Данная заявка заявляет преимущества предварительных заявок США №№60/755666, 60/755670, 60/755668, 60/755667, поданных 29 декабря 2005 года, и предварительной заявки США №60/813950, поданной 15 июня 2006 года.
Область техники
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения относятся к композициям модифицированных асфальтовых связующих, которые получают в результате использования пентасульфида фосфора и полимера, а также к композициям асфальтового дорожного покрытия, полученным при использовании данных композиций связующих.
Уровень техники
В течение длительного времени при изготовлении дорожных покрытий использовались композиции асфальтового дорожного покрытия, которые включают смесь асфальтового связующего и заполнителя. Давно существующая технологическая проблема, связанная с данными дорожными покрытиями, заключалась в их поведении при экстремальных температурах. То есть, при высоких температурах дорожные покрытия становятся мягкими; а при низких температурах дорожные покрытия являются хрупкими.
В течение десятилетий для смягчения остроты проблем, испытываемых при экстремальных температурах, использовали добавки. Например, к композициям асфальтовых связующих добавляли полимеры. В патенте США №4145322 сообщают о полимермодифицированных битумных композициях, которые включают эластомеры (например, полиизопрен, бутил-каучук, каучук БСК), которые можно использовать для улучшения механических свойств битумов, в особенности эластомерных свойств. И использование в данных битумных композициях конкретных блок-сополимеров стирола и диенового мономера позволяет получать композиции, обладающие желательными механическими свойствами, даже при низких температурах.
Подобным же образом в документе JP 51-149312 (1976) сообщают о модифицированных асфальтовых композициях, которые включают соединение фосфора, такое как пентаоксид фосфора, полифосфорная кислота или пентасульфид фосфора. Предполагается, что данные соединения фосфора могут модифицировать асфальт, поскольку они связываются в асфальте с асфальтеном, дополнительно упрочняя структуру геля. Для того чтобы устранить проблемы с диспергируемостью и удобством в обращении, связанные с данными соединениями фосфора, соединения фосфора перемешивают с нефтяными композициями и к асфальтовой композиции добавляют смесь. Нефтяные композиции характеризуются температурой воспламенения, равной 150°C и более, и включают 0,5-40% асфальтенов. Соединения фосфора можно включать в нефтяную композицию в количестве в диапазоне от 0,5 до 50 массовых процентов, и количество соединения фосфора, добавляемого к модифицируемому асфальту, может находиться в диапазоне от 0,2 до 5,0 массовых процентов.
В патенте США №6569351 сообщают о полимермодифицированных асфальтовых композициях, полученных в результате объединения добавки ускоритель-гелеобразователь с полимером и асфальтом и отверждения полимермодифицированного асфальта при температуре в диапазоне от 200°F (93,3°C) до 500°F (260,0°C). Добавки ускоритель-гелеобразователь включают 2-75% ускорителя, 25-88% технологического масла и 0,5-10% глины. Ускоритель может включать серу, 4,4'-дитиодиморфолин, производные тиазола, дитиокарбонаты, пентасульфид фосфора, пентаоксид фосфора, стеарат цинка, стеарат аммония, гидроксид натрия, гидроксид калия, гидроксид кальция, оксид алюминия или комбинации данных или других вулканизаторов или ускорителей. Добавку ускоритель-гелеобразователь можно добавлять к концентратам, содержащим приблизительно 1-25% полимера.
В патенте США №5990206 сообщают о смеси полимера и соединения фосфора (композиция модификатора), предназначенной для использования в асфальтовых композициях. Полимер может включать полимеры на основе каучука (модификатор) и/или полимер на основе смолы (модификатор). Соединения фосфора могут включать фосфорный ангидрид (P2O5), полифосфорную кислоту, ортофосфорную кислоту, окситрихлорид фосфора (POCl3), трихлорид фосфора (PCl3) и пентасульфид фосфора (P2S5). Смесь может содержать от приблизительно 0,1 до приблизительно 10% (мас.) соединения фосфора, и можно получать асфальтовые композиции, содержащие от 0,1 до 30% (мас.) смеси полимер/соединение фосфора (композиция модификатора). Как представляется, неорганическое соединение фосфора в асфальте исполняет функцию сшивателя между модификатором на основе каучука и/или на основе смолы и сетчатой структурой более высокого порядка (асфальтеном) и является подходящим для упрочнении структуры геля в асфальте.
На чертеже представлена блок-схема, демонстрирующая конкретный вариант реализации настоящего изобретения.
Краткое изложение изобретения
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения предлагают способ получения композиции модифицированного асфальтового связующего, при этом способ включает перемешивание асфальта, ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора до получения модифицированной асфальтовой композиции.
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения также предлагают способ получения композиции модифицированного асфальтового связующего, при этом способ включает перемешивание асфальтового связующего, полимера и пентасульфида фосфора до получения модифицированной асфальтовой композиции, где массовое соотношение между полимером и пентасульфидом фосфора равно, по меньшей мере, 0,5:1 и менее чем 8:1.
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения дополнительно предлагают способ получения композиции модифицированного асфальтового связующего, при этом способ включает введение в асфальтовое связующее полимера и введение в асфальтовое связующее пентасульфида фосфора, где упомянутая стадия введения в асфальт пентасульфида фосфора включает добавление композиции пентасульфида фосфора, которая включает менее чем 5% (мас.) углеводородного материала.
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения дополнительно предлагают способ получения композиции модифицированного асфальтового связующего, при этом способ включает получение концентрата пентасульфид фосфора-связующее в результате объединения и перемешивания пентасульфида фосфора и асфальтового связующего, где концентрат пентасульфид фосфора-связующее включает более чем 0,5 массовой части пентасульфида фосфора на 100 массовых частей асфальта, получение концентрата полимер-связующее в результате объединения и перемешивания полимера и асфальтового связующего, где концентрат полимер-связующее включает более чем 5 массовых частей полимера на 100 массовых частей асфальта, и объединение и перемешивание концентрата пентасульфид фосфора-связующее с концентратом полимер-связующее до получения композиции модифицированного асфальтового связующего.
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения также предлагают композицию модифицированного асфальтового связующего, содержащую комбинацию или продукт реакции асфальта, пентасульфида фосфора и ненасыщенного полимера.
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения также предлагают композицию модифицированного асфальтового связующего, полученную по способу, включающему объединение и перемешивание асфальта, пентасульфида фосфора и полимера, где массовое соотношение между полимером и пентасульфидом фосфора равно, по меньшей мере, 0,5:1 и менее чем 8:1.
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения дополнительно предлагают асфальтовую композицию, которая содержит продукт реакции между асфальтом, ненасыщенным полимером, источником фосфора и источником серы, где источник фосфора и источник серы образуют реакционно-способные сшивки между компонентами асфальта и ненасыщенного полимера.
Подробное раскрытие изобретения
Один или несколько вариантов реализации настоящего изобретения предлагают способ получения композиции модифицированного асфальтового связующего, которая является подходящей для использования при получении композиций асфальтового дорожного покрытия. В одном или нескольких вариантах реализации композицию модифицированного асфальтового связующего можно получать в результате объединения и перемешивания асфальтового связующего, полимера и пентасульфида фосфора. Композицию модифицированного асфальтового связующего можно объединять с заполнителем до получения композиции асфальтового дорожного покрытия. В конкретных вариантах реализации композицию асфальтового дорожного покрытия можно сформовать до получения дорожных покрытий.
Термин «асфальтовое связующее» используется так, как его понимают специалисты в соответствующей области техники, и согласуется со значением, приведенным в документе AASHTO М320. В случае объединения асфальтового связующего с заполнителем используется термин «композиция асфальтового дорожного покрытия». В соответствии с использованием в данном описании изобретения термины «асфальт» и «асфальтовое связующее» могут быть использованы как синонимы. Материал асфальтового связующего можно получать из любого источника асфальта, такого как природный асфальт, горный асфальт, полученный из битуминозного песчаника, или нефтяной асфальт, полученный в процессе переработки нефти. Асфальтовое связующее может быть выбрано из тех, которые в настоящее время классифицированы в соответствии с документами AASHTO М320 и ASTM D-6373, включая асфальтовые связующие, классифицированные по эксплуатационным характеристикам. В других вариантах реализации асфальтовые связующие могут включать смесь различных асфальтов, не удовлетворяющих определению какой-либо конкретной классификации. Сюда включаются продутый нефтяной асфальт, асфальт вакуумной перегонки, асфальт, полученный продувкой мазута водяным паром, асфальт, разбавленный нефтяным дистиллятом, или асфальт для пропитки кровельных материалов. В альтернативном варианте можно выбирать гильсонит, природный или синтетический, используемый индивидуально или в смеси с нефтяным асфальтом. Смеси синтетических асфальтов, подходящие для использования в настоящем изобретении, описываются, например, в патенте США №4437896. В одном или нескольких вариантах реализации асфальт включает полученные из нефти асфальт и асфальтовое масло. Данные композиции могут включать асфальтены, смолы, циклические соединения и насыщенные углеводороды. Процентное содержание данных ингредиентов в совокупной композиции асфальтового связующего можно варьировать, исходя из источника асфальта.
Асфальтены включают черные аморфные твердые вещества, содержащие в дополнение к углероду и водороду некоторое количество азота, серы и кислорода. Также могут присутствовать и следовые элементы, такие как никель и ванадий. В общем случае асфальтенами считаются высокополярные ароматические материалы, имеющие среднечисленную молекулярную массу в диапазоне от приблизительно 2000 до приблизительно 5000 г/моль, и они могут составлять от приблизительно 5 до приблизительно 25% от массы асфальта.
Смолы (полярная ароматика) включают окрашенные в темный цвет твердые и полутвердые очень клейкие фракции, имеющие относительно высокую молекулярную массу и присутствующие в мальтенах. Они могут включать диспергаторы пептизаторов для асфальтенов, и соотношение между количествами смол и асфальтенов в некоторой степени определяет золь- или гель-тип характера асфальтов. Смолы, отделенные от битумов, могут иметь среднечисленную молекулярную массу в диапазоне от приблизительно 0,8 до приблизительно 2 кг/моль, но имеет место широкое молекулярное распределение. Данный компонент может составлять от приблизительно 15 до приблизительно 25% от массы асфальтов.
Циклические соединения (нафтеновая ароматика) включают соединения, имеющие наинизшую молекулярную массу в битумах, и представляют собой основную часть дисперсионной среды для пептизированных асфальтенов. Они могут составлять от приблизительно 45 до приблизительно 60% (мас.) от совокупного асфальтового связующего и могут представлять собой темные вязкие жидкости. Они могут включать соединения, содержащие ароматические и нафтеновые ароматические ядра с заместителями в боковой цепи, и могут иметь молекулярные массы в диапазоне от 0,5 до приблизительно 9 кг/моль.
Насыщенные углеводороды преимущественно включают алифатические углеводороды с прямыми и разветвленными цепями, присутствующие в битумах, совместно с алкилнафтенами и некоторым количеством алкилароматики. Диапазон средней молекулярной массы может быть приблизительно таким же, как и для циклических соединений, и компоненты могут включать воскообразные и невоскообразные насыщенные углеводороды. Данная фракция может составлять от приблизительно 5 до приблизительно 20% от массы асфальтов.
В данных или других вариантах реализации асфальтовые связующие могут включать битумы, которые встречаются в природе или могут быть получены при переработке нефти. Асфальты могут содержать углеводороды с очень высокой молекулярной массой, называемые асфальтенами, которые могут быть растворимыми в сероуглероде, пиридине, ароматических углеводородах, хлорированных углеводородах и ТГФ. Асфальты или битуминозные материалы могут представлять собой твердые вещества, полутвердые вещества или жидкости.
В одном или нескольких вариантах реализации асфальтовые связующие перед модифицированием (то есть, перед объединением с ненасыщенным полимером или P2S5) могут быть охарактеризованы показателем PG в виде, по меньшей мере, PG 64-22, в других вариантах реализации, по меньшей мере, PG 52-28 и в других вариантах реализации, по меньшей мере, PG 52-34. Необходимо отметить то, что каждый из данных примеров асфальтовых связующих демонстрирует температурный диапазон эксплутационных характеристик от 86°C. Несмотря на возможность выбора данных асфальтовых связующих в желательных и определенных вариантах реализации, практика настоящего изобретения позволяет успешно использовать асфальтовое связующее основы, характеризующееся пониженным температурным диапазоном, поскольку данный пониженный температурный диапазон может быть повышен в рамках практики настоящего изобретения. Например, PG 64-16, PG 58-22 или PG 52-28 можно промодифицировать для увеличения их температурного диапазона. Как должны понимать специалисты в соответствующей области техники, показатель PG относится к техническим условиям для связующих, классифицированных по эксплуатационным характеристикам (PG) Super Pave (дорожных покрытий с превосходными эксплуатационными характеристиками), разработанным в Соединенных Штатах в результате проведения исследования, спонсированного Американской ассоциацией дорожных и транспортных должностных лиц (AASHTO М320).
В одном или нескольких вариантах реализации полимеры можно охарактеризовать температурой стеклования (Tg), меньшей чем 20°C, в других вариантах реализации меньшей чем 0°C, в других вариантах реализации меньшей чем - 20°C, в других вариантах реализации меньшей чем - 35°C и в других вариантах реализации находящейся в диапазоне от приблизительно - 90°C до приблизительно - 20°C, согласно измерению в результате анализа по методу ДСК.
В одном или нескольких вариантах реализации использованным полимером является ненасыщенный полимер. В одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры включают полимеры на углеводородной основе, которые характеризуются степенью или уровнем ненасыщенности, которую можно количественно охарактеризовать, исходя из количества двойных связей (несопряженных двойных связей либо в основной цепи, либо в боковых группах), в расчете на общее число атомов углерода в полимере (включая атомы углерода боковых групп). Например, в одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры включают, по меньшей мере, 5 двойных связей, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 7 двойных связей, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 12 двойных связей и в других вариантах реализации, по меньшей мере, 16 двойных связей на 100 атомов углерода в полимере. В данных или других вариантах реализации ненасыщенные полимеры включают от приблизительно 7 до приблизительно 25 двойных связей, в других вариантах реализации от приблизительно 10 до приблизительно 20 двойных связей и в других вариантах реализации от приблизительно 12 до приблизительно 18 двойных связей на 100 атомов углерода.
Ненасыщенные полимеры включают те полимеры, которые включают ненасыщенность в основной цепи, в боковых группах или как в основной цепи, так и в боковых группах (то есть, несопряженные двойные связи). Например, мономерные звенья полимера, образующиеся по механизму 1,2-полимеризации из 1,3-бутадиена, или мономерные звенья полимера, образующиеся по механизму 3,4-полимеризации из изопрена, представляют собой боковые винильные звенья. Количество боковых несопряженных двойных связей можно охарактеризовать, исходя из процентного содержания винила в мономерных звеньях, содержащих ненасыщенность. Например, полимером, характеризующимся 30%-ным уровнем содержания винила, называют полимер, в котором 30% ненасыщенных мономерных звеньев представляют собой несопряженные двойные связи боковых групп. В одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры, используемые в практике настоящего изобретения, включают нулевой или только пренебрежимо малый уровень содержания винила. В других вариантах реализации ненасыщенные полимеры включают низкий уровень содержания винила (например, от 1 до приблизительно 10%); в других вариантах реализации они включают средний уровень содержания винила (например, от 11 до 40%); и в других вариантах реализации они включают высокий уровень содержания винила (например, больший чем 40%).
В одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры также могут включать мономерные звенья, которые не включают несопряженных двойных связей. Например, мономерные звенья, образующиеся в результате полимеризации сомономера, такого как стирол, не включают несопряженных двойных связей. В одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры могут включать от приблизительно 0% до приблизительно 55% мономерных звеньев (то есть, при проведении расчета на моли), в других вариантах реализации от приблизительно 3% до приблизительно 50% мономерных звеньев и в других вариантах реализации от приблизительно 10 до приблизительно 45% мономерных звеньев, образующихся из мономера, который не приводит к получению несопряженных двойных связей (например, стирола).
В одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры можно охарактеризовать индексом расплава (ASTM D-1238; 2,16 кг нагрузки при 190°C), меньшим чем 1000 дг/мин, в других вариантах реализации меньшим чем 500 дг/мин, в других вариантах реализации меньшим чем 50 дг/мин, в других вариантах реализации меньшим чем 20 дг/мин, в других вариантах реализации меньшим чем 10 дг/мин и в других вариантах реализации меньшим чем 1 дг/мин. В данных или других вариантах реализации ненасыщенные полимеры могут характеризоваться индексом расплава в диапазоне от 3 до 15 дг/мин и в других вариантах реализации от 4 до 12 дг/мин.
В одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры можно охарактеризовать среднечисленной молекулярной массой (Mn) в диапазоне от приблизительно 10 до приблизительно 1000 кг/моль, в других вариантах реализации от приблизительно 40 до приблизительно 500 кг/моль и в других вариантах реализации от приблизительно 80 до приблизительно 200 кг/моль. В данных или других вариантах реализации ненасыщенные полимеры также можно охарактеризовать средневесовой молекулярной массой (Mw) в диапазоне от приблизительно 10 до приблизительно 4000 кг/моль, в других вариантах реализации от приблизительно 40 до приблизительно 2000 кг/моль и в других вариантах реализации от приблизительно 80 до приблизительно 800 кг/моль. В одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры можно охарактеризовать молекулярно-массовым распределением в диапазоне от приблизительно 1,1 до приблизительно 5, в других вариантах реализации от приблизительно 1,5 до приблизительно 4,5 и в других вариантах реализации от приблизительно 1,8 до приблизительно 4,0. Молекулярную массу можно определить по методу гельпроникающей хроматографии (ГПХ) с калибровкой при помощи полистирольных стандартов и подгонкой для констант Марка-Хувинка для рассматриваемого полимера.
Ненасыщенные полимеры на углеводородной основе могут представлять собой линейные, разветвленные полимеры или полимеры, полученные по реакции сочетания. Типы углеводородных полимеров могут включать как природные, так и синтетические полимеры. Подходящие для использования синтетические полимеры могут включать полидиены или полидиеновые сополимеры с недиеновым сомономером (например, стиролом). Сополимеры могут включать блочные и статистические сополимеры. Полимеры, полученные по реакции сочетания, могут включать линейные полимеры, полученные по реакции сочетания (например, полимеры, полученные по реакции сочетания и имеющие два луча), или радиальные полимеры, полученные по реакции сочетания (например, полученные по реакции сочетания и имеющие три луча или полученные по реакции сочетания и имеющие четыре луча, полученные по реакции сочетания и имеющие пять лучей, полученные по реакции сочетания и имеющие шесть лучей и тому подобное). Примеры полидиенов включают полибутадиен и полиизопрен. Примеры сополимеров могут включать статистический стирол-бутадиеновый каучук, стирол-бутадиеновый блок-сополимер, стирол-бутадиен-стирольный блок-сополимер, статистический стирол-изопреновый сополимер, стирол-изопреновый блок-сополимер, стирол-изопрен-бутадиеновый блок-сополимер, статистический стирол-изопрен-бутадиеновый сополимер, стирол-изопрен-стирольный блок-сополимер и хлоропреновый каучук. В одном или нескольких вариантах реализации полимер может включать блок-сополимер, характеризующийся высоким уровнем содержания винила, описанный в Международной заявке №PCT/US2005/028343. В одном или нескольких вариантах реализации ненасыщенные полимеры включают линейные или радиальные блок-сополимеры, где блок-сополимеры включают концевые стирольные блоки. Например, в случае радиального полимера, полученного по реакции сочетания и имеющего три луча, каждый из трех радиальных лучей полимера будет включать концевые стирольные блоки. В данных или других вариантах реализации внутренние сегменты радиальных лучей включают полидиеновые блоки, такие как полибутадиеновые блоки. В данных или других вариантах реализации уровень содержания стирола в данных блок-сополимерах может находиться в диапазоне от 10% до 50% (мас.), в других вариантах реализации от 15% до 45% (мас.) и в других вариантах реализации от 20% до 40% (мас).
В одном или нескольких вариантах реализации полимер может включать полимер, полученный в результате проведения анионной полимеризации. В других вариантах реализации полимер можно получать по механизму координационного катализа, такого как при использовании координационных систем на основе кобальта, на основе никеля или на основе лантаноидов.
В одном или нескольких вариантах реализации полимер может включать полидиен и/или полидиеновый сополимер, имеющий полярную группу. Данные полярные группы могут быть расположены в боковых группах по отношению к основной цепи полимера и/или в концевой группе основной цепи полимера. В одном или нескольких вариантах реализации полярная группа может включать карбонильную группу, такую как группа карбоновой кислоты или ангидридная группа, гидроксильную группу, аминогруппу, амидогруппу, карбаматную группу, кремнийсодержащую, металлсодержащую группы, фосфорсодержащие группы и тому подобное.
В одном или нескольких вариантах реализации полимер в асфальтовые композиции можно вводить в нескольких формах. Например, полимер можно добавлять в виде крошки, в виде размолотого полимера, в виде гранул, в виде расплавленного полимера или в виде жидкого полимера.
В одном или нескольких вариантах реализации пентасульфид фосфора включает те соединения, которые описываются эмпирическими формулами P2S5 или P4S10, из которых обе используются специалистами в соответствующей области техники как синонимы. В одном или нескольких вариантах реализации производные пентасульфида фосфора включают те, которые описываются формулой
или их производные, обогащенные фосфором. Данные обогащенные фосфором производные, как представляется, получаются тогда, когда утрачивается атом серы, который связан с атомом фосфора двойной связью. В одном или нескольких вариантах реализации концентрация фосфора в композициях пентасульфида фосфора составляет, по меньшей мере, 27,85 массовых процентов, в других вариантах реализации находится в диапазоне от приблизительно 27,87 до приблизительно 28,3 массовых процентов и в других вариантах реализации от приблизительно 28,90 до приблизительно 28,00 массовых процентов. Пентасульфид фосфора коммерчески доступен из источников, таких как ICL Performance Products, L. P.
В одном или нескольких вариантах реализации пентасульфид фосфора, который используют в настоящем изобретении, используют в его твердой форме, такой как твердые частицы. В одном варианте реализации пентасульфид фосфора можно охарактеризовать как имеющий размер частиц (то есть, средний диаметр), меньший чем 20 мм, в других вариантах реализации меньший чем 2 мм, в других вариантах реализации меньший чем 0,2 мм и в других вариантах реализации меньший чем 0,02 мм; в данных или других вариантах реализации размер частиц может быть большим чем 0,001 мм, в других вариантах реализации большим чем 0,009 мм и в других вариантах реализации большим чем 0,01 мм. В данных или других вариантах реализации средний размер частиц пентасульфида фосфора может находиться в диапазоне от приблизительно 0,03 до приблизительно 1,00 мм, в других вариантах реализации от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,95 мм, в других вариантах реализации от приблизительно 0,06 до приблизительно 0,90 мм и в других вариантах реализации от приблизительно 0,07 до приблизительно 0,085 мм. В данных или других вариантах реализации, по меньшей мере, 30%, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 50% и в других вариантах реализации, по меньшей мере, 70%, от частиц пентасульфида фосфора попадают в диапазон от приблизительно 0,03 до приблизительно 1,00 мм, а в других вариантах реализации от приблизительно 0,05 до приблизительно 0,95 мм, в других вариантах реализации от приблизительно 0,06 до приблизительно 0,90 мм и в других вариантах реализации от приблизительно 0,07 до приблизительно 0,085 мм.
Пентасульфид фосфора, используемый в настоящем изобретении, может быть относительно чистым. В одном или нескольких вариантах реализации пентасульфид фосфора включает менее чем 10 массовых процентов, в других вариантах реализации менее чем 5 массовых процентов, в других вариантах реализации менее чем 2 массовых процента и в других вариантах реализации менее чем 0,5 массового процента, примесей. Кроме того, в одном или нескольких вариантах реализации пентасульфид фосфора, вводимый в асфальт для перемешивания с ним, находится в своей беспримесной форме. В одном или нескольких вариантах реализации пентасульфидом фосфора в его беспримесной форме называют твердые частицы, которые содержат менее чем 5 массовых процентов, в других вариантах реализации менее чем 2 массовых процента, в других вариантах реализации менее чем 0,5 массового процента, в других вариантах реализации менее чем 0,1 массового процента и в других вариантах реализации менее чем 0,05 массового процента, органических или углеводородных веществ или примесей.
В одном или нескольких вариантах реализации пентасульфид фосфора можно использовать без модифицирования. В других вариантах реализации пентасульфид фосфора включает те материалы, которые не вступали в реакцию или не подвергались какой-либо реакции или предварительной реакции с целью модифицирования растворимости пентасульфида фосфора в асфальтовой композиции. Например, как было установлено, преимущественно пентасульфид фосфора можно использовать без введения его в реакцию с соединением, имеющим гидроксильную группу, способную связываться с пентасульфидом фосфора. В одном или нескольких вариантах реализации пентасульфиды фосфора можно использовать без предварительного введения пентасульфида фосфора в реакцию с полиалкиленоксидом.
Композиции модифицированных асфальтовых связующих данного изобретения также могут включать и те другие ингредиенты или компоненты, которые обычно используют в промышленности. Например, композиции могут включать соединения, повышающие сцепление.
В других вариантах реализации в композиции модифицированных асфальтовых связующих данного варианта реализации при желании можно добавлять отвердители. Отвердители могут включать фенольные смолы и элементарную серу. Одним примером является бисмалеимидный отвердитель. В практике данного изобретения можно использовать обычные количества. В одном или нескольких вариантах реализации потребность в отвердителе, в частности в сере, исключается. Другими словами, композиции асфальтовых связующих настоящего изобретения можно получать без добавления отвердителя и/или серосодержащего отвердителя, отличного от пентасульфида фосфора.
Композиции асфальтовых связующих настоящего изобретения могут включать от приблизительно 0,1 до приблизительно 10 массовых частей, в других вариантах реализации от приблизительно 0,2 до приблизительно 6 массовых частей и в других вариантах реализации от приблизительно 0,5 до приблизительно 4 массовых частей, полимера на 100 массовых частей асфальтового связующего. В данных или других вариантах реализации композиции асфальтовых связующих настоящего изобретения могут включать менее чем 5 массовых частей, в других вариантах реализации менее чем 4 массовые части, в других вариантах реализации менее чем 3 массовые части, в других вариантах реализации менее чем 2,5 массовой части, в других вариантах реализации менее чем 2 массовые части, в других вариантах реализации менее чем 1,8 массовой части, в других вариантах реализации менее чем 1,5 массовой части, полимера на 100 массовых частей асфальтового связующего. В данных или других вариантах реализации композиции асфальтовых связующих включают, по меньшей мере, 0,1 массовых частей, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 0,5 массовых частей, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 0,7 массовых частей, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 1,0 массовую часть и в других вариантах реализации, по меньшей мере 1,2 массовых частей, полимера на 100 массовых частей асфальтового связующего.
Композиции асфальтовых связующих настоящего изобретения могут включать от приблизительно 0,001 до приблизительно 10, в других вариантах реализации от приблизительно 0,05 до приблизительно 5 и в других вариантах реализации от приблизительно 0,01 до приблизительно 1 массовой части пентасульфида фосфора на 100 массовых частей асфальтового связующего.
В одном или нескольких вариантах реализации массовое соотношение между ненасыщенным полимером и пентасульфидом фосфора в композиции модифицированного асфальтового связующего может составлять, по меньшей мере, 0,5:1, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 0,7:1, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 1:1, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 1,3:1, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 1,5:1, в других вариантах реализации, по меньшей мере, 1,8:1 и в других вариантах реализации, по меньшей мере, 2,0:1. В данных или других вариантах реализации массовое соотношение между ненасыщенным полимером и пентасульфидом фосфора составляет менее чем 8:1, в других вариантах реализации менее чем 7:1, в других вариантах реализации менее чем 6:1, в других вариантах реализации менее чем 5:1, в других вариантах реализации менее чем 4:1 и в других вариантах реализации менее чем 3:1.
В тех вариантах реализации, в которых используют отвердитель, асфальтовые композиции данного изобретения могут включать от приблизительно 0,1 до приблизительно 10, в других вариантах реализации от приблизительно 0,2 до приблизительно 6 и в других вариантах реализации от приблизительно 0,5 до приблизительно 4 массовых частей отвердителя на 100 массовых частей асфальта. В данных или других вариантах реализации при получении композиций асфальтовых связующих настоящего изобретения можно использовать менее чем 3 части, в других вариантах реализации менее чем 1 часть, в других вариантах реализации менее чем 0,5 части, в других вариантах реализации менее чем 0,25 части, в других вариантах реализации менее чем 0,1 части и в других вариантах реализации менее чем 0,01 массовой части отвердителя (например, свободной серы или элементарной серы) на 100 массовых частей асфальтового связующего.
В одном или нескольких вариантах реализации в практике изобретения пентасульфид фосфора можно использовать, не прибегая к использованию полифосфорной кислоты или ее производного. В определенных вариантах реализации в практике изобретения используют менее чем 1 массовую часть, в других вариантах реализации менее чем 0,1 массовых частей, в других вариантах реализации менее чем 0,05 массовых частей и в других вариантах реализации менее чем 0,01 массовых частей, полифосфорной кислоты или ее производного на 100 массовых частей асфальта. В одном или нескольких вариантах реализации никакой полифосфорной кислоты в асфальтовых композициях не используют и в асфальтовые композиции не добавляют. В одном или нескольких вариантах реализации асфальтовые композиции данного изобретения свободны от содержания полифосфорной кислоты или продуктов ее реакции с одним или несколькими ингредиентами асфальтовой композиции.
В одном или нескольких вариантах реализации асфальтовые композиции настоящего изобретения могут включать менее чем 1%, в других вариантах реализации менее чем 0,5%, в других вариантах реализации менее чем 0,1% и в других вариантах реализации менее чем 0,05% (мас.), фосфорорганического соединения. В данных или других вариантах реализации асфальтовые композиции настоящего изобретения по существу свободны от содержания фосфорорганических соединений, где по существу свобода от содержания обозначает то количество фосфорорганического соединения, которое не оказывает ощутимого воздействия на композицию, или количество, меньшее данного. Фосфорорганические соединения включают те, которые описываются в патентах США №№5990206 и 6024788, которые посредством ссылки включаются в настоящий документ.
В одном или нескольких вариантах реализации композиции модифицированных асфальтовых связующих данного изобретения можно получать в результате объединения асфальтового связующего с желательным количеством полимера (например, ненасыщенного полимера) и пентасульфида фосфора при желательной температуре. В одном варианте реализации полимер и пентасульфид фосфора могут быть добавлены к расплавленному асфальтовому связующему при температурах, больших, чем приблизительно 120°C, или в других вариантах реализации находящихся в диапазоне от приблизительно 140°C до приблизительно 210°C. В одном или нескольких вариантах реализации пентасульфид фосфора, полимер и асфальт можно смешивать или перемешивать после или во время их объединения. После этого перемешивание можно продолжить в течение времени продолжительностью от приблизительно 25 до приблизительно 400 минут при температуре в диапазоне от приблизительно 145°C до приблизительно 205°C (или в других вариантах реализации от приблизительно 160°C до приблизительно 193°C). В одном или нескольких вариантах реализации для того, чтобы полимер быстро диспергировать в асфальте, смесь асфальтового связующего, полимера и пентасульфида фосфора можно подвергать сдвиговому воздействию. Сдвиговое воздействие можно осуществить, например, в высокосдвиговой мельнице, такой как та, которую производят в компании Siefer. В других вариантах реализации, когда время имеет меньшее значение, можно использовать простое низкосдвиговое перемешивание. В одном или нескольких вариантах реализации получающееся в результате модифицированное асфальтовое связующее композиции представляет собой гомогенную смесь, которая является смесью, в которой от асфальта при 2°С отделяется менее чем 1% (мас.) полимера, согласно определению в соответствии с документом ASTM D-7173.
В одном или нескольких вариантах реализации выгодным может оказаться добавление пентасульфида фосфора в композицию асфальтового связующего совместно (то есть, одновременно) с полимером. Другими словами, пентасульфид фосфора не требуется предварительно перемешивать с асфальтовым связующим перед добавлением полимера. Подобным же образом, полимер не требуется предварительно перемешивать с композицией асфальтового связующего перед добавлением пентасульфида фосфора.
В одном или нескольких вариантах реализации пентасульфид фосфора и полимер можно добавлять к асфальтовому связующему (например, к расплавленному асфальтовому связующему) непосредственно, не прибегая к предварительному перемешиванию пентасульфида фосфора и ненасыщенного полимера друг с другом. Пентасульфид фосфора и полимер к асфальтовому связующему можно добавлять одновременно или последовательно. В одном или нескольких вариантах реализации, в которых пентасульфид фосфора и полимер добавляют к одной и той же композиции связующего, пентасульфид фосфора можно добавлять первым с последующим добавлением полимера. В других вариантах реализации первым к асфальтовому связующему можно добавлять полимер с последующим добавлением пентасульфида фосфора.
В еще других вариантах реализации пентасульфид фосфора и ненасыщенный полимер можно раздельно объединять и перемешивать с раздельными композициями асфальтовых связующих, а после этого индивидуальные композиции связующих затем можно объединять и перемешивать. Например, пентасульфид фосфора можно добавлять к первой композиции асфальтового связующего для получения композиции связующего первой маточной смеси. Подобным же образом, полимер можно добавлять ко второй композиции асфальтового связующего для получения композиции связующего второй маточной смеси. После этого композиции первой и второй маточных смесей можно объединять и перемешивать друг с другом для получения композиции модифицированного асфальтового связующего, соответствующей настоящему изобретению.
В одном или нескольких вариантах реализации настоящее изобретение предлагает способ, в котором концентрат пентасульфида фосфора и асфальтового связующего объединяют и перемешивают с концентратом полимера и асфальтового связующего. Данный способ выгодным образом позволяет обеспечить эффективные транспортирование и/или хранение композиций пентасульфида фосфора и/или композиций полимера и асфальтового связующего. Другими словами, выгодным образом было обнаружено то, что при непроведении объединения и комбинирования полимера,пентасульфида фосфора и асфальтового связующего, могут быть достигнуты повышенные концентрации пентасульфида фосфора и/или полимера в композиции асфальтового связующего, при условии, что пентасульфид фосфора и ненасыщенный полимер вводят и перемешивают в отдельные концентраты связующего. Преимущественно, концентраты можно доставлять в большое число региональных пунктов, где их можно объединять и перемешивать друг с другом, и/или они могут быть преимущественно разбавлены дополнительным количеством асфальтового связующего в региональных пунктах.
В одном или нескольких вариантах реализации концентрат пентасульфид фосфора- связующее может включать более чем 0,5 массовых частей, в других вариантах реализации более чем 2,0 массовых частей, в других вариантах реализации более чем 5,0 массовых частей и в других вариантах реализации более чем 8,0 массовых частей, пентасульфида фосфора на 100 массовых частей асфальта. В данных или других вариантах реализации концентрат пентасульфид фосфора-связующее может включать вплоть до 10 массовых частей и в других вариантах реализации вплоть до 12 массовых частей пентасульфида фосфора на 100 массовых частей асфальтового связующего. Специалисты в соответствующей области техники должны понимать то, что верхние уровни содержания пентасульфида фосфора, которые можно добавлять к асфальтовому связующему, определяются возможностью обработки и переработки асфальта (например, перекачиваемостью, в соответствии с документом AASHTO Т316).
Подобным же образом, концентрат полимер-связующее может включать более чем 5 массовых частей, в других вариантах реализации более чем 10 массовых частей, в других вариантах реализации более чем 15 массовых частей и в других вариантах реализации более чем 18 массовых частей, полимера на 100 массовых частей асфальта. В данных или других вариантах реализации концентрат полимер-связующее может включать вплоть до 20 массовых частей, в других вариантах реализации вплоть до 25 массовых частей и в других вариантах реализации вплоть до 30 массовых частей полимера на 100 массовых частей асфальтового связующего. Специалисты в соответствующей области техники должны понимать, что верхние уровни содержания полимера, которые могут быть добавлены к асфальтовому связующему, определяются возможностью обработки и переработки асфальта (например, перекачиваемостью в соответствии с документом AASHTO Т316). Другие факторы, которые могут оказывать воздействие на верхний предел концентрации полимера, включают молекулярную массу полимера, макроструктуру полимера и характеристики асфальта.
В одном или нескольких вариантах реализации асфальт, используемый для получения концентрата пентасульфид фосфора-связующее, может демонстрировать характеристики, отличные от характеристик асфальта, используемого для получения концентрата полимер-связующее. Например, в одном варианте реализации асфальт, используемый для получения концентрата полимер-связующее, может быть более мягким асфальтом, чем тот, который используют для получения концентрата пентасульфид фосфора-связующее. Это может оказаться выгодным, поскольку к более мягкому асфальту могут быть добавлены повышенные загрузки полимера, что, таким образом, обеспечит достижение возможности транспортирования и/или хранения большего количества полимера при меньшем количестве асфальта. Кроме того, в результате получения концентрата пентасульфид фосфора-связующее и концентрата полимер-связующее при использовании различных асфальтов после перемешивания могут быть достигнуты желательные свойства. Например, концентрат пентасульфид фосфора-связующее можно получать с использованием относительно твердого асфальта, который при смешивании с концентратом полимер-связующее, полученным с использованием относительно мягкого асфальта, может обеспечить получение твердости, промежуточной для асфальтовых связующих, использованных для получения концентратов.
Один конкретный вариант реализации способа, соответствующего настоящему изобретению, продемонстрирован на чертеже. На установке для изготовления модифицированного асфальтового связующего 12 находятся контейнер 22 для хранения пентасульфида фосфора, контейнер 24 для хранения асфальтового связующего и контейнер 26 для хранения ненасыщенного полимера. Концентрат 28 пентасульфид фосфора-связующее может быть получен в результате объединения и перемешивания пентасульфида фосфора и асфальтового связующего. Стадию объединения и перемешивания можно провести в результате добавления частиц пентасульфида фосфора к композиции асфальтового связующего, выдерживаемой при температуре в диапазоне от приблизительно 120°C до приблизительно 205°C. Подобным же образом, концентрат 30 ненасыщенный полимер-связующее можно получить в результате объединения и перемешивания ненасыщенного полимера и асфальтового связующего. Объединение и перемешивание ненасыщенного полимера и связующего можно осуществить в результате добавления гранул ненасыщенного полимера к расплавленной композиции асфальтового связующего, выдерживаемой при температуре в диапазоне от приблизительно 120°С до приблизительно 205°С. После этого соответствующие концентраты асфальтовых связующих (то есть концентрат 28 и концентрат 30) можно доставлять на пункт выгрузки 14. Доставку концентратов можно осуществлять при использовании обогреваемой или изолированной грузовой тары. Преимущественно, при использовании изолированной грузовой тары данные концентраты можно доставлять на пункт выгрузки 14, расположенный на удалении, доходящем вплоть до и превышающем 1000 миль (1609 км) от установки для изготовления модифицированного асфальтового связующего 12.
На пункте выгрузки 14 концентрат пентасульфид фосфора-связующее и концентрат ненасыщенный полимер-связующее можно объединять и перемешивать. Данное объединение и перемешивание можно осуществлять при температурах в диапазоне от приблизительно 145°С до приблизительно 170°С. Кроме того, концентраты до или после их объединения и перемешивания можно разбавлять при использовании дополнительного количества асфальтового связующего, которое можно хранить на пункте выгрузки 14 в контейнере 32. После этого модифицированное связующее 34, которое разбавляют до получаемого в данном случае желательного уровня содержания пентасульфида фосфора и/или ненасыщенного полимера, можно транспортировать в горячий смеситель 16. Транспортирование данной композиции модифицированного асфальтового связующего можно осуществлять в обогреваемой или изолированной грузовой таре, и доставку можно осуществлять в горячий смеситель 16, расположенный на удалении, доходящем вплоть до и превышающем 300 миль (483 км).
В горячем смесителе 16 композицию модифицированного связующего можно объединять и перемешивать с заполнителем 36 до получения композиции дорожного покрытия 38. Способы объединения и перемешивания заполнителя и композиции модифицированного связующего на современном уровне техники известны и включают перемешивание в периодическом режиме и перемешивание в непрерывном режиме. В одном или нескольких вариантах реализации заполнитель и модифицированное асфальтовое связующее объединяют и перемешивают в результате сначала предварительного нагревания модифицированного асфальтового связующего до температуры в диапазоне от приблизительно 120°С до приблизительно 200°С. Сразу после получения композиции дорожного покрытия 38, композицию дорожного покрытия можно транспортировать на рабочую площадку (например, земляное полотно), на которой выстилают дорожное покрытие (18). Транспортирование композиции дорожного покрытия можно осуществлять в обогреваемой или изолированной грузовой таре.
Композиции модифицированных асфальтовых связующих, полученные в соответствии с настоящим изобретением, можно использовать для получения композиций асфальтового дорожного покрытия. Данные композиции дорожного покрытия могут включать модифицированное асфальтовое связующее, заполнитель и другие необязательные ингредиенты, которые можно добавлять в композиции дорожного покрытия, как это известно на современном уровне техники. В практике данного варианта реализации можно использовать обычный заполнитель, который применяют в дорожном строительстве. Заполнитель может включать обломки горных пород, камни, шлаки, щебень, гравий, песок, диоксид кремния или смеси одного или нескольких данных заполнителей. Конкретные примеры заполнителей включают мрамор, известняк, базальт, доломит, песчаник, гранит, кварцит, сталеплавильный шлак и смеси двух и более данных заполнителей.
Заполнитель обычно характеризуется широким распределением частиц по размерам в диапазоне от субмикронных частиц (например, пыли) до масс с размерами мяча для игры в гольф, доходящими вплоть до 63 мм в диаметре. Наилучшее распределение частиц по размерам меняется при переходе от одной области применения к другой области применения.
В дополнение к заполнителю и модифицированному асфальтовому связующему, композиции дорожного покрытия настоящего изобретения также могут включать другие компоненты или ингредиенты, которые можно использовать при получении композиций асфальтового дорожного покрытия. Данные дополнительные компоненты или ингредиенты могут включать волокна, антиадгезивы и наполнители. Другие примеры включают гидроксид кальция, шлифовальную пыль, целлюлозные волокна, волокна на пропиленовой основе и смеси двух и более данных компонентов.
Композиции асфальтового дорожного покрытия настоящего изобретения можно получать при использовании стандартных оборудования и методик. В одном или нескольких вариантах реализации заполнитель перемешивают с модифицированным асфальтовым связующим до получения по существу гомогенного асфальтового дорожного покрытия. Например, заполнитель можно непрерывно перемешивать с модифицированным асфальтовым связующим, получая в стандартном смесителе композицию асфальтового дорожного покрытия. В одном или нескольких вариантах реализации, практика настоящего изобретения преимущественно исключает потребность в обработке заполнителя перед получением асфальтобетона.
При получении композиции асфальтового дорожного покрытия в общем случае перемешивают от приблизительно 1 массового процента до приблизительно 10 массовых процентов модифицированного асфальта и от приблизительно 90 массовых процентов до приблизительно 99 массовых процентов заполнителя (при расчете на общую массу композиции асфальтового дорожного покрытия). В других вариантах реализации композиции дорожного покрытия включают от приблизительно 2 до приблизительно 8 массовых процентов модифицированного асфальта.
Композиции асфальтовых связующих, а также композиции асфальтового дорожного покрытия, полученные в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют наличие нескольких выгодных свойств. В одном или нескольких вариантах реализации композиции преимущественно можно хранить при повышенных температурах без возникновения неблагоприятного воздействия на температуру разделения полимера и асфальтового связующего.
Композиции асфальтового дорожного покрытия, полученные в соответствии с настоящим изобретением, являются в особенности выгодными при получении дорожных покрытий. Данные дорожные покрытия могут включать нижеследующее, но не ограничиваются только этим: проезжая часть дороги, взлетно-посадочные дорожки, тротуары, трассы, дорожки для мототележек с игроками в гольф на игровой площадке, противофильтрационные облицовки водоемов, покрытия для мусорных свалок и мостовые настилы. Кроме того, композиции модифицированных асфальтовых связующих настоящего изобретения оказываются выгодными при получении других композиций помимо композиций дорожного покрытия. Например, модифицированные асфальтовые композиции могут оказаться подходящими для использования при укладках кровельного покрытия.
Для того чтобы продемонстрировать практику настоящего изобретения, были получены и протестированы следующие далее примеры. Однако примеры не должны рассматриваться в качестве ограничения объема изобретения. Для определения изобретения должна использоваться формула изобретения.
ПРИМЕРЫ
Образцы 1-6
Композиции асфальтовых связующих получали при использовании следующего способа. В контейнер в виде жестяной емкости объемом 1 кварта (1,14 л) добавляли 500 граммов асфальтового связующего, предварительно нагретого до 163°С. Асфальтовое связующее получали в компании ВР (Уайтинг, Индиана), и оно характеризовалось показателем PG 64-22 в соответствии с документом AASHTO M320. При использовании обогревателя жестяной емкости объемом 1,14 л асфальтовое связующее нагревали до 190°С и прокручивали в высокосдвиговом смесителе Silverson, во время чего добавляли частицы пентасульфида фосфора, проводя непосредственное добавление частиц к асфальтовому связующему, и гранулы ненасыщенного полимера, проводя непосредственное добавление гранул к асфальтовому связующему. Сдвиговое воздействие на образец в контейнере оказывали в течение 30 минут. На контейнер неплотно укладывали крышку, и контейнер на 18 часов размещали в печи, выставленной на 163°С. После извлечения контейнера из печи и удаления крышки, убирали весь имеющийся слой пены. После этого образец перемешивали и выливали на сетку с ячейками 20 меш, а просеянный материал использовали при получении образцов для испытаний.
Количество модификатора (например, пентасульфида фосфора и ненасыщенного полимера), добавленного к каждому образцу, представлено в таблице I. Отбирали часть каждого образца, из которой получали различные образцы для испытаний, необходимые для проведения каждого использованного стандартизованного испытания. Методы испытаний, использованные во всех данных примерах, представлены в таблице I.
Ненасыщенным полимером, использованным в данном комплекте образцов, являлся радиальный полимер, который характеризовался наличием приблизительно 16,5% винила, на 90% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий четыре луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик максимальной молекулярной массы (Мр) около 53 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 228 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 161-В™ (LCY; Китай).
Количества ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора представлены в таблице I в массовых частях на 100 массовых частей асфальта (pha).
Фактическая марка PG по оценке представляет собой меру температурного интервала для температурного диапазона эксплуатационных характеристик асфальтового связующего. Складывание чисел друг с другом образует температурный интервал PG. Чем большим будет число, тем большим будет температурный диапазон эксплуатационных характеристик, на котором асфальтовое связующее будет демонстрировать эксплуатационные характеристики.
Асфальтовое связующее образца 1, которое представляет собой беспримесное асфальтовое связующее, демонстрирует эксплуатационные характеристики в диапазоне 89°С. Образец 2, который включает насыщенный полимер, обнаруживает улучшение на 2°С в виде увеличения от 89°С до 91°С. В сопоставлении с асфальтом основы, образец 3, который включает пентасульфид фосфора, демонстрирует небольшое улучшение температурного интервала PG на 4°С. В сопоставлении с беспримесным связующим, образец 4, который включает ненасыщенный полимер и серу, демонстрирует улучшение на 7°С в виде 96°С. Образец 5, который включает ненасыщенный полимер и полифосфорную кислоту, демонстрирует улучшение на 5°С. В сопоставлении с асфальтом основы, образец 6, который соответствует настоящему изобретению, неожиданно демонстрирует улучшение температуры на 14°С в виде температурного интервала PG 103°С. В дополнение к этому, упругое восстановление (также называемое восстановлением при удлинении) у образца 6, которое равно 87,5%, исключительно велико, что предполагает наличие высокоупругого полимерного асфальтового связующего, чего обычно добиваются только при более высоких уровнях загрузки полимера. Температура размягчения, а также оценка высокой температуры PG, равная 77°С, предполагает наличие у модифицированного асфальтового связующего технологически подходящей для использования высокой температуры. В заключение, фазовый угол для образца 6 составлял 69,7, что указывает на прочную упругую структуру, образованную в асфальтовом связующем.
Примеры 7-13
Дополнительные модифицированные асфальтовые композиции получали в результате использования способов, подобных тем, что были предложены для предшествующих образцов, но в случае сравнительных образцов (образцы 11, 12 и 13) образцы получали при использовании насыщенных полимеров. В таблице II представлены количество каждого модификатора, использованного в каждом образце, а также результаты анализа эксплуатационных характеристик, проведенного для каждого образца.
Ненасыщенным полимером, использованным в образце 8, являлся радиальный полимер, который характеризовался наличием приблизительно 16,5% винила, на 90% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий четыре луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик максимальной молекулярной массы (Мр) около 53 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 228 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 161-В™ (LCY; Китай); данный полимер в таблицах обозначали как радиальный полимер.
Ненасыщенным полимером, использованным в образце 9, являлся линейный полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, который характеризовался наличием приблизительно 13% винила, на 92% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик максимальной молекулярной массы (Мр) около 60 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 106 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 6302™ (LCY; Китай); данный полимер в таблицах обозначали как высокомолекулярный полимер.
Ненасыщенным полимером, использованным в образце 10, являлся линейный полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, который характеризовался наличием приблизительно 13% винила, на 25% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик максимальной молекулярной массы (Мр) около 50 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 90 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 6320™ (LCY; Китай); данный полимер в таблицах обозначали как среднемолекулярный полимер.
Насыщенным полимером, использованным в образце 11, являлся гидрированный стирол-бутадиен-стирольный блок-сополимер (С-Э/Б-С), который получали под торговым наименованием KRATON™ G1652.
Насыщенным полимером, использованным в образце 12, являлся этилен-пропилен-диеновый каучук (EPDM), который получали под торговым наименованием ЕР35 (JSR; Япония) и который характеризовался величиной Tg, равной приблизительно - 51°C, степенью кристалличности 0%, вязкостью по Муни (ML1+4 при 10°C) 91,6, величиной Мn, равной приблизительно 72 кг/моль, величиной Mn, равной приблизительно 214 кг/моль, и величиной ММР (молекулярно-массового распределения), равной приблизительно 2,94, уровнем содержания этилена, равным приблизительно 52%, и уровнем содержания диена, равным приблизительно 5,9%; следует отметить то, что данный полимер не является полностью насыщенным.
Насыщенным полимером, использованным в образце 13, являлся этилен- винилацетатный полимер (ЭВА), который получали под торговым наименованием ELVAX™ 460 (DuPont).
Образец 7 из таблицы II представляет собой то же самое беспримесное асфальтовое связующее, которое использовали в образце 1 из таблицы I. Образцы 8-10 включают ненасыщенные полимеры, и данные, полученные в результате испытания данных модифицированных асфальтовых связующих, свидетельствуют о том, что данные ненасыщенные полимеры обеспечивают получение связующих, которые являются более упругими (фазовый угол и упругое восстановление) в сопоставлении с тем, что ожидалось для данных загрузок полимера. Неожиданно это указывает на то, что сочетание ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора приводит к получению высокоупругого асфальтового связующего. В дополнение к этому, что касается температуры разрушения для RTFO в DSR (старение), то в сопоставлении с беспримесным асфальтовым связующим в отношении высокотемпературных эксплуатационных характеристик образцы, включающие ненасыщенный полимер, демонстрируют улучшения в диапазоне от 10,7°C до 12°C. В дополнение к этому, образцы 8, 9 и 10 обеспечивали получение высоких значений упругого восстановления; действительно, в каждом случае имело место превышение 80%. С другой стороны, использование насыщенных полимеров (или полимера, характеризующегося низким уровнем содержания ненасыщенности) приводило к незначительному улучшению упругости в сопоставлении с беспримесным асфальтом (имело место некоторое улучшение высокотемпературной жесткости на 8,3°C-8,8°C). В целом, данные из таблицы II предполагают наличие синергетического эффекта между пентасульфидом фосфора, ненасыщенным полимером и асфальтовым связующим, который неожиданно приводит к получению улучшенного упругого асфальтового связующего.
Примеры 14-23
Несколько модифицированных асфальтовых композиций получали при использовании способов, подобных тем, которые использовали для вышеупомянутых образцов, за исключением того, что массовое соотношение между ненасыщенным полимером и пентасульфидом фосфора по всем образцам варьировали при одновременном сохранении 1,25 массовой части полимера на 100 массовых частей асфальта. Использованным ненасыщенным полимером являлся радиальный полимер, который характеризовался наличием приблизительно 16,5% винила, на 90% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий четыре луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик молекулярной массы (Мр) около 53 кг/моль и величину Мр после реакции сочетания, равную приблизительно 228 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 161-В™ (LCY; Китай). В таблице III представлены массовое соотношение между полимером и пентасульфидом фосфора, а также результаты испытания для каждого образца.
Данные из таблицы III демонстрируют неожиданный эффект от изменения соотношения между количествами полимера и пентасульфида фосфора. По мере уменьшения соотношения упругое восстановление для модифицированного связующего увеличивается, достигая максимума в области 1,8:1. Затем по мере того, как соотношение продолжало уменьшаться, начинало уменьшаться и упругое восстановление. В дополнение к этому, фазовый угол монотонно уменьшается до соотношения 1,8:1, а затем ниже данного соотношения увеличивается.
Образцы 24-33
По способу, подобному тому, который использовали для образцов 14-23, получали дополнительные модифицированные асфальтовые композиции и варьировали массовое соотношение между ненасыщенным полимером и пентасульфидом фосфора при одновременном сохранении 1,25 массовых частей полимера на 100 массовых частей асфальта. Данные образцы отличаются от образцов 14-23 использованным ненасыщенным полимером, которым являлся линейный полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, который характеризовался наличием приблизительно 13% винила, на 25% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик максимальной молекулярной массы (Мр) около 50 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 90 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 6320™ (LCY; Китай).
Таблица IV представляет массовое соотношение между полимером и пентасульфидом фосфора, а также результаты испытания для каждого образца.
Как и в случае данных из таблицы III, данные из таблицы IV свидетельствуют о том, что по мере уменьшения соотношения упругое восстановление увеличивалось, достигая максимума при 1,8:1. Подобным же образом, неожиданно упругое восстановление начинало уменьшаться ниже данного соотношения. Фазовый угол следовал характеру уменьшения фазового угла при уменьшении соотношения вплоть до 1,6:1, а после этого увеличивался.
Образцы 34-45
Дополнительные модифицированные асфальтовые композиции получали при использовании способов, подобных тем, которые использовались для описанных ранее образцов, за исключением того, что проводили сопоставление эффективности пентасульфида фосфора и других соединений. Природа различных соединений представлена в таблице V совместно с результатами испытаний для каждого образца.
Использованным ненасыщенным полимером являлся радиальный полимер, который характеризовался наличием приблизительно 16,5% винила, на 90% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий четыре луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик максимальной молекулярной массы (Мр) около 53 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 228 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 161-В™ (LCY; Китай).
Данные таблицы V свидетельствуют о том, что неожиданный результат сопоставления множества других соединений с пентасульфидом фосфора заключается в том, что пентасульфид фосфора закономерно характеризуется наивысшей жесткостью согласно измерению температуры разрушения в DSR после RTFOT (испытания для подвижной тонкой пленки в печи). В дополнение к этому, пентасульфид фосфора приводил к получению значительно более высокого значения упругого восстановления. В заключение, пентасульфид фосфора приводил к получению самого высокого значения температуры размягчения.
Образцы 46-51
Дополнительные образцы получали при использовании методик, подобных тем, которые были приведены ранее. В данной серии образцов варьировали величину загрузки полимера на 100 массовых частей асфальта. В таблице VI представлено количество полимера в каждом образце совместно с результатами испытания, которое было проведено.
В образцах 46 и 49 ненасыщенным полимером являлся радиальный полимер, который характеризовался наличием приблизительно 16,5% винила, на 90% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий четыре луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик максимальной молекулярной массы (Мр) около 53 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 228 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 161-В™ (LCY; Китай) и обозначали как радиальный полимер.
В образцах 47 и 50 ненасыщенным полимером являлся линейный полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, который характеризовался наличием приблизительно 13% винила, на 92% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик молекулярной массы (Мр) около 60 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 106 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 6302™ (LCY; Китай); данный полимер в таблицах обозначен как высокомолекулярный полимер.
В образцах 48 и 51 ненасыщенным полимером являлся линейный полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, который характеризовался наличием приблизительно 13% винила, на 25% представлял собой полимер, полученный по реакции сочетания и имеющий два луча, включал приблизительно 30% блочного стирола, имел основной пик максимальной молекулярной массы (Мр) около 50 кг/моль и характеризовался величиной Мр после реакции сочетания, равной приблизительно 90 кг/моль; данный полимер получали под торговым наименованием 6320™ (LCY; Китай); данный полимер в таблицах обозначен как среднемолекулярный полимер.
Таблица VI демонстрирует то, что 4 части полимера на 100 массовых частей асфальта совместно с серой в качестве ускорителя приводят к получению результатов, очень близких к результатам, полученным при использовании 1,5 массовых частей полимера на 100 массовых частей асфальта при использовании пентасульфида фосфора. Существенно то, что результаты, достигнутые для соответствующих образцов, по существу были подобны по каждому из критериев эксплуатационных характеристик. Это выгодно, поскольку настоящее изобретение делает возможным получение сопоставимых эксплуатационных характеристик при намного уменьшенной загрузке полимера.
Без желания быть связанным какими-либо конкретными теорией или механизмом реакции, можно сказать, что, как представляется, композиции модифицированных асфальтовых связующих из одного или нескольких вариантов реализации настоящего изобретения могут включать реакционно-способные сшивки между компонентами асфальтового связующего и ненасыщенного полимера. Представляется, что данные реакционно-способные сшивки могут включать атомы фосфора и серы, которые образуют мостик между ингредиентами на углеводородной основе в асфальтовом связующем, такими как асфальтены, и/или полимерными цепями. В одном или нескольких вариантах реализации реакционно-способные сшивки могут включать группы фосфор-сера, присоединенные к атомам углерода ингредиентов асфальтового связующего и/или полимера. В данных или других вариантах реализации сшивки могут включать группы фосфор-сера-фосфор, присоединенные к атомам углерода асфальтового связующего и/или полимера. Например, реакционно-способная сшивка может включать мостик, представленный комбинацией углерод-фосфор-сера-фосфор-углерод, где атомы углерода представляют собой часть соответствующих ингредиентов асфальтового связующего и/или полимера. Как представляется, связи фосфор-углерод являются реакционно-способными, что обозначает их восприимчивость к атаке других реакционно-способных веществ, таких как нуклеофилы. Поскольку нуклеофилы в асфальтовых связующих легкодоступны, представляется, что в модифицированных асфальтовых связующих настоящего изобретения может существовать динамическая ситуация, при которой реакционно-способная сшивка может быть атакована с образованием фосфор- и серосодержащих связей с различными ингредиентами асфальтового связующего или, может быть, даже с ненасыщенным полимером. Как представляется, сшивки фосфор-сера можно получать при использовании соединений, которые могут обеспечить как источник серы, так и источник фосфора в конкретной молекулярной компоновке. Одним таким соединением, которое может обеспечить эти источники и которое, как это неожиданно было обнаружено, совместно с полимером позволяет получать уникальные композиции модифицированных асфальтовых связующих, является пентасульфид фосфора.
В одном или нескольких вариантах реализации настоящего изобретения преимущество, которое было неожиданно достигнуто, заключается в возможности получения композиций, технологически подходящих для использования и модифицированных асфальтовых связующих при относительно низкой загрузке полимера при расчете на массу асфальтового связующего. Например, в одном или нескольких вариантах реализации, композиции модифицированных асфальтовых связующих, полученные при использовании пентасульфида фосфора и менее чем 2,5 массовой части полимера, в других вариантах реализации менее чем 2,0 массовых частей, в других вариантах реализации менее чем 1,8 массовых частей и в других вариантах реализации менее чем 1,5 массовых частей, полимера, демонстрируют фазовый угол при 76°C меньший чем 80°, в других вариантах реализации меньший чем 77°, в других вариантах реализации меньший чем 75°, в других вариантах реализации меньший чем 72° и в других вариантах реализации меньший чем 70°, согласно определению в соответствии с документом AASHTO Т315. Подобным же образом, в одном или нескольких вариантах реализации композиции модифицированные асфальтовые связующие, полученные при использовании пентасульфида фосфора и менее чем 2,5 массовых частей полимера, в других вариантах реализации менее чем 2,0 массовых частей, в других вариантах реализации менее чем 1,8 массовых частей и в других вариантах реализации менее чем 1,5 массовых частей полимера, демонстрируют восстановление при удлинении (также называемое упругим восстановлением) при 25°C большее чем 75%, в других вариантах реализации большее чем 77%, в других вариантах реализации большее чем 80%, в других вариантах реализации большее чем 83% и в других вариантах реализации большее чем 85%, согласно определению в соответствии с документом AASHTO Т301.
Для специалиста в соответствующей области техники очевидными будут и различные модификации и вариации, которые не отклоняются от объема и сущности данного изобретения. Данное изобретение не должно иметь надлежащего ограничения в виде иллюстративных вариантов реализации, предложенных в настоящем документе.
Изобретение относится к способу получения композиции модифицированного асфальтового связующего, который включает: перемешивание асфальтового связующего, ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора до получения модифицированной асфальтовой композиции, в котором количество полимера составляет от около 0,5 до около 10 массовых частей на 100 массовых частей асфальтового связующего, количество пентасульфида фосфора составляет от около 0,001 до около 10 массовых частей на 100 массовых частей асфальтового связующего, при подборе вышеуказанных количеств, обеспечивающих упругое восстановление композиции модифицированного асфальтового связующего больше чем 72,5% при 25°С, при этом ненасыщенный полимер и пентасульфид фосфора добавляют непосредственно к асфальтовому связующему без предварительного смешения ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора. Изобретение представляет также композицию модифицированного асфальтового связующего, полученную по способу по изобретению, и асфальтовую композицию для дорожных покрытий. Технический результат - получение композиции модифицированного асфальтового связующего. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл.
1. Способ получения композиции модифицированного асфальтового связующего, который включает:
перемешивание асфальтового связующего, ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора до получения модифицированной асфальтовой композиции, в котором количество полимера составляет от около 0,5 до около 10 мас.ч. на 100 мас.ч. асфальтового связующего, количество пентасульфида фосфора составляет от около 0,001 до около 10 мас.ч. на 100 мас.ч. асфальтового связующего, при подборе вышеуказанных количеств, обеспечивающих упругое восстановление композиции модифицированного асфальтового связующего больше чем 72,5% при 25°С, при этом ненасыщенный полимер и пентасульфид фосфора добавляют непосредственно к асфальтовому связующему без предварительного смешения ненасыщенного полимера и пентасульфида фосфора.
2. Способ по п.1, в котором полимер включает блок-сополимер, включающий, по меньшей мере, один блок, включающий звенья, образующиеся в результате полимеризации сопряженного диенового мономера, и, по меньшей мере, один блок, включающий звенья, образующиеся в результате полимеризации винилароматического мономера, и в котором пентасульфид фосфора добавляют к асфальтовому связующему в виде твердых частиц пентасульфид фосфора.
3. Способ по п.1, в котором ненасыщенный полимер является линейным полимером, при этом количество полимера составляет менее 5 мас.ч. на 100 мас.ч. асфальтового связующего, а количество пентасульфида фосфора составляет от около 0,05 до около 5 мас.ч. на 100 мас.ч. асфальтового связующего.
4. Способ по п.1, в котором ненасыщенный полимер является радиальным полимером, при этом количество полимера составляет менее 5 мас.ч. на 100 мас.ч. асфальтового связующего, а количество пентасульфида фосфора составляет от около 0,05 до около 5 мас.ч. на 100 мас.ч. асфальтового связующего.
5. Способ по п.1, в котором ненасыщенный полимер добавляют непосредственно к первому асфальтовому связующему, а пентасульфид фосфора добавляют непосредственно ко второму асфальтовому связующему, затем первое и второе асфальтовое связующее смешивают для получения композиции модифицированного асфальтового связующего, или в котором ненасыщенный полимер и пентасульфид фосфора добавляют непосредственно к одному асфальтовому связующему и смешивают для получения композиции модифицированного асфальтового связующего, или в котором пентасульфид фосфора в беспримесной форме добавляют к асфальтовому связующему в качестве пентасульфида фосфора, при этом на стадии смешивания с целью получения композиции модифицированного асфальтового связующего не используют серосодержащие отвердители, иные, чем пентасульфид фосфора.
6. Способ по п.1, в котором стадия смешивания включает сдвиговое воздействие, в результате которого получают модифицированную асфальтовую композицию, которая представляет собой гомогенную смесь.
7. Способ по п.1, в котором массовое соотношение между полимером и пентасульфидом фосфора составляет, по меньшей мере, 1,3:1 и менее чем 5:1, композиция модифицированного асфальтового связующего включает менее чем 2,5 мас.ч. полимера на 100 мас.ч. асфальтового связующего, ненасыщенный полимер включает, по меньшей мере, 7 несопряженных двойных связей на 100 атомов углерода в полимере, и упомянутая стадия введения в асфальтовое связующее пентасульфида фосфора включает добавление композиции пентасульфида фосфора, которая включает менее 2 мас.% примесей.
8. Способ получения композиции модифицированного асфальтового связующего, который включает:
получение концентрата пентасульфид фосфора-асфальтовое связующее в результате объединения и смешивания пентасульфида фосфора и асфальтового связующего, в котором концентрат пентасульфид фосфора-асфальтовое связующее включает более чем 0,5 и до 10 мас.ч. пентасульфида фосфора на 100 мас.ч. асфальтового связующего;
получение концентрата ненасыщенный полимер-асфальтовое связующее в результате объединения и смешивания ненасыщенного полимера и асфальтового связующего, где концентрат ненасыщенный полимер-асфальтовое связующее включает более чем 5 и до 10 мас.ч. полимера на 100 мас.ч. асфальтового связующего; и
объединение и смешивание концентрата пентасульфид фосфора-асфальтовое связующее с концентратом ненасыщенный полимер-асфальтовое связующее и необязательное разбавление полученной смеси дополнительным количеством асфальтового связующего для получения композиции модифицированного асфальтового связующего.
9. Композиция модифицированного асфальтового связующего для дорожных покрытий, полученная по одному из пп.1-8.
10. Асфальтовая композиция для дорожных покрытий, которая содержит продукт реакции между асфальтовым связующим, полученная по одному из пп.1-8, где источник фосфора и источник серы образуют реакционноспособные сшивки между компонентами асфальта и ненасыщенного полимера, в которой источник фосфора и источник серы представляют собой пентасульфид фосфора.
| US 5990206, 23.11.1999 | |||
| US 3464156, 02.09.1969 | |||
| US 3275586, 27.09.1966 | |||
| СТРОИТЕЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯВСЕСОЮЗН.й^.ЯПАТЕНТНО~Т[ХШ!';Г"НАВ<Ьь•«ЙЛ^^O"'ГHA | 0 |
|
SU358343A1 |
