрон - Полиэтилен» от концентрации полиэтилена. Явная критическая точка наблюдается при концентрации полиэтилена 10 мас.%.
На фиг.5 представлена зависимость адгезии системы «Гудрон - Полиэтилен» от концентрации полиэтилена. Явная критическая точка наблюдается при концентрации полиэтилена 10 мас.%.
На фиг.6 представлена зависимость адгезии системы «Гудрон - Полиэтилен» от температуры размягчения. Зависимость адгезии системы «Гудрон - Полиэтилен» от температуры размягчения по форме кривой аналогична зависимости «Адгезия - Концентрация полиэтилена».
Для реализации примера 3 использованы диаграммы на фиг.4 и фиг.5. Для получения битумполимера с температурой размягчения не ниже 85°С (358 К) и адгезией не менее 500 Н/м необходимо взять 90 мас.% гудрона и 10 мас.% полиэтилена.
Для реализации примера 4 использованы диаграммы на фиг.6, фиг.4 и фиг.5. По диаграмме на фиг.6 определено, что при адгезии 400-450 Н/м битумполимер имеет две возможных температуры размягчения: примерно 75-77°С (348-350 К) и 112-113°С (385-386 К), что соответствует заданным параметрам. По диаграммам на фиг.4 и фиг.5 определено, что битумполимер с адгезией не менее 400-450 Н/м может быть получен при следующих соотношениях гудрона и полиэтилена: первый вариант - 90,0-90,5 мас.% гудрона и 9,5-10,0 мас.% полиэтилена, второй вариант - 60 мас.% гудрона и 40 мас.% полиэтилена. Для заданной температуры размягчения не менее 75-77°C (348-350 К) с учетом сокращения расходов полимерного материала определено соотношение компонентов 90,0-90,5 мас.% гудрона и 9,5-10,0 мас.% полиэтилена.
На второй стадии в соответствии с определенными по фазовым диаграммам составами битумполимеров производится их получение в стандартном аппарате с механическим перемешивающим устройством для вязких сред.
Предлагаемый способ позволяет получать битумполимерные материалы с заранее заданными температурой размягчения и адгезией, что позволяет сократить расходы исходных компонентов, уменьшить затраты рабочего времени и снизить энергетические затраты.