KR20000025818A - 소성변형을 방지하는 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 골재에 아스팔트를 도포시킨 후 여기에 아스팔트의 소성변형을 방지하기 위해 첨가되는 아스팔트 개질용 라텍스를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 부타디엔 단량체 10∼40 중량부, 부틸아크릴레이트 단량체 2∼10 중량부, 스티렌 단량체 5∼10 중량부, 유화제 0.3∼3.0 중량부, 전해질 0.1∼0.5 중량부, 분자량 조절제 0.5∼1.5 중량부, 산화제 0.1∼1.0 중량부 및 촉매 0.1∼0.5 중량부를 투입하고 5℃에서 반응을 개시하여 반응전환율 40∼50%에서 12℃로 승온시키고 반응전환율 75∼80%에서 20℃로 승온하여 씨앗 입자경 300∼400Å 되도록 씨앗중합하는 단계; 및 부타디엔 단량체 40∼60 중량부, 메틸메타크릴레이트 단량체 5∼10 중량부, 스티렌 단량체 5∼20 중량부, 유화제 1.0∼3.0 중량부 및 분자량 조절제 0.2∼1.0 중량부를 투입하여 씨앗 입자경 800∼1000Å 되도록 비대화하는 증식단계를 포함하는 것을 그 특징으로 하며, 이와같이 제조된 스티렌-부타디엔 라텍스는 겔 함량이 낮아 아스팔트에의 용해성을 향상시킴으로써 아스팔트의 점성증가, 연화점 상승 및 침입도 저하들의 물성을 개질하여 소성변형에 대한 저항력을 향상시키는 아스팔트 개질효과를 탁월하게 발휘할 수 있다.

Description

소성변형을 방지하는 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법

본 발명은 소성변형을 방지하는 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법에 관한 것으로서, 겔 함량이 낮도록 제조함으로써 아스팔트와의 용해성을 향상시켜 아스팔트의 점성증가, 연화점 상승 및 침입도 저하등의 물성을 개질함으로써 결과적으로 소성변형에 대한 저항력을 향상시킬 수 있는 스티렌-부타디엔 공중합체로 이루어진 라텍스를 제조하는 방법에 관한 것이다.

아스콘이라 불리우는 포장재료는 아스팔트 시멘트와 골재와의 혼합물로서, 도로포장에 널리 이용되는 포장재료이다. 또한, 아스팔트 시멘트와 골재를 가열하여 제조하므로 가열 아스팔트 혼합물(hot mix asphalt)이라고도 불리운다.

아스팔트 시멘트는 골재를 결합하여 결과적으로 아스콘을 형성하게 되므로 아스팔트 바인더(asphalt binder)라고도 불리운다.

아스팔트 바인더는 탄성과 점성의 두 가지 성질을 함께 가지고 있어 점탄성 재료로 불리우며, 아스팔트 혼합물로 제조하여도 계속 두 가지 성질을 갖고 있다.

아스팔트 포장도로는 시공 후 중차량의 통행과 기후조건 및 교통환경의 변화로 인해 균열, 소성변형 및 박리현상 등이 빈번하게 발생되어 도로의 수명이 단축되고 있다.

특히, 소성변형은 아스팔트 포장도로에서 가장 심각한 문제로서, 외기의 온도변화로 인해서나 교통량의 급증, 차량의 중량화 및 대형화 추세에 따라 소성변형도 더욱 심화되고 있다.

더구나 도로의 온도가 상승하는 하절기에 중차량의 통행이 빈번한 지역에서는 소성변형의 발생으로 인해 도로로서의 기능을 상실하게 된다.

따라서, 양질의 포장체를 구성하기 위한 새로운 소재개발이 절실히 요구되며, 이에 따른 포장의 내구성과 공용성을 연장시키기 위한 연구가 계속되고 있다.

한편, 스티렌-부타디엔 라텍스를 아스팔트 개질제로 사용하기도 하였으나, 이들 라텍스는 겔 함량이 과다하여 아스팔트 개질제로 사용시 용해성이 나빠 충분한 개질효과를 발휘할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 아스팔트의 소성변형을 방지하는 스티렌-부타디엔 공중합체로 이루어진 라텍스를 겔 함량을 최소화하여 아스팔트에 대한 용해성을 향상시키도록 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 아스팔트 개질제 라텍스는 아스콘 제조 공정에서 개질제로 투입할 수 있는 수용성 타입의 스티렌-부타디엔 공중합체의 라텍스로서, 이를 제조하는 데 있어서 부타디엔 단량체 10∼40 중량부, 부틸아크릴레이트 단량체 2∼10 중량부, 스티렌 단량체 5∼10 중량부, 유화제 0.3∼3.0 중량부, 전해질 0.1∼0.5 중량부, 분자량 조절제 0.5∼1.5 중량부, 산화제 0.1∼1.0 중량부 및 촉매 0.1∼0.5 중량부를 투입하고 5℃에서 반응을 개시하여 반응전환율 40∼50%에서 12℃로 승온시키고, 반응전환율 75∼80%에서 20℃로 승온하여 씨앗 입자경 300∼400Å 되도록 씨앗중합하는 단계; 및 부타디엔 단량체 40∼60 중량부, 메틸메타크릴레이트 단량체 5∼10 중량부, 스티렌 단량체 5∼20 중량부, 유화제 1.0∼3.0 중량부 및 분자량 조절제 0.2∼1.0 중량부를 투입하여 씨앗 입자경 800∼1000Å 되도록 비대화하는 증식단계를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법은 씨앗중합 단계와 증식중합 단계로 이루어지는 바, 먼저 씨앗중합 단계에서는 중합체의 미셀을 형성하여 씨앗 입자경을 제조하기 위하여 부타디엔 단량체, 유화제인 로진염, 올레인염 및 페티염을 사용하며 전해질로 인산염, 분자량 조절제로는 터셔리 도데실 머캅탄, 산화제로는 디이소프로필 벤젠하이드로퍼옥사이드, 촉매로는 테트라소듐 에틸렌 디아민 테트라 아세테이트 이수화물을 투입하여 초기 중합반응을 일으키고, 얻어진 중합물에 부타디엔 단량체, 메틸메타크릴레이트 단량체, 스티렌 단량체, 유화제인 로진염, 분자량조절제인 터셔리 도데실 머캅탄을 투입하여 증식반응시켜 반응을 완료시킴으로써 부타디엔-스티렌 라텍스를 제조한다.

씨앗중합 단계에서 부타디엔 단량체 10∼40 중량부, 부틸아크릴레이트 단량체 2∼10 중량부, 스티렌 단량체 5∼10 중량부, 유화제인 로진염 0.1∼1.0 중량부, 올레인염 0.1∼1.0 중량부, 페티염 0.1∼1.0 중량부, 전해질로 인산염 0.1∼0.5 중량부, 분자량조절제로 터셔리 도데실 머캅탄 0.5∼1.5 중량부, 산화제로 디이소프로필 벤젠 하이드로퍼옥사이드 0.1∼1.0 중량부, 촉매로 테트라소듐 에틸렌 디아민 테트라아세테이트 이수화물 0.1∼0.5 중량부를 투입하여 씨앗입자경을 300∼400Å 정도로 중합한다.

이때, 씨앗중합 단계에서 산화제인 디이소프로필 벤젠하이드로퍼옥사이드를 제외하고, 나머지는 일괄 투입하여 3℃에서 1시간 정도 교반하여 잘 혼합한 후 디이소프로필 벤젠하이드로퍼옥사이드를 투입하고 5℃로 승온하여 반응을 개시한다.

씨앗중합 단계에서는 아스콘의 소성변형에 대한 저항력을 크게 하기 위하여 라텍스의 초기중합단계에서 일정한 전환율이 진행되면 또 다시 연속적으로 단량체를 투입하는 방법으로 제조하고, 반응온도는 초기에 5℃에서 개시하여 반응전환율 40∼50%에서 12℃로 승온시키고 반응전환율 75∼85%에서 20℃로 승온하여 반응을 수행한다.

증식중합 단계에서는 부타디엔 단량체 40∼60 중량부, 메틸메타크릴레이트 단량체 5∼10 중량부, 스티렌 단량체 5∼20 중량부, 유화제인 로진염 1.0∼3.0 중량부, 터셔리 도데실머캅탄 0.2∼1.0 중량부를 투입하여 입자경을 800∼1000Å까지 비대화시켜 반응을 완료시킨다.

이때, 유화제는 반응전환율 40∼50%에서 0.5∼1.5 중량부 투입하고 반응온도를 20℃로 승온하고 반응전환율 75∼85%에서 0.5∼1.5 중량부를 투입하고, 반응온도를 20℃로 승온한다.

아스팔트와 라텍스의 용융성을 좋게 하기 위해서는 부타디엔-스티렌 라텍스의 단량체비와 유화제 종류, 겔 함량이 중요한 영향을 미친다.

본 발명에서 제조된 라텍스는 아스팔트와의 용융성을 좋게 하기 위하여 겔 함량이 10% 이하인 것이 바람직하며, 겔 함량의 조절을 위해 분자량 조절제로서 터셔리 도데실 머캅탄을 사용하고, 반응온도를 5∼20℃로 중합을 실시한다.

만일, 겔 함량이 높으면 겔 성분의 아스팔트와의 용융성이 불량하여 라텍스의 아스팔트와의 상분리가 일어나 아스팔트를 개질화시키지 못한다.

본 발명에 따른 부타디엔-스티렌 공중합체 라텍스의 부타디엔/스티렌 단량체의 중량비는 50∼100:10∼30 중량비로 조절하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 70:30 중량비로 조절하는 것이 아스팔트의 소성변형에 대한 저항력을 크게 할 수 있다.

본 발명에서 제조된 라텍스를 사용하는 방법은 골재에 아스팔트를 도포시킨 후 여기에 라텍스를 분사시켜 아스팔트에 용해되도록 함으로써 개질제의 성능을 발휘할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

2ℓ 용량의 고압반응기에 다음 표 1에 나타낸 바와 같은 중합시약 중 초기의 입자경을 조절하기 위해 단량체를 투입하여 초기입자경으로 형성시키고, 연속적으로 투입되는 모노머 및 안정성을 위한 후첨 유화제인 로진염과 산화제인 디이소프로필 벤젠하이드로퍼옥사이드를 제외한 나머지 중합시약은 일괄 투입하여 30℃에서 1시간 정도 교반시켜 약액을 잘 혼합한 후 산화제인 디이소프로필벤젠 하이드로퍼옥사이드를 투입하여 5℃로 승온시켜 반응을 개시하였다.

초기단량체들이 전환율 80% 이상으로 진행되고 초기 입자경이 300Å 이상 성장하였을 때 입경비대화 및 연속적인 반응을 위해 후반 증식단량체를 추가하며 유화제인 로진염은 초기반응 개시단계의 산화제 디이소프로필벤젠 하이드로퍼옥사이드를 투입한 후 3시간째 1.0 중량부, 8시간 후에 1.5 중량부를 투입하였다.

중합온도는 5℃에서 개시하여 초기반응 시간이 완료되는 3시간 후에 5℃에서 12℃로 승온하고, 12시간 후에 다시 20℃로 승온한 후, 25℃로 승온하여 반응을 활성화하여 반응을 종료하였다.

중합단계	조성	함량(중량부)
초기중합단계	부타디엔 단량체부틸아크릴레이트 단량체스티렌 단량체로진염올레인염페티염인산염터셔리도데실 머캅탄디이소프로필벤젠 하이드로퍼옥사이드테트라소듐 에틸렌 디아민 테트라 아세이이트이온수	14370.40.70.50.31.00.580.280.1
증식중합단계	부타디엔 단량체메틸메타크릴레이트 단량체스티렌 단량체터셔리도데실머캅탄 단량체로진염	556151.02.5

비교예 1

2ℓ 고압 반응기에 산화제인 디이소프로필벤젠 하이드로퍼옥사이드를 제외한 다음 표 2에 나타낸 중합시약을 일괄 투입하고, 3℃에서 1시간 정도 프리믹싱(premixing)시킨 후 5℃로 승온함과 동시에 디이소프로필벤젠 하이드로퍼옥사이드를 투입하여 반응을 시작하였다. 중합온도는 5℃에서 개시하여 초기반응 시간이 완료되는 3시간 후에 12℃로 승온시키고 8시간 후에 20℃로 승온하였다.

유화제인 로진염은 초기반응 단계에서 0.4 중량부, 3시간 후 1.0 중량부, 8시간 후에 1.5 중량부 투입하였다.

조성	함량(중량부)
부타디엔 단량체부틸아크릴레이트 단량체메틸메타크릴레이트 단량체스티렌로진염올레인염페티염인산염터셔리도데실 머캅탄디이소프로필 벤젠 하이드로퍼옥사이드테트라 소듐 에틸렌 디아민 테트라아세테이트이온수	6936222.90.70.50.32.10.50.280.1

비교예 2

상기 비교예 1에서와 동일한 중합반응 단량체를 사용하되, 중합반응온도를 변경하였는 바, 반응개시를 20℃에서 시작하였으며, 초기반응 개시 3시간 후에 30℃, 초기반응개시 8시간 후에 40℃로 승온하여 12시간 반응 후 반응을 종결하였다.

후첨 유화제인 로진염을 초기반응개시 3시간 후에 1.0 중량부, 8시간 후에 1.5 중량부 투입하였다.

실험예 1

상기 실시예 1 및 비교예 1∼2에 따라 제조된 라텍스에 대하여 기본적 물성을 측정하여 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

여기서, 겔 함량은 폴리머를 이소프로필 알코올에 응고시켜 메틸알코올로 세척하여 건조시킨 후 솔벤트에 24시간 녹여서 불용분의 함량을 백분율로 나타낸 값이다.

	고형분함량(%)	pH	점도(cps)	겔 함량(%)	유리전이온도(℃)	입자크기(Å)
실시예 1	50.0	10.4	32	5	-53	950
비교예 1	50.1	10.3	35	32	-50	1050
비교예 2	50.1	10.5	30	53	-52	1030

상기 표 3과 같은 기본물성을 갖는 아스팔트 개질용 라텍스로 개질아스콘을 제조하여 소성변형 발생을 측정하는 휠 트랙킹 시험을 실시하였으며, 그 결과를 다음 표 5에 나타내었다.

휠 트랙킹 시험에 사용한 아스팔트는 다음 표 4에 나타낸 바와 같은 품질을 갖는 AP-3를 사용하였으며, 아스콘 제조에 사용되는 골재 크기의 비는 다음 표 4와 같다.

또한, 소성변형을 억제하는 개질아스콘을 제조하는데 사용되는 아스팔트(AP-3), 혼합골재 및 개질제의 사용량은 다음 표 4와 같다.

휠 트랙킹 시험은 영국도로 및 교통연구소(Transporation Road Research Laboratory: TRRL)에서 고안한 대규모 실규격 포장 시험장치를 사용하였으며, 시험시 시편의 표면에 접지압 7.0kg/㎠을 가하여 실시하며, 단위시간 동안 바퀴자극에 의한 패임깊이를 측정하여 결정하는 것으로 소성변형을 간접평가할 수 있는 가장 우수한 시험방법으로 KS M 2250에 준하여 실시하였다.

변형량의 산출방법은 최초에 중심부를 통과할 때의 라이얼 게이지의 눈금을 원점으로 하며, 이때 변형량은 시험륜의 주행범위 중앙에서 측정하였다.

휠 트랙킹 시험결과는 변형량(침하량)-시간 관계곡선에서 변형량 증가율이 거의 일정하게 되는 45분에서 60분까지의 15분간 주행의 변형량을 취하여 이것을 변형율(RD, Rate of Deformation, mm/min)로 나타낸다.

시험시편 제작방법은 혼합골재 100 중량부를 200℃까지 가열한 다음 150℃로 가열된 아스팔트 5.79 중량부를 혼합골재에 부어넣고 균일하게 혼합한 다음 라텍스 0.21 중량부를 첨가하여 균일하게 혼합하였다.

이 혼합물(아스콘)을 300mm 정사각형에 두께 50mm의 몰드에 부어 넣은 후 로울러 콤팩터로 다진다. 이때 다짐 하중은 900kg으로 한다.

아스팔트 품질	비중(25℃)연화점(℃)침입도(25℃, 100g, 5초, 1/10mm)인화점(℃)신도(25℃, 5cm/min, cm)점도(60℃, POISE)박막가열후 침입도비(%)박막가열후 신도(25℃, 5cm/min, cm)트리클로로에탄 가용분(%)	1.03244.095338100 이상54068.475 이상99.72
골재크기의 비(%)	19∼13mm13∼5mm5∼0mm모래석분	30243664
아스팔트, 혼합골재 및 개질제의 사용량(중량부)	혼합골재아스팔트(AP-3)라텍스	1005.790.21

구분	변형율(mm/min)
실시예 1	0.0146
비교예 1	0.0453
비교예 2	0.1073

상기 표 5의 결과로부터 본 발명에 따른 아스팔트 개질제 라텍스를 골재상에 도포된 아스팔트 위에 분사한 결과 아스팔트의 소성변형율이 상당부분 줄어듬을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 초기중합단계에서 일정 반응전환율에서 온도를 승온시켜가면서 제조된 스티렌-부타디엔 라텍스는 겔 함량이 10% 이하로 낮아짐으로써 아스팔트와의 용해성이 향상되며 이에 따라 아스팔트의 소성변형을 방지하는 효과를 충분히 발휘할 수 있다.

Claims (5)

1. 부타디엔 단량체 10∼40 중량부, 부틸아크릴레이트 단량체 2∼10 중량부, 스티렌 단량체 5∼10 중량부, 유화제 0.3∼3.0 중량부, 전해질 0.1∼0.5 중량부, 분자량 조절제 0.5∼1.5 중량부, 산화제 0.1∼1.0 중량부 및 촉매 0.1∼0.5 중량부를 투입하여 씨앗중합하는 단계; 및

   부타디엔 단량체 40∼60 중량부, 메틸메타크릴레이트 단량체 5∼10 중량부, 스티렌 단량체 5∼20 중량부, 유화제 1.0∼3.0 중량부 및 분자량 조절제 0.2∼1.0 중량부를 투입하여 씨앗 입자경을 비대화하는 증식단계를 포함하는 소성변형을 방지하는 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 씨앗중합은 입자경이 300∼400Å 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 소성변형을 방지하는 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 씨앗중합은 5℃에서 개시하여 반응전환율 40∼50%에서 12℃로 승온시키고, 반응전환율 75∼85℃에서 20℃로 승온시키는 방법을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 소성변형을 방지하는 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 증식중합은 입자경 800∼1000Å 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 소성변형을 방지하는 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 증식중합시 유화제의 투입은 반응전환율 40∼50%에서 0.5∼1.5 중량부 투입하고, 반응온도를 20℃로 승온한 다음 반응전환율 75∼85%에서 0.5∼1.5 중량부 투입하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 소성변형을 방지하는 아스팔트 개질용 라텍스의 제조방법.