На правах рукописи
ВОЗНЫЙ Сергей Иванович
ТЕХНОЛОГИЯ ДОЛГОВЕЧНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ РАЗМЕТОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ
05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов
А в т о р е ф е р а т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов – 2012
Работа выполнена на кафедре «Материаловедение» Энгельсского технологического института (филиал) в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени ».
Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты - ,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный
университет имени »,
профессор кафедры физической химии
,
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный техниче-ский университет имени »,
доцент кафедры химической технологии
Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие «Российский дорожный научно-исследовательский институт «РОСДОРНИИ»,
г. Москва
Защита состоится «6» апреля 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.242.09 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» 7., ауд. 319.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени ».
Автореферат разослан «____» марта 2012 г.
Автореферат размещен на сайте ВАК «____» марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В настоящее время дорожная разметка является эффективным средством организации движения транспортных средств, способствующим повышению безопасности дорожного движения, снижению количества дорожно-транспортных происшествий и уменьшению их последствий, увеличению скоростей движения и пропускной способности автомобильных дорог. По данным ООН, наличие разметки на дорожном покрытии позволяет снизить количество дорожно-транспортных происшествий почти на 20%.
Одним из приоритетных направлений развития химии и технологических процессов в области дорожно-строительных материалов является производство разметочных материалов на основе полимеров.
Свойства разметки и срок ее службы во многом определяются качеством используемых разметочных материалов и технологией их нанесения. Применяемые материалы во многих случаях не обладают требуемыми функционально-эксплуатационными свойствами, вследствие этого они либо плохо видны в темное время суток, либо быстро изнашиваются, в результате чего разметка на автомобильной дороге практически отсутствует в течение нормативного срока эксплуатации. Необходимо, чтобы разметка не только была нанесена на дорожное покрытие, но и обладала качествами, позволяю-щими сохранять ее свойства в самых различных условиях эксплуатации.
Такая задача может быть решена на основе составления и управления рецептурами и технологическими процессами производства разметочных мате-риалов. Применение полимеров обеспечивает требуемые показатели одно-родности и долговечности разметки как композиционного материала, соот-ветствие требованиям нормативных документов. Поэтому задача выбора и управления рецептурами материалов для разметки, обеспечивающих высокие эксплуатационные качества и снижение аварийности на автомобильных дорогах, разработка методов научного сопровождения их производства являются актуальными.
Работа выполнялась в рамках Подпрограммы «Автомобильные дороги» Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России на годы».
Цель работы: разработка технологии долговечных полимерных композиционных материалов на основе термопластов для дорожной разметки, адаптированных к условиям применения.
Для достижения поставленной цели в задачи исследований входило:
- изучение процессов физико-химического взаимодействия между термопластом и поверхностью асфальтобетона с различной степенью износа;
- определение основных факторов, влияющих на срок службы дорожной разметки из термопластов;
- установление зависимости эксплуатационных свойств термопласта от природы и количества модифицирующих добавок - синтетических восков, присутствующих на рынке Российской Федерации; выбор из их числа наиболее эффективных и экономически выгодных марок;
- разработка рекомендаций по оптимизации рецептур разметочных термопластов.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Проведен анализ механизма взаимодействия в термодинамической системе «композиционный термопластичный материал разметки – асфаль-тобетонное покрытие», рассмотрены особенности процессов смачивания, химического и физического взаимодействия в динамических условиях.
Установлено, что состояние поверхности, гранулометрический состав асфальтобетона, шероховатость и пористость его гидрофильных компонентов оказывают существенное влияние на адгезию термопласта к асфальтобетону. Доказано наличие адсорбции расплава термопласта в поры и микротрещины минеральных материалов, образование химических связей между полимерной частью термопласта и близкими по строению компонентами битума.
Установлено доминирующее влияние характеристик ингредиентов на функциональную устойчивость дорожной разметки.
Показано, что регулирование концентрации технического воска и гранулометрического состава наполнителей в композиции позволяет обеспечить повышение технологичности и срока службы дорожной разметки.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследований процессов взаимодействия термопласта и асфальтобетона с различной топографией поверхности дорожного покрытия;
- методы направленного регулирования рецептуры и режимов нанесения термопласта на асфальтобетонное покрытие в зависимости от состояния поверхности последнего;
- результаты модификации термопластов добавками синтетических восков, обеспечивающие повышение функциональных характеристик дорожной разметки;
- новые рецептуры долговечных разметочных термопластов, позволяющие формировать их функционально-эксплуатационные характеристики в зависи-мости от дорожно-климатических условий автомобильной дороги, состава и интенсивности движения.
Практическая значимость работы: В результате работы определены требования к долговечным термопластам для дорожной разметки; выполнен подбор ингредиентов композиций (связующих, технологических добавок); проведены комплексные испытания экспериментальных составов. На осно-вании полученных результатов разработана нормативно-техническая докумен-тация (технические условия, технологические регламенты).
Выпущены опытные партии долговечных термопластов, которые испытаны в натурных условиях и внедрены на федеральной и территориальной сети автомобильных дорог.
Достоверность научных положений и результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается хорошим согласованием результатов теоретических исследований с результатами практических и эксперименталь-ных работ, соответствием методических подходов в близких и смежных отрас-лях науки и техники. Работа выполнена с применением комплекса современ-ных взаимодополняющих независимых методов исследований, а также стан-дартных методов испытаний.
Апробация результатов работы. Основные научные положения и результаты работ докладывались и получили одобрение на Всероссийском научно-техническом семинаре «Совершенствование конструктивно-технологи-ческих решений при строительстве мостовых сооружений» (Саратов, 2005), Международной научно-практической конференции «Разметка автомобильных дорог: инновации, техника, оборудование и материалы» (Саратов, 2007), на круглом столе «Применение инноваций в строительстве, ремонте и содержании конструкционных элементов мостовых сооружений (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Приме-нение прогрессивных технических решений при строительстве автомобильных дорог» (Саратов, 2010), научно-технических конференциях Саратовского государственного технического университета, заседаниях научно-технического совета Саратовского комплексного дорожного отдела », кафедр «Мосты и транспортные сооружения» и «Строительство дорог и организация движения», кафедры «Материаловедение» Энгельсского технологического института СГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 монография, получено 2 патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части и четырех глав с результатами эксперимента, общих выводов и списка использованной литературы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, дан краткий обзор содержания диссертации по главам.
В первой главе проведен аналитический обзор состояния производства и применения композиционных материалов для дорожной разметки.
Рассмотрены приоритетные технологии получения долговечных разметоч-ных материалов на полимерной основе.
Во второй главе приведены результаты изучения объектов, методов и методик исследования. Объектами исследования служили: термопластичный материал для разметки типа «Кратер-1»; канифольные смолы на основе пентаэритритового глицеринового эфиров канифоли; синтетические воски марок ПВ-200, FA-1, BS-100, РР-230, РЕ-520, AR-504, РЕ-890; битум марки БНД 60/90, минеральные ингредиенты, пластификаторы.
Свойства образцов термопласта оценивались по основным эксплуатацион-ным и технологическим показателям: адгезии к асфальтобетону, прочности при сжатии, температуре размягчения, скорости течения расплава, липкости при повышенной температуре.
В третьей главе изучены процессы взаимодействия термопластичного разметочного материала с поверхностью асфальтобетона.
Процессы, происходящие на границе между асфальтобетоном и термопластом при нанесении разметки, изучались в рамках трех моделей взаимодействия, характерных для реальных условий эксплуатации дорожного покрытия (рис.1).
 |
Рис.1. Варианты нанесения дорожной разметки на асфальтобетонное дорожное покрытие с различной степенью износа
Эксплуатационное состояние А – дорожная разметка наносится на свежеуложенное асфальтобетонное дорожное покрытие, при этом термопласт взаимодействует в основном с битумом, который покрывает сплошной пленкой минеральные компоненты покрытия. Параметр макрошероховатости поверхности, определяемый как среднеквадратическое отклонение разноглубинности, оценивается как Rср ≤ 2 мм.
Эксплуатационное состояние Б – дорожная разметка наносится на асфальтобетонное покрытие, которое под воздействием климатических и эксплуатационных факторов частично состарилось. В этом случае поверхностный слой битума отчасти утрачен, и термопласт разметки взаимодействует уже с системой «битум – минеральный наполнитель», Rср ≤ 3 мм.
Эксплуатационное состояние В – дорожная разметка наносится на сильно изношенное асфальтобетонное покрытие, которое в поверхностном слое характеризуется практически полным отсутствием битума, а термопласт взаимодействует в основном с минеральными компонентами, Rср ≤ 5 мм.
Базовый состав термопласта для исследований представляет собой композиционный материал, состоящий из нескольких компонентов, обеспечивающих функциональные характеристики (табл.1).
Таблица 1
Базовый состав термопласта для дорожной разметки типа «Кратер-1»
Компонент | % масс | Назначение |
Углеводородная смола или канифольная смола «Пентанокс» | 22-25 | Связующее |
Диоктилфталат (ДОФ) | 2,5-3 | Пластификатор |
Стирол-изопрен-стирол блоксополимер (SIS) | 1-1,5 | Модификатор адгезии к асфальтобетону |
Воск полиэтиленовый ПВ-200 | 0,5-2 | Модификатор |
TiO2 | 8-10 | Пигмент-наполнитель |
Стеариновая кислота C18H36O2 | 1,2-1,5 | Мягчитель |
Стеклянные микрошарики | 25-30 | Световозвращающий эффект |
Кварцевый песок, мел, кальцит | Остальное | Наполнитель |
При нанесении термопласта на поверхность асфальтобетона смачивание осуществляется натеканием объемного слоя (фронта) термопласта под действием рабочего органа маркировочной машины. Шероховатость, пористость, различные виды загрязнения создают энергетические барьеры сопротивления смачиванию и растеканию. На эффективность смачивания оказывает влияние и процесс быстрого повышения вязкости термопласта (η) при охлаждении на воздухе (рис.2).
Рис. 2. Зависимость вязкости расплава термопласта от температуры |
Кроме того, при смачивании неоднородных, пористых или шероховатых поверхностей происходит запирание пузырьков воздуха в неровностях. По этим причинам наблюдается различная прочность адгезионного соединения термопласта с асфальтобетонным покрытием в зависимости от характеристик поверхности последнего (табл.2).
Отмечено, что наиболее прочное сцепление термопласта с асфальтобе-тонным покрытием происходит при нанесении разметки на частично состаренный асфальтобетон.
Таблица 2
Прочность адгезионного соединения термопласта с асфальтобетонным дорожным покрытием
Характеристика поверхности асфальтобетонного дорожного покрытия | Прочность на отрыв, МПа |
Эксплуатационное состояние А | 8-10 |
Эксплуатационное состояние Б | 9-12 |
Эксплуатационное состояние В | 5-8 |
Поверхность асфальтобетонного покрытия в этом случае представляет собой мозаичную дифильную структуру, состоящую из гидрофильных (минеральных материалов) и гидрофобных (битум) участков. Соответственно можно выделить два механизма адгезии термопласта к асфальтобетону.
Смещение одного из пиков дуплекса связи С=O при 1731 см-1 циклических соединениях пентаэритритового и глицеринового эфиров канифоли до 1738 см-1 позволяет сделать предположение о взаимодействии поляризованного атома кислорода сложных ароматических эфиров с атомом водорода ОН-группы асфальтеновых кислот с образованием водородной связи. Это, в частности, подтверждается, смещением пика колебаний связанных OH-групп с 3433 см-1 в битуме до 3415 см-1 в композиционном материале (рис.3).
Рис. 3. Данные ИКС: 1 – термопластичный материал «Кратер - 1»; 2 – битум;
3 – композиционный материал на их основе.
Адгезии на границе раздела «минеральная поверхность – термопласт» способствует проникновение расплава термопласта в поры и микротрещины минеральных материалов в процессе нанесения разметки. Адсорбированный термопласт подобно анкерам удерживает пленку на поверхности зерен минеральных материалов.
Таким образом, благодаря физико-химическим взаимодействиям расплавов термопласта и битума, а также термопласта с поверхностью минерального наполнителя образуется прочный контакт на поверхности раздела «термопласт – асфальтобетон». Отрыв сформировавшейся пленки термопласта на границе раздела с поверхностью асфальтобетона имеет когезионный характер, что подтверждается данными оптической микроскопии (рис.4).
|
|
Рис.4.а - Вид поверхности асфальтобетона после отрыва термопласта; | Рис.4.б - Вид внутренней поверхности термопласта после отрыва от асфальтобетона |
Изучение температурных полей на границе дорожного покрытия и расплава термопласта показывает наличие четырех характерных областей взаимодействия системы «термопласт – асфальтобетон» (рис.5):
 |
Рис.5. Термокинетические зависимости системы «термопласт-асфальтобетон» при нанесении разметки
1 область – термопласт находится в жидком состоянии, битум покрытия – в твердом, температура его стремительно повышается. В этой области процессы взаимодействия компонентов характеризуются процессами смачивания, диффузии, окисления.
2 область – термопласт и битум находятся в жидкофазном состоянии, при котором процессы взаимодействия значительно активизируются. Помимо диффузионных процессов, в этом диапазоне температур имеет место образование химических связей между полимерной частью термопласта и компонентами битума.
3 область – термопласт переходит в твердое состояние (при Т=90-110оС), битум находится в жидкой фазе. Можно говорить о смачивании битумом твердой поверхности термопласта, но с учетом предыдущих реакций между компонентами на этой стадии процессы взаимодействия практически завершаются.
4 область – зона медленного охлаждения затвердевших термопласта и битума. В этой области происходят релаксационные процессы в системе – минимизируются механические напряжения, завершаются окислительные процессы.
В четвертой главе приведены результаты исследования физико-химических свойств термопласта, модифицированного добавками различных синтетических восков.
В качестве основы связующих современных термопластов для дорожной разметки используются синтетические смолы, получаемые полимеризацией непредельных С5-С9 углеводородов (углеводородные смолы), или эфиры канифоли. Для обеспечения морозостойкости в их состав вводят пластификаторы - минеральные масла или эфиры двухосновных органических кислот (адипиновой, себациновой, фталевой). Однако пластификаторы снижают температуру размягчения смолы до уровня 50-70оС, тем самым создавая условия для загрязнения, поскольку пластифицированная смола образует эластичную и липкую на ощупь пленку.
Таблица 3
Влияние добавок на характеристики связующих для термопластов
№ | Наименование добавки | Наблюдаемый эффект |
1 | Пластификаторы | Образуются прозрачные и липкие пленки. Снижают Тразм смол до 50-60оС |
2 | Пластификатор+сэвилен | Пленки эластичные, липкие. Тразм. не изменяется |
3 | Пластификатор+SIS | Пленки эластичные, липкие. Тразм увеличивается примерно на 10оС |
4 | Пластификатор+сэвилен+SIS | Характеристики пленок не изменяются |
5 | Пласификатор+сэвилен+SIS+ полиэтиленовые воски | Пленки остаются эластичными, липкость исчезает. Тразм. поднимается на 25-30оС |
6 | Пластификатор+сэвилен+SIS+ полипропиленовые воски | Пленки эластичные, липкость отсутствует. Тразм поднимается на 30-35оС |
7 | Пластификатор+сэвилен+SIS+ амидные воски | Пленки эластичные, липкость отсутствует. Тразм повышается на 30-40оС |
Для обеспечения прочности и эластичности термопласта при низких температурах в состав связующих вводили полимерные добавки - сополимеры этилена с винилацетатом (сэвилен или EVA) и блок-сополимеры стирола с изопреном (SIS). Однако они мало влияют на температуру размягчения, а пленки с их добавками оставались эластичными и такими же липкими (табл.3).
Для устранения липкости в качестве модифицирующих добавок наиболее эффективными являются композиции с добавлением восков (табл.4).
Таблица 4
Основные характеристики восков, использованных в работе
Марка | Химическая основа | Тпл., °С | К. ч., мг. КОН/г | ρ, г/см3 |
ПВ-200 | полиэтилен., неполярный | 106 | 0 | 0,90 |
Fа-1 | амидный воск, полярный | 141 | 6 | 1,00 |
BS-100 | амидный воск, полярный | 141 | 8 | 1,00 |
РР-230 | полипроп. воск, неполярный | 160 | 0 | 0,88 |
РЕ-520 | полиэтилен., неполярный | 118 | 0 | 0,93 |
AR-504 | полипроп. воск, полярный | 155 | 50 | 0,92 |
РЕ-890 | сополимер ПЭ с винилэтилацетатом | 97 | 0 | 0,94 |
Анализ свойств образцов термопластов, модифицированных добавками (в количестве 2%) различных восков, показал, что наилучшие результаты с точки зрения достижения наивысших прочностных характеристик дорожной разметки показывают воски марок Fа-1 и BS-100 (рис.6).
Рис.6. Зависимость прочности при сжатии от марки воска,
введенного в термопласт в количестве 2%
Введение восков устраняет эффект липкости пленок связующих (рис.7). При этом воски повышают одновременно и температуру размягчения связующих, что способствует снижению способности к загрязнению термопласта при повышенных температурах дорожного покрытия (рис.8).
 |
 |
Установлено, что воски, особенно полярные, в процессе охлаждения расплава термопласта мигрируют в его поверхностные слои. Поэтому поверхность термопласта теряет липкость, а его обратная (нижняя) сторона, из которой воск мигрирует вверх, сохраняет достаточную адгезию к асфальтобетону. Исследования показателя адгезии определяли по усилию отрыва термопласта, нанесенного на поверхность образцов асфальтобетона с различными параметрами шероховатости и эксплуатационным состоянием. (рис.8).
Установлено, что прочность при отрыве термопласта стабильно выше оказывается в случае нанесения разметки на асфальтобетон, находящийся в эксплуатационном состоянии Б (см. рис.1).
Рис.9. Адгезия термопласта к асфальтобетону в зависимости от состояния поверхности (А, Б,В) и марки воска (в количестве 2%) |
|
Это позволяет сделать вывод, что прочность соединения «термопласт – асфальтобетон» обеспечивается также за счет проникновения расплава термопласта в поры и микротрещины минеральных наполнителей.
Введение амидного воска Fa-1 в состав термопласта вместо традиционного полиэтиленового воска ПВ-200 помимо уменьшения липкости поверхности и повышения температуры размягчения позволяет также повысить скорость течения расплава (рис.9).
Рис.10. Зависимость скорости течения расплава термопласта «Кратер» от содержания введенного воска: 1 – Fa-1, 2 – BS-100, 3 – ПВ-200 |
|
С учётом высокой стоимости воска Fa-1 (135 тыс. руб./т), применяемого взамен воска ПВ-тыс. руб/т) экономически допустимой концентрацией его в составе термопласта можно считать уровень 1%. Однако для повышения характеристик термопласта количество воска Fa-1 желательно увеличить сверх 1%. В этом случае нужно компенсировать заметное удорожание стоимости термопласта: каждый дополнительный процент воска в составе термопласта приводит к росту себестоимости примерно на 5,0%.
Сжатие, оказываемое на разметочную полосу колесами автомобиля, может приводить к раздавливанию полосы или к ее раскатыванию, при этом могут изменяться геометрические размеры (например, ширина) полосы до недопустимых величин. Такая деформация зависит от уровня приложенной нагрузки и температуры.
Эффект ползучести материала при этом может быть оценен как сопротивление постоянно действующей нагрузке и степени сохранения первоначальной геометрической формы у образца. Опыт проводится следующим образом: из расплава термопласта во фторопластовых разборных формах формируются цилиндрические столбики высотой 20-30 мм, которые подвергаются обжатию постоянным давлением 0,22 кгс/см2 при температуре 20-22оС. Изменение высоты столбика за 24 часа является мерой степени обжатия материала.
Введение воска Fa-1 (до уровня 1,5%) и полный вывод при этом из состава термопласта сэвилена приводит к росту скорости течения расплава и сохранению достигнутого ранее уровня стоимости (стоимость 1 %масс. сэвилена соответствует стоимости 0,5% масс. воска). При этом сопротивление обжатию находится на допустимом уровне (табл.5).
Причина этого упрочнения материала, по-видимому, связана с химической природой амидного воска, с его структурой. Как и все амиды, отличающиеся хорошо выраженными основными свойствами, такие воски могут образовывать соединения с устойчивыми связями с остатками кислых групп в канифольных смолах. Именно эти связи, нестойкие при нагревании, препятствуют обжатию материала при нормальной температуре.
Таблица 5
Уровень обжатия термопласта в зависимости от содержания воска Fa-1
и сэвилена
Содержание воска Fa-1, % | Содержание сэвилена, % | Уровень обжатия, % |
0 | 1,0 | 63 |
0,5 | 1,0 | 40 |
1,0 | 1,0 | 15-20 |
1,5 | 1,0 | 0 |
2,0 | 1,0 | 0 |
1,4 | 0 | 5-10 |
По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что увеличение содержания воска Fa-1 является наиболее эффективным по обеспечению скорости течения, по минимизации величины обжатия, не требует смены традиционных компонентов состава.
В случае использования канифольной смолы «Пентанокс» увеличение концентрации воска Fa-1 приводит к росту жёсткости термопласта (~ на 7-10%), поэтому для обеспечения эластичности целесообразно большую часть смолы «Пентанокс» (~60%) заменять на смолу ГЭК (глицериновый эфир канифоли).
В настоящее время рабочей температурой при нанесении термопласта на дорогу является Т=200±5°С. Между тем работа при повышенной температуре сопряжена с повышенной скоростью окисления компонентов термопласта и естественным при этом снижением степени его белизны.
Особенно вопрос сохранения заданного уровня белизны возникает при уменьшении в составе термопласта «Кратер» содержания пигмента - с 5,0% до 2,5%.
Следует отметить, что воски Fa-1 и BS-100 при температуре 190-200°С подвержены термоокислительной деструкции, и после 30-минутного термостатирования при этих температурах приобретают жёлтую окраску. Для уменьшения этого негативного эффекта исследована возможность повышения белизны композиции за счёт замены серого кварцевого песка на белый мраморный песок с размером частиц до 0,8 мм.
Для обеспечения уровня белизны требуется понижение рабочей температуры с 200° до 180°С и менее. При этом белизна сохраняется не только за счёт снижения интенсивности окислительного процесса, но и за счёт лучшего перетира частиц пигмента в более вязкой среде. Но переход на меньшую рабочую температуру связан с потерей технологичности расплава (табл.6).
Таблица 6
Характеристики термопласта «Кратер» (с 2,5% TiO2) в зависимости
от рабочей температуры
Показатели | Т=200°С | Т=180°С |
Скорость течения расплава, г/с | 4,9 | 2,7-3,0 |
Белизна, % | 78 | 79-83 |
Переход на меньшую рабочую температуру способствует уменьшению расхода газа, используемому для поддержания заданной рабочей температуры при плавлении композиции в маточном котле и при производстве разметочных работ.
С целью обеспечения необходимой технологичности расплава (прежде всего, скорости течения - 4,5-5,0 г/с) исследованы целесообразность укрупнения наполнителя, увеличения концентрации пластификатора, увеличения концентрации воска Fa-1.
Гранулометрический состав минеральной части термопласта «Кратер» представлен в табл. 7.
Таблица 7
Гранулометрический состав минеральных наполнителей термопласта «Кратер»
Наполнитель | Средний размер, мкм | Количество, % |
Песок кварцевый | 19,0-21 | |
Песок мраморный, фракция 0-800 мкм | 250-300 | 19,5-21 |
Микромрамор УР-7 | 5 - 9 | 16-20 |
Двуокись титана (TiO2 ) | 1-3 | 2,5-3 |
Стеклянные микрошарики | 400-850 | 18-22 |
Следует учитывать, что по фракциям стеклошариков и TiO2 имеются принципиальные ограничения по показателям световозвращения и белизны - вариации по этим компонентам (размеры частиц и содержание в составе) недопустимы. Введение микродоломита МД-60 в качестве укрупнённой фракции позволяет повысить скорость течения расплава.
В табл. 8 представлены результаты по влиянию особенностей наполнителя на скорость течения расплава наполнителя.
Таблица 8
Влияние особенностей наполнителя на скорость истечения расплава термопластика «Кратер» (Т=180°С)
№ п\п | Особенность состава наполнителя | Скорость течения расплава, г/с |
1 | Стандартный состав (табл. 7) | 2,7 |
2 | Промежуточный состав, в котором УР-7 и кварцевый песок полностью заменены на МД-60 | 3,9 |
3 | Состав, в котором УР-7 и кварцевый песок полностью заменены на МД-60, а стандартный мраморный песок (0-800) заменён на более крупный отсев | 4,6 |
Увеличение в составе термопласта «Кратер» пластификатора ДОФ от 3,6 (стандартная норма) до 3,9% повышает скорость течения расплава от 4,5 до 4,8 г/с, но одновременно ведёт к повышению липкости поверхности термопласта и повышает уровень его обжатия под нагрузкой до нежелательных значений - 30-35%. Поэтому такой путь повышения технологичности установлен как неприемлемый.
Вариант дополнительного использования более крупных фракций наполнителя рассматривается как резервный при необходимости. В этом случае появляется вполне реальная возможность снизить рабочую температуру переработки термопласта до 170°С (табл. 9).
Таблица 9
Влияние особенностей наполнителя на характеристики откорректированного состава «Кратер» (2,5% TiO2)
№№ п\п | Особенности наполнителя | Скорость течения расплава при 170°С, г/с | Белизна, % | Адгезия к асфальту, 20°С, МПа |
1 | Стандартный состав | 4,1 | 81 | 1,2 |
2 | Откорректированный состав, в котором УР-7 и кварцевый песок полностью заменены на МД-60 | 4,4 | 82 | 1,2 |
3 | Откорректированный состав, в котором УР-7 и кварцевый песок полностью заменены на МД-60, а стандартный мраморный песок заменён на более крупный отсев | 4,9 | 83 | 1,4 |
В целом состав термопластика типа «Кратер», перерабатываемый при рабочей температуре 180°С, выглядит следующим образом (табл.10):
Таблица 10
Разработанный состав повышенной долговечности
на основе термопласта «Кратер»
Ингредиенты | Содержание, % |
Смола «Пентанокс» | 5,2 |
Смола ГЭК | 7,8 |
ДОФ | 3,5 |
Кратон «Д» | 1,7 |
Мраморный песок | 20,0 |
Кварцевый песок | 19,9 |
УР-7 | 18,0 |
TiO2 | 2,5 |
Fa-1 | 1,4 |
Стеклянные микрошарики | 20,0 |
Разработанный состав термопласта характеризуется следующими свойствами (табл.11).
Таблица 11
Основные характеристики откорректированного состава термопласта
Характеристика | Значение |
Скорость течения расплава V (при Т=180оС), г/с | 4,8-5,2 |
Белизна, % | 80-83 |
Адгезия, σа при Т=20°С, кГс/см2 | 12 - 15 |
Время формирования (при 20°С), мин. | 15 - 17 |
Температура размягчения, °С | |
σсж при +20°С, кГс/см2 | 24 - 32 |
σсж при 0°С, кГс/см2 | 75 - 95 |
σсж при -10°С, кГс/см2 | |
Цена рецептурной части, руб/т, | 25365* |
*Для сравнения: цена ПКРМ «Кратер» (с 2,5% ТО2) до корректировки хим. состава составляет 26150 руб./т, цена ПКРМ «Новопласт» -28188 руб./т.
По результатам проведенных исследований разработан перечень этапов создания рецептуры долговечных разметочных термопластов c учетом условий их эксплуатации.
В пятой главе приведены практические результаты реализации технологии, производства и применения разработанных термопластов.
Приведены сведения о результатах научного и инженерно-технического сопровождения разработки рецептур и выпуска материалов в , г. Дзержинск Московской области.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Разработана технология создания термопластов для дорожной разметки повышенной долговечности. Определены основные этапы разработки рецептур, учитывающие конкретные условия применения дорожной разметки.
2. Определены требования к долговечным термопластам для дорожной разметки; выполнен подбор ингредиентов композиций (связующих, технологических добавок).
3. Проведен анализ физико-химических процессов взаимодействия композиционного материала для дорожной разметки на полимерной основе с дорожным покрытием. Механизм взаимодействия в термодинамической системе «композиционный материал разметки – асфальтобетонное покрытие» в динамических условиях определяется:
- процессами смачивания гидрофильных и гидрофобных компонентов дорожного полотна,
- проникновением с последующей адгезией и адсорбцией расплава термопласта в поры и микротрещины минеральных материалов,
- образованием химических связей между полимерной частью разметки и близкими по строению компонентами битума.
4. Определены требования к технологии и рецептурам термопластичных разметочных материалов на основе анализа условий их эксплуатации. Установлено доминирующее влияние характеристик вяжущих ингредиентов на функциональную устойчивость дорожной разметки. Показано, что регулирование концентрации технического воска в композиции позволяет повысить температурный диапазон незагрязняемости на 5-15оС и обеспечить повышение срока службы дорожной разметки на 1 месяц.
5. Разработанная технология внедрена в производство в .
Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
В изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Возный, термопластичных разметочных материалов / , , // Промышленное производство и использование эластомеров. 2011. № 4. С.
2. Возный, -химическое взаимодействие термопластичных раз-меточных материалов с поверхностью асфальтобетонных дорожных покрытий / , // Строительные материалы. 2010. № 10. С. 62-64.
3. Возный, холодных пластиков для противоскользящих покрытий / , , // Строительные материалы. 2009. № 2. С.
4. Производство холодных пластиков для разметки шероховатых покрытий /
, , // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 6 (электронный журнал) URL: www. *****/95-4569.
5. Возный, рецептур и технологий композитных дорожных термопластиков на полимерной основе / , , // Фундаментальные исследования. 2012. № 3(2) (электронный журнал) URL: www. *****/fs/?section=content&op=show_article&article_id.
Монография
6. Возный, материалы для дорожной разметки. Химия и технология. Научное издание / , , . Саратов : Изд. «РАТА». 20с.
В других изданиях:
7. Возный, -химические процессы смачивания при нанесении термопластичного разметочного материала на поверхность дорожного покрытия / , , // Дороги и мосты. 2011. № 1 (25). С.
8. Возный, технологий производства разметочных материалов на полимерной основе / // Разметка автомобильных дорог: инновации, техника, оборудование, материалы: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Саратов : электроприборостроитель-ный завод им. С. Орджоникидзе», 2007. С.
9. Возный, применения холодных пластиков при разметке дорог / , , // Дорожная держава. 2008. № 10. С.
10. Возный, противоскользящие покрытия нового поколения / , , // Дорожная держава. 2008. № 13. С.
11. Возный производства разметочных материалов на полимерной основе. Стандарт организации / . М. : . 20с.
Патенты
12. Патент РФ № 000 Термопластичный состав спрей-пластик для маркировки дорожного полотна методом распыления под давлением / , , и др. // Дата публикации заявки 10.10.2008, опубликовано 20.06.2009, Бюл. №
13. Патент РФ № 000 Термопластичный состав для маркировки дорожного полотна / , , и др.// Дата публикации заявки 10.10.2008, опубликовано 20.06.2009, Бюл. №
Степень личного участия автора в опубликованных работах
В работах [1-13] автор принимал непосредственное участие в постановке теоретической проблемы, проведении анализа состояния нормативно-методического обеспечения производства, применения и контроля качества дорожной разметки; предложении и уточнении новых рецептур композитных дорожных термопластов, обсуждении и обобщении результатов, подготовке всех публикаций.
Подписано в печать 02.03.2012 | Формат 60×84 1/16 | |
Бум. офсет. | Усл. печ. л. 1,0 | Уч.-изд. л. 1,0 |
Тираж 100 экз. | Заказ | Бесплатно |
Саратовский государственный технический университет
Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ. Саратов, Политехническая ул., 77
