폴리머 개질 아스팔트에 있어서 가교제와 무기산의 용도 document_id A220623051812

도로 포장재로 유용한 골재 조성물(역청과 바위를 포함하나, 제한적이지는 않음)을 제조하는데 있어서 역청(아스팔트)의 용도는 각각 인정될 만한 생산품을 제공하는데 심각한 도전을 제공하는 적어도 세 요인에 의해 복잡해진다. 첫째로, 역청 조성물은 도로 포장에 유용한 것으로 고려되기 위해 특정 성능기준 또는 조건을 만족시켜야만 한다. 예를 들면, 인정받을만한 성능을 보장하기 위해 주 및 연방 정부는 도로 포장재로 사용하기 위한 조건을 포함하여 다양한 역청 적용물질에 대한 조건을 제정하였다. 현 연방 도로교통부(Federal Highway administration) 조건들은 역청(아스팔트) 생산물에 대하여 점도, 경도, 투과성, 강도, 점착력 및 연성과 같은 특성에 관련된 제한된 파라미터들을 만족하도록 요구하고 있다. 이들 파라미터 각각은 역청 조성물의 결정적인 특징을 한정하며, 이러한 파라미터들 하나 이상을 만족하지 못한 조성물은 도로 포장재로서의 용도로 수용될 수 없다. 종래의 역청 조성물은 종종 구체적인 조건의 모든 요구치를 동시에 만족시킬 수 없었으며, 이러한 조건들을 만족시키지 못하면 제한적이지는 않지만, 영구적인 변형, 열에 의한 균열 및 굴곡피로를 포함하는 손상이 결과물 도로에 발생할 수 있다. 이러한 손상은 포장된 도로의 수명을 현저히 단축시킨다. 이 점에 있어서, 종래 역청 조성물의 특성들이 폴리머와 같은 기타 물질들의 첨가에 의해 개질될 수 있다는 것이 오랫동안 고려되어왔다. 넓은 범위의 다양한 폴리머들이 역청 조성물들에 대한 첨가제로서 사용되어왔다. 예를 들면, 스티렌 및 컨쥬게이트(conjugate)된 디엔으로부터 유도된 공중합체들이 특히 유용한데, 이러한 공중합체들은 역청조성물에 우수한 용해성을 가지며 그 결과 개질된 역청 조성물들은 우수한 유동학적인 특성들을 가진다. 폴리머 역청 조성물들의 안정성이 종종 원소형태인 황과 같은 가교제(경화제)의 첨가에 의해 증가될 수 있다는 것도 공지되어있다. 황은 황화물 및/또는 다가황화물(polysulfide) 결합을 통해 폴리머와 역청을 화학적으로 결합시킨다고 여겨진다. 역청이 천연적으로 다양한 양의 천연 황을 함유하고 있을지라도 여분의 황을 첨가하는 것은 향상된 안정성을 제공하는데 도움이 될 수 있다. 따라서, 266 - 446℉(130 - 230℃)의 온도에서 역청을 평균 분자량이 30,000 내지 300,000인 블럭 또는 랜덤 공중합체 2 내지 20 중량%와 혼합하는 것으로 이루어진 역청-폴리머 조성물 제조방법이 공지되어 있다. 그 결과 혼합물은 적어도 두시간 동안 교반되어 역청과 관련있는 황 0.1 내지 3 중량%가 가해지고 혼합물은 적어도 20분간 교반된다. 결과물인 역청-폴리머 조성물은 도로포장, 건설포장, 또는 기타 산업적 적용에 이용된다. 이와 유사하게, 아스팔트를 약 0.1 내지 1.5 중량%의 황 원소 및 1 내지 7 중량%의 천연 또는 합성 고무와 열혼합함으로써 얻어지는 직쇄형 부타디엔/스티렌 공중합체가 될 수 있는 아스팔트(역청) 폴리머 조성물도 공지되어있다. 스티렌/부타디엔 고무와 같은 천연 또는 합성 고무를 280 - 400℉(138 - 204℃)의 온도에서 역청에 대해 10 중량%까지 역청과 혼합하고 이후 온도를 257 - 320℉(125 - 160℃)로 조절하고 고무에 대한 비율이 0.01 내지 0.9 사이가 될 만큼의 황을 혼합물에 즉시 섞음으로써 고무-개질 역청을 제조하는 방법이 추가적으로 공지되어있다. 경화-가속제의 촉매량이 경화를 일으키도록 가해진다. 황 대 고무의 결정적인 비율이 가끔 공지되는데, 예를 들면 0.01미만의 황 대 고무의 중량비는 우수한 품질의 개질 역청을 제공한다. 역청 조성물의 사용을 복잡하게 만드는 두번째 요인은 저장조건 하에서 이러한 조성물의 점성 안정도로 고려된다. 이점에 있어서, 역청 조성물들은 종종 사용되기 전에 7일까지 보관되는데 몇몇 경우에는 조성물의 점성이 너무 증가하여 역청 조성물이 의도된 목적으로 사용될 수 없게 된다. 전형적으로 아스팔트와 골재를 포함하는 아스팔트 콘크리트, 아스팔트 콘크리트를 재포장하기 위한 아스팔트 조성물 및 유사한 아스팔트 조성물들은 특히 표면 코팅(도로 포장)을 위한 바인더로서, 아스팔트 에멀젼으로서, 또는 산업적 적용에 있어서 아스팔트가 사용될 때 다양한 분야의 적용에 사용될 수 있도록 일정 수의 특정 기계적 특성을 나타내야만 한다. (본 명세서 내에 사용된 "아스팔트"라는 용어는 "역청"과 상통한다. 아스팔트 콘크리트는 도로에 전형적으로 사용되는 적절한 골재가 첨가된 바인더로서 사용되는 아스팔트이다.) 표면 보수에 있어서, 표면 도포 또는 매우 얇은 역청 혼합물로서, 또는 아스팔트 콘크리트에 있어서 역청 혼합물의 두꺼운 구조성 층으로서의 아스팔트 또는 아스팔트 에멀젼 바인더의 사용은 이러한 바인더들이 바람직한 수치의 탄성 및 가소성과 같은 필수적인 특성을 가지면 많아진다. 관찰된 바와 같이, 물리적 및 기계적 수행 특성을 향상시키기 위해 아스팔트에 다양한 폴리머들이 첨가되어왔다. 폴리머-개질 아스팔트(PMA)들은 도로 건설/보수 및 지붕건축에 일반적으로 사용된다. 종래의 아스팔트는 종종 용도에 있어서 충분한 연성을 보유하지 못하며, 또한 도로 건설과 같은 현대의 많은 용도의 적용에 있어 너무 좁은 범위의 가소성을 보인다. 도로 아스팔트 및 이와 유사한 것은 부틸, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌 또는 폴리이소부텐 고무, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리클로로프렌, 폴리노르보넨, 에틸렌/프로필렌/디엔(EPDM) 삼중합체 및 유리하게는 스티렌 및 컨쥬게이트된 디엔의 랜덤 또는 블럭 공중합체와 같은 것이 될 수 있는 엘라스토머성 폴리머를 이들 내에 도입함으로써 현저히 향상될 수 있다는 것이 공지되어있다. 이렇게 얻어진 개질된 아스팔트들은 보통 역청/폴리머 바인더 또는 아스팔트/폴리머 혼합물로 다양하게 불린다. 개질된 아스팔트 및 아스팔트 에멀젼은 전형적으로 스티렌/부타디엔에 기초한 중합체를 활용해 생산되고, 비-개질된 아스팔트 및 아스팔트 에멀젼에 비해 전형적으로 상승된 연화점(softening point), 증가된 점탄성(viscoelasticity), 압력하에서 향상된 세기, 향상된 긴장 회복, 및 향상된 저온 긴장 특성들을 가진다. 현재 도로 시설물에 채용되는 역청 바인더들은 역청/폴리머 타입에서조차 종종 도로 구조물 및 이들의 건설에 부과되는 구성적 및 작업성 요구치의 증가를 일관되게 만족시키기 위해 충분히 낮은 폴리머 농도에서 최적의 특성을 가지지 않는다. 개질 아스팔트 성능의 주어진 수치를 달성하기 위해 다양한 폴리머들이 일부 규정된 농도에 추가된다. 최근에는 바람직한 아스팔트 특성들이 만족될 때까지 단일 폴리머가 때때로는 폴리머 분자들의 교차결합을 촉진시키는 반응물과 함께 첨가되는 것이 시행된다. 이러한 반응물은 전형적으로는 반응에 적절한 형태의 황이다. 하지만, 폴리머의 비용은 결과물인 아스팔트/폴리머 혼합물 전체의 비용을 현저히 증가시킨다. 따라서, 다양한 아스팔트 혼합물에 대하여 상기 기준을 만족시키는 능력에 비용 요인이 부과된다. 또한, 폴리머 농도의 수위증가에 있어서 아스팔트 혼합물의 작업 점성이 과도하게 커지고 아스팔트와 폴리머의 분리가 발생한다. 교차결합 반응을 더욱 빠르게 진행시키기 위해 활성화제 및 반응 촉진제를 포함하는 것이 폴리머-개질 아스팔트의 제조에 있어서 통상적이다. 통상적인 활성화제는 아연 산화물(ZnO)이고, 통상적인 반응 촉진제는 메르캅토벤조티아졸(MBT)이다. ZnO는 또한 때때로 폴리머가 겔화되는 경향을 조절하는데 사용된다. 메르캅토벤조티아졸의 아연염(ZMBT)은 이러한 종래의 첨가제 두가지의 태양을 조합한다. 전술한 내용으로부터 알 수 있듯이, 아스팔트와 폴리머 조성물의 혼합을 향상시키는 방법이 공지되어있다. 이러한 방법들의 상업적 성공을 위해 필요로하는 요소는 가능한 한 단순한 방법, 첨가물의 비용절감, 및 더욱 가치가 있는 조각으로 혼합할 필요 없이 정제기구로부터 유용한 아스팔트 조각들의 활용을 포함한다. 또한, 결과물인 아스팔트 조성물은 전술한 정부의 물리적 특성 및 환경에 대한 고려도 만족시켜야한다. 따라서, 다른 어떠한 성분도 희생시키지 않고 아스팔트에 첨가되는 폴리머 및 가교제의 비용 절감 또는 유지 및 아스팔트와 폴리머 조성물의 특성을 가능한 한 향상시키는 것이 본 산업의 목적이다.