МОДИФИКАЦИЯ БИТУМА СЕРОЙ И НАТУРАЛЬНЫМ КАУЧУКОМ И ЕГО ИК-СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании для модификации битума использовались натуральный каучук 0,5-6% и сера20-50%. Натуральный каучук получали из корней растения одуванчика, корневую часть промывали водой, сушили при комнатной температуре и после экстрагирования органическими экстрактами получали желтый липкий каучук. Компоненты полученного натурального каучука и модифицированного битума анализировали по ИК-спектру.

ABSTRACT

In this study, for the modification of bitumen natural rubber and sulfur were used, and 0.5-6% natural rubber and 20-50% sulfur were used for modification. Natural rubber was obtained from the roots of the dandelion plant, the root part was washed with water, dried at room temperature, and after extraction with organic extracts, a yellow sticky rubber was obtained. The components of the obtained natural rubber and modified bitumen were analyzed by IR spectrum.

Ключевые слова: одуванчик, сернистый битум, каучук, гексан, бензол, ксилол.

Keywords: dandelion, sulfurous bitumen-rubber, hexane, benzene, xylene.

Введение. В последние годы дорожное покрытие быстро ухудшается из-за увеличения количества транспортных средств и интенсивности дорожного движения, а также из-за низкого качества дорожных ограждений. Одним из эффективных способов улучшения свойств дорожных вяжущих средств является дополнение битума полимерными добавками, способными расширять диапазон рабочих температур, повышать долговечность и устойчивость к растрескиванию [1-2].

Для этого необходима модификация битума серой и натуральным каучуком, для повышения его трещиностойкости. Натуральный каучук, используемый в битумных модификациях, пользуется все большим спросом во всем мире и в промышленном производстве. Этот уникальный биополимер нельзя заменить синтетическими аналогами, он не снижает качество продукта в большинстве применений и поэтому имеет большое экономическое значение [3].

В настоящее время единственным экономически значимым источником дешевого технического натурального каучука (цис-1,4-полиизопрена) является бразильская гевея, произрастающая в тропических странах. Недавно в латексе гевеи были обнаружены особые белки, вызывающие аллергию у человека. В настоящее время не существует простых и дешевых способов удаления этого белка. Поэтому использовали получение натурального каучука из голубой камеди и корней одуванчика дешево и эффективно. Каучуки из голубой камеди и одуванчика по качеству равны каучуку из гевеи и даже превосходят его при использовании в шинах для тяжелых автомобилей. На основе натурального каучука производится 40000 различных товаров, таких как промышленность, автомобилестроение, медицина, обувь и клеи [4].

Использование остатков каучука и серы в модификации битума продлевает срок службы асфальтового покрытия. Кроме того, утилизация таких отходов помогает удовлетворить дополнительную потребность в асфальте, удешевить дорожное покрытие и решить проблему утилизации отходов [5].

Экспериментальная часть. Для получения натурального каучука из растения, одуванчик выкапывают с корнем, корневую часть срезают отдельно, промывают водой и сушат при комнатной температуре в течение 4-7 дней. Высушенное сырье измельчают в измельчителе и помещают в сокслет. Для экстракции гексановую, бензольную, ксилольную, толуольную вытяжки сливают в колбу вместимостью 250 мл и нагревают в течение 4-6 часов в интервале от 60⁰ С до 110⁰ С. По окончании реакции осевшее на дне колбы желтое липкое каучукообразное вещество отделяют и сушат в результате вакуумирования жидкости. В твердую вязкую массу желтого цвета, смешанную с серой, добавляют битум, нагревают, заливают жидкую смесь в форму и исследуют ее ИК-спектр.

Анализ результатов и их обсуждение. Содержание синтезированного желтого липкого каучукообразного вещества и модифицированного битума анализировали методом ИК-спектра.

Рассмотрим анализ ИК-спектра каучука, полученного с использованием экстракцией гексана. Сдвиговое валентное колебание метиленовой (-СН₂) группы в молекуле находится в области 2916,37 см^-1, асимметричное и симметричное валентное колебание метильной группы (-СН₃) плоской деформации =C-H находится в области 1375,25 см^-1, внеплоскостная деформация группы C-H -C=C-H колебаний в 3,4-транс состоянии наблюдалось в области 717,52 см^-1, а колебание 1,4-цис-C=C-H группы и деформация -C-C-C- наблюдалась в области 567,07 см^-1 (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектр изопренового каучука, полученного экстракцией гексаном

Сдвиговые валентные колебания метиленовой (-СН₂) группы в молекуле каучука, полученного экстракцией бензола находятся в области 2916,37 см^-1, асимметричное и симметричное валентное колебания метильной группы C-H плоской деформации (-СН₃ ) находится в области 1394,53 см^-1, =C-H колебание 3,4-транс-C=C-H внеплоскостной деформации группы наблюдалось в области 717,52 см-1, а 1,4-цис-C=C-H групповое колебание деформации -C-C-C- наблюдалось в области 563,21 см^-1 (рис.2).

Рисунок 2. ИК-спектр изопренового каучука, полученного экстракцией бензолом

Сдвиговые валентные колебания метиленовой (-СН₂) группы в молекуле каучука, полученного с добавлением экстракта ксилолола, находятся в области  2918,30 см^-1, асимметричное и симметричное валентное колебание метильной группы плоской деформации C-H (-СН₃) находится в области 1373,32 см^-1, =C-Н колебания 3,4-транс-С=С-Н внеплоскостной деформации группы наблюдались в области 702,09 см-1, а 1,4-цис- вибрация группы C=C-H деформации -C-C-C- наблюдалась в области 597,93 см^-1 (рис.3).

Рисунок 3. ИК спектр изопренового каучука, полученного экстракцией ксилолом

Сдвиговые валентные колебания метиленовой (-СН₂) группы в молекуле каучука, полученного добавлением экстракта толуола, находятся в области 29551,09 см^-1, асимметричное и симметричное валентное колебание метильной группы C-H плоской деформации (-СН₃) находится в области 1473,32 см^-1. =C-H колебания 3,4-транс -C=C-H внеплоскостной деформации группы наблюдались в области 740,67 см^-1, а 1,4-цис-C=C-H групповая вибрация деформации -С-С-С- наблюдалась в области 667,37 см^-1 (рис.4).

Рисунок 4. ИК-спектр изопренового каучука, полученного экстракцией толуолом

Проанализированы различия ИК-спектров изопренового каучука, полученного на основе органических экстрактов (табл. 1).

Таблица 1.

Различия ИК-спектров изопреновых каучуков, полученных с добавлением разных растворителей

Из результатов ИК-спектра синтезированного желтого липкого каучукообразного вещества видно, что структура натурального каучука полиизопреновая (2-метилбутадиен-1,3), СН2=С(СН3)-СН=СН2 (рис.5).

Рисунок 5. Структура натурального полиизопренового каучука

Рассмотрели ИК-спектр битума, модифицированного каучуком и серой. В ИК-спектрах битумного вяжущего, полученного модифицированием битума серой и натуральным каучуком, присутствуют ответвления, обусловленные асимметричными и симметричными валентными колебаниями метильных (-СН₃) и метиленовых (-СН₂) групп в области 2902,87 см^-1. Асимметричные и симметричные деформационные колебания метильной группы и сдвиговые колебания метиленовой группы соответствуют области между 1456,26 и 1363,67 см^-1. Валентные колебания -C=C- и -C=N- наблюдались в областях 1653 и 1600,92 см^-1, а валентные колебания -C-S-C- наблюдались в областях 698,23 см^-1 (рис.6).

Рисунок 6. ИК-спектр битума, модифицированного каучуком и серой

Вывод. По результатам ИК-спектра битумного вяжущего, полученного в результате модификации битума серой и натуральным каучуком, мы можем видеть увеличение связи C-S из-за добавления серы к битуму и связи S=O из-за добавления резиновой крошки к сере. Добавление натурального каучука повысило упругие свойства битумных вяжущих, модифицированных серой, что проявлялось увеличением индексов модификации. Сернистый битум, модифицированный натуральным каучуком, показал лучшие свойства по сравнению с обычным битумным вяжущим. Использование этих двух промышленных отходов в модификации асфальта позволяет удовлетворить дополнительную потребность в асфальте, снизить себестоимость и повысить срок службы асфальтобетонного покрытия. Использование этого процесса помогает решить проблему утилизации отходов и помогает поддерживать чистоту окружающей среды.

Список литературы:

1. Минаева В.Г. Лекарственные растения Сибири / В.Г. Минаева. - 5-е изд., перераб. и доп. - Новосибирск: Наука, 1991. – 432 с.
2. Носов А. М. Целебные полевые растения / А.М. Носова - М.: ЭКСМО-Пресс, 2001. - 383 c.
3. Никитина В.С., Гайнанова Л.Т., Абдуллин М.И., Беспалова А.А. Пек-тиновые вещества корней лопуха обыкновенного Artium Lappa L. и кор-ней одуванчика лекарственного Taraxacum officinale Wigg./ В.С. Никити-на, Л.Т. Гайнанова, М.И. Абдуллин, А.А. Беспалова // Химия раститель-ного сырья. – 2012.– № 2. – С.21–26.
4. M.Anwar Parvez, Mohammed Al-Mehthel,Hamad I.Al-Abdul Wahhab, Ibnelwaleed A.Hussein. Utilization of Sulfur and Crumb Rubber in Asphalt Modification.
5. Васильев Ю.Э., Мотин Н.В., Пекарь С.С. и другие. Способ получения модифицированной серы. Патент RU 2554585 C2. Москва, Ленинградский пр-кт, 64, МАДИ, 30.08.2013. Стр 7.