Gumiőrlemények összetételének hatása a gumibitumen tulajdonságaira The effect of the contents of crumb rubber to the rubber bitumen properties
Gergó Péter1, Geiger András2, Bartha László1
1
Pannon Egyetem, Ásványolaj- és Széntechnológiai Intézeti Tanszék 8201 Veszprém, Pf. 158 2 MOL Magyar Olaj- és Gázipari NyRt. 2443 Százhalombatta, Pf. 1
Summary The growing the traffic load and the new challenges brought the claim of the development of the binding agent for the asphalt roads. It is possible to achieve a satisfactory effect with different expensive synthetic polymers. In the early 20th century experiments were going on crumb rubber mixing to the asphalt concrete, it was the dry process. In the early 60’s Charles McDonald developed a new process called wet process, which improved the quality of rubber bitumen product, but it was amenable to settling and insuring the constant quality of products was difficult as well. The University of Pannonia developed and patented a new combined method called modified wet process resulted in a rubber bitumen product with constant quality and this product was not inclined to settling. The key of the insurance of the constant quality of products in the production is the usage of a raw material wich has constant quality and suitable contents. In the rubber bitumen production is the crumb rubber. In this research the effect of the contents of crumb rubber to the rubber bitumen properties was investigated. In the course of the experiments technical rubber waste material (G1), passenger car waste tires (G2), truck waste tires (G3), a crumb rubbers mixture (G4) and a sample with high natural rubber content (G5) were tested. The analytical tests of the crumb rubber samples were completed according to ASTM-D297-93 standard. Adherent water content, ash content, acetone and chloroform extract, polyisoprene (NR+IR) content, total rubber polymer content and carbon black content were determined. The rubber bitumen samples were prepared by the modified wet process (WO/2007/068990) from these crumb rubbers and the bitumen tests were carried out according to the standards. According to the test results the higher polyisoprene (NR+IR) content and smaller acetone extract and ash content were in the crumb rubber the smaller settling tendency was measured. Crumb rubbers were made from different technical rubber waste materials and their composition changed in a wide range that was why these crumb rubbers can not be recommended for rubber bitumen production. Opposite this result the crumb rubbers made from truck tires were found the most applicable for rubber bitumen production.
Bevezetés A növekvő közúti forgalom és forgalmi terhelés, valamint a klimatikus viszonyok változása az aszfaltutak kötőanyagainak fejlesztését teszi szükségessé. Különböző szintetikus polimerekkel jelentősen javítható az útépítési bitumenek minősége, azonban ezeknek a polimereknek ára az elmúlt 1,5-2 évben jelentősen nőtt. A 20. század elején kísérletek folytak gumiőrlemény kőzethez adagolására, majd ennek felhasználásával az un. száraz eljárással gyártották az aszfaltot, amely során a gumiőrleményt bitumennel keverve gumibitument állítottak elő, majd ezt adagolták a
kőzethez. Ezzel a módszerrel tovább javult az aszfalt minősége, azonban a gumibitumen termék hajlamos volt a szétülepedésre és az állandó termékminőség biztosítása is nehézkes volt. A Tanszéken a nedves eljárás továbbfejlesztése történt meg a 2000-es években, melynek legfontosabb eredménye a lényegesen kisebb szétülepedésre való hajlam és az állandó minőség mellett a kisebb viszkozitás miatti könnyebb kezelhetőség volt. Az állandó termékminőség biztosításának kulcsa a megfelelő tulajdonságokkal, összetétellel rendelkező alapanyagok használata a gyártás során. A gumibitumenek esetében a termékminőséget
leginkább befolyásoló gumiőrlemény.
tényező
maga
a
adalék és a MOL Nyrt. által forgalmazott alapbitumenek felhasználásával történt [2].
Kísérletek
Eredmények
Munkánk során kísérleteket végeztünk annak feltárására, hogy a gumiőrlemény összetétele milyen hatással van a felhasználásával előállított gumibitumen tulajdonságaira. A kísérletekben hazai és külföldi gumiőrlő üzem számos termékét használtuk fel, mely gumiőrleményeket a HUREC Kft bocsátotta rendelkezésünkre. A kísérletek során vizsgáltunk műszaki gumihulladék (G1), személy(G2) és teherautó-gumiabroncs (G3), valamint ezek keverékéből készült őrleteket (G4), továbbá egy nagy természetes izoprén (NR) tartalmú őrleményt (G5) is. Az őrlemények szemcsemérete és előállítási eljárása az eredmények összehasonlíthatóságának érdekében azonos volt. A gumianalitikai mérések az ASTM-D297-93 szabvány alapján történtek [1], amely során meghatároztuk az acetonban és kloroformban oldható rész mennyiségét, az őrlemény korom és hamutartalmát, továbbá a teljes kaucsuk tartalmát, valamint a természetes és mesterséges poliizoprén (NR+IR) mennyiségét (1. ábra).
A gumivizsgálatok nagy mintaszámára való tekintettel ez a cikk csak a minőségileg szélső értéket mutató őrlemények és felhasználásukkal előállított gumibitumenek eredményeit mutatja be (1-2. táblázat). Gumiőrlemény G1 G2 Tapadó nedvesség, m/m% 0,7 0,4 Hamutartalom, m/m% 15,3 12 Aceton extrakt, m/m% 26,1 14 Kloroform extrakt, m/m% 0,8 0,2 Koromtartalom, m/m% 23,4 22,7 Összes kaucsuk, m/m% 33,7 50,7 Poliizoprén tartalom 6,7 11,6 (NR+IR), m/m% Kompatibilitási hányados* 0,16 0,44 *(NR+IR)/(aceton extrakt+hamutartalom) 1. táblázat A gumianalitikai vizsgálatok eredményei I. Gumiőrlemény G3 G4 Tapadó nedvesség, 0,6 0,4 m/m% Hamutartalom, m/m% 5 6,2 Aceton extrakt, m/m% 6,6 8,1 Kloroform extrakt, 0,1 1,5 m/m% Koromtartalom, m/m% 27,8 28 Összes kaucsuk, m/m% 59,9 55,9 Poliizoprén tartalom 42 33,9 (NR+IR), m/m% Kompatibilitási 3,62 2,37 hányados* *(NR+IR)/(aceton extrakt+hamutartalom)
G5 0,3 3 9,4 0,2 32,9 54,2 46,1 3,71
2. táblázat A gumianalitikai vizsgálatok eredményei II.
1. ábra A gumianalitikai vizsgálatok sémája A gumibitumen minták előállítása a Tanszéken kifejlesztett módosított nedves eljárás alkalmazásával, gumiőrlemények és ülepedésgátló
A gumivizsgálatokat követően a gumiőrlemények felhasználásával gumibitumen mintákat állítottunk elő és szabványos vizsgálatokkal vizsgáltuk a tulajdonságaikat (3-4. táblázat).
Gumibitumen minta Lágyuláspont, °C Penetráció 25°C-on, 0,1mm Din. viszk.* 135°C-on, mPas Din. viszk.* 180°C-on, mPas Tárolási stabilitás, ΔT,°C *dinamikai viszkozitás
GB1 53,5 66 1550 225 12
GB2 55 63 2400 350 9,5
3. táblázat A gumibitumen minták tulajdonságai I. Gumibitumen minta Lágyuláspont, °C Penetráció 25°C-on, 0,1mm Din. viszk.* 135°C-on, mPas Din. viszk.* 180°C-on, mPas Tárolási stabilitás, ΔT,°C *dinamikai viszkozitás
GB3 61
GB4 60,5
GB5 58,5
55
50
52
2850
3150
3400
500
490
570
2
3,5
1
A minták hamutartalmát tekintve a legnagyobb értékkel szintén a műszaki gumihulladék őrlete rendelkezett, a legkisebb értéket a kizárólag teherautók gumiabroncsának őrletet tartalmazó minta (G4) esetén mértük. A hamutartalom a gumi előállítására felhasznált szervetlen töltőanyagának mennyiségéről ad információt, mely anyagok, ha nagy mennyiségben találhatók az őrletben a gumibitumen gyártás során felszabadulva nagymértékű szétülepedést okozhatnak, így ronthatják a termék minőségét. Az őrlet hamutartalma a gumibitumen termék lágyuláspontját és dinamikai viszkozitását is befolyásolhatja kis mértékben.
4. táblázat A gumibitumen minták tulajdonságai II. A gumivizsgálatok során a legnagyobb acetonban oldható részt tartalmazó minta a G1 jelű műszaki gumihulladékból gyártott őrlemény volt. Az acetonban oldható rész a gumiőrlemény lágyítóolaj tartalmáról ad felvilágosítást, amely nagy mennyiség esetén jelentősen csökkentheti a gumibitumen lágyuláspontját és dinamikai viszkozitását (2. ábra). A gumibitumen minták vizsgálata során megállapítottuk, hogy a legkisebb lágyulásponttal és viszkozitással rendelkező minta a nagy acetonban oldható részt, így több lágyítóolajat tartalmazó műszaki gumihulladék őrletéből (G1) készült (3. táblázat).
2. ábra Az acetonnal kioldható rész hatása a gumibitumen lágyuláspontjára
3. ábra A gumiőrlemény hamutartalmának hatása a gumibitumen stabilitására A gumibitumenek rugalmas tulajdonságát a felhasznált gumiőrlemény természetes és mesterséges izoprén (NR+IR) tartalma döntően befolyásolja, a nagyobb NR+IR tartalommal rendelkező őrletekből gyártott gumibitumen kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkezik. A legnagyobb NR+IR tartalma a nagy NR tartalmú őrleménynek (G5), míg a legkisebb a műszaki gumihulladéknak volt (G1) (1-2. táblázat). Kísérleteink során megállapítottuk, hogy a nagy NR+IR tartalmú gumiőrleménnyel készített minták lágyuláspontja és dinamikai viszkozitása is – a jobb beoldódás miatt kedvezőbb volt (4. ábra). Továbbá a gumibitumenek egyik legfontosabb minőségi paraméterét a tárolási stabilitást is kedvezően befolyásolja, a nagyobb izopréntartalom jobb
beoldódást eredményez, ezáltal szétülepedési hajlam (5. ábra).
csökken
a
együtt, pl.: SBR, NBR, stb. [4]), az őrlet poliizoprén tartalmához (NR+IR) hasonlóan befolyásolta a gumibitumen tulajdonságait (6. ábra).
4. ábra A gumiőrlemények poliizoprén (NR+IR) tartalmának hatása a gumibitumen lágyuláspontjára 6. ábra A gumiőrlemények összes kaucsuktartalmának hatása a gumibitumen viszkozitására
5. ábra A gumiőrlemények poliizoprén (NR+IR) tartalmának hatása a gumibitumen stabilitására Az őrlemények koromtartalma és a gumibitumenek alaptulajdonságai között nem találtunk határozott összefüggést, azzal az észrevétellel, hogy a vizsgált őrlemények koromtartalma között szignifikáns különbséget nem tapasztaltunk. Azonban irodalmi források alapján, ha az őrlemény koromtartalma nem haladja meg a 28m/m%-ot megfelelő tulajdonságokkal rendelkező gumibitumen állítható elő [3]. Hasonló összefüggés állapítható meg a gumiőrlemények kloroformmal kioldható része és a gumibitumen tulajdonságok között, mivel a gumiőrlemény minták kloroformmal kioldható része szűk tartományon belül változott. A gumiőrlemények összes kaucsuk tartalma (melybe beletartozik az NR+IR is több más polimerrel
A kísérletek eredményei alapján a gumibitumenek tulajdonságát a gumiőrlemények acetonban oldható részének, ezáltal a lágyítóolaj mennyisége, az őrlet hamutartalma, valamint a természetes és mesterséges izoprén (NR+IR) tartalma befolyásolja leginkább. Ezen értékeket egy hányadosba rendezve (kompatibilitási index – (NR+IR)/(acetonban oldható rész+hamutartalom)) megállapítható az adott gumiőrlemény alkalmas-e gumibitumen gyártásra. Az eredmények vizsgálata során megállapítottuk, hogy minél nagyobb a kompatibilitási index értéke annál kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkező gumibitumen állítható elő, tehát a nagy természetes és mesterséges izoprén (NR+IR) tartalmú, valamint a kevés hamut(szervetlen töltőanyagot) és kevés acetonban oldható részt (kis lágyítóolaj tartalom) tartalmazó gumiőrlemény alkalmas alapanyagnak. Magas kompatibilitás indexű gumiőrlemény alkalmazásával, megfelelő lágyuláspont és dinamikai viszkozitás érhető el, mind 135, mind 180°C-on. Továbbá szétülepedésre kevésbé hajlamos, megfelelően stabil termék nyerhető (7. ábra).
Összefoglalás A gumianalitikai vizsgálatok során megállapítottuk, hogy a gumibitumen tulajdonságait leginkább a gumiőrlemény acetonban oldható része, hamutartalma, valamint természetes és mesterséges poliizoprén (NR+IR) tartalma befolyásolja. Az eredmények értékelése után készítettünk egy minőségi előírást, melyet, ha az adott gumiőrlemény teljesít, alkalmas lehet gumibitumen gyártásra (5. táblázat).
7. ábra A kompatibilitási index vs. a tárolási stabilitás (lágyuláspont különbség) A gumibitumenek tárolási stabilitása kifejezhető a lágyuláspont különbség meghatározásán kívül a dinamikai viszkozitás különbség értékével is. Ez az érték szigorúbb felhasználási előírást tehet lehetővé, mert a lágyuláspont különbség értéknél jobban közelíti a valóságban lejátszódó folyamatokat. A kísérletek során kapott eredmények a lágyuláspont különbséghez hasonlóan alakultak, tehát ülepedésre kevésbé hajlamos, ezáltal a felhasználásra nagyobb mértékben alkalmas gumibitumen termék 1,5-nél nagyobb kompatibilitási indexű gumiőrlemény segítségével állítható elő (8. ábra).
8. ábra A kompatibilitási index vs. a tárolási stabilitás (dinamikai viszkozitás különbség)
Gumiőrlemény Előírás max. 2mm Szemcseméret (mm) Összetétel Tapadó nedvesség (m/m%) max. 0,7 Hamutartalom (m/m%) max. 8 Acetonban oldható rész (m/m%) max. 12 Koromtartalom (m/m%) max. 35 Összes kaucsuk tartalom (m/m%) min. 50 NR+IR tartalom (m/m%) min. 22 Kompatibilitási hányados* min. 1,5 *(NR+IR)/(acetonban oldható rész+hamutartalom) 5. táblázat A gumiőrleményekkel szemben támasztott követelmények
Irodalomjegyzék [1] ASTM D297-93, Standard test methods for rubber products – chemical analysis [2] WO/2007/068990, Bíró Sz., Bartha L., Deák Gy., Geiger A., Chemically stabilized asphalt rubber compositions and a mechanochemical method for preparing [3] S219, http://www.dot.state.fl.us/specificationsoffice/2007 BK/919.pdf [4] Dr. Bartha Zoltán, Gumiipari kézikönyv, 73-160 (1988)
