Модификация нефтяного битума вторичным полиэтилентерефталатом
Модификация нефтяного битума вторичным полиэтилентерефталатом
Аннотация
В условиях постоянного увеличения автотранспортной нагрузки на дороги повышаются требования к технологиям строительства новых надежных и долговечных автодорог. Нефтяные дорожные битумы, используемые для строительства автомобильных, мостовых и аэродромных покрытий, не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по трещиностойкости, теплостойкости, эластичности, адгезии к поверхности минеральных материалов. Повышение качества нефтяных дорожных битумов можно достигнуть путем введения термопластов, повышающих эксплуатационные свойства покрытия. Данная работа посвящена получению полимер-битумных композиций при добавлении в нефтяной дорожный битум, вторичного полиэтилентерефталата, пластификатора, а также изучению некоторых его свойств. В качестве пластификатора использовано индустриальное масло И-40 производства Ангарского НПЗ. Для проведения исследований были испытаны нефтяные дорожные битумы 100/130, вторичный полиэтилентерефталат. Установлено, что при увеличении процентного содержания вторичного ПЭТ в нефтяном дорожном битуме динамическая вязкость и показатели растяжимости композиции возрастают, а температура его хрупкости понижается. Предварительное смешение полиэтилентерефталата с пластификатором с последующим добавлением этой смеси в нефтяной дорожный битум повышает все изученные характеристики полимерно-битумных вяжущих, что указывает на равномерное распределение сополимеров в битуме и на образование более стабильной композиции.
1. Введение
Органические полимеры или пластмассы находят широкое применение в различных областях деятельности хозяйства. Их производство растёт беспрецедентными темпами, опережая производство любых других товаров, созданных человеком. Наиболее опасным применением пластика является его использование в качестве одноразовых товаров, что усугубляется глобальным переходом от переработанных товаров к товарам одноразового использования. Пластик обладает такими характеристиками, как низкая стоимость, высокая надёжность, долговечность при низкой плотности, высокое соотношение прочности и веса, а также простота в эксплуатации и формовании . Ожидается, что к 2050 году количество воспроизводимого пластика приблизится 451 миллиона тонн . Основная доля выпускаемого пластика приходится на полиэтилентерефталат (ПЭТ), который используется для изготовления пластиковых бутылок, фотоплёнок, декоративных плёночных ламинатов, магнитной ленты и других товаров. Поскольку ПЭТ не разлагается, эти отходы представляют серьёзную угрозу для окружающей среды . Сегодня ПЭТ-отходы и полимеры утилизируются на свалках, путём сжигания и переработки. Однако эти методы неэффективны с точки зрения сохранения окружающей среды. Полигон для захоронения отходов — самый простой и старый в мире способ утилизации отходов, но он привёл к множеству проблем, включая загрязнение грунтовых вод, утилизацию опасных отходов и нерациональное использование ресурсов. В результате переработка (рециклинг) этих пластиковых изделий представляется лучшим выбором. Одним из таких путей является применение ПЭТ-бутылок при модификации нефтяного битума для дорожного строительства. Было обнаружено, что смесь, модифицированная ПЭТ, более устойчива к деформации, чем обычный образец, а скорость деформации смеси, модифицированной ПЭТ, была меньше, чем у обычной смеси . Анализ и систематизация огромнейшего числа патентной информации и литературных источников позволяет нам сделать вывод, что строительство автодорог по современным технологиям осуществляется модификацией нефтяного дорожного битума (БНД) полимерами и в присутствии пластификаторов различной структуры , , , . Эффективными пластификаторами являются соединения с высоким содержанием ароматических соединений и смол, так как эти фракции способствуют растворению полимера и образованию однородной и устойчивой смеси . Строительство дорожных и мостовых покрытий, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, является приоритетной задачей дорожно-строительной отрасли России, так как развитие автомобильных дорог и дорожного хозяйства, отвечающих потребностям населения, экономики и государства позволит обеспечить высокие темпы социально-экономического развития страны, повышение конкурентоспособности отечественных производителей, а также интенсивные структурные сдвиги в пользу обрабатывающих и высокотехнологичных отраслей экономики.
Целью данной работы является исследование влияния вторичного ПЭТ в качестве модифицирующей добавки на свойства нефтяного битума и впервые в присутствии индустриального масла производства АО «АНХК» (г. Ангарск, Иркутской области).
2. Экспериментальная часть
Отслужившие свой срок ПЭТ-бутылки были собраны после соответствующей идентификации. С ПЭТ-бутылок были сняты крышки и этикетки, после чего их промыли и высушили, чтобы удалить возможные загрязнения. Затем бутылки были разрезаны на небольшие кусочки длиной до 5 см и высушены при температуре 80 °C в течение 4 часов с последующим измельчением специальными ножами для дробления ПЭТ до размеров 0,5 х 0,5 см.
В данной работе были использованы нефтяные дорожные битумы БНД 100/130. В качестве пластификатора использовали индустриальное масло И-40 (производство Ангарского НПЗ).
Предполагалось, что способ подготовки исходных компонентов для получения стабильного полимерно-битумное вяжущее (ПБВ), в котором будут равномерно распределены частицы ПЭТ, будет влиять на их свойства. Например, если вводить ПЭТ непосредственно в битум, то требуется длительное нагревание при высоких температурах 250-270 0С, что приводит к старению битума поэтому эксперименты по приготовлению, ПБВ проводили двумя способами.
- Первый способ
К нефтяному дорожному битуму предварительно нагретого до температуры 100 °С добавили при перемешивании рассчитанное количество диспергированного вторичного ПЭТ в виде мелкой крошки (1%, 2%, 3% от общей массы), масло индустриальное И-40 (соотношение И-40 к ПЭТ равно соотношению 8 частей к 1 части), с последующим повышением температуры до 175 °С. Перемешивание осуществляли при температуре 175 °С в течение 6 часов и затем охлаждали до комнатной температуры.
- Второй способ.
Вначале к предварительно измельченному пластику ПЭТ (1%, 2%, 3%) добавили при перемешивании масло индустриальное И-40 (соотношение И-40 к ПЭТ равно соотношению 8 частей к 1 части), полученную смесь выдерживали при температуре 130 °С в течение 1 часа после чего было достигнуто полное растворение. Далее к нефтяному дорожному битуму предварительно нагретого до температуры 100 °С добавили заранее подготовленную смесь с последующим повышением температуры до 175 °С. Перемешивание осуществляли при заданной температуре в течение 6 часов и охлаждали до комнатной температуры.
Состав индустриального масла И-40 определяли методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) с использованием пластинок «Silufol», целью которого являлось установление содержания ароматических и парафин-нафтеновых соединений. В качестве элюента использовали: толуол, бензол, октан, гептан, петролейный эфир. Пробы наносили микрошприцем по 1 мкл на пластинку ТСХ. После испарения растворителя пластинку опускали в разделительную камеру с элюентом .
Плотность индустриального масла И-40 определяли с помощью пикнометра и ареометра.
Определение температуры хрупкости и размягчения, значений растяжимости и пенетрации, полученных ПБВ, проводили согласно требованиям ГОСТ Р 52056-2003.
Измерение динамической вязкости ПБВ проводили на ротационном вискозиметре серии SMART (ГОСТ 33137–2014).
3. Обсуждение
Основные физико-механические свойства ПЭТ приведены в табл. 1.
Рисунок 1 - Структурная формула полиэтилентефталата
Таблица 1 - Физико-механические свойства ПЭТ
№ | Свойства | Значения |
1 | Плотность, кг/м3 | 1380 |
2 | Разрушающее напряжения, МПа | 120-185 |
3 | Относительное удлинение при разрыве, % | 50-70 |
4 | Ударная вязкость, кДж/м2 | 70-90 |
5 | Водопоглащение, % | 0,3 |
6 | Морозостойкость, 0С | -50 |
7 | Температура плавления, 0С | 265 |
8 | Молекулярная масса, а.е. | 15-30*103 |
Физико-механические свойства пластика характеризуются высокой стабильностью в интервале температур от — 50 °С до 200 °С. Вводя его в битум, можно понизить температуру хрупкости, повысить температуру размягчения, а, следовательно, повысить трещиностойкость и устойчивость к сдвигу ПБВ.
Ниже приведен состав пластификатора табл.2.
Таблица 2 - Групповой анализ масла индустриального И-40
Исследуемое вещество | Содержание ароматических соединений, % | Содержание парафинов и нафтенов, % | Содержание смол, % | Содержание фракций, нерастворимых в петролейном эфире, % | Плотность, г/см3 | Условная вязкость при 100°С |
И-40 | 64 | 16 | 20 | 0 | 0,869 | 10 |
Из данных табл. 2 видно, что индустриальное масло И-40 производства АО «АНХК» (г. Ангарск, Иркутской области) содержит ароматические соединения 64%, что должно способствовать образованию устойчивой смеси .
В ходе работы были получены и проанализированы образцы ПБВ, приготовленные различными способами табл. 3.
Из данных представленных можно сделать вывод, что при увеличении процентного содержания ПЭТ в БНД динамическая вязкость и значение растяжимости ПБВ возрастают, а температура его хрупкости понижается.
Установлено, что предварительное смешение ПЭТ с пластификатором с последующим добавлением этой смеси в БНД повышает все изученные характеристики ПБВ. Это указывает на равномерное распределение сополимеров в битуме и на образование более стабильной композиции (рис. 2–4). Следовательно, можно сделать вывод, что способ подготовки исходной смеси влияет на физико-механические характеристики ПБВ.
Таблица 3 - Результаты лабораторных исследований при одновременном добавлении в битум, ПЭТ и пластификатора (И-40)
Номер эксперимента | Содержание ПЭТ, % | Способ приготовления | Динамическая вязкость при 135 °С, Па*с | Температура размягчения КиШ, °С | Температура хрупкости,°С | Пенетрация 25 °С, 0.1 мм | Растяжимость 25°С, см |
1 | 1 % | Механический | 0,16 | 42 | -32 | 138 | 30 |
2 | 2 % | Механический | 0,18 | 45 | -36 | 176 | 33 |
3 | 3 % | Механический | 0,21 | 46 | -38 | 184 | 37 |
4 | 1 % | Расплав | 0,22 | 45,3 | -32 | 170 | 48 |
5 | 2 % | Расплав | 0,23 | 46,7 | -35 | 198 | 68 |
6 | 3 % | Расплав | 0,25 | 48 | -36 | 212 | 72 |
Рисунок 2 - Сравнение динамической вязкости модифицированных битумов
Рисунок 3 - Сравнение показателей температуры хрупкости модифицированных битумов
Рисунок 4 - Сравнение показателей растяжимости модифицированных битумов
4. Заключение
При увеличении процентного содержания ПЭТ от 1 до 3 % в БНД динамическая вязкость повышается с 0,16 Па·с до 0,25 Па·с, также значение растяжимости ПБВ возрастает с 30 см до 72 см, при этом температура хрупкости ПБВ понижается с -32 °С до -36 °С соответственно.
Необходимо отметить, что предварительное смешение ПЭТ с пластификатором с последующим добавлением смеси в битум способствует равномерному распределению полимера (ПЭТ), и тем самым обеспечивает улучшение физико-механических свойств ПБВ. Это достигается благодаря тому, что пластификатор помогает снизить вязкость расплава ПЭТ, облегчая его проникновение в структуру битума и улучшая адгезию между компонентами. В результате образуется более однородная смесь, способная выдерживать повышенные нагрузки и температурные колебания, что делает дорожное покрытие более долговечным и устойчивым к деформациям.
Кроме того, использование ПЭТ в составе БНД позволяет уменьшить количество необходимых минеральных наполнителей, что снижает себестоимость производства дорожных покрытий без потери качества.
Таким образом, применение ПЭТ в полимерно-битумном вяжущем является перспективным направлением в области дорожного строительства, обеспечивающим повышение эксплуатационных характеристик дорог и снижение затрат на их обслуживание.