CH394017A - Asphaltbitumenemulsion vom Öl-in-Wasser-Typ - Google Patents

Description

  
 



  Asphaltbitumenemulsion vom   Öl-m-Wasser-Typ   
Asphaltbitumenemulsionen werden allgemein in zwei Klassen eingeteilt. Diese umfassen Wasser-in Öl-Emulsionen und   Öl-in-Wasser-Emulsionen.    Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Emulsionen der letztgenannten Art. Eigenschaften asphaltischer Bitumenemulsionen, welche technisch von Bedeutung sind und je nach der ins Auge gefassten Anwendung variiert werden müssen, sind Viskosität und Bitumengehalt. Die Viskosität von Emulsionen ist wesentlich bei solchen Zwecken, wie Anwendung für Strassenbettung, Strassenbeläge und dergleichen, bei welchen die Neigung zum Fliessen auf einer schrägen Fläche auf ein Mindestmass herabgesetzt werden. Für Strassen überzüge geben viele Vorschriften ein Maximum von etwa 2   %    Asche, berechnet auf den Asphalt, an.



  Infolgedessen werden scharfe Begrenzungen bezüglich der Menge und Art der Bestandteile vorgeschrieben, welche zur Regelung der Viskosität dienen können.



   Ausser dem Wasser- und Asphaltbitumengehalt beeinflussen zahlreiche andere Merkmale die Viskosität. Zu solchen Merkmalen gehören u. a. die kolloidalen Eigenschaften spezieller Asphaltbitumina, die besondere Art des verwendeten Emulgierungsmittels, der Grad der Dispergierung des asphaltischen Bitumens (Teilchengrösse) und zahlreiche andere Faktoren.



   Viele Asphaltbitumina enthalten wechselnde Mengen Salzwasser. Dieser Salzgehalt ist in hohem Masse abhängig von der Herkunft und von dem Zustand der bei einer besonderen Ölquelle vorliegenden Verhältnisse. Der Salzgehalt hat eine starke Wirkung auf die Pumpviskosität asphaltischer Bitumenemulsionen. Es ist angenommen worden, dass der Grund hierfür darin liegt, dass das organische Salz, das in dem Asphaltbitumen vorliegt, in einem osmotischen System   wirkbar    wird, wodurch Wasser von dem asphaltischen Bitumen absorbiert wird und dadurch das tatsächliche Volumen der Asphaltbitumentröpfchen und infolgedessen die Viskosität des Systems sich erhöht.

   Da Asphaltbitumina in ihrem Salzgehalt so wesentlich verschieden sind, haben auch Asphaltbitumenemulsionen, welche die gleiche Menge Asphaltbitumen und auch des Emulgators enthalten, sehr stark voneinander abweichende Viskositäten.



   Ein Mittel zur Regelung der Viskosität besteht in der Einverleibung einer gesättigten Wasser-in-Öl Emulsion in die Asphaltbitumenphase. Während hierdurch in gewissem Masse eine Verbesserung erzielt werden kann, ist doch festgestellt worden, dass die im Handel erhältlichen Salzemulsionen unbeständig sind und beim Lagern zu einer Verringerung der Wirksamkeit neigen. Die Herstellung von Asphaltbitumenemulsionen, welche solche emulgierte Salzzusätze enthalten, ist auch mühsam und zeitraubend.



   Es wurde festgestellt, dass die Viskosität von Asphaltbitumenemulsionen vom Öl-in-Wasser-Typ, die zur Herstellung von Strassenüberzügen und dergleichen geeignet sind, scharf geregelt werden kann durch Zusatz eines hydrophilen Tons sowie eines in Wasser dispergierbaren Derivates eines Polysaccharids in ganz bestimmten Verhältnissen, falls dabei der pH-Wert der wässrigen Phase der Emulsion im Bereich von 10 und 11,2 gehalten wird. Nur zwischen diesen pH-Grenzen ergeben die genannten kombinierten Zusatzstoffe, wie sich gezeigt hat, einen synergistischen Effekt hinsichtlich der Viskosität der Emulsion. Sonst gleiche Emulsionen, deren wässrige Phase jedoch einen pH-Wert unter   101    besass, hatten sich als ausserordentlich unbeständig erwiesen und sind für die meisten Verfahren zur Herstellung von Strassenüberzügen ungeeignet.

   Gegenstand des Patentes ist eine Asphaltbitumenemulsion vom Öl-in  Wasser-Typ,    welche ein Emulgierungsmittel enthält  und dadurch gekennzeichnet ist, dass ihre wässrige Phase einen pH-Wert im Bereich von   10,0-11,2    aufweist, und einen in Wasser quellbaren Ton sowie ein in Wasser dispergierbares   Polys accharidderivat    enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Ton zu Polysaccharidderivat zwischen 6:1 und 2:1 liegt.



   Die Kombination von Ton mit dem in Wasser dispergierbaren Zellulosederivat in den angegebenen Mengenverhältnissen ergibt bei den genannten Asphaltbitumenemulsionen einen synergistischen, die Viskosität erhöhenden Effekt. Um die Asche bildende Komponenten in der Emulsion niedrig zu halten, wird die Menge des Tons in der wässrigen Phase vorzugsweise auf weniger als 2   Ges. %,    berechnet auf das Asphaltbitumen, eingestellt.



   Die hauptsächlich in Betracht gezogenen Tone umfassen die Montmorillonite, insbesondere die Natrium-, Kalium- oder Lithiumbentonite, wie Wyoming Bentonit,   Magnesium-Bentonft    (manchmal als Hektorit bezeichnet) und Saponit, wobei die Bentonit Tone bevorzugt werden. Es können auch Nontronit, Atapulgit und Fullererden,   imbesonodere    solche vom Georgia-Florida-Typ, verwendet werden. Vorzugsweise benutzt man Tone mit einem wesentlichen Basenaustauschvermögen, da sich gezeigt hat, dass sie die gewünschte relativ hohe Quellfähigkeit bei Anwesenheit von Wasser aufweisen. Vorzugsweise liegt die Basenaustauschfähigkeit der verschiedenen genannten Tone zwischen etwa 15 und etwa 100 Milli äquivalent austauschbarer Base auf 100 g des Tons.



  Die Montmorillonite haben ein verhältnismässig hohes Basenaustauschvermögen, gewöhnlich 60 bis 100.



  Atapulgit und Illit haben ein beachtliches Basenaustauschvermögen (15 bis 40). Im allgemeinen sind die Tone mit höherem Basenaustauschvermögen, nämlich solche mit einem Austauschvermögen von mindestens 25, in den asphaltischen Bitumenemulsionen gemäss vorliegender Erfindung besonders gut brauchbar.



   Die Tone, wie die vorstehend genannten, zeigen in Asphaltbitumenemulsionen ein gewisses Ver  dickungsvermögen,    wie nachstehend näher erläutert werden soll. Um die Viskosität vieler Asphaltbitumenemulsionen in stärkerem Masse zu erhöhen, war es bis anhin erforderlich, eine aussergewöhnlich grosse Menge des Tons anzuwenden, was jedoch zu einem erhöhten Aschengehalt führt.



   Die Anwendung von in Wasser dispergierbaren Zellulosederivaten zur Steigerung der Viskosität von Asphaltbitumenemulsionen ist als Parallelfall zur Anwendung von Ton betrachtet worden. Wegen des verhältnismässig hohen Preises der ersteren Stoffe war ihre Anwendung aber aus   wirtschaftlichen    Gründen beschränkt. Es ist daher erwünscht, ein verhältnismässig billiges Material, wie Ton, zu verwenden, um die aussergewöhnlich hohe Wirksamkeit bezüglich der Steigerung der Viskosität durch wasserlösliche Zellulosederivate noch zu unterstützen.

   Bei Prüfung von Mischungen der vorstehend erwähnten Art wurde festgestellt, dass ein synergistischer Effekt bezüglich der Viskosität von asphaltischen Bitumenemulsionen erzielt wird, wenn das Mengenverhältnis zwischen Ton und in Wasser dispergierbarem Zellulosederivat im Bereich von etwa 6:1 bis etwa 2:1 gehalten wird, wobei es ausserdem wesentlich ist, das der pH-Wert der wässrigen Asphaltemulsion beschränkt wird auf einen Wert zwischen etwa 10,0 und 11,2.



   Als in Wasser dispergierbare Polysaccharidderivate (z. B. Stärke- oder Zellulosederivate), welche für die vorliegende Erfindung brauchbar sind, seien die folgenden Gruppen genannt: 1. Die bevorzugte Klasse umfasst die Alkali- (vor zugsweise Natrium-)salze von Carboxymethyl zellulose.



  2. Hydroxyäthylzellulose und 3. Methylzellulose.



   Die chemische Natur und die Eigenschaften dieser Zellulosederivate sind allgemein bekannt, so dass eine weitere Beschreibung nicht erforderlich ist. Anstelle der Zellulosederivate oder zusätzlich zu diesen können die entsprechenden Stärkederivate angewandt werden. Die Derivate existieren mit einer Vielzahl von Viskositätswerten, nicht nur in Abhängigkeit von dem Substitutionsgrad der angeführten funktionellen Gruppen (wie Carboxymethyl) anstelle der Hydroxylgruppen, sondern auch von dem Grad der Polymerisation (oder Depolymerisation) der Zellulose. Es können auch gemischte Derivate sowie auch Mischungen von Derivaten angewandt werden.



   Wie das Beispiel zeigt, wird ein wesentlicher und unerwarteter synergistischer Effekt erzielt durch gewisse Kombinationen der beiden beschriebenen Klassen von Hilfsmitteln. Solche Kombinationen ermöglichen die Herstellung von Asphaltbitumenemulsionen mit einer unerwartet hohen Viskosität bei einem bestimmten Bitumengehalt. Hierdurch wird die Produktion von Asphaltbitumenemulsionen ermöglicht, die bei einem bestimmten Bitumengehalt eine in grossem Umfang variierende Viskosität aufweisen. Hinsichtlich der technischen Verwertung solcher Emulsionen ist es auch von Bedeutung, dass durch die vorliegende Erfindung die gleichzeitige Erzielung der Viskositätsanforderungen und der Anforderungen in bezug auf den Bitumengehalt entsprechend den zahlreichen Vorschriften für solche Bitumenemulsionen ermöglicht wird.



   Zusätzlich zu den Verdickungsmitteln, nämlich Ton und in Wasser dispergierbaren Zellulosederivaten, enthalten die erfindungsgemässen Emulsionen auch ein Emulgierungsmittel. Es gibt zahlreiche geeignete solche Mittel; die am günstigsten wirkenden sind die in Wasser dispergierbaren Seifen. Besonders zweckmässg besteht der Emulgator aus einer Alkaliseife höherer Fettsäuren. Die höheren Fettsäuren können Gemische von Säuren umfassen, die in natürlich auftretenden Produkten, wie Tallöl, Fischöle, pflanzliche Öle und dergleichen   vorliegen.    Normalerweise sind die Seifen Natrium- oder Kaliumseifen  einer oder mehrerer Säuren, wie Laurin-, Myristin-, Palmitin-, Stearin-, Öl-, Rizinol-, Linol- oder Linolensäure, sowie Gemische solcher Säuren.

   Andere geeignete Säuren sind erhältlich aus Kokosnussöl, Palmkernöl, Maisöl, Baumwollsaatöl, Sardinenöl, Sojabohnenöl oder Erdnussöl. Es kommen auch die Säuren von teilweise oder vollständig hydrierten, tierischen und pflanzlichen Ölen zusätzlich oder ansteile anderer Säuren in Betracht, sowie die Carbonsäuren, die   hergestdlt    worden sind durch Oxydation von Erdöl oder Paraffinwachs und dergleichen.



   In Wasser lösliche Emulgierungsmittel werden vorzugsweise angewandt in Mengen zwischen etwa    0,25 und 2  0 ;, berechnet auf das Gewicht der wäss-    rigen Phase.



   Emulsionen, die normalerweise den Anforderungen der Praxis entsprechen, enthalten zwischen etwa 55 und 70   Ges. %    an Asphaltbitumen und haben eine Viskosität zwischen etwa 20 (SSF) Sekunden nach Seibold Fufurol bei 250 und etwa 450 Sekunden nach Seibold (Furfurol) bei 500. Solche Emulsionen werden gewöhnlich in zwei Gruppen eingereiht und werden normalerweise betrachtet als rasch absitzende Emulsionen oder sogenannte RS (Rapide setting)-Emulsionen.

   Nach den Vorschriften der Verbraucher werden RS-1- und RS-2-Emulsionen unterschieden.   RS-l-Emulsionen    werden gewöhnlich durch die Abnahmevorschriften beschränkt auf solche Emulsionen, die bei 250 eine Viskosität zwischen 20 und 100 (Seibold Furfurol) aufweisen, während gleichzeitig der Gehalt an Asphaltbitumen zwischen 57 und 62   Ges.%    (berechnet auf die Gesamtemulsion) gehalten werden muss. RS-2-Emulsionen sind gewöhnlich beschränkt auf solche Produkte, in welchen die Viskosität bei 500 zwischen etwa 100 und 400 Sekunden (Seibold Furfurol) liegt, während die Produkte einen Asphaltbitumengehalt zwischen etwa 62 und 69   Ges. %    aufweisen.



   Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Asphaltbitumina weisen normalerweise eine Penetration zwischen etwa 20 und etwa 30 bei 250 und einen Ring-Kugel-Erweichungspunkt zwischen etwa 100 und etwa 130 auf. Das asphaltische Bitumen wird gewöhnlich erwärmt auf etwa 120 bis 1600, so dass es leichtflüssig ist, und wird dann in eine Kolloidmühle übergeführt, in welcher es einer starken scherenden Wirkung zusammen mit der das Emulgierungsmittel enthaltenden Wasserphase unterworfen wird.



   Es wurden Emulsionen hergestellt, welche 1,5   Ges. %    Tallöl mit wechselnden Mengen Natriumhydroxyd mit und ohne Bentonit und bzw. oder Natriumcarboxymethylzellulose enthielten, wie in der Tabelle angegeben. Der Gehalt der Emulsion an Asphaltbitumen wurde auf 65   Ges. %    gehalten. Die verwendete Menge des Natriumhydroxyds betrug 75 % der Tallölsäuren. Die verwendete Menge des Na  triumhydroxyds    war so gross, dass   75%    der Tallölsäuren durch das Hydroxyd auf einen pH-Wert von 10 neutralisiert wurden. Bei dem pH-Wert 11 waren im wesentlichen äquivalente Mengen des Natriumhydroxyds und Tallölsäuren vorhanden und bei einem pH-Wert von 11,5 lag ein   25% der    Überschuss an Hydroxyd gegenüber den Säuren vor.

   Bei alkalischen Werten der wässrigen Phase der Emulsionen unter pH 10 waren die Emulsionen äusserst unbeständig, während bei einem pH derselben über 11,2 kein ersichtlicher synergistischer Effekt durch die Kombination von Ton mit Natriumcarboxyzellulose erzielt wurde.



   Aus der Tabelle ergibt sich, dass die zur Regelung der Viskosität verwendeten Zusatzmittel mengenmässig genug waren, so dass die Emulsionen den Vorschriften, welche bezüglich der RS-2-Emulsionen aufgestellt wurden, nicht zu   widerlaufen.    Der Zusatz von   1 %    Bentonit zu den drei verschiedenen Emulsionen verursachte nur eine unbedeutende Steigerung in der Viskosität der Emulsionen. Die Änderung in der Viskosität war vollkommen ungenügend im Hinblick auf die Vorschriften für RS-2-Emulsionen. Bei Anwendung von 0,25   Ges. %    Natriumcarboxyzellulose in Abwesenheit von Ton wurde nur eine mässige Steigerung in der Viskosität der Emulsion festgestellt.



  Die Kombination von Ton mit der Natriumcarboxymethylzellulose führte jedoch zu einem vollständig unerwarteten synergistischen Effekt hinsichtlich der Emulsionsviskosität, wenn der pH-Wert 10,0 bzw.



  11,0 betrug. Bei dem höheren pH-Wert   (11,5),    bei welchem überschüssiges Natriumhydroxyd vorhanden war, war der synergistische Effekt von allzu geringer Grössenordnung, um praktisch interessant zu sein.



   Tabelle
Konzentration in Gew. % Emulsionsviskosität bei 500 (SSF) Betonit Natriumcarboxymethylzellulose pH   11,5    pH 11,0 pH 10,0
22 22 22
1,0   -    23 27 33    - 0,25    88 110 135
1,0 0,25 115 160 220
Es hat sich dennoch gezeigt, dass der synergistische Effekt bezüglich der Emulsionsviskosität praktisch uninteressant wird, wenn die asphaltischen Bitumenemulsionen mehr als etwa   10%    Überschuss an freier Base über die zur Neutralisation der Fettsäuren erforderliche Menge hinaus enthalten. Anderseits sind  die Emulsionen ausserordentlich unbeständig, wenn sie mehr als etwa   10%    unverseifte Fettsäuren enthalten.



   Die Asphaltbitumenemulsionen gemäss vorliegender Erfindung können auch noch Bestandteile enthalten, die hier nicht ausdrücklich angeführt worden sind. Es hat sich jedoch als unerwünscht gezeigt, den Emulsionen faserige Füllstoffe und dergleichen einzuverleiben, wenn die Mengen dieser Stoffe so gross sind, dass sie mehr als etwa 2   Ges. %    Asche in dem Gemisch ergeben. Solche Stoffe können die charakteristischen Eigenschaften der Emulsionen in solchem Ausmasse verändern, dass sie für die Herstellung von Überzügen bzw. Strassendecken unbrauchbar sind. Ausserdem wird durch übermässige Anwendung solcher faseriger Füllstoffe (z. B. Asbest) die die Viskosität steigernde Wirkung im Sinne der vorliegenden Erfindung beeinträchtigt.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Asphaltbitumenemulsion vom Öl-in-Wasser-Typ, welche ein Emulgierungsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Phase einen pH-Wert im Bereich von 10,0-11,2 aufweist und einen in Wasser quellbaren Ton enthält, sowie ein in Wasser dispergierbares Polysaccharidderivat, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen Ton und Polysaccharidderivat zwischen 6:1 und 2:1 liegt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Emulsion nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des in der wässrigen Phase enthaltenen Tons weniger als 2 Ges. %, berechnet auf das asphaltische Bitumen, beträgt.

   2. Emulsion nach Patentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in der wässrigen Phase enthaltene Ton ein Basenaustauschvermögen zwischen 15 und 100 Milliäquivalenten pro 100 g beträgt.

   3. Emulsion nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der wässrigen Phase enthaltene Ton ein Bentonitton ist.

   4. Emulsion nach Patentanspruch und einem der Unteransprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysaccharidderivat eine Alkalimetallverbindung von Carboxymethylzellulose ist.

   5. Emulsion nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,25 bis 2 Ges.% eines Emulgierungsmittels, berechnet auf die Wasserphase, enthält.

   6. Emulsion nach Patentanspruch und Unteranspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Emulgierungsmittel eine in Wasser dispergierbare Alkaliseife ist.

   7. Emulsion nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Emulgierungsmittel ein Alkalisalz einer höheren Fettsäure ist.

   8. Emulsion nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie 55 bis 70 Ges. % Asphaltbitumen enthält.

   9. Emulsion nach Patentanspruch und Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Asphaltbitumen bei 250 eine Penetration zwischen 20 und 300 und einen Ring-Kugel-Erweichungspunkt zwischen 38 und 540 hat.