CC BY
26УДК 625.861
В.Г. НИКОЛЬСКИЙ, канд. хим. наук, заведующий лабораторией физикохимии высокодисперсных материалов, Институт химической физики РАН (Москва)
Полезное разрушение
Появлению «наноасфальта» предшествовали изобретения 70-х гг. прошлого века. Каждый день в повседневной жизни мы сталкиваемся с множеством вещей, создание которых потребовало серьезных научных разработок, исследований, внедрения инновационных технологий. Однако мало кто об этом задумывается. Как не задумываются, например, водители, проезжая по столичным Кутузовскому, Ленинскому проспектам, по Свердловской набережной в Санкт-Петербурге, по Сормовскому шоссе Нижнего Новгорода. На участках этих автомагистралей, как и на многих других в нашей стране, дорожное покрытие уложено с применением модификатора «УНИРЕМ». Эта добавка придает асфальтобетону прочность, долговечность, надежность и безопасность.
Ожидала ли группа ученых, что их разработка ляжет в основу модификатора асфальтобетона. Как известно, зачастую научные открытия находят свое применение далеко не в тех сферах, где ранее предполагалось...
В конце 70-х гг. прошлого века в лаборатории физикохимии дисперсных материалов проводили исследования структуры и свойств полимерных материалов. Полимеры нужны народному хозяйству, поэтому практически весь Институт химической физики был переориентирован на работу с ними. Большая группа сотрудников института под руководством академика Н.С. Ениколопова исследовала такое явление, как «пластическое течение» твердых полимеров в условиях интенсивного сжатия (давление составляло 0,5—2 МПа) и сдвига. Плоские полимерные образцы размещали между так называемыми наковальнями Бриджмена, сжимали их и начинали вращать одну из наковален относительно другой. В этих условиях твердый полимер начинает течь без нагревания.
Пластическое течение еще называют холодным. Оно происходит ниже температуры плавления полимера. Оказалось, что в «жерновах» наковальни Бриджмена при определенных условиях можно получать высочайшей однородности смеси различных полимеров. Столь высокой однородности почти на молекулярном уровне ранее никто не наблюдал. Но происходили и другие фантастические по тем временам явления. Полученные в наковальне пленки вынимали, а они стабильны при комнатной температуре, их тщательно изучали. А потом вновь помещали в наковальню, начинали вращать. Изначально однородная, прозрачная пленка вдруг становилась матовой, как будто покрывалась трещинами. После продолжения вращения получали прозрачную пленку. Однако выяснилось, что это уже другой материал — с более высокой прочностью и совершенно иной кристаллической структурой. Это выглядело как открытие другого мира — таких полимерных систем раньше просто не было.
Получается, что новые полимеры рождались, проходя стадию разрушения. Была зафиксирована стадия частичного разрушения. Затем в исследованиях решили пойти дальше: снизить силу давления на образцы, находящиеся в наковальне Бриджмена; модернизировать саму наковальню — стало возможным нагревать ее до определенной температуры. Оказалось, чем выше температура нагрева, тем быстрее проходили структурные
превращения полимеров. И не только дело оказалось в скорости происходящих реакций. При определенных температуре, силе сжатия и угле поворота наковальни полимерная пленка начала быстро распадаться на множество мелких частиц. В результате наблюдали образование сверхтонкого порошка, средний размер частиц которого в зависимости от условий эксперимента мог составлять от 10 до нескольких сотен микрон. То что впервые было выполнено в лабораторных условиях с помощью наковален Бриджмена, сегодня называется высокотемпературным сдвиговым измельчением.
В наковальне Бриджмена сотрудники лаборатории получали крошечные объемы полимеров с новыми свойствами. Грамм, полграмма — больше в наковальне просто не поместится. Стало понятно, что надо создавать машину, которая производила бы полимерные порошки в промышленных масштабах. И такая машина — роторный диспергатор методом проб и ошибок была в итоге создана. Если сказать упрощенно, то она представляет собой скрученную наковальню Бриджмена: ее «жернова» выполнили в виде цилиндров, один из которых вставлен в другой. При этом структура поверхности «жерновов» позволила снизить давление, необходимое для получения порошков, до 0,1—0,5 МПа. Температура, при которой происходит весь процесс, зависит от типа вещества, которое требуется переработать. В итоге была создана эффективная, многофункциональная машина, позволяющая в промышленных масштабах выполнять то, что ранее было возможно делать только в лабораторных условиях.
Получаемые сегодня методом высокотемпературного сдвигового измельчения, например полиэтиленовые порошки наносят на различного рода металлические поверхности — для защиты, в том числе и от коррозий. Порошковый полиэтилен обладает хорошей адгезией, за счет этого им можно склеивать что угодно — от металлов до кожи и дерева. Как видно, сферы применения разнообразны.
Институтом химической физики РАН разработано несколько серий роторных диспергаторов. Эти измельчающие машины просты, компактны, удобны в эксплуатации.
В процессе исследований родилась идея использовать эту разработку для производства модификатора асфальтобетонов.
На созданной машине первое, что стали получать, — это порошки резины. Многие еще до наших экспериментов понимали: отработанных автопокрышек миллионы тонн, их можно использовать вторично. Например, вводить в асфальт, пускать на производство резинового клея и т. д. Однако для этого резину надо измельчить. Но как это сделать? Резина — такой материал, где все молекулы каучука сшиты друг с другом на химическом уровне. И разрушить эту структуру очень трудно.
В институте, как было отмечено, создана машина — роторный диспергатор. Сегодня такие машины используют для измельчения резиновых отходов в промышленных масштабах: их производительность достигает 200 кг/ч резинового порошка.
Идея использования резиновых порошков для модификации асфальтобетонных семей лежала на поверхно-
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
октябрь 2011
31
сти. Основу асфальта составляет, по сути, каменная крошка, щебень, песок. И всю эту массу нужно прочно связать каким-то клеящим или вяжущим материалом. Сегодня таким вяжущим является в основном битум, натуральный или синтетический. Первый хоть и обладает отменными качествами, но дорог. Его добыча ведется из подземных битумных озер, добывать его не просто, к тому же таких месторождений на планете не так много. Самое известное располагается на дне озера Пич-Лейк на одном из островов Республики Тринидад и Тобаго. Добытый битум проходит первую очистку, потом транспортируется в Германию, где процесс очистки повторяют по особой технологии и только затем отправляют заказчикам. Можно представить конечную цену этого продукта.
Что касается синтетического битума, это то, что остается от нефти после переработки, когда из нее уже выбрали все масла, мазут, мономеры и т. д. По сути остается такой «жмых», который хоть и является вяжущим, но с очень низкими качественными показателями. Каменную смесь, из которой в том числе состоит асфальт, такой битум связывает плохо, ненадежно. Особенно это становится очевидным в тех странах, где температура имеет резкие знакопеременные переходы. Холодная зима, жаркое лето, резкие температурные изменения в короткие периоды времени в течение суток — это быстро разрушает асфальт, вяжущим в котором является синтетический битум. К тому же у него плохие адгезионные свойства. Асфальт с синтетическим битумом не имеет высокой стойкости к колебаниям при изгибе, он подвержен колееобразованию и растрескиванию.
Поэтому чтобы улучшить качество асфальта, произведенного с применением синтетического битума, необходимы различные «укрепляющие» добавки. Модификатор должен быть доступен по количеству и цене. Получается, что резина — подходящий по многим параметрам компонент. Она эластична, ее в избытке.
Следующая задача — ввести резиновый порошок в асфальтобетонную смесь, «растворить» в ней... Американцы давно поняли, что в асфальт нужно вводить резину отработанных шин. Их попытки начались с того, что часть щебенки они заменили на резиновые компоненты, размер которых составлял до 20 мм. Они получили довольно интересное упругое покрытие. Асфальт с такой добавкой стал очень быстро растрескиваться. Однако в ходе экспериментов в асфальт попадала и более мелкая резиновая крошка. И вот тогда выяснилось, что именно мелкая, порошкообразная крошка и дает ту устойчивость, сопротивляемость растрескиванию, которую не могли обеспечить крупные частицы резины. Тогда американцы начали вводить миллиметровые, полумиллиметровые частицы резины. Но чтобы получить тот эффект, который сегодня дает модификатор, разработанный «УНИРЕМ», надо вводить значительно более мелкие частицы.
В созданных в лаборатории диспергаторах за счет действия высокой температуры и значительных сдвиговых усилий происходит не просто измельчение — происходит частичная (дискретная) девулканизация резины. Причем не только на поверхности всех частиц, но и в глубине. В этот момент разрушается 15—30% всех межмолекулярных связей. Но деструкции самих молекул не происходит. Таким образом получаем частицы резины, состоящие из микроблоков, размер которых от нескольких микрон и более. Эти микроблоки достаточно слабо связаны друг с другом. Что, кстати, дает огромное преимущество, которого нет у других резиновых порошков, предлагаемых сегодня различными производителями модификаторов асфальтобетонов. Такие частицы не требуют дополнительной химической обработки перед помещением их в битум. В горячем битуме эти частицы самостоя-
тельно распадаются на микро-, а потом и на наноблоки. И вот уже эти наночастицы и дают желаемый эффект.
Участки дорог, уложенные с применением модификатора «УНИРЕМ», эксплуатируют уже в течение нескольких лет. Первым из них был участок трассы М-10 (Москва — Санкт-Петербург). Укладка дорожного покрытия была произведена в 2005 г. До сих пор этот участок не требует ремонта: нет ни растрескивания, ни ко-лейности. Установлено, что добавление модификатора повышает сопротивление образованию колеи в среднем на 25—50% (в зависимости от типа асфальтобетона). Модификатор улучшает качественные показатели асфальтобетонов, в первую очередь усталостной долговечности и сопротивления колееобразованию, и дает возможность повышения срока службы асфальтобетонных покрытий в 1,3—1,5 раза.
Сегодня специалисты ООО «Уником» при содействии разработчиков проводят исследования различных свойств получаемых материалов. Обсуждаются области их применения. Сейчас точно назвать все сферы экономики, где будут использоваться такие порошки, очень сложно. Например, не исключено применение модификатора при строительстве взлетно-посадочных полос, использование этой технологи при создании шумопонижающих конструкций. Разрабатываются модификаторы узкоспециализированной направленности. Сама технология позволяет модифицировать любые полимеры, а свойства, какие они приобретают, — вопрос для ученых и практиков.
Ключевые слова: пластическое течение, наковальня Бриджмена, стадия разрушения, высокотемпературное сдвиговое измельчение, ротор-диспергатор, нанопорошки резины, модификаторы асфальтобетона.
Книга
«Пестроцветные глины
Гжельского
месторождения»
Авторы - Н.С. Русович-Югай, В.М. Логинов
Монография посвящена изучению глин Гжельского месторождения с целью их использования в производствах тонкой керамики, майолики, народных промыслах, а также в архитектурной и художественной керамике. Представлены результаты геологоразведочных работ, описаны распространенность и запасы глин, отмечена их особенность -широкая цветовая гамма от светло- до темноокрашенных. Рассмотрены геологические условия образования полиминеральных легкоплавких глин и глинистых минералов, показана их структура и свойства, влияние гранулометрического, химического и минерального составов, структуры и текстуры на пластичность, пористость, огнеупорность. Изложены результаты исследования влияния различных технологических факторов и добавок на поведение различных глин Гжельского месторождения, предложена их классификация.
Для приобретения специальной литературы обращайтесь в издательство «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ» Тел./факс: (499) 976-22-08, 976-20-36 E-mail: mail@rifsm.ru
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" 32 октябрь 2011 ы ®
