Допустим, в горячий битум ввели полимер, перемешали, и отдельных кусочков больше не видно. Что мы этим получили? Для модификации битума важен следующий шаг: как теперь течёт вяжущее, как деформируется под нагрузкой, восстанавливается после неё и держится на поверхности. Именно ради изменения этого поведения вводят полимер или специально подготовленную полимерную добавку. При этом состав должен оставаться пригодным к переработке и сохранять нужные свойства уже в изделии. Поэтому сравнивать надо конкретный битум с конкретным модификатором, а не сам факт исчезновения пластика в чёрной массе. [PB01; PB02]
Сначала уточним, что именно готовим. Битумное вяжущее связывает материал или образует покрытие. В дорожной асфальтовой смеси, кроме него, есть минеральный заполнитель. Полимер можно вводить в само вяжущее, а можно добавлять его частицы при приготовлении смеси с каменным материалом. Во втором случае они работают уже в другой системе. Поэтому фразы «добавили пластик в битум» и «добавили пластик в асфальтовую смесь» не стоит использовать как взаимозаменяемые. [PB04]
Перемешалось и сохранило свойства — два разных события
Горячая масса может выглядеть однородной, хотя внутри полимер распределён отдельными областями. Важны химическое строение обоих компонентов, размеры этих областей, их распределение и поведение на границе с битумом. Отсюда простой вопрос после работы мешалки: смесь сохранится такой же при хранении или начнёт разделяться? Более мелко распределить добавку полезно для одной стороны задачи, но устойчивость при последующем хранении этим ещё не гарантирована. [PB01]
Fang и соавторы в 2014 году как раз сопоставляли эти две стороны. Они смешивали с битумом вторичный полиэтилен из упаковочных пакетов при разных условиях, затем смотрели на микроструктуру и стабильность горячего хранения. То есть оценивали не только свежую пробу из смесителя, но и то, что с ней происходит после. Для практики полезен сам такой ход проверки. Найденные настройки относились к их сырью и аппарату; переносить их на другой битум и другой полиэтилен только по названию полимера было бы слишком смело. [PB01]
В работе Fuentes-Audén и соавторов 2008 года концентрацию вторичного полиэтилена связывают с микроструктурой, тепловыми и реологическими свойствами битума. За словом «реология» здесь стоят понятные вещи: как материал течёт и как деформируется под нагрузкой. Сказать «стал гуще» недостаточно. Горячее вяжущее ещё надо перемещать, а готовому материалу предстоит работать под нагрузкой и на холоде. Для каждого из этих состояний нужен свой ответ о поведении смеси. [PB02]
PET: температура и изменение цепей
С PET сначала возникает температурный вопрос. Colin и Verdu в работе 2006 года приводят плавление около 255 °C и обычную переработку расплава около 280 °C. Поэтому сама цифра 280 °C ещё не означает мгновенного разрушения: при близкой температуре PET промышленно перерабатывают.
Но одной температуры для описания процесса мало. PET является полиэфиром, его сложноэфирные группы чувствительны к воде. Кислород и время пребывания добавляют свои пути изменения цепей. В одних условиях цепи могут разрываться, в других соединяться, поэтому вязкость способна меняться в разные стороны. Если она изменилась, это ещё не объясняет само по себе, что произошло с материалом. [PB03]
Полипропиленовый воск: добавка уже прошла свой передел
Есть и другой способ подготовить добавку: изменить полимерные цепи ещё до встречи с битумом. В карточке «Выбор продуктовой схемы и глубины переработки» рассмотрено, как GreenMantra получает восковые продукты из вторичных PE и PP. В битум затем поступает уже такой модификатор с определённым поведением. Его отличие от исходного изделия не сводится к тому, что пластик нарезали или придали ему форму гранул. [PS02; PS03]
Что это меняет в изделии, можно посмотреть на примере самоклеящейся кровельной мембраны из недатированного материала GreenMantra. В описанном испытании PRI Asphalt Technologies сравнили два опытных состава. В контрольном был SBS, а во втором полипропиленовым воском CERANOVUS A155 заменили примерно пятую часть SBS.
Здесь важно не потерять знаменатель: заменили пятую часть SBS, а не пятую часть всей битумной массы. SBS представляет собой стирол-бутадиен-стирольный блок-сополимер; в этой системе он отвечает, в частности, за гибкость и упругое поведение. Поэтому при замене было существенно проверить, что произойдёт не только с горячим составом, но и с этими свойствами. [PB05]
По сообщению поставщика, вязкость снизилась примерно вдвое, результат испытания на расслоение стал более благоприятным, а сцепление с фанерой улучшилось. Проверявшиеся гибкость и термостабильность сохранились. Так видна сама задача: облегчить переработку горячей массы, не потеряв нужное поведение мембраны.
Но пока сравнивались два опытных состава. Долговечность любой кровли с PP-воском этим не установлена. И полиэтиленовый воск из дорожного примера CPChem нельзя незаметно поставить на место этой добавки: там другой материал и другое изделие. [PB05; SRC_003570]
Разные способы использования PET
В работе Choudhary, Kumar и Murkute 2018 года измельчённые бутылки PET вводили в дорожную смесь с минеральным заполнителем. Сравнивали две последовательности. В первой PET добавляли к нагретому каменному материалу до битума. Во второй сначала покрывали заполнитель битумом и уже затем вводили PET. Этот второй вариант авторы назвали модифицированным сухим способом. Так что различие заключалось в том числе в порядке встречи материалов, а не только в названии добавки. [PB04]
Смешивали при 155 °C. Если держать рядом приведённую температуру плавления PET, становится понятнее предмет опыта: авторы изучали частицы в асфальтовой смеси, а не получение однородного расплава бутылочного пластика. На результат влияли размер частиц, их количество и порядок введения. Модифицированный сухой способ показал более высокую устойчивость к повреждению влагой в применённом испытании.
Это полезный результат именно для рассмотренной дорожной смеси. В кровельном вяжущем без минерального заполнителя система уже другая. Обещать ей то же улучшение по этому опыту нельзя. [PB04]
Abdel Bary и соавторы в 2019 году начали ещё раньше, с химической переработки PET. Сначала отходный материал подвергали гликолизу, затем из полученных продуктов делали ненасыщенные полиэфиры и уже их вводили в битум. В лаборатории оценивали коллоидную стабильность и сопротивление деформации.
В этом случае в мешалку приходит подготовленная добавка с изменённым строением. Мелко нарезанная бутылка и такой продукт химического передела выполняют разные роли. Поэтому выражение «битум, модифицированный продуктами переработки PET» нельзя сократить до инструкции просто расплавить бутылочный PET в битуме. [PB06]
Что считать удачной модификацией
Удачную модификацию проверяют по всей этой цепочке. Какой битум взяли? Какой полимер или продукт его переработки добавили? Что получилось сразу после смешения и что сохранилось затем? Вязкость горячего материала отвечает на один вопрос, расслоение при выдержке на другой, сцепление и деформация готового изделия на третий. Если один показатель улучшился, остальные ещё остаётся проверить. [PB01; PB05]
Поэтому начинать выбор полезно с изделия и свойства, которое нужно изменить. Для одной задачи рассматривают полимерный компонент, для другой специально изготовленный воск, для третьей частицы в минеральной смеси. Общая цель у них практическая: получить материал с нужным и воспроизводимым поведением. Название «пластик» слишком широко, чтобы само по себе объяснить, как этого добиться.
Связи с другими карточками
- Выбор продуктовой схемы и глубины переработки
- Фильтрация расплава вторичных полимеров
- Обогреваемый битумопровод: труба работает вместе с нагревателем
- Сезонность снабжения и запас битума
- Термический крекинг: что происходит с длинной молекулой
Использованная информация
Источники
- [PB01] Fang C., Liu P., Yu R., Liu X. Preparation process to affect stability in waste polyethylene-modified bitumen. Construction and Building Materials, 54 (2014), 320–325. DOI.
- [PB02] Fuentes-Audén C. и соавт. Evaluation of thermal and mechanical properties of recycled polyethylene modified bitumen. Polymer Testing, 27 (2008), 1005–1012. DOI.
- [PB03] Colin X., Verdu J. Polymer degradation during processing. Comptes Rendus Chimie, 9 (2006), 1380–1395, §5. Статья.
- [PB04] Choudhary R., Kumar A., Murkute K. Properties of Waste Polyethylene Terephthalate (PET) Modified Asphalt Mixes: Dependence on PET Size, PET Content, and Mixing Process. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 2018. Оригинальный PDF, с. 2–3 и 7–8 данной версии.
- [PB05] GreenMantra Technologies. Peel and Stick (Self-Adhered) Membranes: Improve Processing and Lower Costs with CERANOVUS Waxes. Без даты, с. 1–3. Материал поставщика.
- [PB06] Abdel Bary E. M. и соавт. Colloidal Stability and Dynamic Mechanical Properties of Asphalt Modified with Unsaturated Polyester Prepared from Waste Polyethylene Terephthalate. Egyptian Journal of Chemistry, 62 (2019), 2003–2017. Страница статьи.
- [PS02; PS03; SRC_003570] Промышленные маршруты GreenMantra и пример CPChem приведены с первоисточниками в связанной карточке «Выбор продуктовой схемы и глубины переработки».