Асфальтовые и битумные материалы широко использовались в производстве адгезивов и герметиков на протяжении многих лет.

Действительно, они использовались в качестве покрытий из горячих расплавов при строительных работах еще в 6000 годах до нашей эры благодаря их влагонепроницаемости. (Многие полагают, что древний город Карфаген сгорел дотла из-за широкого применения битумных материалов при строительстве зданий). В настоящее время асфальтовые адгезивы и герметики по-прежнему широко используются. Их срок эксплуатации и использования существенно увеличился за счет  введения добавок и модификаторов, а получение эксплуатационных характеристик их применения стало значительно проще благодаря разработке рецептур холодного нанесения.

Существует два метода составления рецептуры асфальтовых адгезивов, которые можно наносить холодным способом: (1) с разбавленными эмульсиями или же эмульсиями на основе растворителя и (2) с эмульсиями на водяной основе. С помощью обоих методов производится широкий диапазон полезных продуктов, причем у каждого типа имеются свои собственные параметры и применения. Современные асфальтовые эмульсии обеспечивают более высокую степень безопасности и улучшенные экологические параметры, а свойства конечных применений практически аналогичны тем, которые имеют асфальтовые рецептуры на основе горячего расплава или растворителя.

Наиболее распространенные применения основаны на использовании преимуществ, от природы присущих асфальтовым материалам. К числу таких преимуществ относятся водонепроницаемость, адгезия, изоляция, устойчивость к воздействию топлива и химических веществ. Помимо этих свойств одним из основных преимуществ адгезивов и герметиков на асфальтовой основе является низкозатратность. Стоимость асфальта намного ниже стоимости синтетических полимеров и смол.

Настоящая статья содержит основные сведения относительно использования асфальтовых эмульсий в качестве адгезивов и герметиков. Здесь будут рассмотрены свойства асфальта в целом, затем мы остановимся на эмульсиях на водяной основе. Будут также рассмотрены методы производства, составление рецептур и коммерческие применения.

Что представляют собой асфальтовые/битумные материалы?

Для большинства основных составов окраска конечного адгезива просто определяется окраской тех компонентов, которые присутствуют в готовом продукте. Может показаться, что такой подход применим только к продуктам с низкими спецификациями, но, на самом деле, он позволяет получить некоторые важные визуальный индикаторы функциональности адгезива. Так, например, по красному цвету нетрудно будет распознать адгезив, в котором содержится большая доля оксида железа для обеспечения теплопроводности. Точно так же краситель из углеродной сажи будет придавать ограниченную электрическую проводимость. Тем не менее, если пытаться производить адгезивы с высокой проводимостью и с высокой концентрацией углеродной сажи, можно получить продукт, который будет обесцвечиваться при неприемлемых концентрациях.

Термин "асфальт" и термин "битум" часто используются как взаимозаменяемые. Это общее номенклатурное обозначение, применяемое к смесям углеводородов, которые могут быть в газообразном, жидком, полутвердом или же твердом состоянии, и могут полностью растворяться в дисульфиде углерода. В рамках данного класса материалов существует множество веществ, которые можно создать.

Асфальты представляют собой твердые или же полутвердые материалы с окраской от темно-коричневой до черной, которые постепенно превращаются в жидкость при нагревании. Они имеются в природном состоянии (т. е. как результат дистилляции когда-то существовавших существ, как при создании асфальтовых озер), но они создаются также и на производстве при  переработке сырой нефти.

Асфальт или битум остается после дистилляции из сырой нефти более ценных компонентов (например, керосина и бензина). Извлекаемое из сырой нефти содержание асфальта может колебаться от 15% до 80%, но наиболее распространенным диапазоном является 25% - 40%. Свойства асфальта зависят от природы сырой нефти и условий переработки.

Асфальт можно отделять от других компонентов сырой нефти за счет использования технологии фракционированной перегонки, как правило, в условиях вакуума. Разделение можно также получить за счет обработки сырой нефти в установках для деасфальтирования, в которых используется либо пропан, либо бутан в надкритической фазе для растворения молекул меньшей массы, которые затем отделяются. Дальнейшую обработку асфальта можно производить за счет "продувки" или реагирования с кислородом для производства более твердого и вязкого продукта.

Асфальт можно смешивать с различными прочими углеводородными компонентами на нефтеперерабатывающем заводе для того, чтобы добиться соответствия особым требованиям в области твердости.

Поскольку, если не поддерживать асфальт в очень горячем состоянии, он затвердевает, его иногда смешивают с дизельным топливом или керосином для бестарной перевозки. Такую смесь часто называют исходным сырьем, и более легкие материалы обычно выделяются из смеси при доставке.

Химия и свойства материалов на основе асфальта

Асфальт представляет собой вязкий некристаллический материал. Он, в основном, состоит из углеводородов, и обычно включает, по  крайней мере, 80% углерода и 15% водорода, остальное приходится на долю кислорода, серы, азота и следовых количеств различных металлов.  Асфальт представляет собой сложный материал, который считается коллоидным и состоящим из дисперсии материала с высокой молекулярной массой в жидкости, у которой более низкая молекулярная масса. 

Асфальт гибкий, хорошо приклеивается, он износостойкий и водонепроницаемый, а также в высшей степени устойчивый к воздействию большинства кислот, щелочей и солей. Тем не менее, он подвергается деградации при ненадлежащем использовании. Так, например, под воздействием воды, избыточной температуры и солнечного излучения асфальт может медленно расщепляться на углекислый газ и воду.

Асфальт также обладает термопластическими свойствами. И, действительно, твердые асфальты являются пластмассами, и поэтому их можно подвергать формованию и обработке в форме. Такие пластмассы можно подвергать либо горячему, либо холодному формованию (под высоким давлением). Типовые продукты используются в электрической и автомобильной промышленности, сюда относятся такие применения, как ящик аккумуляторной батареи, фрикционная обшивка тормоза, электрические штепсельные разъёмы, ручки переключателей и т. д.

При температуре окружающей среды асфальт представляет собой жидкость с очень высокой вязкостью, которая непригодна для обработки. Тем не менее, существует три способа ее преобразования для доведения до обрабатываемого состояния:

• Нагревание;
• Смешивание с нефтехимическими растворителями (разбавление), или
• Эмульгация в воде для создания эмульсии.

Нагревание можно использовать для применений среднего и большого размера (дорожное покрытие, кровельные покрытия большой площади и т. д.). Продукты с разведением являются самыми дорогостоящими асфальтовыми продуктами из-за использования растворителей, у которых нет никакой другой функции кроме уменьшения вязкости. Обычно считается, что эмульсии самая дешевая форма, а также в набольшей степени безвредная для окружающей среды.

Асфальтовые эмульсии

Асфальтовые эмульсии представляют собой дисперсии из очень тонко измельченных битумных частиц в водной среде. У этих эмульсий низкая вязкость, и их можно использовать при температуре окружающей среды, что делает их идеальным вариантом для использования во многих строительных применениях. В общем смысле асфальтовые эмульсии можно разделить на два класса: химические эмульсии или эмульсии со щелочным эмульгатором и глинистые эмульсии.

Химические эмульсии

Для получения химических асфальтовых эмульсий горячий асфальт (130-140°C), воду и эмульгатор или диспергирующий агент обрабатывают на высокоскоростной коллоидной мельнице, которая диспергирует асфальт в воде. Асфальт получается после этого в виде глобул, которые обычно имеют 5-микронный размерный диапазон, но могут быть и меньше. Эмульгатор создает систему, в которой мелкие капельки асфальта находятся в суспензии и создают от 30% до 80% объема. Если при хранении произойдет разделение, эмульсию можно восстановить  взбалтыванием. Эмульгирующее вещество должно быть совместимо и с водяной, и с асфальтовой фазой.

Такую эмульсию (рисунок 1) можно представить в виде дискретной капельки асфальта, полностью окруженной внешней фазой, которой является вода. Молекулы диссоциированного эмульгатора будут представлять собой непрерывный слой вокруг асфальтовых частиц, они будут ориентированы так, чтобы неполярные или органические части были направлены к асфальтовым частицам, в то время как полярные части будут ориентированы наружу в сторону водной фазы.

Химические эмульсии можно далее подразделить на анионовые, катионоактивные и неионные эмульсии. Если органическая часть эмульгатора, которая и управляет его эмульгирующими свойствами, обладает отрицательным зарядом, ее называют анионной. Частицы асфальта приобретают отрицательный заряд, и будут притягиваться к положительно заряженной поверхности. Для катионоактивной эмульсии справедливо обратное. Неионный эмульсификатор не передает никакого особого заряда частицам асфальта. Эти свойства очень важны для смачивания наполнителей и подложек, независимо от того, происходит ли это на этапе создания компаунда или же при работе на площадке. В последние годы катионоактивные асфальтовые эмульсии приобретали все большую популярность, поскольку у многих заполнителей и подложек отрицательный заряд.

Еще одним критерием для классификации битумных эмульсий является скорость схватывания. Его часто используют для применений, предназначенных для герметизации дорожного покрытия. Быстроотверждающиеся эмульсии отверждаются с большой скоростью при контакте с чистыми заполнителями с небольшой площадью поверхности, которые часто используются для поверхностного покрытия. Эмульсии со средней скоростью отверждения отверждаются медленнее, так, что их можно смешивать с заполнителями с небольшой площадью поверхности, которые часто используются в смесях заполнителей с прерывистым гранулометрическим составом. Медленно схватывающиеся эмульсии можно смешивать с реактивными заполнителями с большой площадью поверхности. Номенклатура эмульсий обычно создается в соответствии с ASTM D977 и D2397. Обычно асфальтовые эмульсии соответствуют ASTM D1227, Тип II. Они обычно поставляются с содержанием твердых частиц примерно 55%, и являются суспензией тонко измельченных асфальтовых частиц в воде при наличии эмульгирующего агента.

При вязкости в диапазоне от 0.5 до 10 пуазов при температуре 60°C, асфальтовая эмульсия обладает значительно более низкой вязкостью по сравнению с самим горячим асфальтом. Эмульсии также более экономичны и безвредны для окружающей среды по сравнению с разбавленными материалами. Экологические преимущества асфальтовых эмульсий имеют особенно большое значение при использовании материала на площадке, поскольку они позволяют избежать энергозатрат и выбросов, которые обычно связаны с нагреванием или высушиванием.

Типичный состав анионовой асфальтовой эмульсии представлен в Таблице 1. Эмульсия создается дисперсии асфальта в водной фазе с высоким сдвигом, в которой уже присутствует эмульгатор. Обычно это должно происходить при температуре, которая достаточно высока для того, чтобы превращать асфальт в жидкость, но недостаточно высока для того, чтобы вызывать кипение воды.

Таблица 1: Типичный исходный состав для анионовой асфальтовой эмульсии

Глинистые эмульсии

В асфальтовых глинистых эмульсиях необходимо сохранять то же равновесие сил между двумя несмешивающимися жидкостями (асфальт и вода). Тем не менее, здесь минеральная глина действует как первичный эмульгатор и стабилизирующее вещество. Глинистые минералы легко смачиваются водой и диспергируются как коллоидные частицы. В результате они действуют как эмульгаторы для асфальта в воде (Рисунок 2). Для этих целей можно использовать целый ряд глин, но бентонитовые глины считаются самыми эффективными. Глины, такие как бентонит, обладают отрицательным результирующим зарядом.

Рисунок 2: Частицы глины могут служить эмульгаторами в материалах, имитирующих асфальт

Активный коллоидный материал, такой как бентонитовая глина, можно добавлять в концентрированном виде через водную фазу. Такие системы можно также наполнять тальком или прочими видами глины, они могут также содержать диспергирующие системы и стабилизаторы водородного показателя, такие как дихромат. Наибольшая вариативность в глинистых эмульсиях наблюдается из-за водородного показателя (5.0-9.5). Управление водородным показателем, как во время создания эмульсии, так и после эмульгации, является решающим условием сохранения стабильности эмульсии. Веществами, подходящими для изменения водородного показателя, являются кислоты и соли кислот, такие как фосфат алюминия, фосфат натрия и дихромат калия. Регулирование размера частиц влияет на скорость высушивания  и отверждение пленки, а также на проницаемость готовой пленки.

В таблице 2 дана исходная рецептура для типичной глинистой асфальтовой эмульсии. Как правило, температура образования эмульсии для битумной фазы составляет 130-140°C, а температура водной фазы составляет 25-45° при pH 6-9. Свойства глинистых эмульсий зависят от точного подбора состава в том, что касается наполнителей, битума и эмульгатора, а также их физических свойств. Общие различия в свойствах между разбавленными асфальтовыми покрытиями и глинистыми эмульсионными покрытиями даны в Таблице 3.1

Таблица 4: Модификация асфальта с помощью добавления латекса 3

Таблица 5: Модификация асфальта с помощью эластомерных порошков3

Самым простым методом добавления эластомера является введение в виде латекса, если имеется возможность выведения водяного пара без создания избыточного вспенивания. Обычно для реализации этой технологии требуется добавление латекса к расплавленному асфальту непрерывно или же отдельными партиями при температуре намного выше температуры кипения воды. Латексы можно добавлять к битумам с низкой вязкостью с помощью простого размешивания при температуре слегка ниже точки кипения воды, при постепенном повышении температуры выше температуры кипения за счет помешивания. Тем не менее, для реализации этой технологии необходим значительный период времени. Латексы также можно добавлять непосредственно в битумные эмульсии при условии, что системы стабилизации будут совместимыми.

Свойства эмульсий

Типичными современными применениями битумных материалов являются дорожные покрытия для автострад, кровельные покрытия, а также адгезивные и герметизирующие соединения в строительной промышленности. Как строительный материал асфальт широко применяется при создании дорожного полотна (75%), кровельных материалов (15%), а также покрытий и адгезивов (10%). Тем не менее, битумные материалы также широко используются в целом ряде других применений, которые используют предоставляемые ими преимущества. Кроме того, одним из основных преимуществ адгезивов и герметиков на битумной основе, являются низкие затраты. Стоимость битума намного ниже стоимости синтетических полимеров и каучуков. Экономические преимущества от использования битума, как в виде самостоятельного материала, так и с виде модификаций с другими полимерами, совершенно очевидны.

Основными функциями, которые выполняют битумные эмульсии, являются: склеивание, создание покрытия, пропитывание, придание влагонепроницаемости, и изоляция. Они используются непосредственно в качестве адгезивов при кровельных работах, создании строительных оболочек, создании изоляции и прочих применениях, при которых можно легко осуществлять испарение воды из места соединения. Тем не менее, при всех применениях с использованием битумных эмульсий необходима хорошая адгезия с подложкой или подложками.

Вязкость эмульсии является основным критерием для применения продуктов. Обычно при смешивании с заполнителями требуется меньшая вязкость эмульсии. Для покрытия или герметизирующего применения обычно требуется более высокая вязкость эмульсии для получения необходимой толщины пленки. Асфальтовая эмульсия, используемая для склеивания слоев оболочки, должна быть достаточно текучей для создания однородного слоя, и может возникнуть необходимость разбавления водой для получения нужных свойств.

Литература

1. Dickson, W.J., "Cold Applied Asphalt Coatings", Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 58, No. 4, 1966, pp. 28-32.
2. Petrie, E.M., "Bitumen Additives for Adhesives and Sealants", SpecialChem4Adhesives, November 8, 2005.
3. "Bituminous Materials", Encyclopedia of Polymer Science and Technology, Interscience Publishers, New York, 1965.

C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка нефтяных битумов можно познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок нефтяных битумов в России».

www.newchemistry.ru