Результат интеллектуальной деятельности: БИТУМНО-ПОЛИМЕРНАЯ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩАЯ КОМПОЗИЦИЯ

Изобретение относится к составам битумно-полимерных материалов, предназначенных для герметизации деформационных швов цементобетонных и асфальтобетонных покрытий аэродромов.

Известны битумно-полимерные мастики и композиции, включающие толуол, битум, термоэластопласт, минеральный наполнитель - тальк, смолу -канифоль (патент RU 2 299 225, С2, МПК C08L 95/00, C09D 195/00, C08L 53/02, C09J 195/00, опубл. 20.05.2007 г.; патент RU 2 299 226, С2, МПК C08L 95/00, C09D 195/00, C08L 53/02, C09J 195/00, опубл. 20.05.2007 г.).

Недостатком данных композиций является присутствие в составе большого количества токсичного растворителя - толуола до 50%, при испарении которого не достигается полнота заполнения шва. Применение данных композиций для герметизации швов аэродромных покрытий является не эффективным вследствие потери устойчивости и выхода из строя не полностью залитых швов в осенне-зимне-весенние периоды.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является битумно-полимерная композиция, включающая герметик БП-Г35 на основе нефтяного битума, пластификатора, модифицирующих полимеров, наполнителя, а также фуллеренсодержащий технический углерод (Грядунова Ю.Е., Леденев А.А., Никулин С.С., Игуменова Т.И. Влияние дисперсных добавок на свойства герметика для швов аэродромного покрытия // Клеи. Герметики. Технологии. 2020. №2. С. 8-12).

Недостатками данной композиции являются невысокие физико-механические и эксплуатационные свойства: прочность при растяжении и относительное удлинение в момент разрыва, а также стойкость к старению под воздействием ультрафиолетового излучения. В условиях комплексного агрессивного воздействия низких и высоких температур, ударных нагрузок, а также ультрафиолетового излучения это может приводить к возникновению трещин и разрывов герметика деформационных швов и преждевременному снижению прочности аэродромных покрытий.

Техническим результатом изобретения является улучшение физико-механических и эксплуатационных свойств битумно-полимерной герметизирующей композиции: повышение прочности при растяжении и относительного удлинения в момент разрыва, а также стойкости к старению под воздействием ультрафиолетового излучения. Это позволит обеспечить эффективную долгосрочную работу герметизирующей композиции в конструкции и увеличение срока службы аэродромных покрытий, подверженных природно-климатическим и эксплуатационным воздействиям.

Указанный технический результат достигается за счет того, что битумно-полимерная герметизирующая композиция, включающая нефтяной битум, полимер, пластификатор и комплекс целевых модифицирующих добавок, в отличие от известной, в качестве полимера содержит дивинил-стирольный термоэластопласт, включающий 20% деструктированного пенополистирола, в качестве пластификатора - деструктированный отход производства бутадиен-стирольного каучука и в качестве модифицирующих добавок - фуллеренсодержащий углерод, графит, волластонит и антиоксидант, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Сущность изобретения заключается в том, что битумно-полимерная герметизирующая композиция в качестве полимера содержит дивинил-стирольный термоэластопласт, включающий 20% деструктированного пенополистирола, в качестве пластификатора - деструктированный отход производства бутадиен-стирольного каучука и в качестве модифицирующих добавок - фуллеренсодержащий углерод, графит, волластонит и антиоксидант.

Применение в качестве полимера дивинил-стирольного термоэластопласта, включающего 20% деструктированного пенополистирола (ДСТ-30 Р 20 ДВППС) обеспечивает модифицирование битумной композиции и целенаправленное изменение ее свойств: повышение морозостойкости и ударопрочности, что является важным для герметиков швов аэродромных покрытий. Улучшение физико-механических свойств битумно-полимерной композиции обеспечивается за счет введения кислородсодержащих функциональных групп в окисленный пенополистирол (Моисеев В.В. Термоэластопласты. М.: Химия. 1985. 187 с). При этом замена дорогостоящего полистирола на деструктированный пенополистирол (отходы пенополистирола - старый теплоизоляционный и конструкционный материал, упаковки и др.), являющийся дешевым и доступным сырьем, обеспечивает снижение стоимости композиции.

В качестве пластификатора применяли деструктированные отходы производства бутадиенстирольного каучука (ДБСК), такие как коагулюмы и каучуковые отложения на технологическом оборудовании, подверженные деполимеризации в растворе. Применение ДБСК, содержащего функциональные группы, обладающие эластичными свойствами придает герметизирующей композиции более высокую эластичность и повышает устойчивость к знакопеременным нагрузкам (Никулин С.С, Сергеев Ю.А. Деструкционная переработка бутадиен-стирольных сополимеров. ЖПХ. 2001. Т. 74. Вып. 12. С. 2051-2054). Дополнительный положительный эффект достигается за счет применения ДБСК в виде раствора с последующей гомогенизацией для обеспечения более равномерного распределения модифицирующих добавок, выполняющих определенные целевые функции по улучшению свойств, что обеспечивает комплексное воздействие на всю битумно-полимерную композицию в целом. Кроме того, использование ДБСК, являющегося отходом производства, взамен дорогостоящих пластификаторов обеспечивает дополнительный технико-экономический эффект.

Применение высокодисперсных добавок - фуллеренсодержащего углерода (ФСУ) на основе фуллеренов молекулярной фракции С₅₀-С₉₂ и графита с размером частиц менее 100 мкм обеспечивает упрочнение микроструктуры битумно-полимерной герметизирующей композиции за счет формирования дополнительных молекулярных и межмолекулярных связей. Применяемые высокодисперсные добавки, обладающие высокой площадью поверхности и поверхностной активностью, способствуют формированию связных структурированных микрообъектов, занимающих непрерывные области, что приводит к повышению жесткости, когезионной и адгезионной прочности всей композиции (Козлов Г.В., Долбин И.В. Моделирование степени усиления нанокомпозитов эластомер/2D-наполнитель // Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология». Том 62. №2 (2019). С. 103-108; Зейналов Е.Б., Агагусейнова М.М., Салманова Н.И. Влияние добавок наноуглерода на стабильность полимерных композитов // Известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология». Том 63. №11 (2020). С. 4-12).

Применение волластонита в качестве дополнительного армирующего компонента, имеющего игольчатую форму и анизотропию частиц с высокими показателями относительного удлинения и модуля упругости, также обеспечивает улучшение прочностных свойств битумно-полимерной герметизирующей композиции при сохранении высокой гибкости и повышенного удлинения при разрыве (Гладун В.Д., Башаева Л.А., Андреева Н.Н. Исследование и разработка композиционных материалов на волластонитовой основе для изделий многоцелевого назначения. М.: МГТУ «Станкин». 1995. 76 с.).

Применение антиоксидантов аминного или фенольного типа (ВС-3ОА, ВТС-150) для повышения стойкости битумно-полимерной герметизирующей композиции к деструкции позволяет увеличить устойчивость к старению под воздействием ультрафиолетового излучения, озона, повышенных температур и др. (Горбунов Б.Н., Гурвич Я.А., Маслова И.П. Химия и технология стабилизаторов полимерных материалов. М.: Химия. 1981.368 с.).

Таким образом, совместное применение вышеописанных компонентов, выполняющих определенную функцию, оказывает комплексное положительное влияние и позволяет достичь технического результата по улучшению физико-механических и эксплуатационных показателей битумно-полимерной герметизирующей композиции. Это является особенно важным для деформационных швов цементобетонных и асфальтобетонных покрытий аэродромов, подверженных природно-климатическим и эксплуатационным воздействиям.

Предлагаемая битумно-полимерная герметизирующая композиция может быть получена следующим способом.

Пример. Первоначально приготавливали битумно-полимерную матрицу на основе битума БНД 60/90 и термоэластопласта ДСТ-30 Р 20 ДВППС. Для этого в аппарат, снабженный перемешивающим устройством загружали битум БНД 60/90 и термоэластопласт ДСТ-30 Р с 20% деструктированного пенополистирола и проводили деструкцию при 200°С до снижения молекулярной массы полистирола до 5000-15000.

Затем приготавливали раствор на основе ДБСК и модифицирующих добавок. Для этого проводили деструкцию отходов производства бутадиен-стирольного каучука до снижения молекулярной массы получаемого олигомера ДБСК до 5000-10000. После чего в полученный раствор ДБСК последовательно вводили модифицирующие добавки ФСУ, графит, волластонит и антиоксидант и систему гомогенизировали 1-2 часа.

На заключительном этапе в аппарат загружали приготовленную битумно-полимерную матрицу на основе битума БНД 60/90 и термоэластопласта ДСТ-30 Р 20 ДВППС, а также приготовленный раствор на основе ДБСК и модифицирующих добавок - ФСУ, графита, волластонита, антиоксиданта. Аппарат герметично закрывали и полученную смесь гомогенизировали при 160-170°С в течение 2-3 часов.

Приготовленную таким способом битумно-полимерную герметизирующую композицию использовали для подготовки экспериментальных образцов - моделей деформационного шва аэродромного покрытия.

Предлагаемые составы битумно-полимерной герметизирующей композиции приведены в таблице 1.

Испытания герметизирующей композиции по определению прочности при растяжении и относительного удлинения в момент разрыва проводили по ГОСТ 30740-2000 «Материалы герметизирующие для швов аэродромных покрытий». Устойчивость герметика к старению оценивали ускоренным методом по ГОСТ ISO 188-2013 «Резины и термоэластопласты. Испытания на ускоренное старение и теплостойкость» по относительному показателю - отношению прочности при растяжении образцов подвергнутых воздушно-тепловому старению к прочности образцов до старения.

Результаты определения физико-механических свойств битумно-полимерной герметизирующей композиции на образцах - моделях деформационного шва аэродромного покрытия представлены в таблице 2.

Из представленных в таблице 2 данных видно, что применение предлагаемой битумно-полимерной композиции позволяет получить герметизирующий материал с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. По прочности при растяжении и относительному удлинению в момент разрыва лучшие показатели по сравнению с прототипом получены с применением 1 состава: прочность увеличилась в 1,8 раза; относительное удлинение - в 1,2 раза. Наибольшей устойчивостью к старению обладает 3 состав битумно-полимерной герметизирующей композиции - устойчивость к старению увеличилась в 1,6 раза.

Таким образом, применение предлагаемой битумно-полимерной герметизирующей композиции с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными показателями - прочностью при растяжении и относительным удлинением в момент разрыва и устойчивостью к старению, позволит обеспечить эффективную и долгосрочную работу материала в деформационных швах конструкций, а также увеличение сроков службы аэродромных покрытий, подверженных природно-климатическим и эксплуатационным воздействиям. При этом дополнительный технико-экономический эффект достигается за счет частичного замещения дорогостоящих компонентов более дешевым и доступным сырьем.