ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ ПОЛИМЕР-БИТУМОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНЫХ ДОБАВОК

АННОТАЦИЯ

В статье приведены исследования и результаты, посвящённые деструкции блок-сополимера полипропилена марки JM-380 методом термоокисления, а также получению образцов модифицированных полимер-битумных композиций. Путём добавления в битум марки БНД 50/70 деструктурированного полипропилена, диатомита и монтмориллонита в различных количествах были получены образцы модифицированных полимер-битумных композиций (ПБ-ДП-1, ПБ-ДП-2, ПБ-ДП-3). Показатели растяжимости значительно улучшились в зависимости от температуры (например, у ПБ-ДП-3 – 98 см при 25°C и 22 см при 0°C). Повышенная температура размягчения (до 82°C у ПБ-ДП-3) указывает на улучшенную термическую устойчивость материала. Снижение температуры хрупкости до -32°C по методу Фраасса демонстрирует увеличение морозостойкости. SEM-изображения показали, что битум БНД 50/70 имеет аморфную и однородную структуру, в то время как в образцах ПБ-ДП-1 и ПБ-ДП-2 наблюдаются дисперсные фазовые частицы. Образец ПБ-ДП-3 отличается волокнистой, взаимосвязанной структурой, что свидетельствует о высокой морфологической стабильности и наличии межфазных интерфейсов.

ABSTRACT

The article presents research and results dedicated to the degradation of the block copolymer polypropylene grade JM-380 by thermo-oxidative methods, as well as the production of modified polymer-bitumen composite samples. By adding degraded polypropylene, diatomite, and montmorillonite in various amounts to bitumen grade BND 50/70, samples of modified polymer-bitumen composites (PB-DP-1, PB-DP-2, PB-DP-3) were obtained. The elongation properties significantly improved depending on the temperature (for example, PB-DP-3 showed 98 cm at 25°C and 22 cm at 0°C). The increased softening point (up to 82°C for PB-DP-3) indicates enhanced thermal stability of the material. The reduction in brittleness temperature down to -32°C according to the Fraass method demonstrates improved frost resistance. SEM images showed that BND 50/70 bitumen has an amorphous and homogeneous structure, while samples PB-DP-1 and PB-DP-2 exhibited dispersed phase particles. The PB-DP-3 sample is characterized by a fibrous, interconnected structure, indicating high morphological stability and the presence of interfacial boundaries.

Ключевые слова: полипропилен, полмер-битум, битум БНД 50/70, диатомит, монтмориллонит, адгезия, метод Фраасса.

Keywords: polypropylene, polymer-bitumen, BND 50/70 bitumen, diatomite, montmorillonite, adhesion, Fraass method.

Введение. Быстрое развитие современной автомобильной дорожной индустрии в мире, растущая потребность в материалах, устойчивых к климатическим условиям, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, экологически безопасных и долговечных, а также необходимость повышения качества вяжущих материалов на основе битума, применяемых в дорожном строительстве, обуславливают необходимость усиления их термической, механической и атмосферостойкости [1,2]. Модификация битума с применением различных функциональных добавок, в частности полимеров, эластомеров, стабилизаторов, пластификаторов и неорганических модификаторов, является одной из основных задач дорожного строительства и нефтяной промышленности [3,4]. В связи с этим получение полимер-битумных композиций на основе комплексных модифицирующих систем, управление их технологическими свойствами, улучшение эксплуатационных характеристик за счёт структурно-параметрических изменений, а также создание на основе полимер-битумных материалов долговечных и устойчивых дорожных покрытий являются актуальными научно-техническими и экономическими задачами [5,6]. Исходя из вышеизложенной информации, целью настоящей статьи является изучение физико-механических и морфологических изменений полимер-битумов, модифицированных на основе комплексных добавок.

Объекты и методы исследования. В рамках исследования процесс деструкции блок-полипропилена марки JM-380 осуществлялся методом термоокислительного разложения. В этом методе полимер подвергается разложению под синергическим воздействием высокой температуры и кислорода, то есть тепловая энергия активирует полимерные цепи, а кислород вступает с ними в химическую реакцию, образуя продукты разложения с низкой молекулярной массой, обогащённые кислородсодержащими функциональными группами. В эксперименте полипропилен нагревали в открытой воздушной среде, то есть в присутствии кислорода, при температуре 300°C в течение 30 минут.

В результате термоокислительной деструкции полипропилена можно привести следующую общую реакцию: (−CH₂​−CH(CH₃​)−)_n​ + O₂ + ΔT → низкомолекулярные фрагменты полипропилена + −COOH, −OH, −C=O, −OR

Процесс термоокислительной деструкции протекает по механизму цепной реакции свободных радикалов. В ходе этого процесса происходит снижение молекулярной массы, сокращение структуры и образование фрагментов с окисленными функциональными группами.

Модифицированный битум был приготовлен со следующим составом: деструктурированный полипропилен в количестве 3-5 масс. %, диатомит и монтмориллонит по 2 масс. % каждый, остальная часть – битум марки БНД 50/70 (предназначенный для горячего климата или магистралей с высокой транспортной нагрузкой, включая тяжёлые грузовики). Процесс смешивания осуществлялся в два этапа: на первом этапе – диспергирование высокой скоростью при температуре 180°C и скорости вращения 3000 об/мин в течение 90 минут; на втором этапе – гомогенизация низкой скоростью при 600-700 об/мин в течение дополнительных 90 минут.

Таблица 1.

Образцы полимер-битума, приготовленные на основе  термоокислительно-деструктурированного полипропилена (JM-380)

Количество деструктурированного полипропилена варьировалось от 3% до 5%, при этом диатомит и монтмориллонит в каждом образце вводились в постоянном количестве по 2%. Основная массовая доля битума соответственно составляла 93%, 92% и 91%. Было проведено исследование физико-химических и реологических свойств полученных образцов по сравнению с обычным битумом.

Результаты и их обсуждение. Результаты испытаний по глубине проникновения иглы (пенетрации) при температурах 25 °C и 0 °C показали значительные различия между обычным битумом БНД 50/70 и модифицированными полимер-битумными композициями ПБ-ДП (ПБ-ДП-1, ПБ-ДП-2, ПБ-ДП-3). В состав модифицированных образцов входили деструктурированный полипропилен (ПП-Д), диатомит и монтмориллонит, присутствие которых существенно изменило физико-механические свойства битумной матрицы.

Рисунок 1. Изменения глубины проникновения иглы (0,1 мм) модифицированных образцов полимер-битума при температурах 25°C и 0°C

Рисунок 2. Изменение растяжимости (см) модифицированных полимерно-битумных образцов при 25 и 0°С

Анализ показателей растяжимости битумных образцов при температурах 25 °C и 0 °C показывает, что модифицированные полимер-битумные композиции обладают значительно более высокой растяжимостью по сравнению с обычным битумом БНД 50/70. Обычный битум (БНД 50/70) продемонстрировал растяжимость 58 см при температуре 25 °C и всего 3,4 см при 0 °C, что свидетельствует о его хрупкости при низких температурах. В результате добавления в состав образца ПБ-ДП-1 3% деструктурированного полипропилена, 2% диатомита и 2% монтмориллонита, растяжимость увеличилась до 79 см при 25 °C и до 11 см при 0 °C.

Рисунок 3. Изменения температуры размягчения модифицированных образцов полимер-битума по методу кольца и шара

Анализ температуры размягчения проводился по методу кольца и шара. Как видно из графика, температура размягчения обычного битума марки БНД 50/70 составляет 54°C, что указывает на его низкую термостойкость и склонность к деформациям при высоких температурах. В композициях, содержащих деструктурированный полипропилен (ДП), диатомит и монтмориллонит, данный показатель значительно увеличился, что свидетельствует о повышенной термической устойчивости модифицированных полимер-битумных материалов.

Рисунок 4. Изменения температуры хрупкости модифицированных образцов полимер-битума по Фраассу

Результаты измерения температуры хрупкости по методу Фраасса позволяют оценить степень эластичности битумной композиции при низких температурах. У обычного битума марки БНД 50/70 данный показатель составляет –15 °C, что указывает на его высокую склонность к растрескиванию в условиях холода. В модифицированных образцах, содержащих деструктурированный полипропилен (ДП), диатомит и монтмориллонит, этот показатель значительно снизился: в образце ПБ-ДП-1 – до -22°C, в ПБ-ДП-2 – до -27°C, а в ПБ-ДП-3 – до -32°C, что свидетельствует о повышенной морозостойкости данных композиций.

Рисунок 5. Результаты SEM-анализа образцов: а – БНД 50/70; б – ПБ-ДП-1; в – ПБ-ДП-2; г – ПБ-ДП-3.

Как видно из представленных SEM-изображений, битум марки БНД 50/70 (изображение a) имеет аморфную поверхность с однородной структурой, без чётко выраженных межфазных границ. Это свидетельствует о низкой степени дисперсности и ограниченной структурной стабильности материала.

По сравнению с образцом ПБ-ДП-1 (изображение б), наблюдается формирование мелких частиц на поверхности под воздействием полимерных добавок, что указывает на повышение степени дисперсности и микростабильности.

Образец ПБ-ДП-2 (изображение в) демонстрирует ещё более рассеянную структуру с равномерным распределением неорганических фаз, что свидетельствует о формировании межфазных интерфейсов и улучшении дисперсной системы.

Образец ПБ-ДП-3 (изображение г) характеризуется высокоорганизованной, волокнистой структурой с чёткими межфазными границами, что указывает на прочные взаимодействия между полимером и битумом, а также на наличие высокого потенциала к упругой деформации.

Заключение. В ходе исследования были сравнены физико-механические и термические свойства битума марки БНД 50/70 и полимер-битумных композиций, модифицированных деструктурированным полипропиленом (ДП) – ПБ-ДП-1, ПБ-ДП-2, ПБ-ДП-3. У образцов ПБ-ДП наблюдалось снижение глубины проникновения иглы, что свидетельствует об увеличении твёрдости битума. Показатели растяжимости значительно улучшились в зависимости от температуры (например, у ПБ-ДП-3 – 98 см при 25°C и 22 см при 0°C). Повышенная температура размягчения (до 82°C у ПБ-ДП-3) указывает на улучшенную термическую устойчивость материала. Снижение температуры хрупкости до -32°C по методу Фраасса демонстрирует увеличение морозостойкости. SEM-изображения показали, что битум БНД 50/70 имеет аморфную и однородную структуру, в то время как в образцах ПБ-ДП-1 и ПБ-ДП-2 наблюдаются дисперсные фазовые частицы. Образец ПБ-ДП-3 отличается волокнистой, взаимосвязанной структурой, что свидетельствует о высокой морфологической стабильности и наличии межфазных интерфейсов.

Список литературы:

1. Sengoz B., Topal A.G. Isikyakar Morphology and image analysis of polymer modified bitumens // Construction and Building Materials. – 2009. – Vol. 23, Is. 5. – P. 86-92.
2. Duarte G.M., Faxina A.L. Asphalt concrete mixtures modified with polymeric waste by the wet and dry processes: A literature review // Construction and Building Materials. – 2021.  – Vol. 312. – P. 125.
3. Jinan Shen. Road Performance of Asphalt and Asphalt Mixture[M]. Beijing: China Communication Press, 2001: 123-145
4. Ахмадова Х.Х. Основные способы модификации битумов различными добавками / Х. Х. Ахмадова, Ж. Т. Хадисова, Л. Ш. Махмудова, З. А. Абдулмежидова, М. А. Мусаева // Вестник ГГНТУ. Технические науки. Том XV. № 3 (17). 2019. С. 42‑56.
5. Р.Г. Житов, В.Н. Кижняев, В.В. Алексеенко, А.И. Смирнов, Битумно-резиновые композиционные связующие для производства асфальтобетонов / // Журн. прикл. химии. 2011. Т. 84, №11. С.1898-1902.
6. Разработка и исследование битумно-полимерных композиций с использованием вторичных полимеров / В. М. Шаповалов [и др.] // Горная механика и машиностроение. – 2016. – № 4. – С. 87–99.