КАУЧУКОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК C08L95/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к каучуковому композиционному материалу для применения в разнообразных приложениях и к способам его получения.

Уровень техники

Ниже перечислены ссылки, которые сочтены относящимися к уровню техники объекта настоящего изобретения:

[1] патент США №4,118,137

[2] патент США №4,166,049

[3] патент США №4,180,730

[4] патент США №4,021,393

[5] патент США №4,069,182

[6] патент США №6,346,561

[7] публикация заявки РСТ № WO 2012/131605

[8] заявка на патент США №2010/0056669

[9] заявка на патент США №2011/0233105

[10] патент США №8,182,726

[11] публикация заявки РСТ № WO 2013/132488

[12] заявка на патент США №2013/0116364

[13] заявка на патент США №2015/0080505

[14] заявка на патент Португалии №108707

Перечисленные выше ссылки, представленные в настоящем документе, не следует рассматривать, как означающие, что указанные документы каким-либо образом могут порочить патентоспособность объекта изобретения, описанного в настоящем документе.

Предпосылки создания изобретения

Битум представляет собой одну из наиболее тяжелых фракций, получаемых в процессах дистилляции нефти. Вследствие различных исходных материалов (нефти, смолы, битуминозные пески и т.д.) и различных технологий их переработки, битум может быть использован в разнообразных применениях. В одном из основных применений битум используют в качестве связующего вещества в асфальтовых смесях, в которых битум смешан с минеральными заполнителями, имеющими различные размеры, формы и химическую природу. Указанные асфальтовые смеси используют, в частности, для строительства или ремонта дорожных покрытий, дорог, различных вспомогательных дорог и любых других поверхностей качения.

Асфальтовые смеси используют в таких областях применения, где на них воздействует широкое разнообразие условий окружающей среды. В связи с этим приобретают решающее значение свойства асфальтовых связующих веществ на основе битума в условиях высоких и низких температур. При низких температурах битуминозные материалы могут становиться хрупкими, что приводит к изломам и трещинам вследствие образующихся термических напряжений. При повышенных температурах вязкость битуминозных связующих веществ снижается, что потенциально приводит к образованию колеи на дорогах. Сопротивление усталости и удару и сцепление битуминозного связующего вещества с заполнителем в асфальтовых смесях также имеют особое значение для дорожного строительства.

Применение модифицированных полимерами связующих веществ на основе битума началось в 1970-е годы, когда их получали для улучшения механических свойств битуминозного связующего вещества, способного выдерживать возрастающие сильные напряжения, вызываемые дорожным движением. Основная цель таких модификаций заключается в том, чтобы улучшать упругость и термическую чувствительность битуминозного связующего вещества, приводя к повышению сопротивления усталости, уменьшению остаточной деформации и сокращению распространения трещин в асфальте, включая дорожное применение или кровельное применение.

Основной используемый полимер, представляющий собой блок-сополимер стирол-бутадиен-стирол (SBS), способствует увеличению температуры размягчения битуминозного связующего вещества и соответствующему увеличению гибкости и пластичности при низких температурах, что допускает его применение в более широком температурном диапазоне по сравнению с традиционными немодифицированными связующими веществами на основе битума.

Применение модифицированных каучуком битуминозных связующих веществ в горячем асфальте началось в 1940-е годы. В США Charles Н. MacDonald и др. [1-5] разработали высокоупругий материал, предназначенный для применения в ремонте дорожных покрытий и кровельной промышленности. Этот продукт содержал битуминозное связующее вещество и от 18 до 24% измельченного шинного каучука (имеющего размер частиц от 0,6 до 1,2 мм), которые перемешивали при температуре, составляющей приблизительно от 180°С до 190°С в течение приблизительно 45 минут. Цель введения гранулированного переработанного шинного каучука в битум заключалась в том, чтобы улучшить механические свойства битуминозных смесей. Недавно были обнаружены некоторые другие преимущества этой композиции, такие как уменьшение загрязнения окружающей среды, сокращение выбросов CO₂, улучшение трения на дорогах и т.д. Модификация позволила битуму приобрести повышенную гибкость и сохранять устойчивость в течение значительно более продолжительных периодов времени по сравнению с традиционным битумом, в результате чего уменьшилась скорость старения. Однако мокрый способ, описанный в указанных публикациях, требует применения весьма дорогостоящего основного оборудования, что значительно снижает экономичность.

В патенте США №6,346,561 и публикации WO 2012/131605 [6-7] описан способ объединения каучуковой крошки с гильсонитом или талловым маслом (оба представляют собой нефтяные дистилляты легкой фракции) в присутствии жирных кислот с вулканизирующими эластомерами для получения жидкого концентрата, предназначенного для добавления в асфальтовые композиции. Однако согласно указанным публикациям сухая обработка привела к ряду разрушений вследствие набухания каучуковой крошки и абсорбции битуминозного связующего вещества, используемого в композиции для дорожных покрытий, что привело к недостаточной гомогенности и, таким образом, неудовлетворительному уплотнению, приводящему к образованию трещин на дорогах.

В публикации WO 2013/132488 [10] описан гранулят с сухой поверхностью, в котором частицы каучука были подвергнуты реакции и активации, и который содержал по меньшей мере 15 мас. % нефтяного дистиллята тяжелой фракции и разнообразные добавки. Добавка была использована для активации каучукового композиционного материала, чтобы в результате этого получить «прореагировавший и активированный каучук» (также называемый «RAR»). Однако в этом способе все же используют в относительно больших количествах нефтяные дистилляты тяжелой фракции, для чего может потребоваться применение сложного и дорогостоящего оборудования.

Таким образом, существует потребность в каучуковом композиционном материале, который можно проще и дешевле производить, обеспечивая при этом улучшенные механические свойства и устойчивость композиции.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к каучуковому композиционному материалу, содержащему каучук, масло и комбинацию порошкообразных добавок, а также к способу его получения.

Согласно одному из своих аспектов настоящее изобретение относится к каучуковому композиционному материалу в форме частиц, причем композиционный материал содержит каучук, по меньшей мере одну первую порошкообразную добавку, по меньшей мере одну вторую порошкообразную добавку и не более чем 15 мас. % по меньшей мере одного масла, представляющего собой нефтяной дистиллят тяжелой фракции, выбранный из битумов, которые показатель пенетрации 100 или выше (согласно ASTM D5/D5M-13), причем указанный каучук имеет внутреннюю структуру и наружную поверхность, и при этом указанное масло в основном содержится во внутренней структуре каучукового композиционного материала, и наружная поверхность каучука практически не содержит масла.

Термин «композиционный материал» использован для обозначения композиции веществ, содержащей по меньшей мере четыре компонента (т.е. каучук, масло и по меньшей мере две добавки). Таким образом, настоящее изобретение относится к композиционному материалу на основе каучука, в котором масло в основном содержится во внутренней структуре каучука. А именно, по меньшей мере 99,5% масла содержится во внутренней структуре каучука, в то время как наружная поверхность каучука практически не содержит масла. Согласно некоторым вариантам 99,6, 99,7, 99,8, 99,9% масла содержится во внутренней структуре каучука. Согласно другим вариантам, масло полностью содержится во внутренней структуре каучука, а именно, масло не выходит на наружную поверхность каучука.

Каучук может представлять собой натуральный каучук или синтетический каучук. Каучук имеет внутреннюю структуру, которая представляет собой открытую ячеистую структуру, содержащая поры, которые соединены друг с другом и образуют связанную сеть, и наружную поверхность, которая представляет собой наружную поверхность частиц каучука.

Таким образом, термин «не содержащий масла» означает, что наружная поверхность, а именно, наружный слой каучукового композиционного материала практически или полностью не содержит масла. Следует отметить, что хотя масло в основном содержится во внутренней структуре, поры указанной структуры не должны быть обязательно полностью занятыми.

В настоящем документе термин «масло» означает маслянистые углеродсодержащие продукты, обычно получаемые в процессах дистилляции, очистки или фракционирования сырой нефти из различных источников, таких как нефтяные скважины, нефтеносные пески, горючие полезные ископаемые и т.д. Как правило, такие фракции содержат углеводороды и другие органические соединения, содержащие атомы азота, серы и/или кислорода, причем они легко растворяются в разнообразных органических растворителях, включая прямоцепочечные углеводородные растворители, такие как пентан или гексан, при температуре ниже 40°С. Такие тяжелые фракции могут представлять собой, например, битумы и асфальтены.

Битум характеризуют по различным классификациям и международным стандартам. Одну из типичных характеристик для классификации битума представляет собой его показатель пенетрации. В контексте настоящего изобретения показатель пенетрации означает проникновение, которое измеряется способом согласно стандарту ASTM D5/D5M-13 и представляет собой глубину проникновения зонда в образец битума в определенных условиях исследования. Например, показатель пенетрации 100 означает проникновение зонда до глубины 100 мм в образец битума в условиях исследования, подробно описанных в стандарте ASTM D5/D5M-13. Таким образом, чем выше показатель пенетрации, тем мягче битум (например, вследствие молекулярной массы своих углеводородных цепей, степени взаимодействий между цепями, степени ароматичности цепей и т.д.).

В области техники, к которой относится настоящее изобретение, мягкие битумы используют в разнообразных продуктах, например, в композициях для дорожных покрытий, чтобы модифицировать упругость продукта для дорожных покрытий. Однако в результате применения мягких битумов получают клейкий каучуковый композиционный материал, который трудно применять и проблематично производить в больших количествах. Для уменьшения этой клейкости, как правило, добавляют большие количества наполнителей, что приводит к дорогостоящему и сложному способу изготовления.

Автор настоящего изобретения обнаружил, что в каучуковом композиционном материале согласно настоящему изобретению и способе его получения, как описано в настоящем документе, относительно мягкие битумы, которые имеют высокий показатель пенетрации, позволяют получить каучуковый композиционный материал в форме частиц, имеющий улучшенные свойства, с одной стороны, а также хорошие технологические свойства (т.е. композиционный материал в форме частиц с несодержащей масла наружной поверхностью), и, с другой стороны, обеспечивают высокую упругость при введении в разнообразные продукты, например, в композиции для дорожных покрытий. За счет применения комбинации компонентов в композиционном материале, описанном в настоящем документе, и/или за счет способа получения, описанного в настоящем документе, получаемый в результате композиционный материал содержит в относительно низких количествах битум, имеющий высокий показатель пенетрации и находящийся практически полностью во внутренней структуре частицы композиционного материала, и, таким образом, обеспечивается сухой композиционный материал, который содержит мягкий битум и имеет высокую упругость, однако он не является клейким, и его легко получать и применять.

Таким образом, согласно некоторым вариантам масло представляет собой битум, который характеризуется показателем пенетрации от 100 до 300 (согласно ASTM D5/D5M-13). Согласно другим вариантам масло представляет собой битум, который характеризуется показателем пенетрации от 160 до 300 (согласно ASTM D5/D5M-13). Согласно некоторым другим вариантам масло представляет собой битум, который характеризуется показателем пенетрации от 160 до 200 (согласно ASTM D5/D5M-13).

Согласно другим вариантам, каучук находится в форме частиц. Каучуковый композиционный материал согласно настоящему изобретению может находиться в любой форме, выбранной из частицы, чешуйки, листа, крупинки, зерна, шарика, гранулы и т.д. Согласно некоторым вариантам композиционный материал присутствует в форме частиц. Согласно другим вариантам, композиция присутствует в форме шариков. Термин «размер частиц», как правило, означает средний диаметр частиц. Когда частицы имеют несфероидную форму, этот термин означает средний эквивалентный диаметр частицы, а именно, диаметр эквивалентной сферической частицы на основе наибольшего размера частицы. Согласно некоторым вариантам размер частиц каучукового композиционного материала составляет от приблизительно 1 до приблизительно 800 мкм.

Согласно некоторым вариантам каучук может представлять собой вулканизированный, т.е. сшитый или вулканизированный серой каучук. Согласно другим вариантам, каучук представляет собой вулканизированный каучук в форме частиц.

Как отмечено выше, одним из признаков каучукового композиционного материала согласно настоящему изобретению является относительно низкое содержание масла (т.е. битума), что позволяет всему маслу находиться во внутренней структуре каучука, так что поверхность частиц не является клейкой или маслянистой. Кроме того, низкое содержание масла снижает стоимость получения композиционного материала и сокращает продолжительность производственного процесса, поскольку частицы каучука должны абсорбировать масло в меньшем количестве. Как будет подробно продемонстрировано далее, низкое содержание масла улучшает механические свойства и устойчивость композиционного материала при хранении. Согласно одному варианту настоящего изобретения композиционный материал содержит от приблизительно 10 до приблизительно 20 мас. % масла. Согласно другим вариантам композиционный материал может содержать от приблизительно 10 до приблизительно 15 мас. % масла.

Как было также отмечено выше, каучуковый композиционный материал содержит по меньшей мере две порошкообразные добавки. Первая добавка, как правило, содержится во внутренней структуре каучукового композиционного материала, в то время как вторая добавка, как правило, присутствует на наружной поверхности композиционного материала. Таким образом, первая добавка находится внутри пор или сетчатой структуры каучука, и в результате этого ограничено количество масла, которое каучук может абсорбировать в своей внутренней структуре. Вторая добавка герметизирует наружную поверхность композиционного материала, не позволяя ей абсорбировать дополнительный битум (т.е. битум, используемый в качестве связующего вещества) из композиции для дорожных покрытий, в которую добавляют каучуковый композиционный материал, а также не позволяет частицам каучукового композиционного материала прикрепляться друг к другу, и в результате этого улучшается устойчивость как каучукового композиционного материала, так и композиции для дорожных покрытий. Кроме того, неожиданно было обнаружено, что комбинация добавок улучшает диспергируемость и гомогенность дисперсии композиционного материала в композиции для дорожных покрытий и, как будет продемонстрировано в настоящем документе, обеспечивает получение каучукового композиционного материала, который значительно улучшает упругость композиции для дорожных покрытий при меньшем содержании каучукового композиционного материала по сравнению с другими композициями, известными в данной области техники.

Первая и вторая добавки, как правило, представляют собой порошки на основе минералов, причем каждая добавка может быть независимо выбрана из группы, которую составляют известняк, гашеная известь, цемент, диоксид кремния и слюда.

Согласно некоторым вариантам по меньшей мере одна первая добавка присутствует в каучуковом композиционном материале в количестве от приблизительно 15 до приблизительно 30 мас. %. Согласно другим вариантам по меньшей мере одна вторая добавка присутствует в каучуковом композиционном материале в количестве от приблизительно 5 до приблизительно 10 мас. %.

Согласно другому аспекту настоящее изобретение относится к композиции для дорожных покрытий, содержащей каучуковый композиционный материал, который описан в настоящем документе, связующее вещество для дорожных покрытий (например, битум или любой другой подходящий тяжелый нефтяной дистиллят, обычно имеющий показатель пенетрации, составляющий не более чем 100, или более конкретно, от 50 до 70 (согласно ASTM D5/D5M-13)), и заполнитель для дорожных покрытий (например, дробленый известняк, дробленый цемент, или любой другой подходящий заполнитель для дорожных покрытий, известный в данной области техники).

Согласно некоторым вариантам композиция для дорожных покрытий содержит до 40 мас. % каучукового композиционного материала, например, от 1 до 40 мас. %, от 1 до 25 мас. %, от 1 до 20 мас. %, от 1 до 15 мас. % или даже от 1 до 10 мас. %.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предложен способ получения каучукового композиционного материала в форме частиц, причем способ включает:

(a) смешивание по меньшей мере одного масла, представляющего собой нефтяной дистиллят тяжелой фракции и выбранный из битумов, которые характеризуется показателем пенетрации 100 или выше (согласно ASTM D5/D5M-13), с каучуком в форме частиц при первой повышенной температуре в условиях высокой скорости сдвига для получения набухших под действием масла частиц каучука;

(b) добавление по меньшей мере одной первой порошкообразной добавки в набухшие под действием масла частицы каучука для получения смеси;

(c) уменьшение температуры первой смеси по меньшей мере на 20°С;

(d) нагревание первой смеси до второй повышенной температуры в условиях высокой скорости сдвига;

(e) снижение температуры смеси до приблизительно 20°С при скорости охлаждения, составляющей по меньшей мере 2°С/мин; и

(f) добавление по меньшей мере одной второй порошкообразной добавки в условиях высокой скорости сдвига в указанную смесь с получением указанного каучукового композиционного материала,

таким образом, что каучуковый композиционный материал содержит от приблизительно 10 до приблизительно 20 мас. % указанного масла, причем масло и по меньшей мере одна указанная первая добавка в основном содержатся во внутренней структуре каучука, и наружная поверхность каучука практически не содержит масла, и при этом по меньшей мере одна указанная вторая добавка присутствует на наружной поверхности каучукового композиционного материала.

Согласно некоторым вариантам каучуковый композиционный материал содержит от приблизительно 10 до приблизительно 15 мас. % указанного масла.

Способ, описанный в настоящем документе, включает уникальную комбинацию стадий смешивания при высокой кинетической энергии и повышенной температуре и стадий с термическим ударом. Это обеспечивает достижение относительно быстрой абсорбции масла в каучук при относительно низких температурах (по сравнению со способами, известными в данной области техники). Не желая быть связанным теорией, способ был разработан для того, чтобы сначала обеспечить абсорбцию масла (например, битума) в частицах каучук с образованием набухшего и обладающего высокой энергией каучука. После интенсивного перемешивания и введения высокой кинетической энергии и при достижении заданной температуры (в зависимости от типа используемого каучука, например, переработанных шин легкового или грузового автомобиля или их комбинации) смесь подвергают термическому удару, при котором поры набухшего под действием масла каучука закрываются или блокируются за счет сжатия (вследствие резкого изменения температуры) и добавления первой добавки. Следует отметить, что смесь не выдерживают при повышенных температурах в течение более чем нескольких минут (в отличие от способов, известных из уровня техники, например, мокрых способов). Условия, применяемые в способе согласно настоящему изобретению, специально предназначены для регулируемого разрушения каучука таким образом, чтобы обойти точку, при которой он превращается в «гель». Как кинетическая энергия, так и термический удар предназначены для частичного разрыва серных связей, что способствует разрушению каучука и, таким образом, для обеспечения абсорбции и удерживания масла и первых добавок во внутренней структуре каучука.

На следующих стадиях смесь снова нагревают, применяя более резкий термический удар, и затем вторую добавку добавляют на наружную поверхность каучукового композиционного материала. Это не позволяет частицам каучука абсорбировать дополнительный битум (в течение короткого периода времени) в процессе получения композиции для дорожных покрытий на строительном оборудовании и в процессе транспортировки и уплотнения с получением дорожных покрытий, а также предотвращает долгосрочную абсорбцию более легкой фракции битуминозного связующего вещества (что могло бы вызывать разрушение покрытой дороги).

Как отмечено выше, стадии смешивания осуществляют в условиях высокой скорости сдвига, что означает осуществление смешивания в таких условиях, в которых значительную кинетическую энергию подают в смесь во время смешивания. Согласно некоторым вариантам такое введение высокой энергии составляет по меньшей мере 700 кДж/кг и может быть осуществлено посредством применения скорости перемешивания, составляющей по меньшей мере 1200 об/мин, по меньшей мере 1300 об/мин, по меньшей мере 1400 об/мин или даже по меньшей мере 1500 об/мин.

Согласно некоторым вариантам первая повышенная температура может составлять приблизительно от 100°С до 170°С. Согласно другим вариантам указанная первая повышенная температура может представлять собой температуру, выбранную из 100°С, 105°С, 110°С, 115°С, 120°С, 125°С, 130°С, 135°С, 140°С, 145°С, 150°С, 155°С, 160°С, 165°С или 170°С.

Согласно некоторым другим вариантам смешивание на стадии (а) осуществляют в течение периода времени, составляющего приблизительно от 5 до 30 минут.

Согласно некоторым вариантам частицы каучука (т.е. до их использования в способе) могут иметь средний размер частиц, составляющий не более чем 0,65 мм (30 меш), как правило, от 0,65 до 0,01 мм (от 30 меш до 100 меш). Согласно некоторым вариантам способ дополнительно включает предварительную стадию измельчения каучука перед осуществлением способа согласно настоящему изобретению для сокращения размеров частиц до желаемого уровня. Следует отметить, что измельчение может быть осуществлено любыми средствами, известными специалисту в данной области техники.

Еще одна предварительная стадия, которая может быть осуществлена перед стадией (а) способа, представляет собой нагревание масла до температуры, которая может составлять приблизительно от 160 до 190°С.

Согласно некоторым вариантам температуру смеси на стадии (с) уменьшают по меньшей мере на 20°С, иногда по меньшей мере на 40°С, чтобы индуцировать первый термический удар. Согласно таким вариантам смесь можно охлаждать при скорости охлаждения, составляющей по меньшей мере 20°С/мин.

Согласно некоторым вариантам вторая повышенная температура может составлять приблизительно от 130 до 180°С, иногда от 150 до 180°С. Как правило, смесь выдерживают при указанной второй повышенной температуре в течение периода времени, составляющего по меньшей мере одну минуту, например, от 1 до 15 минут.

Согласно некоторым вариантам снижение температуры на стадии (е) осуществляют в два этапа, включая первый этап, на котором температуру снижают со скоростью, составляющей по меньшей мере 20°С/мин, и следующий второй этап, на котором температуру снижают со скоростью, составляющей по меньшей мере 2°С/мин.

В контексте настоящего документа термин «приблизительно» означает отклонение ±10% от конкретного указанного значения параметра, такого как длина, диаметр, сила и т.д.

Когда в настоящем документе указан численный диапазон, это означает, что включено любое указанное число (дробное или целое), находящееся в пределах данного диапазона. Термин «между» или «находящийся/находится между» с указанием первого числа и второго числа и термин «составляющий/составляет от … до» с указанием первого числа и второго числа использованы в настоящем документе взаимозаменяемым образом и означают, что включено первое и второе из указанных чисел, а также все промежуточные дробные и целые числа. Следует отметить, что диапазон приведен в такой форме просто для удобства и краткости, и это не следует истолковывать как жесткое ограничение объема настоящего изобретения. Соответственно, описание диапазона следует рассматривать как конкретное описание всех возможных под диапазонов, а также индивидуальных численных значений, находящихся в пределах указанного диапазона.

Краткое описание чертежей

Чтобы понять настоящее изобретение и возможность его осуществления на практике, далее будут описаны варианты, представленные исключительно в качестве неограничительного примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

На Фиг. 1 представлено изменение с течением времени вязкости композиций для дорожных покрытий, имеющих различные содержания каучуковых композиционных материалов согласно настоящему изобретению (обозначены «RSCR») по сравнению с каучуковым асфальтом.

На Фиг. 2 представлено сравнение невосстанавливаемой податливости при ползучести (JnR) при 3,2 кПа между RSCR и прореагировавшим и активированным каучуком (RAR) как функция содержания добавок.

На Фиг. 3 представлено сравнение уровня положительного класса эксплуатационных характеристик (PG) получаемых композиций RSCR и RAR.

На Фиг. 4 представлено изменение температуры размягчения по методу кольца и шара как функция процентного содержания RSCR и RAR.

На Фиг. 5 представлено изменение упругости композиций для дорожных покрытий как функция процентного содержания RSCR и RAR.

На Фиг. 6 представлены характеристики образования колеи для смесей с RSCR и других известных композиций.

На Фиг. 7 представлено изменение упругости композиций для дорожных покрытий RSCR, содержащих битум с различными показателями пенетрации.

Подробное описание изобретения

Согласно настоящему изобретению каучуковый композиционный материал может быть использован в асфальтовых смесях, при этом обеспечиваются следующие технологические и эксплуатационные преимущества по сравнению со стандартными существующими асфальтовыми смесями:

- улучшение механической устойчивости при низких и высоких температурах применения;

- улучшение сопротивления образованию колеи и сопротивления усталости;

- улучшение износостойкости;

- улучшение сопротивления повреждению водой;

- свойства самовосстановления: асфальтовые смеси, содержащие модифицированный каучуковый композиционный материал, проявляют механическое восстановление, а также восстановление геометрической формы и размеров после разгрузки;

- улучшение упругости композиции для дорожных покрытий;

- уменьшение количества масла, требуемого для получения улучшенных механических свойств каучукового композиционного материала;

- упрощение и сокращение стоимости производственного процесса.

На Фиг. 1 продемонстрировано изменение вязкости разнообразных композиций для дорожных покрытий, содержащих различные количества каучукового композиционного материала (обозначенные «RSCR») с течением времени по сравнению со стандартными асфальтовыми каучуковыми композициями. Исследования были осуществлены согласно стандартному методу исследования Американской ассоциации государственных служащих, отвечающих за автодорожные перевозки (AASHTO) ТР48. Как ясно видно, никакие значительные изменения вязкости не наблюдались с течением времени для композиций, содержащих RSCR, в широком диапазоне содержания RSCR, в то время как значительное увеличение вязкости наблюдалось для стандартных асфальтовых каучуковых композиций. Это свидетельствует о повышенной устойчивости композиций на основе RSCR, и означает, что каучуковый композиционный материал не абсорбирует легкие фракции битуминозного связующего вещества из композиции для дорожных покрытий. В качестве сравнения можно видеть, что чистая каучуковая крошка, в том числе криогенная крошка из автомобильных шин (18% каучуковая крошка криогенного производства) или 18% каучуковая крошка, полученная измельчением шин грузовых автомобилей в условиях окружающей среды, не является устойчивой при увеличении вязкости с течением времени (поскольку каучук набухает и абсорбирует более легкие фракции с течением времени).

Чтобы продемонстрировать различия между RSCR и RAR, была проведена серия сравнительных исследований с применение одинакового основного битума и одинакового процентного содержания RSCR и RAR в композициях для дорожных покрытий. Значения класса PG и JnR (измеренные в испытании на ползучесть и восстановление под воздействием многочисленных напряжений (MSCR) по стандарту AASHTO TP 70, испытании на укатывание тонкой пленки в печи (RTFO) по стандарту AASHTOT 240 и испытании эффекта тепла и воздуха на движущуюся пленку асфальта по стандарту ASTM D 2872 и испытании с применением динамического сдвигового реометра (DSR) по стандарту AASHTO Т 315 (определение реологических свойств асфальтового связующего материала с применением динамического сдвигового реометра) были определены как функции процентного содержания добавок, как можно видеть на графиках, представленных на Фиг. 2 и 3.

Можно видеть, что лишь 6,5% RSCR обеспечивает достижение 1 кПа для JnR при напряжении сдвига 3,2 кПа (модель очень интенсивного дорожного движения), в то время как такие же значения были получены только при добавлении по меньшей мере 12% RAR. Для достижения уровня 0,5 кПа (чрезвычайно интенсивное дорожное движение) потребовалось лишь 17,2% RSCR вместо 20% RAR.

Аналогичным образом, для достижения положительного уровня 76°С потребовалось лишь 10,5% RSCR вместо 13,3% RAR. При этом для достижения 82°С потребовалось лишь 18,7% RSCR вместо 22% RAR. Указанные температуры были использованы, поскольку они представляют собой типичные температуры исследования для определения класса PG.

Таким образом, очевидно, что требуется добавление значительно меньшего количества RSCR по сравнению с RAR в композиции для дорожных покрытий для достижения таких же результатов, свидетельствуя о более высокой реакционной способности в RSCR по сравнению с RAR.

Применение традиционных испытаний дополнительно продемонстрировало преимущество каучукового композиционного материала (RSCR) согласно настоящему изобретению.

На Фиг. 4 представлены сравнительные результаты исследования температуры размягчения, осуществляемого согласно стандарту ASTM D 36. Для достижения температуры размягчения 65°С требуется лишь 21% RSCR вместо 27% RAR.

Упругость оценивали согласно ASTM D 5329-96. Как четко видно на Фиг. 5, для достижения упругого восстановления 40% требуется только 19% RSCR вместо 27% RAR. По существу, RSCR устойчиво проявляет более высокую активность, чем RAR, при этом требуется в среднем приблизительно на 24% меньше продукта для достижения такого же уровня эксплуатационных характеристик.

Эффект RSCR в смесях также значительно различается, в частности, когда его добавляют в малых количествах в композицию для дорожных покрытий, например, приблизительно 4 мас. %, что делает комбинацию RSCR/битум значительно более упругой, чем смеси, известные в технике. Исследование образования колеи, осуществленное способом согласно испанскому стандарту NLT 173/00, показывает сравнительный эффект этих высокоупругих связующих веществ. На Фиг. 6 представлено наиболее уменьшенное значение, полученное в смеси, содержащей 3,8% RSCR по отношению к массе смеси (содержание битума составляло 6,2%). Очевидно, оно представляет собой наименьшее значение по сравнению с традиционными смесями, содержащими каучуковую крошку с пропуском отдельных фракций (с добавкой и без добавки RAR), или даже по сравнению с традиционными смесями щебеночно-мастичного асфальта (SMA), содержащими высокомодифицированный битум и волокна.

Эффект показателя пенетрации битума, используемого в частицах RSCR, оценивали согласно ASTM D 5329-96, как представлено в таблице 1 и на Фиг. 7. В исследованных композициях битум, имеющий показатель пенетрации от 50 до 70, был использован в качестве связующего вещества во всех образцах, в то время как показатель пенетрации битума в частицах RSCR различался для каждого исследованного образца. Из Фиг. 7 является очевидным, что при одинаковом содержании RSCR (35 мас. %) наибольшая степень восстановления получена для RSCR, содержащего битум с показателем пенетрации от 160 до 200.

Кроме того, из Таблицы 1 является очевидным, что посредством применения меньшего содержания RSCR с битумом 160/200 PEN (30 мас. %) может быть получена процентная упругость, сопоставимая с применением 35 мас. % RSCR с 70 или 54 PEN. Другими словами, сопоставимая упругость может быть получена посредством применения меньшего количества RSCR при применении битума более высоких классов.

Группа изобретений относится к каучуковому композиционному материалу для дорожных покрытий в форме частиц и способу его получения. Композиционный материал содержит каучук, по меньшей мере одну первую порошкообразную добавку, по меньшей мере одну вторую порошкообразную добавку и не более чем 15 мас.% по меньшей мере одного масла, представляющего собой нефтяной дистиллят тяжелой фракции, выбранный из битумов, которые имеют показатель пенетрации 100 или выше (согласно ASTM D5/D5M-13). Указанный каучук имеет внутреннюю структуру и наружную поверхность, и при этом указанное масло в основном содержится во внутренней структуре каучукового композиционного материала, и наружная поверхность каучука практически не содержит масла. Заявленная группа изобретений позволяет получить сухой композиционный материал, который содержит мягкий битум и имеет высокую упругость, однако он не является клейким. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

1. Каучуковый композиционный материал в форме частиц, причем композиционный материал содержит:

каучук;

по меньшей мере одну первую порошкообразную добавку, по меньшей мере одну вторую порошкообразную добавку, причем указанные первая и вторая добавки представляют собой порошки на основе минералов, каждая из которых независимо выбрана из группы, состоящей из известняка, гашеной извести, цемента, диоксида кремния и слюды, причем по меньшей мере одна первая добавка содержится во внутренней структуре каучукового композиционного материала, а по меньшей мере одна вторая добавка присутствует на наружной поверхности каучукового композиционного материала;

и не более чем 20 мас.% по меньшей мере одного масла, представляющего собой нефтяной дистиллят тяжелой фракции, выбранный из битумов, характеризуемых показателем пенетрации 100 или выше (согласно ASTM D5/D5M-13), причем указанный каучук имеет внутреннюю структуру и наружную поверхность, причем указанное масло в основном содержится во внутренней структуре каучукового композиционного материала, и причем наружная поверхность каучука по существу не содержит масла.

2. Каучуковый композиционный материал по п. 1, в котором битум характеризуется показателем пенетрации от 100 до 300 (согласно ASTM D5/D5M-13).

3. Каучуковый композиционный материал по п. 1 или 2, в котором битум характеризуется показателем пенетрации от 160 до 200 (согласно ASTM D5/D5M-13).

4. Каучуковый композиционный материал по любому из пп. 1-3, в котором каучук представляет собой вулканизированный каучук в форме частиц.

5. Каучуковый композиционный материал по любому из пп. 1-4, причем каучуковый композиционный материал находится в форме, выбранной из частицы, чешуйки, листа, крупинки, зерна, шарика и гранулы.

6. Каучуковый композиционный материал по любому из пп. 1-5, причем композиционный материал содержит от приблизительно 10 до приблизительно 15 мас.% нефтяного дистиллята тяжелой фракции.

7. Каучуковый композиционный материал по любому из пп. 1-6, причем по меньшей мере одна первая добавка присутствует в каучуковом композиционном материале в количестве от приблизительно 15 до приблизительно 30 мас.%.

8. Каучуковый композиционный материал по любому из пп. 1-7, причем по меньшей мере одна вторая добавка присутствует в каучуковом композиционном материале в количестве от приблизительно 5 до приблизительно 10 мас %.

9. Композиция для дорожных покрытий, содержащая:

- каучуковый композиционный материал по любому из пп. 1-8;

- связующее вещество для дорожных покрытий; и

- заполнитель.

10. Композиция для дорожных покрытий по п. 9, содержащая до 40 мас.% указанного каучукового композиционного материала по отношению к массе связующего вещества.

11. Композиция для дорожных покрытий по п. 9 или 10, в которой связующее вещество для дорожных покрытий представляет собой битум, имеющий показатель пенетрации не более чем 100 (согласно ASTM D5/D5M-13).

12. Композиция для дорожных покрытий по п. 11, в котором связующее вещество для дорожных покрытий представляет собой битум, имеющий показатель пенетрации не более чем 70, необязательно от 50 до 70 (согласно ASTM D5/D5M-13).

13. Способ получения каучукового композиционного материала в форме частиц, причем способ включает следующие стадии:

(a) смешивание по меньшей мере одного масла, представляющего собой нефтяной дистиллят тяжелой фракции, выбранный из битумов, характеризуемых показателем пенетрации 100 или выше (согласно ASTM D5/D5M-13), с каучуком в форме частиц при первой повышенной температуре в условиях высокой скорости сдвига с получением набухших под действием масла частиц каучука;

(b) добавление по меньшей мере одной первой порошкообразной добавки, которая представляет собой порошок на основе минерала, выбранного из группы, состоящей из известняка, гашеной извести, цемента, диоксида кремния и слюды, в набухшие под действием масла частицы каучука с получением смеси;

(c) уменьшение температуры первой смеси по меньшей мере на 20°С;

(d) нагревание первой смеси до второй повышенной температуры в условиях высокой скорости сдвига;

(e) уменьшение температуры смеси до приблизительно 20°С при скорости охлаждения, составляющей по меньшей мере 2°С/мин; и

(f) добавление по меньшей мере одной второй порошкообразной добавки, которая представляет собой порошок на основе минерала выбранного из группы, состоящей из известняка, гашеной извести, цемента, диоксида кремния и слюды, в указанную смесь в условиях высокой скорости сдвига с получением указанного каучукового композиционного материала,

таким образом, что каучуковый композиционный материал содержит от приблизительно 10 до приблизительно 20 мас.% указанного нефтяного дистиллята тяжелой фракции, причем нефтяной дистиллят тяжелой фракции и указанная по меньшей мере одна первая добавка в основном содержатся во внутренней структуре каучука, и наружная поверхность каучука по сути не содержит масла, а указанная по меньшей мере одна вторая добавка находится на наружной поверхности каучукового композиционного материала.

14. Способ по п. 13, в котором битум характеризуется показателем пенетрации от 100 до 300 (согласно ASTM D5/D5M-13).

15. Способ по п. 13 или 14, в котором битум характеризуется показателем пенетрации от 160 до 200 (согласно ASTM D5/D5M-13).

16. Способ по любому из пп. 13-15, в котором по меньшей мере одна первая добавка присутствует в каучуковом композиционном материале в количестве от приблизительно 10 до приблизительно 30 мас.%.

17. Способ по любому из пп. 13-16, в котором по меньшей мере одна вторая добавка присутствует в каучуковом композиционном материале в количестве от приблизительно 5 до приблизительно 10 мас.%.

18. Способ по любому из пп. 13-17, в котором указанная первая повышенная температура составляет приблизительно от 100 до 170°С.

19. Способ по любому из пп. 13-18, в котором указанная вторая повышенная температура составляет приблизительно от 130 до 180°С.

20. Способ по любому из пп. 13-19, в котором смесь выдерживают при указанной второй повышенной температуре в течение периода времени, составляющего приблизительно от 1 до 60 минут.

21. Способ по любому из пп. 13-20, в котором указанную высокую скорость сдвига получают посредством смешивания при по меньшей мере 1200 об/мин.

22. Способ по любому из пп. 13-21, в котором каучук представляет собой вулканизированный каучук в форме частиц.

23. Способ по любому из пп. 13-22, в котором форма частиц выбрана из частицы, чешуйки, листа, крупинки, зерна, шарика и гранулы.