способ получения битумно-каучукового вяжущего

Формула изобретения

1. Способ получения битумно-каучукового вяжущего, включающий окисление органического сырья при температуре 210 - 230^oC, введение полимера в количестве 1,5 - 2% от массы органического сырья с получением композиции и продолжением окисления при температуре 180 - 190^oC, отличающийся тем, что в качестве органического сырья используют дорожный битум, в качестве полимера используют 10 - 14%-ный раствор этилен-пропиленового или этилен-пропилендиенового каучука в смеси керосина и мазута.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отношение керосин : мазут поддерживают в интервале, равном 0,33 - 1,0.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к дорожному строительству, а именно к технологии приготовления органических вяжущих материалов, и может быть использовано в промышленности строительных материалов.

В дорожном строительстве известны способы модификации битума каучуком, сополимерами, латексами, мономерами.

Методы компаундирования битумов каучуками и сополимерами весьма трудоемки, требуют специального оборудования. Эффективность способа объединения битумов с латексами невелика из-за коагуляции макромолекул каучука под воздействием высоких температур. Процесс полимеризации мономеров в битуме требует специальных агентов, строго определенной температуры и соответствующего оборудования.

Общим недостатком указанных способов модификации битумов полимерами - неоднородность вяжущих, повышенный расход полимера для достижения необходимого эффекта.

Указанные недостатки устраняются объединением битумов с растворами каучуков (SU 272882 A, 13.11.1979).

Каучук растворяют в отходах производства заводов синтетического каучука, например, в кубовых остатках толуольной фракции при соотношении 1:4-12.

Раствор каучука подается в битум с последующим частичным удалением растворителя при температуре 180^oC в гомогенезирующих установках.

Возможно введение в битумно-каучуковое вяжущее мягчителя и заполнителя при температуре выше точки кипения растворителя.

Известен способ получения вяжущего для дорожных покрытий путем совмещения 1-10% сополимера этилена с винилацетатом при температуре 90-180^oC с последующей продувкой воздухом, кислородом или его смесью с инертным газом при температуре 210-290^oC в присутствии катализатора окисления до достижения модифицированным вяжущим заданной температуры размягчения.

Недостатками рассматриваемых способов получения битумно-каучуковых вяжущих - сложность технологии, падение теплоустойчивости вследствие наличия разжижителя, значительные трудовые и энергетические затраты, недостаточное сцепление с минеральными материалами.

Наиболее близкими к предлагаемому нами решению является способ получения вяжущего для дорожного строительства, включающий смешивание продукта переработки нефти с 1,5-2,0% каучука в виде раствора, для этого продукт переработки нефти - сырье для производства нефтяных дорожных битумов - предварительно окисляют продувкой воздухом при 210-230^oC, a каучук в виде 12-15% раствора в смеси сланцевого масла с кубовыми остатками пиролизной смолы сланцеперерабатывающего завода в соотношении 0,5 - 0,6 : 0,5 - 0,4 вводят в окисленное сырье по истечении времени, требуемого для получения битума заданной марки при 180-190^oC, после чего при этой же температуре окисление продолжают (SU, 1671671, A1 23.08.1991)

Технологический процесс по вышеуказанному способу получения битумно-каучукового вяжущего достаточно сложен и недостаточно эффективен.

Во-первых, для получения раствора каучука используются в качестве растворителя сланцевое масло и кубовые остатки пиролизных смол, которые содержат в своем составе бензол, толуол, ксилол, этилтолуол, м-стирол и другие канцерогенные и токсичные компоненты. Поэтому при растворении каучука требуется герметичное оборудование, наличие холодильника и емкости для сбора конденсата.

Для введения раствора каучука в окисляемое сырье, температура которого колеблется в пределах 210-230^oC, необходимо ее понизить до 180-190^oC. Охлаждение битумной массы происходит естественным путем в течение 5-8 часов в зависимости от температуры окружающей среды.

Доокисление нефтяного сырья при температуре 180-190^oC после введения раствора каучука до требуемой вязкости также увеличивает время приготовления битумно-каучукового вяжущего и ведет к удорожанию продукции.

Кроме сказанного, применяемые каучуки СКД (бутадиеновый), СКС (стирольный), СКИ (изопреновый) обеспечивают незначительное повышение теплоустойчивости модифицированного битума.

Цель предлагаемого изобретения - упрощение технологии, улучшение санитарно-гигиенических условий работы, повышение теплоустойчивости битумно-каучуковых вяжущих и устойчивости к старению.

Цель достигается тем, что в способе получения битумно-каучукового вяжущего, включающем окисление органического сырья при температуре 210-230^oC с введением полимера в количестве 1,5-2,0% от массы первого и продувкой полученной композиции при температуре 180-190^oC, в качестве органического сырья используют дорожный битум, а в качестве полимера используют 10-14% раствор этилен-пропиленового или этилен-пропилендиенового каучука в смеси керосина и мазута при соотношении керосин:мазут 0,33:1,0.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ получения битумно-каучукового вяжущего отличается от прототипа тем, что в качестве полимера используют 10-14% раствор этилен-пропиленового или этилен-пропилендиенового каучука, в дальнейшем СКЭП(Т), в смеси керосина и мазута, в дальнейшем растворитель, при соотношении керосин:мазут 0,33:1,0.

В технологии приготовления битумно-полимерных вяжущих объединением битума с полимером нам неизвестен способ, при котором в качестве полимера используется каучук СКЭП(Т), а растворителя - смесь керосина и мазута.

Следовательно, предложенные существенные признаки соответствуют критерию "существенные отличия".

Сущность изобретения поясняется таблицами и графиками.

Время растворения каучука в растворителе зависит не только от соотношения компонентов растворителя керосин - мазут, но и от концентрации каучука в нем.

На фиг. 1 представлена временная зависимость растворения каучука от соотношения керосин - мазут при различных концентрациях каучука. Кривые 1, 2, 3 соответствуют 10, 12, 14% каучука в растворе. Характер кривых идентичен.

Из приведенных данных следует, что при соотношении керосин - мазут менее 0,33 время растворения каучука резко увеличивается, при этом не удается получить стабильный раствор, так как наблюдается частичное расслоение компонентов. При соотношении более 1,0 значительного ускорения растворения не происходит, при этом увеличивается расход керосина.

Таким образом, рекомендуемое соотношение компонентов растворителя - в пределах 0,33:1,0.

Разработанные требования к раствору каучука СКЭП(Т) приведены в таблице 1.

На фиг. 2 представлена зависимость температуры размягчения битумно-каучуковой композиции от времени объединения с раствором каучука продувкой воздухом при температуре 180 - 190^oC при приготовлении битумно-каучукового вяжущего.

Пример реализации способа.

Для проведения исследований был принят товарный каучук СКЭП(Т) ОАО "Нижнекамскнефтехим".

В качестве растворителя - смесь компонентов. Керосин, отвечающий требованиям ГОСТ 18499-73, и мазут, отвечающий требованиям ТУ 3810957-80.

Каучук СКЭП(Т) в мазуте не растворяется, а только набухает. Объединение битума с набухшим каучуком не обеспечило получение однородного вяжущего с улучшенными физико-механическими показателями. Для получения раствора каучука необходимо уменьшить силы взаимодействия между молекулами каучука. С этой целью нами применен керосин в качестве компонента растворителя. Его количество принималось из условия ослабления указанных выше связей настолько, чтобы введение мазута и перемешивание компонентов обеспечило получение однородного раствора.

При исследовании и разработке рецептов растворов каучуков ставилась задача минимального использования керосина, чтобы потери вследствие испарения были также минимальными, что удешевляет производство продукта.

Второй задачей являлась минимизация времени растворения.

Максимальная концентрация раствора (условная вязкость C₅ = 1000 сек) принята с целью обеспечить возможность работы битумного насоса. При более высокой условной вязкости насос не в состоянии перекачать раствор.

Минимальная концентрация (условная вязкость C₅ = 650 сек) принята из условия получения необходимого количественного эффекта от модификации битума и соображений экономики.

Температура растворения каучука в керосине и мазуте принята в пределах 70-80^oC.

Приготовление битумно-каучуковых вяжущих проводилось на лабораторной окислительной установке.

В качестве вяжущих были взяты битумы различных марок Новоуфимского нефтеперерабатывающего завода. Растворы приготавливались в мешалке с условными вязкостями, приведенными в таблице 1.

Объединение (модификация) битума с каучуком осуществлялось в следующей последовательности. Битум при температуре 210 - 230^oC подавался в реактор окислительной установки, затем подавался воздух компрессором. Введение раствора каучука в битум производилось с поддержанием температуры 180 - 190^oC в течение 45 минут порционно через каждые 15 мин. Окисление композиции производилось до требуемой температуры размягчения. Время введения определяется возможностью работы печи дожига на производстве.

На фиг.2 представлена кинетика изменения температуры размягчения от времени приготовления битумно-каучукового вяжущего путем продувки воздухом композиции. Исходными битумами были взяты: БНД - 40/60 (кривая 1); БНД - 60/90 (кривая 2); БНД - 90/130 (кривая 3); БНД - 130/200 (кривая 4); БНД - 200/300 (кривая 5). Характер кривых идентичен. При введении раствора каучука наблюдается разжижение битума, о чем свидетельствуют ниспадающие ветви. Восходящие ветви свидетельствуют об интенсивном испарении керосина и активном окислении мазута. После окончания указанного выше процесса наблюдаются на всех кривых прямолинейные участки, свидетельствующие о постоянстве значений температуры размягчения при продувке воздухом. Иными словами, мы получаем битумно-каучуковое вяжущее, устойчивое к старению. Период времени от момента введения раствора каучука в битум до момента начала торможения процесса окисления можно назвать временем приготовления битумно-каучукового вяжущего и составляет от 75 до 165 минут в зависимости от исходной условной вязкости битума.

Внедрение технологии приготовления битумно-каучукового вяжущего на битумной базе г. Кореновска "Краснодаравтодора" показало, что общее время модификации по А.с. 1671971 от 22 апреля 1991 г. "Способ приготовления вяжущего для дорожного строительства" состоит из времени окисления нефтяного сырья до требуемой условной вязкости битума (примерно 6 часов), из времени охлаждения (в среднем 6 часов) и объединения битума с раствором каучука продувкой воздухом (в среднем 4 часа) и колеблется в пределах 15-16 часов. В этом режиме использовать окислительную установку весьма дорого и нецелесообразно. Поэтому было принято решение: объединение битума с раствором проводить в накопительной емкости, снабженной барбатером для подачи воздуха. Битум, приготовленный в окислительной установке, перекачивался в накопительную неутепленную емкость по неутепленным битумопроводам. Подавался битум сверху. Все сказанное позволяло его охладить в течение 1,0-1,5 часов до температуры 190^oC и приступить к подаче раствора каучука. В этом случае время приготовления битумно-каучукового вяжущего не превышало 8 - 9 часов вместо 15-16 часов. Таким образом, введение раствора каучука в битум позволяет упростить технологию и сократить время и энергозатраты.

В таблице 2 приведены показатели битумно-каучуковых вяжущих, содержащих 2% каучука СКС и СКЭП(Т).

Из приведенных данных видно, что температура размягчения битума возросла при модификации каучуком СКС на 2,5^oC, в то время как каучуком СКЭП(Т) на 8^oC.

Изменение температуры размягчения после прогрева битумно-каучукового вяжущего, содержащего каучук СКЭП(Т), составляет лишь 1^oC, а при содержании СКС - 2^oC. Эти сведения свидетельствуют о том, что при модификации битума каучуком СКЭП(Т) достигается более высокая устойчивость к старению. Достаточно высоки и другие показатели битума, модифицированного каучуком СКЭП(Т).

Предлагаемый способ опробирован в производственных условиях битумных баз Латное и Кореновска "Воронежавтодора" и "Краснодаравтодора" соответственно.

Предложенный способ позволил

- упростить технологию;

- повысить производительность окислительной установки;

- получить битумно-каучуковые вяжущие с высокой теплоустойчивостью;

- обеспечить высокую устойчивость к старению;

- разработать методику определения времени приготовления битумно-каучукового вяжущего.

Таким образом, предлагаемый способ получения битумно-каучукового вяжущего упрощает технологию, увеличивает производительность окислительной установки, повышает теплоустойчивость и устойчивость к старению.