CC BY
33УДК 691.16
А.А. ГОРБАТОВСКИЙ, инженер (shimoda2001@mail.ru), С.В. ДРОНОВ, канд. техн. наук, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет); А.А. ИВАНОВ, зам. ген. директора, ООО «Научно-производственное объединение «Гранит»(Санкт-Петербург)
Оптимальная температура
смешивания компонентов при изготовлении
полимерно-битумных композиций
Полимерно-битумные композиции (ПБК) за последние несколько десятилетий стали одним из самых распространенных видов материалов, применяемых во многих отраслях строительства. Например, их используют для изоляции металлических трубопроводов и бетонных конструкций, для гидроизоляции кровель, мостов и фундаментов зданий, при ремонте дорожных и аэродромных покрытий и т. д. Большие перспективы имеют также полимерно-битумные вяжущие, используемые при изготовлении высококачественных асфальтобетонных смесей.
Основными компонентами ПБК, как следует из названия, являются битум и полимерные добавки (модификаторы). Также в состав ПБК входят пластификаторы, поверхностно-активные вещества, корректирующие определенные свойства материала, минеральные компоненты и др.
В качестве модификаторов битума используют ряд полимеров — полиэтилен, полипропилен, полистирол, этилен-винилацетат и др. Одним из наиболее распространенных полимеров является дивинилстирольный термоэластопласт (стирол-бутадиен-стирол, или СБС), объемы потребления которого увеличиваются с каждым годом.
В статье рассматривается определение оптимальной температуры смешивания компонентов при изготовлении полимерно-битумных композиций на основе СБС-полимеров.
Приготовление ПБК заключается, как правило, в перемешивании исходных компонентов при определенном температурно-временном режиме и в установленной последовательности. Для этого используют, как правило, смесители с лопастной или пропеллерной мешалкой и с опосредованным обогревом.
Рис. 1. Технологическая схема приготовления ПБК: 1, 2 - емкости для приготовления раствора полимера и битумсодержащего вяжущего в растворе полимера; 3, 4 - емкости для приготовления ПБК; 5, 6 - дис-пергаторы (марки sifer); 7 - накопительная и раздаточная емкость
Для получения качественного однородного продукта в состав смесительной установки включают гомогенизатор, позволяющий с высокой эффективностью диспергировать мельчайшие частицы полимера в объеме битума.
Принципиальная технологическая схема процесса приготовления ПБК с возможностью использования пластификатора приведена на рис. 1 [1]. Эту схему можно использовать при производстве битумных мастик, герметиков, полимерно-битумных вяжущих и т. д.
По указанной схеме ПБК допустимо изготавливать двумя принципиально отличающимися способами. По первому способу все компоненты ПБК в соответствующей пропорции перемешивают в одной емкости 3, куда подают последовательно горячий и обезвоженный битум, пластификатор (в зависимости от рецептуры), порциями полимер в виде гранул или порошка и в последнюю очередь поверхностно-активное вещество (ПАВ). После предварительного перемешивания компонентов смесь пропускают через диспергатор 6 в емкость 4 до полного освобождения емкости 3, а затем обратно до получения однородного продукта. Готовую смесь перекачивают в накопительную емкость 7.
По второму способу в емкости 1 предварительно готовят раствор полимера или битумсодержащий раствор полимера (диспергирование полимера в пластификаторе или в смеси пластификатора и битума), пропускают через диспергатор 5 в емкость 2 и обратно до получения однородной смеси. После этого полученный продукт смешивают с битумом в емкостях 3 и 4, используя диспергатор 6.
Конечные свойства ПБК зависят от многих факторов, основными из которых являются количественное соотношение и качество исходных компонентов, последовательность их смешивания, аппаратурное оформление, а также температурно-временной профиль процесса.
Благодаря многочисленным исследованиям [2, 3, 4] известно, что оптимальная температура (в зависимости от свойств исходных компонентов) для приготовления ПБК на основе СБС-полимеров находится в интервале 160—200оС. Температурный режим влияет на продолжительность общего процесса, а также на конечные свойства получаемого продукта, поэтому подбор оптимальной температуры смешивания компонентов является одной из приоритетных задач при формировании технологического регламента установки.
При высокой температуре процесс диспергирования полимера протекает с большой скоростью, и производительность установки модифицирования, таким образом, повышается. Но при этом могут иметь место нежелательные процессы, связанные с окислением битума и термодеструкцией полимерных молекул [2]. Также верхний предел температуры ограничивают в соответствии с нормами пожарной безопасности, принимая во
10
научно-технический и производственный журнал
январь 2011
ïA ®
а 250
200
150
100
50
0
б 85
140 145 150 155
160 165 170 175 180 Температура, оС
185 190 195 200
в 39
37
35
и 33
га 31
29
27
25
140
г 930
920
Я 910
900
890
о 880
5 870
° 860
850
140
150
840
830
150
160 170 180 Температура, оС
190
200
190
200
160 170 180 190 200 "140 150 160 170 180
Температура, оС Температура, оС
Рис. 2. Изменения параметров ПБК при увеличении температуры смешивания: а - время смешивания; б - температура размягчения; в - пенетра-ция; г - относительное удлинение
внимание температуру вспышки наиболее легких компонентов смеси.
Нижний предел температуры диспергирования полимера для введения в битум устанавливают, исходя главным образом из продолжительности процесса. Длительное смешивание приводит к нерациональным тратам времени, энергетических ресурсов и в итоге к низкой рентабельности производства.
Таким образом, подбор оптимальной температуры смешивания является актуальной задачей при проектировании процесса производства полимерно-битумных материалов.
В статье предлагается определение оптимальной температуры введения полимера в битум на основе анализа кривой зависимости времени смешивания от температуры в смесителе.
Известно, что при увеличении температуры смешивания компонентов время, затрачиваемое на диспергирование полимера, уменьшается неравномерно, а зависимость имеет вид кривой, по которой можно установить наиболее приемлемые условия технологического процесса [2].
Для построения этой зависимости потребовалось приготовить серию образцов ПБК при различной температуре и определить продолжительность процесса в каждом случае. Изменение характеристик получаемых образцов позволяет оценить влияние выбранной температуры и продолжительности смешивания на качество
конечного продукта. Для этого для каждого приготовленного образца ПБК были определены температура размягчения, пенетрация и относительное удлинение при 25оС.
Для эксперимента использовали следующие материалы:
— битум дорожный марки БДУС 70/100 (производство ООО ПО «Киришинефтеоргсинтез»);
— термоэластопласт дивинилстирольный марки Кратон Д 1101 (производство «Kraton polymers»).
Смешивание компонентов проводили при нагреве на песчаной бане в металлической емкости объемом около 1500 мл при постоянном перемешивании электромешалкой. Температуру измеряли термопарой.
Для испытаний была использована двухкомпонент-ная композиция: битум БДУС 70/100 95%, термоэластопласт Кратон 5%. Эта пропорция была выбрана из-за того, что модифицирующее действие СБС-полимера проявляется при концентрациях 2,5—3% от общей массы композиции. Таким образом, выбранная рецептура при всей своей простоте позволяет исследовать процесс диспергирования полимера в битуме с образованием трехмерной пространственной структуры.
Приготовление образцов ПБК заключалось в нагреве определенной массы битума до заданной температуры — в пределах 140—200оС и в постепенном введении расчетного количества порошкообразного полимера при постоянном перемешивании. После
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
январь 2011
11
внесения всей массы полимера каждые 4—5 мин проверяли однородность продукта по методу, приведенному в ГОСТ Р 52056-2003.
В результате проведенных экспериментов было установлено, что при температуре ниже 140оС время диспергирования полимера в битуме составляет более 4 ч. Это значение представляется в рамках данного опыта максимальным, так как при большей продолжительности стадии диспергирования полимера производительность всего процесса приготовления ПБК не может считаться рентабельной.
Верхнее значение температуры эксперимента ограничено 200оС вследствие того, что при этом начинает активно протекать термическая деструкция дивинил-стирольного термоэластопласта [2, 3].
На рис. 2, а видно, что скорость диспергирования полимера возрастает при повышении температуры, но зависимость имеет неоднозначный характер. Эксперименты показали, что при температуре ниже 140оС проводить процесс нерационально из-за большой продолжительности и высокой вязкости битума.
При увеличении температуры от 140 до 160оС время процесса снижается практически по линейному закону. При температуре в интервале 165-200оС увеличение степени нагрева значительного влияния на скорость диспергирования полимера не оказывает, и процесс протекает с относительно постоянной скоростью.
На рис. 2, б, в, г показаны изменения основных эксплуатационных характеристик ПБК, приготовленных в зависимости от температуры в смесителе.
Основными причинами этих изменений являются окисление битума и влияние высокой температуры на полимер.
Окисление легких компонентов битума, таких как смолы и масла, приводит к возрастанию температуры размягчения образцов и снижению пенетрации. Изменяется первоначальная структура полимера, а также происходит сшивка его цепей по кратным связям, что отрицательно сказывается на эластичности получаемого продукта.
Первоначальный рост относительного удлинения связан с увеличением степени диспергирования частиц полимера в массе ПБК и образованием разветвленной решетки из его молекул. Но после 180-185оС этот показатель начинает снижаться, что отрицательно для эластичности ПБК.
Таким образом, можно сделать вывод, что оптимальной температурой приготовления ПБК из испытанных материалов и при указанных технологии и аппаратуре является значение в интервале 165-180оС.
Следует отметить, что при сокращении продолжительности смешивания компонентов (наравне с увеличением температуры процесса) в полимерно-битумной массе все же интенсивно протекают процессы, при которых изменяются эксплуатационные показатели ПБК. Температура и продолжительность нагревания находятся в обратно пропорциональной зависимости, но при этом температура, как показывают рис. 2 б, в, г, является доминирующим фактором. Эта особенность подчеркивает значение термического влияния на свойства ПБК и необходимость ведения строгого контроля температурного режима процесса.
Анализ графической зависимости двух показателей — температуры и продолжительности смешивания позволяет определить оптимальные условия процесса при использовании любой другой рецептуры ПБК, если основной, лимитирующей стадией будет являться диспергирование полимерного модификатора (не обязательно СБС) в битуме. Например, при использовании пластификатора длительное термическое действие на компоненты будет сказываться главным образом при
диспергировании полимера в смеси битума с пластификатором или при диспергировании части полимера в пластификаторе, а части - в битуме (в зависимости от принятого технологического режима).
В заключение можно отметить, что правильное определение температурного режима позволяет сэкономить рабочее время и энергоресурсы, увеличить производительность установки и наилучшим образом реализовать потенциал полимера как высокоэффективного модификатора битума.
Ключевые слова: полимерно-битумные композиции, температурный режим, дивинилстирольный термоэла-стоплат.
Список литературы
1. ОДМ 218.2.003—2007. Рекомендации по использованию полимерно-битумных вяжущих материалов на основе блок-сополимеров типа СБС при строительстве и реконструкции автомобильных дорог. М., 2007.
2. Гохман Л.М. Комплексные органические вяжущие материалы на основе блок-сополимеров типа СБС. Учебное пособие. М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ», 2004. 510 с.
3. Гохман Л.М. Подбор состава полимерно-битумного вяжущего (ПБВ) // Автомобильные дороги. 1995. № 10. С. 22—24.
4. Нечиненный В., Гомозова С. Рецепт качества. Альтернативы применению ПБВ нет и не будет. // Автомобильные дороги. 2005. № 8. С. 30—31.
Учебное пособие «Основы органической химии в строительстве»
Н.Л. Федосова, В.Е. Румянцева, М.В. Лосева Иваново: ГОУВПО ИГАСУ, 2008. 308 с.
Подготовка будущих специалистов невозможна без детального изучения теоретических основ органической химии, а также знаний по технологии, производству и применению строительных материалов с заданными эксплуатационными свойствами. Такой объем знаний поможет студентам в последующей профессиональной деятельности при решении комплекса актуальных современных задач, касающихся индустрии строительства. Своеобразием данного учебного пособия является то, что в нем обобщены и теоретические, и прикладные вопросы современной органической химии применительно к строительной отрасли.
Учебное пособие «Основы органической химии в строительстве» состоит из пяти глав: общие положения органической химии; алифатические соединения; ароматические соединения; высокомолекулярные соединения; органические вяжущие вещества. Каждая глава иллюстрирована достаточным для освоения курса количеством типовых химических реакций органических соединений, что значительно облегчает самостоятельную работу студентов вне аудитории. Разделы, представленные в учебном пособии, включают краткую общетеоретическую часть, разбор типовых задач и примеры их решения. Отличием данного издания от других является то, что для закрепления пройденного материала в конце каждого раздела приведены лабораторные практикумы и вопросы для самоконтроля. На наш взгляд, работа с данным учебным пособием будет способствовать лучшему усвоению и закреплению материала курса.
Настоящее издание допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» направления подготовки «Строительство».
Пособие рассчитано на широкий круг представителей науки и образования, в том числе учащихся вузов и колледжей.
О.И. Койфман, д-р хим. наук, член-корреспондент РАН, ректор Ивановского государственного химико-технологического университета
научно-технический и производственный журнал
ы ®
12 январь 2011
