Kezdeti gumikoncentráció hatása

Az SBS-sel történ módosítás során gyakorlati szakemberek sok esetben javasolják a törzsoldat készítését, mert ez kedvez en hat a szerkezetre -ugyanis elég nagy polimer koncentráció esetén már a polimer válik folytonos fázissá [Liang 1999, Liang 2000, Memon 1999-II.]. Ebb l következ en a rendelkezésre álló technikai eszközök felhasználásával KSGB-ek esetén a visszahígítás szerkezetkialakító hatását is tanulmányoztam (5.113. táblázat - 5.11 melléklet).

Az el ekben tárgyalt 521-522-523-524-525-526-os jel mintasor vizsgálatakor megállapítottam, hogy min. 15%-nyi gumitartalomra volt szükség a kedvez hatások eléréséhez. Ezért a végs gumikoncentráció beállításánál azt vizsgáltam, hogy egyre töményebb törzsoldatok felhasználásával csökkenthet -e a bekevert gumi mennyisége, illetve hasonló hatás, szerkezet kialakítható-e kevesebb módosítószerrel (gumi rleménnyel). Természetesen a mintákat ebben az esetben is a már korábban ismertetett, legkedvez bb technológiai paraméter-együttes alkalmazásával állítottuk el .

Ahogy az a 2.24. táblázatban látható, a lágyuláspontok növekedtek a kezdeti oldat töménységével, és ezzel fordítottan arányosan változtak a penetrációk. A töréspontok a kezdeti oldat töménységének növekedésével csökkentek, ami alátámasztja a koncentrátumok alkalmazásának, ezzel folytonos polimer-fázis kialakításának helyességét. A duktilitás csökkent, ami egyrészt annak is következménye lehetett, hogy ugyanannyi degradációs id tartamokat alkalmazva a kis kezdeti gumitartalmú minta (15m%m% - 454) jobban degradálódott, míg 30 m/m% esetén ez nem következett be. A viszkozitás növekedett, ami egyrészt az el ekkel magyarázható, másrész nagyobb gumikoncentráció esetén intenzívebb reakció-lejátszódásokkal lehetett számolni a bitumen-polimer-adalék rendszerben. Ugyan a stabilitás mindegyik esetben szabványnak megfelel volt, látható, hogy a töményebb oldat alkalmazása stabilisabb KSGB-t eredményezett.

2.24. táblázat A visszahígítás hatása.

Minta jele 454 452 453

Termikus degradálás h m.,^oC 220 220 220

Termikus degradálás id tart., perc 90 90 90 Mechano-kémiai diszpergálás h m.,^oC 170 170 170 Mechano-kémiai diszpergálás id tart., perc 20+10 20+10 20+10

Kezdeti gumikoncentráció, m/m% 15 20 30

Végs gumikoncentráció, m/m% 10 10 10

Lágyuláspont,^oC 57 64 73

Penetráció 25^oC-on, 0,1 mm 53 49 32

Töréspont, Fraass szerint,^oC -13 -20 -23

Duktilitás 25^oC-on, cm 16 10 7

Din. Viszkozitás 135^oC-on, mPas 1300 2660 4400 Din. Viszkozitás 180^oC-on, mPas 240 450 830 Tárolási stabilitás, fels rész lp.-ja,^oC 50 62 73 Tárolási stabilitás, alsó rész lp.-ja,^oC 56 65 75

T,^oC 6 3 2

A folyás- és viszkozitás-görbék értékelésekor azt tapasztaltam, hogy a 30m/m%

kezdeti koncentrációjú minta (453) jelent s szerkezeti viszkozitást mutatott ellentétben a másik kett vel (5.84. ábra - 5.8.6 melléklet), továbbá, már 135^oC-on is igen jelent s viszkoelasztikus jelleget tapasztaltunk szemben a sorozat többi tagjaival. A kezdeti gumikoncentráció növelésével n tt a minták konzisztenciája, a 0 és deformáció-sebességhez tartozó viszkozitás, azaz a folyásgörbék meredeksége.

A rugalmas visszacsavarodás relaxációs görbéinek lefutásából egyértelm en megállapítottam, hogy legkisebb kiindulási koncentráció (10m/m%) eredményezte a legrosszabb rugalmas tulajdonságokkal rendelkez anyagot. A másik két minta nyíróer vel szembeni viselkedése azonosnak volt tekinthet . A számolt relaxációs id kb l, folyáshatárokból, illetve a változás mértékéb l és tendenciáiból levonható tapasztalatok alapján kimondható, hogy a legnagyobb kezdeti gumikoncentrációjú, azaz 30m/m%-os kezdeti töménység minta (453) viselkedése volt a gyakorlat számára a legkedvez bb (5.92. táblázat - 5.8.7 melléklet).

A kúszásvizsgálat során a vizsgálandó anyagokat 25°C-on, 60s-ig 30 Pa nyírófeszültséggel terheltem (retardációs szakasz), majd a terhelést megszüntetve a rendszert relaxálni hagytam. A vizsgált KSGB-kre jellemz volt, hogy terhelés hatására a kialakuló deformáció két részre volt felosztható. Az els az azonnal kialakuló, a másik rész egy bizonyos késleltetési id után kialakuló deformációs rész (2.18. ábra), azaz a terhelés megsz ntetése után egy késleltetett részleges visszaalakulás ment végbe. A 2.18. ábrán látható deformáció-id függés diagramból a viszkoelasztikus folyadékokra

jellemz részleges visszaalakulást kaptunk mind a három vizsgált minta esetén. Ezen anyagoknál a deformáció „visszamaradt” része változatlan maradt még hosszú pihentetési periódus után is, és ez a permanens deformáció reprezentálta a viszkózus részt. A kapott reológiai viselkedés hátterében az állhat, hogy a terhelést megel állapotban az elágazásokat tartalmazó polimer láncok a legkisebb energiaszinthez tartozó formát öltöttek. A terhelési ciklus alatt a terhel feszültség hatására a molekulák lassú kúszó mozgást végeztek, miközben az el leg felvett alak deformálódott és tengelye a nyírás irányába mutatott. A terhelés megsz ntetését követ en az összes molekula megpróbált visszatérni a feszültségmentes állapotba. Id vel a molekulák egyre jobban visszaalakultak, így lassan csökkentették a deformációt. Ez a mozgás azonban bizonyos késleltetéssel játszódott le.

Idõ, s

0 20 40 60 80 100 120 140

Deformáció

0.0000 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 0.0016

15-10 (454) 20-10 (452) 30-10 (453)

2.18. ábra. A különböz en visszahígított minták kúszásgörbéi.

A mérési adatokra az általánosított Burgers modellt alkalmazva, a diszkrét retardációs id spektrum paramétereit kaptuk meg, mely hat darab értékpárból (J, TK) állt (a sorba kapcsolt Kelvin elemek száma). A nulla nyírósebességhez tartozó viszkozitás, 0 egy anyagi állandó, melynek segítségével egy relatív becslés adható az illet anyag moláris tömegér l. A2.25. táblázat adataiból kit nik, hogy a gumi-bitumen rendszerek kezdeti töménységének növelésével a moláris tömeg növekedett. Az egyensúlyi kúszási kompliancia J0 értéke az anyag rugalmas deformálhatóságát jellemzi. A tanulmányozott minták hasonló szerkezet , de egyre nagyobb molekulatömeg polimerekhez hasonló eredményt adtak, amit az egyre csökken J0 értékek jól mutattak, 10^-7 nagyságrend értékeik pedig jól alátámasztották azt a széleskör tapasztalatot, miszerint a kémiai kötésekkel rendelkez térhálós (cross-linked) polimerek esetén a számított J0 értékek nullához közeliek. A retardációs id (TK)i egy id konstans, ami meghatározza a Kelvin

modell id függ viselkedését. A legtöbb polimer esetében a relaxációs id k néhány dekádot ölelnek fel. A tanulmányozott mintasorozat esetén a retardációs id csökkent, amib l arra következtettünk, hogy a kezdeti koncentráció növekedésével egyre inkább er södött a számunkra kedvez rugalmas jelleg.

2.25. táblázatAz általánosított Burgers modell által meghatározott állandók.

Minta jele 454 452 453

Kezdeti gumikoncentráció, m/m% 15 20 30

Végs gumikoncentráció, m/m% 10 10 10

J0, m²/N (=1/Pa) 5,4 10^-7 4,4 10^-7 1,8 10^-7

0, Pa.s 4,365 10⁶ 2,668 10⁶ 2,594 10⁶ J1, m²/N 2,0228 10^-5 1,3644 10^-5 1,9252 10^-5

TK1, s 42,86 23,51 15,85

Moláris tömeg, g/mol 3,596 10⁵ 3,818 10⁵ 3,915 10⁵

Tanulmányoztam a kezdeti gumikoncentráció hatását is a minták dinamikus jellemz ire. A vizsgálatot dinamikus nyíró reométerrel, oszcillációs üzemmódban végeztem, és a szinuszos terhelés hatására kialakuló anyagválaszokat (G*, komplex modulusz; , fáziskésés) a frekvencia (terhelési id ) és a h mérséklet függvényében rögzítettem, frekvencia-függés esetén 25°C-on (0,01-100Hz), h mérsékletfüggés esetén pedig 1,59 Hz-en (10 rad/s szögsebesség), 25-100°C tartományban. A 2.19. ábrán látható, hogy a dinamikus jellemz k h mérséklet-függésében csak kis eltérések voltak tapasztalhatóak. A különböz en visszahígított minták komplex modulusz-h mérséklet függésének tanulmányozása arra világított rá, hogy a visszahígítási paraméterek eltérései a dinamikus jellemz kben nem okoztak változást, ez alapján nem lehet különbséget tenni a minták között. A görbék lefutása a vizsgált frekvenciatartományban els rend monoton növekv függvény szerint változott, ami keresztkötéseket nem tartalmazó (nem térhálós), sz k mololekulatömeg eloszlású polimerszerkezet viselkedéséhez hasonlított. A komplex modulusz frekvenciafüggését vizsgálva a frekvenciatartomány fels határán a három kompozit viselkedése nem mutatott szignifikáns eltérést, és a közepes frekvencia tartományban (forgalmi terhelés 1,6 Hz – 60 km/h) az eltérés még mindig nem jelent s. Az alacsony frekvencia tartományban (nagy terhelési id k, álló forgalom) azonban már mutatkoztak különbségek. Ebben a tartományban legkedvez bbek a legnagyobb kezdeti koncentrációjú minta (30 m/m% -453) merevségi jellemz i a voltak.

Hõmérséklet,^oC

10 100

G*, Pa

1e+2 1e+3 1e+4 1e+5 1e+6

15-10 (454) 20-10 (452) 30-10 (453)

Frekvencia, Hz

0.01 0.1 1 10 100 1000

G*, Pa

1e+4 1e+5 1e+6 1e+7

15-10 (454) 20-10 (452) 30-10 (453)

2.19. ábra A különböz en visszahígított minták komplex moduluszának h mérséklet (a) és frekvencia (b) függése.

A tárolási, veszteségi modulusz és tan értékek alakulása az amorf polimerek jellegzetességeit mutatta az üvegesedési tartomány felett. Az üvegesedési átmeneti tartományra jellemz , hogy az anyag rideg, törékeny szilárd anyagként viselkedik, azaz a G’>G”. A h mérséklet emelkedésével az anyag által felhasznált növekv deformációs energia az átmeneti tartomány rideg szerkezetének megváltoztatására fordítódott. A mérséklet további emelésével a polimer molekulák mind mozgékonyabbá válnak, majd 25^oC környékén eltávolodnak egymástól. A rugalmas tulajdonságokat jellemz fáziseltolás frekvencia függéséb l megállapítottam, hogy a 453-as minta a teljes frekvencia tartományban kedvez bb viselkedést mutatott a másik két mintánál. A fáziseltolás értékeib l arra következtethetünk, hogy a vizsgált közepes h mérséklet tartományban (25^oC) a szol/gél átmenet határán mozog. Ez az átmenet akkor következik be, ha a komplex modulusz valós része (G’ tárolási modulusz) és imaginárius része (G”

veszteségi modulusz) egyenl , vagyis mivel tan =G”/G’ a =45°fok. Azt találtam, hogy a közepes h mérséklet (25^oC), és frekvencia tartományban (10 rad/s) a 452 és 453 számú minták szol (folyadék karakter), míg a 454 minta gél jelleg ek voltak. A keresztezési frekvenciák alakulása alapján elmondhatjuk, hogy a 452 és 453 számú minták átlagos molekulatömege közel azonos, míg a 454-es jóval kisebb, ezt támasztják alá az Arrhenius egyenlet segítségével számított átlagos móltömeg (Mw) értékek is (2.26. táblázat).

a

b

2.26. táblázat A komplex moduluszból számított tulajdonságok, T=298,2 K-en.

Minta jele 454 452 453

Kezdeti gumikoncentráció, m/m% 15 20 30

Végs gumikoncentráció, m/m% 10 10 10

Frekvencia, Hz 0,4021 8,519 20,89

G’, Pa 2,787 10⁵ 1,246 10⁶ 1,818 10⁶

0, Pas 3,219 10⁶ 4,534 10⁵ 9,421 10⁵

Átlagos móltömeg (Mw), g/mol 7,121 10² 8,830 10² 1,267 10³

0T, Pas 56220 7920 16460

KT, Pas 5,725 10^-15 5,725 10^-15 5,725 10^-15

Összességében megállapítható, hogy a vizsgált összetétel-tartományban 30m/m% koncentrációjú KSGB 10m/m%-ra történ visszahígításával lehetett a gyakorlat szempontjából legkedvez bb szerkezetet kialakítani. A technikai eszközök optimális m ködési tartományait megvizsgálva azonban a nagy viszkozitások miatt a 20m/m%-osnál töményebb elegyek kezelése nem ajánlott. Egyéb berendezésben célszer lehet tehát a lehet legtöményebb törzsoldatot készíteni gumi rlemény-bitumen keverékéb l és ezután hígítani a rendszert az elérni kívánt tulajdonságokig [Memon 1997, Memon 1999-II, Liang 1994, Liang 1999-I., Liang 1999-II., Liang 2000].