ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИКАЦИИ БИТУМА С ГОССИПОЛОВОЙ СМОЛОЙ

АННОТАЦИЯ

В работе изучены модификации битума с госсиполовой смолой. При модификации первоначально  трансформировалась госсиполовая смола с карбамидом и с серой, потом с этим видоизмененным веществом преобразовали битум. Структура и физико-механические свойства битума марки БНД 40/60 с модифицированной госсиполовой смолой исследована ИК-спектром и дифференциально-термическим анализом. Установлено, что смесь 40/60 модифицированной госсиполовой смолы/битума является рекомендуемым коэффициентом замещения для асфальтового вяжущего, так как увеличение отношения серы приводит к увеличению жесткости смеси, которая будет более подвержена растрескиванию при больших нагрузках.

ABSTRACT

The paper studies modifications of bitumen with gossypol resin. During modification, gossypol resin was initially modified with urea and sulfur, then bitumen was modified with this modified substance. The structure and physical and mechanical properties of bitumen grade BND 40/60 with modified gossypol resin were studied by IR spectrum and differential thermal analysis. It was found that the 40/60 modified gossypol resin/bitumen mixture is the recommended substitution ratio for asphalt binder, since an increase in the sulfur ratio leads to an increase in the rigidity of the mixture, which will be more susceptible to cracking under heavy loads.

Ключевые слова: карбамид, сера, модифицированная сера, госсиполовая смола, битум.

Keywords: urea, sulfur, modified sulfur, gossypol resin, bitumen.

Введение. Госсиполовая смола, амиды, амины и сера являются ключевым материалом для производства модифицированного битума, используемого в промышленности по производству модифицированных битумов для производства дорожных композитных изделий из-за ее химической структуры и реакционной способности с битумом. Мочевина представляет собой соединение, которое содержит две аминогруппы (NH₂), связанные карбонильной (C=O) группой. Эта химическая структура делает ее высокореактивной с госсиполовой смолой в синтезе с модифицированной госсиполовой смолой. Реакция между серой, мочевиной и госсиполовой смолой приводит к образованию новых мостиковых соединений, которые имеют решающее значение для процесса сшивания и полимеризации, который создает сетчатую структуру смолы. Госсиполовая смола относительно недорога и широко доступна, что делает ее экономически эффективным выбором для крупномасштабного производства смолы. Эта доступность делает госсиполовую смолу предпочтительным вариантом для различных промышленных применений [6; 8; 9].

Амидные группы в мочевине участвуют в образовании связей с госсиполовой смолой и серой, что приводит к созданию новой структуры в смоле. Если содержание азота в мочевине ниже, будет образовываться меньше связей, что в таком случае сера с госсиполовой смолой образует новые связи. Это может привести к совершенствованию механических свойств, увелечению термической стабильности и повышению прочности образовавшей связи [7; 10].

Экспериментальная часть. В данном исследовании использованы: элементная сера производства ООО «Мубарекнефтегаз», побочный продукт с чистотой 99,9 %, карбамид АО «Навоиазот», госсиполовая смола, отходы переработки хлопкового масла и битум асфальтовый дорожный БНД 40/60 от Ферганского нефтеперерабатывающего завода.  

ИК-спектроскопия – ИК-спектры модифицированной госсиполовой смолы изучались на спектрометре IR Affinity1S (SHIMADZU CORP., Япония, 2017). Высокая чувствительность спектрометра (коэффициент шума 60 000:1) позволяет проводить анализ волновых чисел в различных образцах, несмотря на низкую интенсивность их спектральных полос, шкала волновых чисел составляет 4000 ÷ 400 см^-1.

Термический анализ – термическую стабильность синтезированных модифицированных веществ анализировали с использованием дифференциально-термических и термогравиметрических методов на приборе японской фирмы SHIMADZU. Методы анализа SHIMADZU (синхронный термический анализ) ТГ и ТГ-ДТА, ТГ-ДСК представляют собой простую в использовании, надежную и высокоэффективную платформу термического анализа. Исследование проводилось на дериватографе со скоростью 10 град/мин, с чувствительностью гальванометров Т-900, ТГ-200, ДТА-1/10, ДТГ-1/10 и с автоматической регистрацией дериватограммы на компьютере. Образец исследуемых образцов массой 15–16 мг помещали в тигель диаметром 10 мм из оксида алюминия и платины, устойчивый к температуре 1650°С, без крышки.

Результаты и их обсуждение. При добавлении госсиполовой смолы к карбамиду и серы происходят химические реакции со связыванием серы карбамида, тип которых зависит от состава госсиполовой смолы и карбамида и серы, от температуры нагревания и времени реакции. Полученную модифицированную смолу маркировали как ГКС-1.

При синтезе данного модификатора марки ГКС-1 200 г серы помещали в цилиндрический реактор, снабженный механической мешалкой и термометром для контроля температуры, и нагревали при интенсивном перемешивании до 185 °С до образования серной массы. После этого 35 г госсиполовой смолы добавляли непосредственно в расплавленную серную фазу и смесь перемешивали при температуре 180–185 °С в течение 45–50 минут с помощью механической мешалки, что привело к небольшому снижению вязкости смеси. В полученную смесь медленно вмешивают 20 г карбамида при температуре 145–150 °С в течение 30 минут, что обеспечивает равномерное распределение модификатора по всему объему битумной композиции. Аминогруппы мочевины реагируют с госсиполовой смолой, и образуются новые связи.

Таблица 1.

Влияние состава на модификатора марки ГКС-1 на соотношение исходных материалов

Примечание: G-госсиполовая смола, K-карбамид (мочевина), S-сера.

При получении конечного модификатора марки ГКС-1 исходные материалы обрабатывались в различных условиях и массовых соотношениях (Таблица 1). Наибольшие показатели в результате исследований получены у модифицированного битума, изготовленного в оптимальном соотношении 35:20:200. Синтезированный модификатор ГКС-1 добавлялся в битум в количестве 2, 4, 6, 8, 10 и 12 %.

В таблице 2.2 показано влияние температуры и массового соотношения на выход продукта при производстве высокоэффективного битума ГКСБ-1.

Таблица 2.2.

Влияние температуры и соотношения исходных материалов при производстве битума ГКСБ-1 (битум (Б) и модификатор (ГКС-1) в %)

Примечание: В-битум, смола ГКС-1- на основе Госсиполовой смолы, мочевины и серы.

Полученный битум ГКСБ-1 испытывался в различных условиях и пропорциях. Полученный в результате исследований модифицированный битум рассчитывался на основе температуры и массового соотношения компонентов. Наивысшие результаты получены при использовании модифицированного битума, полученного в соотношении 100:10.

Результаты анализа ИК-спектра. ИК-спектр немодифицированного битума. В области 2902,87 см^-1 расположены группы, возникающие за счет асимметричных и симметричных валентных колебаний метильных (-СН₃), метиленовых (-СН2) групп. Колебание сульфосвязи группы S-S можно наблюдать в области 1039,63 см^-1. Связи между -C=C- наблюдались в области 1653 см^-1, а валентные колебания -C-S-C- наблюдались в области 1064,71 см^-1 (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектр немодифицированного битума

В ИК-спектре модифицированного битума ГКСБ-1 (рис. 2) присутствуют линии поглощения, характерные для валентных колебаний NH-группы в диапазоне 3388-3329 см⁻¹, деформационных колебаний госсипола нафтильного кольца в области 1454-1417 см⁻¹, валентных колебаний связи C-N в области 1157 см⁻¹, валентных колебаний связанной связи N-H карбамида в области 873 см⁻¹, связей N-S серы в полимеризованном состоянии в области 1150-1100 см⁻¹, а также связей S-S полимеризованной серы в области 650-500 см⁻¹, что подтверждает химические связи, образовавшиеся в структуре материала в результате взаимодействия госсиполовой смолы, карбида и серы, и успешность процесса модификации.

Рисунок 2. Анализ ИК-спектра битума ГКСБ-1

Термогравиметрический (ТГА) и дифференциально-термический анализ (ДТА) битума ГКСБ-1.

Рисунок 3. Термогравиметрический анализ (ТГА) и дифференциально-термический анализ (ДТА) битума ГКСБ-1

Проведены термогравиметрический (ТГА) и дифференциально-термический анализ (ДТА) битума ГКСБ-1. Анализы проводились путем воздействия на образец температуры.

Термогравиметрический (ТГА) анализ битума марки ГКСБ-1. Изучены термогравиметрические свойства битума ГКСБ-1 в диапазоне температур до 800 °С и выявлены трехстадийные процессы потери массы. Результаты анализа оценивались на основании дервитограммы, представленной на рисунке 3.

• Стадия 1: Начальная потеря массы
• Начальная температура: 28,46 °C.
• Конечная температура: 262,25 °C.
• Продолжительность: 24,44 минуты.
• Потеря массы. На этом этапе в образце наблюдалась потеря массы 4 % (1,385 мг).
• Первоначальная потеря массы происходит из-за испарения воды или выделения летучих веществ.

• Стадия 2. Разложение основного органического вещества
• Начальная температура: 262,25 °C.
• Конечная температура: 490,83 °C.
• Продолжительность: 23,23 минуты.
• Потеря массы: на этом этапе образец потерял 25,825 % (1,690 мг) массы.
• На этом этапе происходят процессы разложения и термической деструкции органических компонентов битума.

• Стадия 3. Окончательная потеря массы
• Начальная температура: 490,83 °C.
• Конечная температура: 801,73 °C.
• Продолжительность: 32,35 минуты.
• Потеря массы: на этом этапе масса образца уменьшилась еще на 25,29 % (1,655 мг).
• Эта стадия отражает полное разложение оставшейся органики под воздействием высоких температур.

Заключение

При анализе до 800 °С зафиксирована потеря 55,115 % от общей массы битума ГКСБ-1. Оставшиеся 44,885 % массы сохранились в виде остатка, стойкого к высоким температурам, что подтверждает термическую стабильность модифицированного битума. Полученные результаты свидетельствуют о том, что битум ГКСБ-1 пригоден для использования при высоких температурах и обладает надежными термическими свойствами.

Список литературы:

1. Джалилов А.Т., Бекназаров Х.С., Тураев Ф.Т. Исследование модификации дорожного битума элементной серой // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. – 2019. – № 2 (59). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/6978 (дата обращения: 08.02.2025).
2. Мирвалиев З.З. Исследование госсиполовой смолы, ее фракции и новых производных на процесс термоокислительную деструкцию каучука // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. – 2020. – № 11(80). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/10918 (дата обращения: 08.02.2025).
3. Росилов М.С., Бекназаров Х.С., Чўлиев Ж.Р. СИНТЕЗ ОРГАНИЧЕСКИХ Модификаторов для получения серобитума // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2025. 2(131). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19218 (дата обращения: 08.02.2025).
4. Тураев Х.Х., Аманова Н.Д., Хайитова Ж.М., Махмудова Ю.А., Ахадов Б.Б. Модификация серы госсиполовой смолой или пиролизным дистиллятом и получение серного бетона // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. – 2022. – № 4(97). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/13539 (дата обращения: 08.02.2025).
5. Эшанкулов Х.Н., Тураев Х.Х., Умбаров И.А., Бекназаров Х.С. Модификация битума серой и натуральным каучуком и его ик-спектральный анализ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. – 2022. – № 12(105). [Электронный ресурс]. – Режим доступа:  https://7universum.com/ru/tech/archive/item/14658 (дата обращения: 08.02.2025).
6. Becker Y., Mendez M.P., Rodriguez Y. Polymer modified asphalt // Vision Tecnologica. – 2001. – Vol.  9(1). – Pp. 39–50.
7. Burenina, O.N., Kopylov, V.E., Andreeva, A.V. Prospects for the Use of Sulfur for the Modification of Road Bitumen and Production of Asphalt Concrete from Local Raw Materials with an Improved Set of Technical Properties // Inorganic Materials: Applied Research. – 2023. – Vol. 14. – Pp. 1082–1087.
8. Lu X., Isacsson U., Ekblad J. Phase separation of SBS polymer modified bitumens // Journal of Materials in Civil Engineering. – Vol. – 11. – 1999. – Pp. 51– 57.
9. Read J., Whiteoak D. The Shell Bitumen handbook. – Fifth ed. – Shell Bitumen, 2003. – Pp. 85–87.
10. Tayfur S., Ozen H., Aksoy A. Investigation of rutting performance of asphalt mixtures containing polymer modifiers // Construction and Building Materials. – 2007. – Vol. 21(2). – Pp. 328–337.