KR101123783B1 - 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제 및 이를 사용한 아스팔트와 아스팔트 혼합물의 제조방법 - Google Patents

셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제 및 이를 사용한 아스팔트와 아스팔트 혼합물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 ⅰ) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체; ⅱ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 60 중량부의 점착성 부여 수지; ⅲ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 40 중량부의 프로세스 오일; ⅳ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 20 ~ 100 중량부의 폴리에틸렌 왁스; ⅴ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 50 중량부의 점도 개선제; 및 ⅵ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 30 ~ 150 중량부의 셀룰로스 파이버를 포함하는 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제, 이를 사용한 아스팔트 및 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 이용함으로써 아스팔트에 대한 분산성이 향상되고, 아스팔트의 드레인다운 현상을 효과적으로 억제하면서도, 섬유 첨가제의 사용량을 최소화하고 별도 투입에 따른 비용 문제를 개선할 수 있다. 또한, 물성 저하 없이, 아스팔트 혼합물의 제조 및 다짐 온도를 효율적으로 낮출 수 있어, 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 등의 유해가스 배출량을 최소화시킬 수 있다.

Description

셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제 및 이를 사용한 아스팔트와 아스팔트 혼합물의 제조방법{POLYMER MODIFIED WARM-MIX ASPHALT ADDITIVE, ASPHALT USING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING WARM-MIX ASPHALT MIXTURE USING THE SAME}
본 발명은 분산 시간을 단축시키고, 아스팔트의 드레인다운 현상을 방지하고, 아스팔트 혼합물의 제조 및 포장 온도를 낮출 수 있는 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제 및 이를 사용한 아스팔트와 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것이다.
아스팔트 혼합물(Asphalt Mixture)은 통상 아스콘으로 불리며, 아스팔트 믹싱 플랜트(Asphalt Mixing Plant)에 아스팔트(asphalt), 골재(aggregate), 채움재(mineral filler) 등을 투입한 후, 이러한 재료들을 160 ~ 180℃의 고온으로 가열하는 과정을 통해 제조된 후, 도로에서의 포설 및 다짐 공정에서 상온으로 냉각되는 과정을 거치게 된다.
따라서, 고온 가열을 위하여 많은 에너지가 필요할 뿐만 아니라, 아스팔트 혼합물의 제조 및 시공 중에도 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 등의 유해가스 배출량이 많아지는 문제가 있다. 또한, 도로 포장시 고온의 아스팔트 혼합물을 상온으로 냉각하는데 많은 시간이 소요되므로, 그만큼 교통개방시간이 지연되는 문제와 함께, 작업자들이 안전사고의 위험에 노출된다는 문제가 있다.
최근에는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 아스팔트의 물성 저하 없이, 종래 가열 아스팔트 혼합물(Hot-Mix Asphalt Mixture; HMA)에 비하여 20 ~ 40℃ 낮은 온도에서 아스팔트 혼합물을 혼합 및 다짐하는 중온 아스팔트 혼합물(Warm-Mix Asphalt Mixture; WMA)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 더욱 개선된 성능을 갖는 중온 아스팔트 혼합물용 중온화 첨가제의 개발이 요구되고 있다.
한편, 아스팔트는 상온에서 흑색을 띄며, 반고체 상태의 점성이 매우 높은 재료로, 그 단단한 정도를 기준으로 하여 여러 등급으로 구분되며, ASTM D946의 아스팔트 침입도 시험결과와 ASTM D6373의 PG 등급을 이용하여 아스팔트를 분류할 수 있다.
아스팔트는 온도에 따라 상이한 특성을 나타내는데, 고온에서는 점성이 높게 되어 유연하게 되는 반면 저온에서는 단단해져서 잘 깨지는 특성을 가지게 된다. 따라서, 이와 같은 특성을 갖는 아스팔트로 아스콘을 제조하여 도로에 시공을 하는 경우, 여름철과 같이 대기 온도가 상승하게 되면 아스콘의 고온 소성이 발생하게 되고, 겨울철과 같이 대기 온도가 낮아지게 되면 아스콘의 저온 균열을 유발하는 문제가 있다.
이러한 아스팔트의 온도 특성을 개선하기 위하여 아스팔트에 각종 첨가제를 혼합하여 물성을 향상시킨 개질 아스팔트가 널리 이용되고 있다. 도로용 개질 아스팔트를 제조하는 방법은 대형 용융설비에서 아스팔트에 펠렛이나 크럼 형태의 첨가제를 투입하여 고온에서 용융시킨 후, 아스콘 공장 등으로 이송하여 골재와 아스팔트를 혼합하는 습식 타입, 및 아스콘 공장에서 골재와 아스팔트를 혼합할 때 첨가제를 투입하여 아스콘을 제조하는 건식 타입으로 구분될 수 있다.
습식 타입의 경우 대량 생산에 적합하므로 도로 포장에 일반적으로 많이 이용된다. 그러나 이송 거리가 먼 경우, 아스팔트가 노화되어 성능 저하를 발생시킬 수 있고, 포장 구간이 짧아 아스팔트를 소량 사용하는 경우에는 공정 운영상 적합하지 않고, 저장이나 이송 중에 첨가제와 아스팔트가 분리되는 상분리 현상이 일어날 수 있다.
건식 타입의 경우, 저장 공정이 없으므로 상분리 현상 및 제조과정에서 고온에 의한 물성 저하를 최소화시킬 수 있으며, 습식 타입의 적용이 어려운 짧은 구간의 포장, 접근성이 용이하지 않은 도로 포장, 도로 유지 보수 및 배수성과 같은 특수 아스팔트 포장에 많이 이용될 수 있다. 특히, 건식 타입의 경우에는 공정상 첨가제가 아스팔트에 단시간에 분산되는 것이 중요하나, 현재 이용되는 아스팔트의 물성 향상을 위한 첨가제들은 분산속도에 한계가 있다. 따라서, 아스팔트 혼합물의 건식 혼합에 유용하게 이용될 수 있는 분산성이 향상된 첨가제 개발이 필요하다.
한편, 굵은 골재를 사용하여 비가 올 때 도로 표면이 물이 고이는 것을 방지하는 배수성 아스팔트 포장 공법 또는 골재 간의 맞물림을 이상적으로 구성시켜 소성변형에 대한 저항성을 높이고 균열 발생의 지연을 유도하는 쇄석 매스틱 아스팔트(Stone Mastic Asphalt, 이후 'SMA'로도 지칭함) 포장 공법 등에 있어서는, 아스팔트가 골재에서 흘러내리는 "드레인다운(Drain-Down)" 현상에 의하여, 시공 후 골재가 아스팔트로부터 탈리되는 문제가 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 셀룰로스 파이버가 주성분인 섬유 첨가제, 예를 들어, 독일 JRS사에서 판매하고 있는 "VIOTOP" 및 한국 에스에스산업에서 판매하고 있는 "아스콘셀" 등이 이용되고 있다.
그러나 이와 같은 섬유 첨가제를 이용하여 중온 아스팔트 혼합물을 생산하는 경우, 첨가제 별도 투입에 따른 추가 인력 투입 및 설비 투자로 아스콘 생산의 제조비용이 상승하는 문제가 있다.
그러므로 개질 아스팔트 혼합물의 건식 혼합에 적용될 수 있도록 분산 속도가 빠르고, 아스팔트의 드레인다운 현상을 효과적으로 억제하면서도, 섬유 첨가제의 사용량을 최소화하고 별도 투입에 따른 비용 문제를 개선하고, 저온 물성 저하를 방지하여, 아스팔트와 골재의 혼합 및 다짐 온도를 효율적으로 낮출 수 있는 중온화 첨가제, 이를 사용한 아스팔트의 개발이 요구된다.
본 발명은 분산성이 우수하여 섬유 첨가제 사용량을 최소화하고, 아스팔트의 드레인다운 현상을 억제하며, 공정상의 복잡성을 해결하고, 저온 물성 저하를 방지하여 아스팔트와 골재의 혼합 및 다짐 온도를 효율적으로 낮출 수 있는 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제 및 이를 사용한 아스팔트와 아스팔트 혼합물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제는 ⅰ) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체; ⅱ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 60 중량부의 점착성 부여 수지; ⅲ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 40 중량부의 프로세스 오일; ⅳ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 20 ~ 100 중량부의 폴리에틸렌 왁스; ⅴ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 50 중량부의 점도 개선제; 및 ⅵ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 30 ~ 150 중량부의 셀룰로스 파이버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 제조방법은 ⅰ) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여, 5 ~ 60 중량부의 점착성 부여 수지, 5 ~ 40 중량부의 프로세스 오일, 20 ~ 100 중량부의 폴리에틸렌 왁스, 5 ~ 50 중량부의 점도 개선제, 및 30 ~ 150 중량부의 셀룰로스 파이버를 용융 혼합하는 단계; 및 ⅱ) 상기 ⅰ) 단계에서 형성된 용융 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트는 ⅰ) 상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제 3 ~ 20 중량%; 및 ⅱ) 아스팔트 80 ~ 97 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법은 ⅰ) 상기 방법에 따라 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 제조하는 단계; 및 ⅱ) 상기 중온화 첨가제를 아스팔트 및 골재와 용융 혼합하는 단계를 포함하며, 상기 아스팔트와 상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 중량 비율은 80:20 ~ 97:3의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 이용함으로써 아스팔트에 대한 분산성이 향상되어 아스팔트 혼합물의 건식 혼합에 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 아스팔트의 드레인다운 현상을 효과적으로 억제하면서도, 섬유 첨가제의 사용량을 최소화하고 별도 투입에 따른 비용 문제를 개선할 수 있다.
나아가, 물성 저하 없이, 아스팔트 혼합물의 제조 및 다짐 온도를 효율적으로 낮출 수 있어, 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 등의 유해가스 배출량을 최소화시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제는 ⅰ) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체; ⅱ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 60 중량부의 점착성 부여 수지; ⅲ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 40 중량부의 프로세스 오일; ⅳ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 20 ~ 100 중량부의 폴리에틸렌 왁스; ⅴ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 50 중량부의 점도 개선제; 및 ⅵ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 30 ~ 150 중량부의 셀룰로스 파이버를 포함한다.
본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제에 포함되는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 온도에 따른 아스팔트의 물성을 향상시키기 위한 아스팔트 개질제로서 이용된다.
스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 당업계에서 일반적으로 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않고 이용될 수 있으나, 선형 또는 가지형의 공중합체로서 중량 평균 분자량이 50,000 ~ 130,000 g/mol인 것이 바람직하며, 65,000 ~ 95,000 g/mol인 것이 더욱 바람직하다. 중량 평균 분자량이 50,000 g/mol 미만인 경우에는 아스팔트 개질 효과가 충분하지 않고, 130,000 g/mol을 초과하는 경우에는 점도 및 상전이온도가 지나치게 높아져 아스팔트 혼합물 제조 온도 범위에서 아스팔트에 용융시키기 어렵다.
스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 스티렌 함량은 10 ~ 50 중량%인 것이 바람직하며, 20 ~ 45 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 스티렌 함량이 10 중량% 미만인 경우 탄성이 부족하여 아스팔트 개질 시에 연화점 등의 물성이 저하디고, 50 중량%를 초과하는 경우에는 플라스틱 성질이 강하게 되어 아스팔트 개질 효과가 충분치 않은 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제에 포함되는 점착성 부여 수지는 아스팔트 혼합물 제조 시에 아스팔트와 골재 간의 접착력을 높여 아스팔트 혼합물의 물성을 향상시키는 역할을 한다.
점착성 부여 수지는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 60 중량부 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 점착성 부여 수지의 양이 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만인 경우에는 아스팔트 혼합물 제조 시에 아스팔트와 골재 간의 접착력이 약해지고, 60 중량부를 초과하는 경우에는 응집 현상이 발생하여 가공이 어려워지고, 추가적인 가공비 상승을 초래하게 된다.
점착성 부여 수지는 방향족 탄화수소계 석유수지, 지방족 탄화수소계 석유수지, 디시클로펜타디엔계 석유수지, 폴리부텐, 쿠마론-인덴 수지, 폴리터펜 수지, 터펜 페놀 수지, 로진, 로진 에스터, 및 이들의 수소 첨가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
특히, 아스팔트와 골재 간의 접착력을 높여 물성을 향상시키는 측면에서, 연화점이 70 ~ 170℃인 방향족 탄화수소계 석유수지를 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제에 포함되는 프로세스 오일은 가공 보조제로서 이용되며, 방향족 프로세스 오일, 파라핀 프로세스 오일 또는 그 혼합물이 이용될 수 있다.
프로세스 오일은 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 40 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 프로세스 오일의 양이 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만인 경우에는 가공 시에 흐름성이 낮아 아스팔트에의 용해성이 떨어지며, 40 중량부를 초과하는 경우에는 아스팔트 혼합물의 점도 및 연화점 등의 특성이 저하될 수 있다.
본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제에 포함되는 폴리에틸렌 왁스는 왁스의 용융 온도 이상에서 아스팔트의 점도를 급격하게 떨어뜨리고, 용융 온도 이하에서는 고화되는 특성이 있어 중온 아스팔트 혼합물의 성능을 증진시키기 위한 첨가제로서 사용된다.
폴리에틸렌 왁스는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 20 ~ 100 중량부의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 폴리에틸렌 왁스의 양이 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 20 중량부 미만인 경우에는 아스팔트 혼합물에 대한 중온화 효과가 발휘되기 어렵고, 100 중량부를 초과하는 경우에는 아스팔트 혼합물의 저온 물성이 저하된다.
폴리에틸렌 왁스는 융점이 95 ~ 125℃이고, 140℃에서의 용융점도가 80 ~ 400 cPs인 것이 바람직하다.
폴리에틸렌 왁스의 융점이 95℃ 미만인 경우에는 아스팔트와 혼합시에 아스팔트의 강성이 약해질 수 있고, 융점이 125℃를 초과하는 경우에는 중온 아스팔트 혼합물 제조시 아스팔트에 충분히 분산되지 않아 물성 저하의 우려가 있다.
또한, 폴리에틸렌 왁스의 140℃에서의 용융점도가 80 cPs 미만인 경우에는 고온 물성이 약화되어 도로 포장용 아스팔트로서 부적합하며, 140℃에서의 용융점도가 400 cPs을 초과하는 경우에는 아스팔트의 점도가 지나치게 높아져 중온 아스팔트 혼합물 제조 및 포장 시에 공정이 제대로 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제에 포함되는 점도개선제는 폴리에틸렌 왁스의 중온화 기능을 강화시키고, 아스팔트의 저온 물성 저하를 방지하며, 첨가제의 분산 속도를 증가시키는 역할을 한다.
점도개선제는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 50 중량부 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 점도개선제의 양이 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 중량부 미만인 경우에는 아스팔트의 저온 물성 개선 및 점도 개선 효과가 미미하고, 50 중량부를 초과하는 경우에는 아스팔트의 고온 물성을 저하시키게 된다.
점도개선제는 스테아린산, 팜 왁스, 팜 오일, 파라핀 왁스, 폴리올레핀 왁스 및 지방산 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
팜 왁스는 야자 열매에서 추출한 식물성 야자유에서 얻은 왁스를 수첨 공정을 통해 얻은 팜 왁스인 것이 바람직하며, 용융 온도는 55 ~ 65℃이다.
파라핀 왁스는 용융 온도가 50 ~ 65℃이며, 100℃에서의 용융점도가 1 ~ 10 cst인 것이 바람직하다.
폴리올렌핀 왁스는 융점이 60 ~ 115℃이고, 140℃에서의 용융점도가 10 ~ 80 cPs인 것이 바람직하다.
지방산 금속염은 아스팔트의 저온 물성 개선 및 점도 개선 효과를 최대화하고, 고온 물성 저하를 방지하는 측면에서 스테아린산 칼슘, 스테아린산 아연 및 스테아린산 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
또한, 지방산 금속염은 융점이 120 ~ 150℃인 것이 바람직하다.
본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제에 포함되는 셀룰로스 파이버는 아스팔트가 골재로부터 흘러 내리는 드레인다운 현상을 억제하여, 아스팔트 혼합물의 물성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
셀룰로스 파이버는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 30 ~ 150 중량부의 양으로 포함되는 것이 바람직하다. 셀룰로스 파이버의 양이 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 30 중량부 미만인 경우에는 아스팔트의 드레인다운 현상을 효과적으로 억제할 수 없거나, 또는 동등한 효과를 얻기 위하여 요구되는 첨가제의 함량이 지나치게 증가하게 되고, 150 중량부를 초과하는 경우에는 셀룰로스 파이버를 별도 투입하는 것에 의한 장점을 기대할 수 없고, 첨가제를 펠렛 형태로 성형하는 것이 어려워지며, 점도가 높아져 아스팔트 혼합물의 다짐 및 시공이 되지 않는 문제가 발생한다.
셀룰로스 파이버는 길이가 0.01 ~ 8 ㎜이고, 두께가 7 ~ 80 ㎛이며, 중량 평균 길이가 1.5 ~ 3 ㎜/g인 셀룰로스 단섬유일 수 있다.
셀룰로스 단섬유의 길이가 0.01 ㎜ 미만인 경우에는 섬유의 엉김 현상이 현저하게 저하되어 첨가제를 펠렛 형태로 성형하는 것이 어려워지고, 8 ㎜를 초과하는 경우에는 섬유의 엉김 현상이 지나치게 커지기 때문에 첨가제 제조시 설비에 과부하가 걸리는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 셀룰로스 단섬유의 두께가 80 ㎛를 초과하는 경우에는 단섬유의 표면적이 감소하여 아스팔트 흡수 효과가 떨어진다.
셀룰로스 단섬유는 천연 펄프, 재생지 또는 폐지를 해머 크러셔(hammer crusher) 등에 의하여 건식으로 분쇄하고 기계적으로 가공함으로써 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제는 산화방지제, 열안정제, 대전방지제 및 활제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 제조방법은 ⅰ) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여, 5 ~ 60 중량부의 점착성 부여 수지, 5 ~ 40 중량부의 프로세스 오일, 20 ~ 100 중량부의 폴리에틸렌 왁스, 5 ~ 50 중량부의 점도 개선제, 및 30 ~ 150 중량부의 셀룰로스 파이버를 용융 혼합하는 단계; 및 ⅱ) 상기 ⅰ) 단계에서 형성된 용융 혼합물을 성형하는 단계를 포함한다.
ⅰ) 단계의 용융 혼합은 110 ~ 160℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.
용융 혼합은 당업계에 공지된 폴리머 용융 혼합 설비를 이용하여 이루어질 수 있고, 예를 들어 단축 또는 이축 압출기, 니더 및 Intensive Mixer(밤바리 믹서) 등을 이용할 수 있다.
성형 단계는 당업계에 공지된 일반적인 방법을 이용하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어 용융 혼합물을 냉각하고 압착한 후 펠렛 형태로 절단함으로써 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트는 ⅰ) 상기 본 발명에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제 3 ~ 20 중량%; 및 ⅱ) 아스팔트 80 ~ 97 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 아스팔트로서는 일반적으로 도로 포장에 이용되는 어떠한 아스팔트도 이용가능하다. 아스팔트는 일반적으로 ASTM D946에 의한 침입도 시험결과에 따라 분류될 수 있다. 구체적으로, 아스팔트의 침입도는 표준 침을 기준 온도에서 규정된 하중 및 시간 동안 아스팔트에 관입시켜, 그 관입량을 아스팔트의 침입도로 규정한다. 침입도는 25℃에서 아스팔트의 경도를 나타내는 값으로서, 아스팔트에 규정된 침의 바늘로 100 g의 힘으로 5초 동안 눌렀을 때, 침의 관입 깊이를 0.1 ㎜ 단위로 나타내며, 이 값이 작을수록 단단한 아스팔트를 의미한다. 현재 국내에서 생산되는 대표적인 도로 포장용 아스팔트는 침입도 85 ~ 100(AP-3) 및 침입도 60 ~ 70(AP-5) 등급이다.
본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트에 포함되는 아스팔트의 함량은 80 ~ 97 중량%이고, 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 함량은 3 ~ 20 중량%인 것이 바람직하다. 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 함량이 3 중량% 미만인 경우에는 드레인다운 개선 효과 및 중온화 효과가 미미하며, 20 중량%를 초과하는 경우에는 점도가 지나치게 높아져서 중온화 효과를 얻을 수 없기 때문에 원하는 중온 포장 온도에서 다짐이 이루어지지 않거나 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법은 ⅰ) 제14항의 방법에 따라 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 제조하는 단계; 및 ⅱ) 상기 중온화 첨가제를 아스팔트 및 골재와 용융 혼합하는 단계를 포함한다.
아스팔트와 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 중량 비율은 80:20 ~ 97:3의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 아스팔트와 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 8.0:92.0의 범위인 것이 바람직하다.
셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 아스팔트 및 골재와 용융 혼합하는 단계는 130 ~ 150℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 이용함으로써 아스팔트에 대한 분산성이 향상되고, 아스팔트의 드레인다운 현상을 효과적으로 억제하면서도, 섬유 첨가제의 사용량을 최소화하고 별도 투입에 따른 비용 문제를 개선할 수 있다.
나아가, 물성 저하 없이, 아스팔트 혼합물의 제조 및 다짐 온도를 효율적으로 낮출 수 있어, 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 등의 유해가스 배출량을 최소화시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
(1) 실험재료
AP: 침입도 등급 60~80(침입도 70)인 아스팔트.
SBS: 중량 평균 분자량이 90,000 g/mol이고, 스티렌 함량이 33 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체.
SBS-H: 중량 평균 분자량이 180,000 g/mol이고, 스티렌 함량이 33 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체.
점착성 부여 수지: 연화점이 110℃인 방향족 탄화수소계 석유수지.
프로세스 오일: 40℃에서의 동점도가 100 cSt인 파라핀계 오일.
셀룰로스 파이버: 길이가 0.01 ~ 8 ㎜, 두께가 7 ~ 80 ㎛, 중량 평균 길이가 3 ㎜/g 인 셀룰로스 단섬유.
PE 왁스: 융점이 114℃, 140℃에서의 점도가 200 cPs, 비중이 0.93인 폴리에틸렌 왁스
팜 왁스: 융점이 60℃, 140℃에서의 점도가 6 cPs인 야자열매로부터 추출하여 수첨한 팜 왁스.
VIATOP: 인성산업으로부터 시판되는 SMA 및 배수성 및 특수 아스콘용 섬유 첨가제.
(2) 펠렛 제조 및 평가
하기 표 1 및 2에 나타낸 구성성분 및 조성비에 따라 각 재료들을 110 ~ 160℃의 온도에서 용융 혼합하고, 펠렛 형태로 성형하여 첨가제를 제조하였다. 펠렛 제조 과정에서 펠렛 형태로 성형이 되면 합격, 펠렛 형태로 성형되지 않으면 불합격으로 판정하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
SBS 100 100 100 100
점착성 부여 수지 30 30 30 30
프로세스 오일 20 20 20 20
PE 왁스 50 50 50 70
팜 왁스 20 20 40 20
셀룰로스 파이버 60 100 100 100
펠렛 제조 합격 합격 합격 합격
(각 성분의 함량은 SBS 100 중량부에 대한 각 성분의 중량부로 나타낸 것이다.)
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
SBS 100 - 100 100
SBS-H - 100 - -
점착성 부여 수지 30 30 30 30
프로세스 오일 20 20 20 20
PE 왁스 50 50 0 50
팜 왁스 20 40 0 40
셀룰로스 파이버 0 100 100 200
펠렛 제조 합격 합격 합격 불합격
(각 성분의 함량은 SBS 또는 SBS-H 100 중량부에 대한 각 성분의 중량부로 나타낸 것이다.)
상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 3의 경우 첨가제가 펠렛 형태로 양호하게 만들어졌으나, 셀룰로스 파이버 양이 많은 비교예 4의 경우 첨가제가 펠렛 형태로 만들어지지 않았다.
(3) 분산성(용해성) 평가
제조된 첨가제 중에서 펠렛 크기가 2 ~ 3 ㎜ 범위인 동일한 것을 선별하였다. 침입도 70인 아스팔트를 150℃의 온도로 가열한 후, 상기에서 제조한 첨가제를 10 중량% 및 15 중량% 함량으로 용융시켜 용해 속도를 측정함으로써 분산성을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 3 및 4에 나타낸다.
첨가제 함량 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
10 중량% 55분 40분 35분 40분
15 중량% 65분 50분 45분 45분
첨가제 함량 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4
10 중량% 90분 85분 65분 -
15 중량% 95분 90분 75분 -
표 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 용해 속도가 비교예 1 내지 3보다 빨랐다. 실시예 1 내지 4의 결과를 보면, 셀룰로스 파이버 및 점도 개선제의 함량이 클수록 용해 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있다.
한편, 셀룰로스 파이버가 함유되지 않은 비교예 1의 경우, 셀룰로스 파이버가 함유된 실시예 1 내지 4보다 용해 속도가 느렸으며, 특히 분자량이 큰 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체를 사용한 비교예 2의 경우 용해 속도가 매우 느렸다. 비교예 4는 펠렛으로 만들어지지 않아 용해 속도를 측정하지 않았다.
(4) 아스팔트 혼합물 평가
아스팔트 혼합물 평가를 위하여 상기에서 제조된 첨가제를 아스팔트 및 골재와 용융 혼합하여 아스팔트 혼합물을 제조하였다. 골재는 SMA 포장에 사용되는 13 ㎜ 골재를 사용하였으며, 아스팔트 함량은 아스팔트 혼합물의 6.3%로 하였다.
중온화 효과 확인을 위하여, 실시예 1, 2 및 비교예 1, 3에서 얻어진 첨가제를 이용할 경우에는 150℃에서 혼합물을 제조한 후 다짐을 하였고, 비교예 3에서 얻어진 첨가제를 이용할 경우에는 180℃에서 혼합물을 제조한 후 다짐을 하여 비교하였다.
드레인다운 효과를 확인하기 위하여, 비교예 1의 첨가제를 사용할 때 시판되는 섬유 첨가제인 VIATOP을 함께 사용하였으며, 그 양은 실시예 1 및 비교예 1 중의 셀룰로스 파이버 양이 동일하게 되도록 첨가하였다.
아스팔트 혼합물의 다짐 성능 평가는 다짐 후 공극율을 측정하였으며, 드레인다운 평가는 각 혼합물의 다짐 온도에서 KS F 2489 시험법으로 평가하였다.
하기 표 5에 아스팔트 혼합물의 조성 및 측정값을 나타낸다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
혼합물 제조 온도(℃) 150 150 150 150 180
AP(중량%) 88 88 88 88 88
첨가제(중량%) 12 12 9.4 12 12
VIATOP(중량%) - - 2.6 - -
공극율(%) 2.8 3.0 2.9 다짐 안됨 2.9
드레인다운 시험값(%) 0.20 0.22 0.28 - 0.26
아스팔트 혼합물의 피로 균열 저항성을 평가하기 위해 AASHTO TP9 시험법에 따라 간접인장강도피로시험(Indirect Tensile Fatigue Test)을 수행하여 Nf 결과값을 측정하였다. 또한, 강도 특성을 평가하기 위해 KS F 2382 시험법에 의한 간접인장강도시험(Indirect Tensile Strength Test)을 수행하여 강도 특성을 평가하였다.
하기 표 6에 피로 균열 저항성 및 인장강도 측정값을 나타낸다.
실시예 1 실시예 2 비교예 3
혼합물 제조온도(℃) 150 150 180
시험 온도(℃) 25 25 25
첨가제 함량( 중량%) 12 12 12
피로 균열 저항성 평가(Nf) 25,002 26,313 20,448
간접인장강도(N/㎟) 1.2135 1.3412 1.1112
※ 간접인장피로시험: 아스팔트 혼합물에 대한 피로 저항력을 측정하여 피로에 대한 거동 특성을 평가하는 방법으로, 실제 도로 포장에서의 균열에 대한 저항성을 평가하는 시험으로 적용되고 있다. 여기서, Nf는 시편이 파괴될 때까지의 하중 횟수를 나타내며 균열에 대한 저항성을 평가할 수 있는 지표로서 사용된다.
상기 표 5에서와 같이, 중온화 효과를 확인하기 위하여 150℃에서 아스팔트 혼합물을 제조한 후 다짐을 하였을 때, 폴리에틸렌 왁스 및 점도 개선제가 포함되어 있지 않은 비교예 2는 다짐이 되지 않았다. 한편, 180℃에서 아스팔트 혼합물을 제조한 후 다짐을 한 비교예 3의 경우, 다짐 후 공극율이 150℃에서 혼합물을 제조한 후 다짐을 한 실시예 1 및 2와 유사하여 중온 효과를 가짐을 알 수 있었다.
또한, 첨가제 중에 셀룰로스 파이버 첨가에 의한 드레인다운 개선 효과를 확인하기 위하여, 실시예 1과 VIATOP을 별도로 투입한 비교예 1을 비교하면, 셀룰로스 파이버가 첨가제 내에 포함되어 있는 경우 별도로 셀룰로스 파이버를 첨가하지 않더라도 충분한 드레인다운 효과가 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 표 6에서와 같이 실시예 1 및 2가 피로 균열 저항성 및 간접인장강도 측면에서 비교예 3보다 우수한 것으로 나타났다. 특히, 실시예 2의 경우 첨가제의 첨가량이 동일함에도 불구하고 피로 균열에 대한 저항성 및 간접인장강도 측면에서 상대적으로 가장 높은 결과를 나타냈다. 이는 비교예 3에 비하여 포장의 피로 수명이 약 25% 증진되고, 균열에 대한 저항성은 약 15% 증가되는 것을 의미한다.
이와 같이 본 발명에 있어서는, 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 이용함으로써 아스팔트에 대한 분산성이 향상되고, 아스팔트의 드레인다운 현상을 효과적으로 억제하면서도, 섬유 첨가제의 사용량을 최소화하고 별도 투입에 따른 비용 문제를 개선할 수 있다. 또한, 본 발명의 첨가제를 첨가함으로써 포장의 수명을 약 15% 내지 약 25% 증진시키는 결과를 나타낼 수 있다. 또한, 물성 저하 없이, 아스팔트 혼합물의 제조 및 다짐 온도를 효율적으로 낮출 수 있어, 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 등의 유해가스 배출량을 최소화시킬 수 있다.

Claims (19)

  1. ⅰ) 중량 평균 분자량이 50,000 ~ 130,000 g/mol인 선형 또는 가지형의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체;
    ⅱ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 60 중량부의, 방향족 탄화수소계 석유수지, 지방족 탄화수소계 석유수지, 디시클로펜타디엔계 석유수지, 폴리부텐, 쿠마론-인덴 수지, 폴리터펜 수지, 터펜 페놀 수지, 로진, 로진 에스터, 및 이들의 수소 첨가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 점착성 부여 수지;
    ⅲ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 40 중량부의 프로세스 오일;
    ⅳ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 20 ~ 100 중량부의, 융점이 95 ~ 125℃이고, 140℃에서의 용융점도가 80 ~ 450 cPs인 폴리에틸렌 왁스;
    ⅴ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 5 ~ 50 중량부의, 스테아린산, 팜 왁스, 팜 오일, 파라핀 왁스, 폴리올레핀 왁스 및 융점이 120 ~ 150℃의 범위인 지방산 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 점도 개선제; 및
    ⅵ) 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 30 ~ 150 중량부의, 길이가 0.01 ~ 8 ㎜이고, 두께가 7 ~ 80 ㎛이며, 중량 평균 길이가 1.5 ~ 3 ㎜/g인 셀룰로스 단섬유인 셀룰로스 파이버를 포함하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 스티렌 함량이 10 ~ 50 중량%인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 점착성 부여 수지는 연화점이 70 ~ 170℃인 방향족 탄화수소계 석유수지인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세스 오일은 방향족 프로세스 오일, 파라핀 프로세스 오일 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀 왁스는 융점이 60 ~ 115℃이고, 140℃에서의 용융점도가 10 ~ 80 cPs인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지방산 금속염은 스테아린산 칼슘, 스테아린산 아연 및 스테아린산 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제.
  7. 제1항에 있어서,
    산화방지제, 열안정제, 대전방지제 및 활제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제.
  8. ⅰ) 중량 평균 분자량이 50,000 ~ 130,000 g/mol인 선형 또는 가지형의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여,
    5 ~ 60 중량부의 방향족 탄화수소계 석유수지, 지방족 탄화수소계 석유수지, 디시클로펜타디엔계 석유수지, 폴리부텐, 쿠마론-인덴 수지, 폴리터펜 수지, 터펜 페놀 수지, 로진, 로진 에스터, 및 이들의 수소 첨가물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 점착성 부여 수지,
    5 ~ 40 중량부의 프로세스 오일,
    20 ~ 100 중량부의 융점이 95 ~ 125℃이고, 140℃에서의 용융점도가 80 ~ 450 cPs인 폴리에틸렌 왁스,
    5 ~ 50 중량부의 스테아린산, 팜 왁스, 팜 오일, 파라핀 왁스, 폴리올레핀 왁스 및 융점이 120 ~ 150℃의 범위인 지방산 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 점도 개선제, 및
    30 ~ 150 중량부의 길이가 0.01 ~ 8 ㎜이고, 두께가 7 ~ 80 ㎛이며, 중량 평균 길이가 1.5 ~ 3 ㎜/g인 셀룰로스 단섬유인 셀룰로스 파이버를 용융 혼합하는 단계; 및
    ⅱ) 상기 ⅰ) 단계에서 형성된 용융 혼합물을 성형하는 단계를 포함하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계는 110 ~ 160℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 제조방법.
  10. ⅰ) 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제 3 ~ 20 중량%; 및
    ⅱ) 아스팔트 80 ~ 97 중량%를 포함하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트.
  11. ⅰ) 제8항의 방법에 따라 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 제조하는 단계; 및
    ⅱ) 상기 중온화 첨가제를 아스팔트 및 골재와 용융 혼합하는 단계를 포함하며,
    상기 아스팔트와 상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제의 중량 비율은 80:20 ~ 97:3의 범위인
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계는 130 ~ 150℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 아스팔트와 상기 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 8.0:92.0의 범위인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 고분자 개질 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
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