RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11)186013 (13)B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 322705 (22) Data zgłoszenia: 15.10.1997 (51) IntCl7 C08L 95/00 (54) Środek do wytwarzania wolnorozpadowych emulsji asfaltowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 26.04.1999 BUP 09/99 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.2003 WUP 09/03 (73) Uprawniony z patentu: ICSO Chemical Production Spółka z o.o., Kędzierzyn-Koźle, PL (72) Twórcy wynalazku: Janusz Hariasz, Kędzierzyn-Koźle, PL Wojciech Misiurny, Gliwice, PL Anna Czuj-Pękalska, Warszawa, PL Zenon Szczepaniak, Kędzierzyn-Koźle, PL Mieczysław Zawadzki, Kędzierzyn-Koźle, PL Marek Marciński, Kędzierzyn-Koźle, PL Kazimierz Zawieruszyński, Kędzierzyn-Koźle, PL Roman Supeł, Kędzierzyn-Koźle, PL (57) Środek do wytwarzania wolnorozpadowych emulsji asfaltowych w wyniku emulgowania asfaltu w wodzie z udziałem takich emulgatorów jak; diaminy tłuszczowe, znamienny tym, że składa się z 15-60% wagowych dichlorków N,N-dimetylotri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, 0,3-3% wagowych chlorków trimetyloalkiloamoniowych zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, 0,2-10% wagowych chlorku wapnia, 2-30% wagowych izopropanolu oraz wody do 100% wagowych PL 186013 B1
Środek do wytwarzania wolnorozpadowych emulsji asfaltowych Zastrzeżenie patentowe Środek do wytwarzania wolnorozpadowych emulsji asfaltowych w wyniku emulgowania asfaltu w wodzie z udziałem takich emulgatorów jak; diaminy tłuszczowe, znamienny tym, że składa się z 15-60% wagowych dichlorków N,N-dimetylotri(2-hydroksyetyleno)- alkilodiamin zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, 0,3-3% wagowych chlorków trimetyloalkiloamoniowych zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, 0,2-10% wagowych chlorku wapnia, 2-30% wagowych izopropanolu oraz wody do 100% wagowych * * * Przedmiotem wynalazku jest środek do wytwarzania wolnorozpadowych emulsji asfaltowych, głównie z przeznaczeniem do stabilizacji terenów pylących, stabilizacji gruntów, do mieszanek mineralno-asfaltowych na zimno oraz do zapraw emulsyjnych typu slurry seal. Emulsje asfaltowe stanowią około 50-70% roztwory asfaltu w wodzie z udziałem specjalnych emulgatorów umożliwiających trwałe zawieszenie cząsteczek asfaltu w wodzie. Emulsje asfaltowe według tak zwanego indeksu rozpadu (IR) dzieli się na szybko-, średnio- i wolnorozpadowe. Oznaczenie indeksu rozpadu polega na określeniu maksymalnej ilości mączki kwarcowej, którą można wymieszać bez rozpadu i zastygnięcia ze 100 g emulsji. Wartość indeksu rozpadu podaje się w gramach SiO2 na 100 g emulsji. Emulsje te we właściwościach różnią się znacznie i mają różnorakie zastosowania w drogownictwie i w innych dziedzinach przemysłu. Dla emulsji szybkorozpadowych IR wynosi poniżej 80 g/100 g, a dla wolnorozpadowych IR wynosi 120-190 g/100 g. Znane jest z polskiego opisu patentowego nr 123 858 wytwarzanie emulsji asfaltowych szybko- i średniorozpadowych z udziałem diamin tłuszczowych, najczęściej N-alkilo(C22-C22) -1.3-diaminopropanu. Związek ten przy udziale niewielkiej ilości kwasu solnego jest szeroko stosowany do produkcji klasycznych drogowych emulsji szybkorozpadowych (IR maximum 100). Dodatek kwasu solnego jest niezbędny, aby otrzymać ph fazy wodnej 2-4, co gwarantuje po dokładnym zhomogenizowaniu, w specjalnym młynku, asfaltu i fazy wodnej zawierającej emulgator, uzyskanie trwałej, jednorodnej dyspersji asfaltu w wodzie. Uzyskanie emulsji asfaltowej wolnorozpadowej z udziałem diamin tłuszczowych jest możliwe, wymaga to jednak użycia znacznej ilości kwasu solnego, aż do silnie kwaśnego ph fazy wodnej wynoszącego około 1. Stosowanie kwasu solnego w tak dużej ilości powoduje zanieczyszczenie środowiska. Kwas solny jest niebezpieczny dla obsługi instalacji oraz powoduje korozję aparatury. Znane jest również z polskiego opisu patentowego nr 159 460 stosowanie mieszaniny chlorków alkilotrimetyloamoniowych i alkilometylodi(polioksyetyleno)-amoniowych o liczbie grup oksyetylenowych 2-50, przy czym łańcuch alkilowy zawiera 12-20 atomów węgla. Emulgator według polskiego opisu patentowego nr 159 460 nie wymaga stosowania kwasu solnego, lecz ma zastosowanie wyłącznie do produkcji szybkorozpadowych emulsji asfaltowych (IR maximum 90). Celem wynalazku było opracowanie emulgatora, z udziałem, którego można byłoby uzyskać emulsje wolnorozpadowe bez udziału kwasu solnego. Środek według wynalazku zawiera 15-60% wagowych dichlorków N,N-dimetylotri-(2- -hydroksyetyleno)alkilodiamin zawierających w łańcuch alkilowym 16-22 atomów węgla, 0,3-3% wagowych chlorków trimetyloalkiloamoniowych zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, 0,2-10% wagowych chlorku wapnia, 2-30% wagowych izopropanolu oraz do 100% wagowych wody.
186 013 3 W celu uzyskania wolnorozpadowej emulsji asfaltowej dodaje się emulgator do wody w ilościach 0,5-3% wagowych w stosunku do masy emulsji asfaltowej, aż do jego całkowitego rozpuszczenia a następnie wprowadza się tak sporządzony roztwór wodny emulgatora do młynka wysoko-obrotowego do którego jednocześnie wprowadza się płynny asfalt. Temperatura fazy wodnej wynosi 30-60 C, a temperatura asfaltu wynosi 120-150 C. Temperatura emulsji asfaltowej po wyjściu z młynka emulsyjnego wynosi zwykle 80-95 C. Indeks rozpadu dla uzyskanej emulsji za pomocą środka (emulgatora) według wynalazku wynosi 120-180 g/100 g. Środek według wynalazku uzyskuje się w wyniku kwaternizacji tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin chlorkiem metylu w wodzie, przy czym przed lub po procesie kwaternizacji, w wodzie rozpuszcza się chlorek wapnia, chlorki trimetyloalkiloamoniowe oraz dodatkowo dodaje się pewne ilości izopropanolu (minimum 2% wagowych). Za pomocą środka zawierającego tylko chlorki N,N-di-metylo-tri(2-hydroksy-etyleno)- alkilodiamin można uzyskać emulsje średniorozpadowe o indeksie rozpadu maximum 110 g/100 g. Dodatek chlorków trimetyloalkiloamoniowych, izopropanolu i chlorku wapniowego pozwala nieoczekiwanie na dalsze wydłużenie czasu rozpadu emulsji do około 170-190 g/100 g. Uzyskane, za pomocą środka według wynalazku, emulsje asfaltowe sporządzone z asfaltów polskich (z rop rosyjskich) jak i asfaltów Nynasa (pochodzenie z rop wenezuelskich) pozwala na zastosowanie ich w wielu zabiegach drogowych i innych jak: stabilizacja dróg, stabilizacja terenów pylących, sporządzanie mieszanek mineralno-bitumicznych na zimno. Za pomocą emulgatora według wynalazku można uzyskać emulsje wolnorozpadowe niemodyfikowane lub modyfikowane lateksem. W przypadku emulsji modyfikowanych, lateks wprowadzany jest do fazy wodnej wraz z emulgatorem, a następnie przeprowadzany jest proces emulgacji asfaltu. Dodatek izopropanolu jest niezbędny w procesie kwaternizacji N,N,N-tri-(2-hydroksyetyleno)alkilodiamim. Niewielki dodatek izopropanolu w ilości minimum 2% wagowych pozwala na skrócenie czasu reakcji czwartorzędowania w skali przemysłowej z 10 godzin do około 2 godzin. Dodatek niewielki chlorku wapnia i chlorów trimetyloalkiloamoniowych w produkcie według wynalazku jest nieodzowny, z uwagi na końcowe aplikacyjne właściwości emulsji asfaltowych. Należy podkreślić, że istota wynalazku polega właśnie na dodaniu w niewielkich ilości izopropanolu (w procesie kwaternizacji) oraz chlorku wapnia i chlorków trimetyloalkiloamoniowych, co niezmiernie istotnie wpływa na właściwości środka według wynalazku jako emulgatora do wytwarzania emulsji asfaltowych wolnorozpadowych. Podobne efekty uzyskuje się również wtedy kiedy doda się chlorek wapnia, chlorki trimetyloalkiloamoniowe i izopropanol przed procesem czwartorzędowania tri(2-hydroksy-etyleno)alkilodiamin łojowych. Dodatek chlorku wapnia oraz chlorków alkitrimetyloamoniowych obok dichlorków N,N-dimetylo, tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin wpływa istotnie zarówno na znaczne wydłużenie czasu rozpadu emulsji asfaltowych jak również na stabilność na cemencie. Przykład I Środek według wynalazku otrzymano w sposób następujący. Do reaktora wprowadzono izopropanol w ilości 3% wagowych, 25% wagowych stopionych uprzednio N,N,N-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin łojowych (alkil C 16-C18) i wodę do 100% wagowych i ogrzano zawartość reaktora do temperatury 60 C. Następnie do reaktora wprowadzano chlorek metylu, przy czym temperatura procesu czwartorzędowania wynosiła 70-90 C, a ciśnienie 0,2-0,3 MPA. Zakończenie reakcji obserwowano po zaniku spadku ciśnienia w reaktorze i analizie zasadowości (ilość ml 1 M HCl potrzebna do zmiareczkowania 1 g próbki), która wynosiła blisko zera. Pobrano próbkę z reaktora, którą oznaczono jako 1A-próbka porównawcza. Następnie po schłodzeniu reaktora do temperatury 50 C, dodano chlorek wapnia w ilości 3,5% wagowych oraz 0,5% wagowych chlorków alkilo(c16-c 18)- trimetyloamoniowych i całość wymieszano do ujednorodnienia w czasie do 1 godziny. Uzyskano klarowny, żółty ciekły produkt w temperaturze pokojowej. Właściwy produkt według wynalazku uzyskuje się zatem dopiero po dodaniu chlorku wapnia i chlorków alkilotrimetylamoniowych do półproduktu stanowiącego wynik kwaternizacji N,N,N-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin. Końcowy produkt według wynalazku w ra-
4 186 013 mach niniejszego przykładu zawiera zatem: 30% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri- (2-hydroksyetylo)alkilodiamin łojowych (produkt kwaternizacji), 3% wagowych izopropanolu, 0,5% wagowego chlorków trimetyloalkiloalkiloamoniowych - alkil łojowy (C 16-C22), 3,5% wagowych chlorku wapnia oraz wody 63% wagowych. Emulsje asfaltowe otrzymano z udziałem środka według wynalazku oraz za pomocą środka porównawczego (1A - bez udziału chlorku wapnia i chlorków trimetyloalkiloamoniowych). Asfalt drogowy D 100 (Płock) ogrzano do temperatury 140 C. Fazę wodną przygotowano przez wymieszanie wody ogrzanej do temperatury 45 C z 1,5% wagowego środka według wynalazku lub środka porównawczego 1a (w stosunku do uzyskanej masy emulsji asfaltowej). Stosunek lepiszcza bitumicznego (asfaltu) w stosunku do fazy wodnej wynosił 65:35. Asfalt i fazę wodną wprowadzono do młyna emulsyjnego. Emulsja asfaltowa na wyjściu z młyna miała temperaturę około 90 C. Emulsja uzyskana, ze środkiem według wynalazku jako emulgatorem w ilości 1,5% wagowych miała następujące właściwości: - Indeks rozpadu 180 g (emulsja wolnorozpadowa) - Sedymentacja po 5 dniach 2% - Stabilność na cemencie 1,5 g - Odporność na wstrząsy 0 - ph 5,0 Emulsja otrzymana z udziałem emulgatora porównawczego w ilości 1,5% wagowych bez udziału chlorku wapnia i chlorków alkilotrimetyloamoniowych, miała znacznie gorsze właściwości, mianowicie: - Indeks rozpadu 110 g (emulsja średnio/wolnorozpadowa) - Sedymentacja po 5 dniach 6% - Stabilność na cemencie - negatywna - Odporność na wstrząsy ślady - ph 5 Właściwości emulsji otrzymanej z udziałem emulgatora według wynalazku kwalifikują tę emulsję do szerokich zastosowań w drogownictwie: w szczególności do slurry seal i stabilizacji dróg (zastosowania emulsji wolnorozpadowych). Emulsja według przykładu porównawczego może mieć ograniczone zastosowanie to jest np. do remontów cząstkowych, sklejanie warstw, (zastosowania emulsji średniorozpadowych). Przykład II Podobnie jak w przykładzie I otrzymano środek zawierający: 60% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin roślinnych (C 16-C22), 0,3% wagowego chlorków trimetyloalkiloamoniowych, 10% wagowych chlorku wapnia, 2% wagowych izopropanolu oraz wody do 100% wagowych. Środek o tym składzie wykorzystano jako emulgator do wytwarzania emulsji asfaltowej na bazie asfaltu otrzymanego z rop wenezuelskich - Nynas Asfalt D 100. Zawartość asfaltu Nynasa w otrzymanej emulsji asfaltowej wynosiła 62% wagowych a zawartość środka (emulgatora) według wynalazku wynosiła 1,5% wagowych w stosunku do całej masy wytworzonej emulsji asfaltowej. Dodatkowo do fazy wodnej wraz z emulgatorem wprowadzono modyfikator-latex-butonal LS 170K, którego zadaniem była poprawa właściwości asfaltu (nadanie sprężystości). Otrzymana sposobem opisanym w przykładzie I, emulsja asfaltowa miała następujący skład: 62% wagowych Asfaltu Nynas D 100, 1,5% wagowego emulgatora według wynalazku, 2,5% wagowych lateksu-butonalu LS 170K oraz wody do 100% wagowych. Niewielką ilością kwasu doprowadzono do ph emulsji około 5,5. Uzyskana emulsja wolnorozpadowa miała następujące właściwości: - Indeks rozpadu - 190 g - Odporność na wstrząsy - 0 - Sedymentacja po 5 dniach - 0,5% - Stabilność na cemencie - 1,7 g
186 013 5 - Przyczepność do granitu - 100% - ph - 5,5 Z wykorzystaniem w/w emulsji sporządzono mieszankę drogową do wykonywania nawierzchni, tzw. mieszankę mineralno-bitumiczną sporządzaną na zimno - typu slurry seal, zawierającą 98% wagowych kruszywa granitowego, 2% wagowych cementu, 15% wagowych emulsji asfaltowej oraz 10% wagowych wody. Ocena trwałości wykonanego odcinka drogi wykazała pełną przydatność emulsji asfaltowej otrzymaną z udziałem emulgatora według wynalazku dla potrzeb wykonania prawidłowego zabiegu drogowego slurry seal. Przykład III Podobnie jak w przykładzie I otrzymano środek zawierający: 15% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin rzepakowych (C16-C22), 3% wagowych chlorków trimetyloalkiloamoniowych - alkil rzepakowy, 0,2% wagowego chlorku wapnia, 30% wagowych izopropanolu oraz wody do 100% wagowych. Środek o tym składzie wykorzystano jako emulgator do wytwarzania emulsji asfaltowej na bazie asfaltu D 130 z rafinerii Płock. Zawartość asfaltu w otrzymanej emulsji asfaltowej wynosiła 65% wagowych a zawartość środka (emulgatora) według wynalazku wynosiła 2% wagowych w stosunku do całej masy wytworzonej w emulsji asfaltowej. Otrzymana sposobem opisanym w przykładzie I emulsja asfaltowa miała następujący skład: 65% wagowych Asfaltu Płock D 130, 2% wagowych emulgatora według wynalazku, oraz wody do 100% wagowych. Nie wprowadzano dodatkowego regulowania ph kwasem solnym. Uzyskana emulsja po sporządzeniu miała ph-6,0. Uzyskana emulsja wolnorozpadowa miała następujące właściwości: - Indeks rozpadu - 150 g - Odporność na wstrząsy - 0 - Sedymentacja po 5 dniach - 1,5% - Stabilność na cemencie - 0,95 g - Przyczepność do bazaltu - 90% - ph - 6,0 W/w emulsja wolnorozpadowa o ekologicznym ph (zbliżonym do obojętnego) została wykorzystana z powodzeniem do zapobiegania pyleniu dróg na terenach piaszczystych. Przykład IV Podobnie jak w przykładzie I otrzymano środek zawierający: 35% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin roślinnych (C 16-C22), 1% wagowy chlorków trimetyloalkiloamoniowych, 5% wagowych chlorku wapnia, 10% wagowych izopropanolu oraz wody do 100% wagowych. Środek o tym składzie wykorzystano jako emulgator do wytwarzania emulsji asfaltowej na bazie asfaltu D200 z rafinerii gdańskiej. Otrzymana sposobem opisanym w przykładzie I emulsja asfaltowa miała następujący skład: 65 % wagowych Asfaltu Gdańsk D200, 1% wagowy emulgatora według wynalazku, oraz wody do 100% wagowych. Emulsję doprowadzono do ph=4,5 za pomocą niewielkiej ilości kwasu solnego. Uzyskana emulsja wolnorozpadowa miała następujące właściwości: - Indeks rozpadu - 186 g - Odporność na wstrząsy - 0 - Sedymentacja po 5 dniach - 2% - Stabilność na cemencie - 10 g - Przyczepność do bazaltu - 95% - ph - 4,5 W/w emulsja wolnorozpadowa została wykorzystana z powodzeniem do recyklingu na zimno.
186 013 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.