KR100862057B1 - 용융 속도가 향상된 아스팔트 개질제 조성물 및 이를이용한 개질 아스팔트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특정의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체와 아스팔트를 일정량 혼합한 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물과, 상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 아스팔트에 용융 혼합하여, 개질제 용융시간 단축 및 용융과정에서 열산화를 최소화하여 개질 아스팔트의 물성 저하 방지 및 생산성이 향상된 개질 아스팔트에 관한 것이다.
아스팔트, 개질제, 배수성, 플랜트 믹스, 방수 시트, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체

Description

용융 속도가 향상된 아스팔트 개질제 조성물 및 이를 이용한 개질 아스팔트{Asphalt modifier compositions improved melting for asphalt and modified asphalt using it}
본 발명은 특정의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체와 아스팔트를 일정량 혼합한 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물과, 상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 아스팔트에 용융 혼합하여, 개질제 용융시간 단축 및 용융과정에서 열산화를 최소화하여 개질 아스팔트의 물성 저하 방지 및 생산성이 향상된 개질 아스팔트에 관한 것이다.
아스팔트는 상온에서 흑색을 띄며, 끈끈한 반고체 상태의 매우 점성이 높은 재료로 종류는 널리 단단한 정도를 기준으로 하여 여러 등급으로 구분되며, 이와 관련하여 침입도, 점도 및 공용성 등급이 있다.
이러한 아스팔트는 ASTM D946에 의한 아스팔트의 침입도 시험결과를 이용해서 아스팔트를 분류한다. 침입도는 표준 침을 기준 온도에서 규정된 하중 및 시간 동안 아스팔트에 관입시켜, 그 관입량을 아스팔트의 침입도로 규정하는 시험으로, 구체적으로 25 ℃에서 아스팔트의 경도를 나타내는 지수로서, 아스팔트에 규정된 침의 바늘로 100 g의 힘으로 5초 동안 눌렀을 때의 침의 관입 깊이를 0.1 mm 단위로 나타낸 값으로 이 값이 작을수록 단단한 아스팔트를 의미한다. 이러한 침입도에 의한 등급에는 40 ∼ 50, 60 ∼ 70, 85 ∼ 100, 120 ∼ 150, 200 ∼ 300 등의 5가지 표준 침입도 등급 범위가 있다. 즉, 침입도 40 ∼ 50의 아스팔트는 침입도 200 ∼ 300의 아스팔트 보다 단단한 아스팔트이다. 국내에서 생산되는 대표적인 도로포장용 아스팔트는 침입도 85 ∼ 100(AP-3) 및 침입도 60 ∼ 70(AP-5)의 2종류가 있다.
이러한 아스팔트는 사용 중 고온에 노출되면 점성이 높게 되어 고온 소성이 발생하며 저온에서는 외부 충격에 의해 잘 깨지는 특성을 가지게 되어 저온 균열을 유발하는 문제가 있다.
이에 아스팔트의 온도 특성을 개선하는 방법으로 대중화된 것이 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체, 폴리올레핀계 수지 및 스티렌-부타디엔 고무 등의 첨가제를 혼합하여 사용하는 방법이 있으며, 이 같은 첨가제에 의해 물성을 향상시킨 아스팔트를 '개질 아스팔트'라 일컫는다. 이때, 첨가제 중 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체 가장 널리 사용되고 있다[J. of materals science 36, 2001, P451-460].
스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체를 이용한 개질 아스팔트의 물성은 아스팔트 내에 함유된 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체의 용해 속도가 중요한 인자로 작용한다.
아스팔트에 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체와 같은 개질용 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체가 용해시키는 메카니즘을 도 1의 (a)를 이용하여 살펴보면 1단계로 개질제인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체를 160 ∼ 200 ℃의 아스팔트에 투입되면, 2단계로 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체와 아스팔트가 혼합되고, 3단계로 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체에 아스팔트의 아로마틱 오일 성분이 스며들어 침투되고, 4단계로 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체가 팽윤(swelling) 되며 분산되어 아스팔트내에서 물리적 네트워크를 형성하게 된다[J. of material science 36, 2001, p 451-460]. 이와 같은 메카니즘을 근거로 살펴보면 아스팔트내 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체의 용해속도는 얼마만큼 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체 내부로 아스팔트 성분을 빨리 팽윤 시키는지 여부에 결정되게 됨을 알 수 있다.
한편, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체로 개질된 아스팔트는 도로용 개질 아스팔트와 방수 시트 등에 널리 적용되고 있다.
도로용 개질 아스팔트를 제조하는 방법은 대형 용융 설비에서 아스팔트에 펠렛이나 크럼 형태의 3 ∼ 10 중량%의 개질제(스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체 등)를 투입하여 용융시킨 후 아스콘 공장 등으로 이송하여 골재와 개질 아스팔트를 혼합하는 프리믹스 타입(습식법)과, 아스콘 공장에서 골재와 아스팔트를 혼합할 때 5 ∼ 15 중량%의 개질제를 투입하여 아스콘을 제조하는 플랜트 믹스 타입(건식법)이 있다.
도로용 개질 아스팔트 제조 공법 중 프리믹스 타입의 경우 대형 용융 설비에서 아스팔트와 개질제를 160 ∼ 200 ℃에서 용융, 혼합시켜 제조하기 때문에 대량 생산할 수 있다는 장점이 있어 도로 포장에 일반적으로 많이 사용된다. 그러나 대형 용융 설비에서 장시간에 걸쳐 용융시킨 후 아스콘 공장으로 이동하여 사용하기 때문에 이송 거리가 멀 경우 개질 아스팔트가 노화되어 성능저하를 발생시킬 수 있고, 포장 구간이 짧아 개질 아스팔트를 소량 사용하는 경우에 공정운영상 적합하지 않으며 또한 저장이나 이동시 개질제와 아스팔트가 분리되는 상분리 현상이 일어 날 수 있다는 문제점이 있다.
플랜트 믹스 방식은 아스콘 공장에서 즉시 혼합하기 때문에 저장 공정이 없기 때문에 상분리 현상 및 제조 과정에서 고온에 의한 물성 저하를 최소화시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 프리믹스 타입의 적용에 어려운 짧은 구간 포장, 접근성이 용이하지 않은 도로 포장, 도로 유지보수 및 배수성과 같은 특수 아스팔트 포장에 많이 이용된다. 이러한 플랜트 믹스 타입에 사용되는 아스팔트 개질제의 경우 공정상 아스팔트에 단시간에 용해되도록 하는 것이 중요하다. 만약 용융시간이 늦으면 아스팔트 혼합물의 제조 시 작업시간이 지연되는 문제가 발생하거나 개질아스팔트로서의 제대로된 성능을 발현할 수 없다.
이를 해결하기 위하여 대한민국 특허등록 제417,294호와 제655,635호에는 플랜트믹스 방식에 사용되는 아스팔트 개질제의 용해 속도를 향상시키기 위하여 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체에 점착성 부여 수지와 가공 보조제를 혼합하여 사용하는 개질제 조성물이 개시되어 있다. 그러나 이러한 개질제들도 조성물 제조시 고점도의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체를 사용할 경우 용융속도에 한계가 있다[대한민국 특허등록 제701,1821호].
또한, 점착성 부여수지와 가공보조제 등의 단가가 아스팔트에 비해 매우 높고, 대량 생산 방식인 프리믹스 방식에 비해 가격 경쟁력이 떨어지는 단점이 있다. 그리고 가공보조제로 주로 오일이 사용하는데 아스콘 공장에서 아스콘을 제조하여 현장으로 이송 도중에 미량 휘발되는 오일에 의해 아스콘에서 연기가 나는 문제점이 있다.
방수시트용 개질 아스팔트 제조방법은 도로용 개질 아스팔트 프리믹스 방식과 유사하게 제조한다. 160 ∼ 200 ℃의 용융설비에서 무기물이 혼합된 아스팔트에 8 ∼ 20 중량%의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체를 용융 혼합시킨 용용된 혼합물에 천을 통과 시켜 방수시트를 제조한다. 이때, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체의 용융속도가 느리면 장시간 열에 노출되어 열노화에 산화되어 최종 제품의 물성을 약화시키는 문제를 초래하게 된다[한국도로학회 논문집 제6권2호, 2004년 P 15 ∼ 24].
프리믹스 방식(또는 방수시트용 개질아스팔트 제조)에서 빠른 용해 속도를 얻기 위하여 대한민국 특허등록 제701,1821호와 대한민국특허 등록 제581,820호에 아스팔트 개질제에 발포제를 함유시켜 다공성을 만들어 표면적을 증가시켜 용융속도를 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 발포제를 이용하는 방법은 용융 과정에서 발포제가 완벽하게 소모되지 않으면, 저장 및 사용 과정에서 발포가 지속적으로 일어나 문제가 될 수 있으며 발포 후 부산물에 의한 오염으로 아스팔트 개질제의 물성을 저하시킬 수 있다.
본 발명은 도로포장용 플랜트 믹스타입 및 방수시트를 제조하는 공정 시 물성에 중요한 인자로 작용되는 아스팔트에 대한 개질제의 용해속도를 종래에 비해 현격히 증가시켜, 개질제의 용융시간 단축, 개질 아스팔트의 열 산화에 의한 물성저하의 최소화 및 용융이 어려운 높은 중량평균분자량을 갖는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체를 개질제로 사용 가능하도록 한 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명은 스티렌 함량이 10 ∼ 50 중량% 범위이고, 중량 평균 분자량이 50,000∼400,000 g/mol 범위인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS) 100 중량부와, 아스팔트 21 ∼ 150 중량부를 포함하여 이루어진 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물에 그 특징이 있다.
또한, 본 발명은 아스팔트 70 ∼ 93 중량%와, 상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물이 3 ∼ 30 중량% 함유되어 이루어진 개질 아스팔트에 또 다른 특징이 있다.
또한, 본 발명은 아스팔트 70 ∼ 97 중량%와 상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물이 3 ∼ 30 중량% 함유되어 이루어진 개질 아스팔트에 또 다른 특징이 있다.
또한, 본 발명은 스티렌 함량이 10 ∼ 50 중량% 범위이고, 중량 평균 분자량이 50,000∼400,000 g/mol 범위인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS) 100 중량부와, 아스팔트 21 내지 150 중량부를 100 ∼ 160 ℃에서 혼합한 후, 성형하여 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 제조하는 단계와,
상기 펠렛형 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제 조성물 3 ∼ 30 중량%와 아스팔트 70 ∼ 93 중량%를 160 ∼ 200 ℃ 범위에서 용융혼합하여 개질 아스팔트를 제조하는 단계를 포함하여 이루어진 개질 아스팔트의 제조방법에 또 다른 특징이 있다.
본 발명은 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체와 아스팔트를 포함한 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물과, 상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 아스팔트에 혼합하여 제조된 개질된 아스팔트는 상기 개질제 조성물에 함유된 아스팔트가 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체에 스며들어 있는 상태와 유사하게 존재함으로써 개질 아스팔트 제조 시 종래에 비해 아스팔트에 대한 용해성을 월등히 향상시킬 수 있어 개질 아스팔트의 생산성 및 물성 향상이 용이한 개질 아스팔트의 제조가 용이하다.
본 발명은 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체와 아스팔트를 혼합하여 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물과, 상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물이 함유된 개질 아스팔트에 관한 것이다.
도 1의 (a)를 참고하여 아스팔트 개질제로 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체를 사용하여 개질된 아스팔트를 제조하는 종래의 방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 1단계로 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체 개질제를 아스팔트 투입, 2단계로 상기 개질제가 용융 혼합, 3단계로 아스팔트가 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체 내부로 침투하여 스며들게 되고, 4단계로 팽윤 되면서 아스팔트와 혼합하게 된다. 이때, 최초 아스팔트가 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체 내부로 스며드는 속도가 전체 용융 속도에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
도 1의 (b)는 본 발명에 따른 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체와 아스팔트를 혼합하여 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 제조한 후, 이를 아스팔트에 용융시키는 것으로, 1단계로 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 아스팔트에 투입, 2단계로 마스터배치 개질제 조성물이 아스팔트에 혼합 분산되고, 3단계로 마스터배치 개질제 조성물에 함유된 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체가 팽윤(swelling) 되고 아스팔트 내에서 물리적 네트워크를 형성하게 된다.
상기에서 설명한 살펴본 바와 같이, 종래의 개질제 용융 메카니즘인 도 1의 (a)와 비교하면 도 1의 (b) 1단계에서 본 발명에 따라 제조된 스티렌-부타디엔-스 티렌 블록공중합체와 아스팔트로 구성된 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물이 이미 도 1의 a)의 3단계인 침투 단계가 완료된 상태와 유사하게 존재하게 되어 도 1의 a)의 3단계가 필요 없게 되고 이에 따라 기존 기술에 비해 아스팔트에 용해 속도를 월등히 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 제조하는 방법을 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에서 사용되는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것을 특별히 한정하지는 않으나, 구체적으로 스티렌 함량이 10 ∼ 50 중량% 범위, 바람직하기로는 20 ∼ 45 중량%이고, 중량 평균 분자량이 50,000 ∼ 400,000 g/mol 범위, 바람직하기로는 60,000 ∼ 300,000 g/mol 범위인 선형 및 가지형의 공중합체를 사용할 수 있다.
상기 스티렌 함량이 10 중량% 미만이면 탄성이 부족하여 아스팔트 개질 시 연화점 등의 물성이 저하되고, 50 중량%를 초과하는 경우에는 플라스틱 성질이 강하게되 아스팔트 개질 효과가 크지 않은 문제가 발생하며, 중량 평균 분자량이 50,000 g/mol 미만이면 아스팔트 개질 효과가 크지 않게 되고, 400,000 g/mol을 초과하는 경우에는 점도와 상전이온도가 너무 높아 아스팔트에 용융시키는데 어려움이 있게 된다.
상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 선형, 가지형 또는 테이퍼드형인 것을 사용할 수 있는 바, 선형 블록 공중합체인 경우에는 커플링 효율(CE)이 50% 이상, 바람직하기로는 60 ∼ 100 % 범위를 유지하는 것이 좋다. 상기 50% 미만이며 스트렌-부타디엔 다이블록(DI-BLOCK) 함량이 높아 탄성이 저하되어 개질 아스팔트의 연화점과 같은 물성이 좋지 않게 된다.
가지형 블록 공중합체인 경우에는 일반적으로 다음 화학식 1로 표시되는 공중합체를 사용할 수 있다.
[(S-B)n]m-X
상기 화학식 1에서, n은 1 ∼ 2의 정수이고, m은 2 ∼ 6의 정수이고, S는 비닐 방향족 탄화수소 블록이고, B는 공액디엔 블록이며, X는 다관능 커플링제를 나타낸다.
또한, 본 발명에서 사용된 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 전체 스티렌 블록 중에서 5 ∼ 35 중량%, 바람직하기로는 6 ∼ 30 중량%가 테이퍼 블록으로 구성되는 것이 좋다. 테이퍼 블록이 도입되면 개질 아스팔트의 물성은 유지하면서도 용융과정에서 상전이가 용이하게 되어 용융 속도를 빠르게 할 수 있는 장점이 있다. 상기 테이퍼 블록의 함량이 5 중량% 미만이면 테이퍼 블록 효과를 기대하기 힘들며 35 중량%를 초과하는 경우에는 상전이 온도가 너무 낮아 아스팔트 개질시 연화점이 낮아지게 된다.
상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물에 함유되는 아스팔트는 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로 각족 토목용, 도로포장용 등 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.
일반적으로 아스팔트는 도로포장용 아스팔트와 블로운 아스팔트로 구분되며, 침입도에 따라 0 ∼ 300 범위의 5가지 표준 침입도 등급이 있다. 상기 도로 포장용 아스팔트로는 주로 침입도 80 ∼ 100인 AP-3와 침입도 60 ∼ 80인 AP-5 등이 많이 사용된다. 또한, 블로운 아스팔트는 가열한 스트레이트 아스팔트 또는 경질의 감압증류잔사유(VR)에 220 ∼ 250 ℃의 고온에서 공기를 불어 넣어 공기에 의한 산화반응압축공기를 불어넣어 아스팔트 구성 분자끼리 축중합반응을 일으켜 중량 평균 분자량을 크게 한 것을 일컫는다. 이러한 블로운 아스팔트는 침입도에 의한 등급에는 0 ∼ 5, 5 ∼ 10, 10 ∼ 20, 20 ∼ 30, 30 ∼ 40 등으로 나눌 수 있다. 블로운 아스팔트를 사용하여 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제 조성물을 만들 경우 최종 제품인 개질 아스팔트가 AP-3나 AP-5를 사용하는 경우와 비교하여 연화점을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에서 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물 제조에 사용되는 아스팔트 침입도가 60 ∼ 100 범위인 아스팔트를 사용하는 것이 바람직한 바, 상기 침입도가 60 미만이면 개질 아스팔트 제조 시 저온 신율을 감소시키는 문제가 있고 100을 초과하는 경우에는 연화점을 감소시키는 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 좋다.
이러한 아스팔트는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 100 중량부에 대하여 21 ∼ 150 중량부 범위, 바람직하기로는 35 ∼ 130 중량부 범위로 사용하는 바, 상기 아스팔트의 사용량이 21 중량부 미만이면 용융속도 개선 효과가 크지 않 으며 150 중량부를 초과하는 경우에는 펠렛화 하기 어렵고, 탄성이 부족하여 펠렛화 하여 보관 중 블로킹이 일어나 보관 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.
이때, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 평균중량분자량이 50,000 ∼ 90,000 g/mol인 경우에는 21 ∼ 120 중량부, 바람직하기로는 35 ∼ 100 중량부 범위로 사용하는 것이 보다 좋은 바, 상기 사용량이 120 중량부를 초과하는 경우에는 탄성이 부족하여 펠렛화하여 보관 중 블로킹이 일어나 보관 안정성이 떨어진다.
또한, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 평균중량분자량이 90,000 ∼ 400,000 g/mol인 경우에는 31 ∼ 150 중량부, 바람직하기로는 35 ∼ 130 중량부 범위로 사용하는 것이 보다 좋은 바, 상기 사용량이 31 중량부 미만이면 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체의 중량평균분자량이 높아 용해속도 향상 효과가 크지 않게 되고, 150 중량부를 초과하는 경우에는 펠렛화 하여 보관 중 블로킹이 일어나 보관 안정성이 떨어지게 된다.
상기 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제 조성물 제조 시 당 분야에서 일반적으로 사용되는 첨가제 성분인 산화방지제, 열안정제, 대전방지제, 활제, 탄산칼슘, 탈크, 스티렌-부타디엔 고무 등을 당 분야에서 알려진 일반적인 범위에서 사용할 수 있다.
한편, 본 발명은 아스팔트 70 ∼ 93 중량%와, 상기에서 제조된 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물이 3 ∼ 30 중량% 함유된 개질 아스팔트에 또 다른 특징이 있다. 상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물의 함량이 3 중량% 미만이면 아스팔트 개질 효과가 크지 않으며, 30 중량%를 초 과하는 경우에는 점도가 높아 작업이 어려워지는 문제가 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 펠렛형 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제 조성물은 방수시트용 개질 아스팔트, 플랜트 및 프리믹스 도로용 개질 아스팔트에 사용할 수 있으며, 특히 방수시트용 개질 아스팔트, 플랜트 도로용 개질 아스팔트에 사용할 때 보다 바람직하다. 이때, 상기 방수시트용 개질 아스팔트에 펠렛형 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제 조성물을 적용하는 경우에는 15 ∼ 30 중량% 함량 범위로 사용하고, 도로용 아스팔트에 펠렛형 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제 조성물을 적용하는 경우에는 3 ∼ 15 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직하다. 이는 상기 개질 아스팔트의 사용 용도적 차이로 인한 함량 범위의 차이를 나타낸다.
이러한 아스팔트 개질제의 제조는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체와, 아스팔트 및 첨가제 등의 성분을 용융혼련기, 구체적으로 압출기, 니더 및 밤바리 믹서 등에 넣고 100 ∼ 160 ℃ 온도에서 혼합 후 다이를 통해 스트랜드로 토출한 다음 냉각수를 통과하여 냉각된 스트랜드를 커터로 절단하여 펠렛형 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제를 제조한다. 상기 온도가 100 ℃ 미만이면 용융혼련이 어렵고 160 ℃를 초과하는 경우에는 펠렛 제조가 어려운 문제가 발생하므로 상기 범위를 유지하는 것이 좋다.
상기한 과정으로 제조된 펠렛형 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제는 그대로 방치할 경우 응집이 일어날 수 있기 때문에 펠렛형 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제 100 중량부에 대하여 0.1 중량부의 칼슘스테아린산 분말을 표면에 고르게 묻 도록 처리하는 것이 바람직하다.
다음으로 상기 펠렛형 SBS-아스팔트 마스터배치형 개질제를 160 ∼ 200 ℃ 범위로 가열된 아스팔트에 용융혼합하여 개질 아스팔트를 제조한다. 이때, 상기 온도가 160 ℃ 미만이면 용융혼합이 어렵고 200 ℃를 초과하는 경우에는 개질제와 아스팔트가 열노화가 가속화 되는 문제가 있으므로 상기 범위를 유지하는 것이 좋다.
상기에서 제조된 개질 아스팔트는 ASTMD 1754에 의해 측정한 박막가열 손실율 0.01 ∼ 0.1 % 범위를 유지한다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
중량평균분자량이 250,000 g/mol이고, 스티렌 함량이 33 중량%인 가지형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS-1) 100 중량부, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5) 50 중량부, 산화방지제(테트라키스(메틸렌(3,5-디-삼차부틸-4-히드록시히드로시남산) 0.3 중량부를 밤바리 믹서에 넣고 140 ℃ 온도에서 20분간 혼합하였다. 혼합 후 155 ℃의 압출기를 통해 스트랜드로 토출한 다음, 냉각수를 통과하여 냉각된 스트랜드를 커터로 절단하여 지름 1 ∼ 2 mm 정도의 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조하 였다.
상기에서 제조된 아스팔트 개질제는 180 ℃로 용융되어 있는 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)에 용융혼합하여 개질 아스팔트를 제조하였다. 이때, 전체 개질 아스팔트내 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 함량은 8 중량%가 되도록 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 12 중량%와, 아스팔트 88 중량%를 혼합하였다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 100 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
실시예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5) 대신에 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 10이고, 연화점 80 ℃인 블로운 아스팔트(BAP)를 100 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
실시예 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 130 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
실시예 5
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 중량평균분자량이 85,OOO g/mol이고 스티렌 함량이 33 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체(SBS-2)를 사용하고, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 40 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
실시예 6
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 중량평균분자량이 85,OOO g/mol이고 스티렌 함량이 33 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체(SBS-2)를 사용하고, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 80 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
실시예 7
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 전체 개질 아스팔트 내의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체가 12 중량% 퍼센트가 되도록 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 18 중량%와, 아스팔트 82 중량%를 혼합하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
실시예 8
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 70 중량부 사용하여 아스팔트 개질제를 제조하고, 전체 개질 아스팔트 내의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체가 12 중량% 퍼센트가 되도록 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 20.4 중량%와, 아스팔트 79.6 중량%를 혼합하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
실시예 9
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 중량평균분자량이 90,000 g/mol이고, 스티렌 함량이 35 중량%이며 전체 스티렌 블록 중에서 20 중량 %가 테이퍼드된 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체(SBS-3)를 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 20 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 170 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
비교예 3
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 중량평균분자량이 85,OOO g/mol이고 스티렌 함량이 33 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체(SBS-2)를 사용하고, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 18 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
비교예 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 중량평균분자량이 85,OOO g/mol이고 스티렌 함량이 33 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체(SBS-2)를 사용 하고, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)를 155 중량부 사용하여 펠렛형태의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제를 제조한 후, 이를 이용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
비교예 5
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 중량평균분자량이 250,000 g/mol이고, 스티렌 함량이 33 중량%인 가지형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS-1) 100 중량부, 점착부여제(C9계 석유수지) 35 중량부, 프로세스 오일 15 중량부 및 산화방지제(메틸렌(3,5-디-삼차부틸-4-히드록시히드로시남산))0.3 중량부를 저속 교반 믹서에 넣고 10 분간 혼합 후 이축 압출기로 160 ℃ 온도 조건하에서 용융 혼합하여 아스팔트 개질제를 제조하고, 이를 사용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
비교예 6
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 중량평균분자량이 250,000 g/mol이고, 스티렌 함량이 33 중량%인 가지형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS-1) 100 중량부, 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5) 35 중량부, 화이트 오일 15 중량부, 발포제( 2-2-아조비스(이스부티로니트릴)) 1.0 중량부, 산화방지제(메틸렌(3,5-디-삼차부틸-4-히드록시히드로시남산) 0.3 중량부를 저속 교반 믹서에 넣고 10 분간 혼합 후 이축 압출기로 160 ℃ 온도 조건하에서 용융 혼합하여 아스팔트 개질제를 제조하고, 이를 사용하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
비교예 7
평균 입자크기가 1 mm이고 중량평균분자량이 250,000 g/mol이고, 스티렌 함량이 33 중량%인 가지형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS-1)와 180 ℃로 용융되어 있는 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)와 혼합하였다. 이때, 전체 개질 아스팔트 내의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체가 12 중량%와, 아스팔트 88 중량%를 혼합하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
비교예 8
평균 입자크기가 5 mm이고, 중량평균분자량이 250,000 g/mol이고, 스티렌 함량이 33 중량%인 가지형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS-1)와 160 ℃로 용융되어 있는 침입도(25 ℃, 100 g, 5 초, 0.1 mm)가 70이고, 연화점 50 ℃인 아스팔트(AP5)와 혼합하였다. 이때, 전체 개질 아스팔트 내의 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체가 12 중량%와, 아스팔트 88 중량%를 혼합하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 8에서 제조된 개질 아스팔트의 물성을 다음의 방법으로 측정하고 그 결과를 다음 표 1, 2 및 3에 나타내었다.
[물성 측정방법]
(1) 용해 시간 : 개질 아스팔트 제조 과정에서 아스팔트 혼합 중에 시간별로 내용물을 소량 채취하여 폴리에스테르 시트상에 얇게 도포하고 육안 및 현미경으로 100배 확대하여 관찰하여 블록 공중합체 고형 입자가 확인되는지 여부로 판단하였다. 이때, 최초 10분 경과 후, 5분 간격으로 채취하여 측정하였다.
(2) 연화점 : 개질 아스팔트의 노화 정도 또는 용해속도를 확인하기 위해 측정하는 것으로, 같은 종류 및 동일 함량의 개질제를 아스팔트에 혼합하더라도 노화 정도가 심해짐에 따라 연화점이 낮아지게 된다. 이러한 연화점은 ASTM D 36에 준하여 측정하였다.
(3) 박막가열 손실율 : ASTMD 1754에 준하여 측정하였다. 박막가열 후 질량 변화가 클 경우 휘발성이 있어 아스콘으로 제조 후 현장 이동시 연기가 발생 할 수 있다.
(4) 펠렛의 보관 안정성 : 펠렛을 가로 5 cm, 세로 5 cm, 두께 2 cm로 적재하고, 3 kg의 추를 올려둔 후 85 ℃에서 48시간 방치한 다음에 블로킹되는 여부를 관찰하였다.
구분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 9
SBS-1 100 100 100 100 - -
SBS-2 - - - - 100 100
SBS-3 100
AP5 50 100 - 130 35 80 35
BAP - - 100 - - -
펠렛 보관 안정성 양호 양호 양호 양호 양호 양호 양호
개질 아스팔트 물성 연화점(℃) 96.2 96.1 99.0 96.1 90.2 90.1 89.5
용해시간 (mim) 25 15 25 10 20 10 15
박막가열 손실율(%) 0.01 0.04 0.03 0.05 0.02 0.03 0.01
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6
SBS-1 100 100 - - 100 100
SBS-2 - - 100 100 - -
AP5 20 170 18 155 - -
점착부여제 - - - - 35 35
프로세스 오일 - - - - 15 15
발포제 - - - - - 1.0
펠렛 보관 안정성 양호 불량 양호 불량 양호 양호
개질 아스팔트 물성 연화점(℃) 96.3 96.0 90.2 90.3 95.2 95.4
용해시간 (mim) 60 10 55 10 70 40
박막가열 손실율(%) 0.01 0.04 0.02 0.04 0.21 0.25
구분 실시예 7 실시예 8 비교예 7 비교예 8
SBS-1 100 100 100 100
AP5 50 70 - -
용해시간 (min) 50 35 80 110
용해 완료점에서 연화점 (℃) 130.2 131.3 128.3 126.2
용해 110 분 후 연화점 (℃) 126.5 126.3 126.5 126.2
상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 ∼ 6 및 9가 비교예 1 ∼ 6 에 비해 용해시간이 아스팔트 개질제의 용해시간이 25분 이내로 양호한 용해성 및 안정된 보관 안정성을 나타냈다. 구체적으로 살펴보면, 일반아스팔트(AP5)와 블로운아스팔트를 사용한 실시예 2과 3을 통하여 블로운 아스팔트를 사용함으로써 연화점을 상승시키는 효과가 있음을 알 수 있었다. 비교예 1 ∼ 4는 아스팔트 함량에 따른 효과를 나타낸 것으로, 아스팔트 함량이 높으면 용해시간이 빠른 대신 보관 안정성이 좋지 않았으며 아스팔트 함량이 낮으면 보관 안정성은 좋았으나 용해시간이 50분 이상으로 좋지 않음을 확인할 수 있었다.
특히, 실시예 1과 비교예 5 ∼ 6을 비교해보면 조성물 내에 아스팔트가 혼합되어 있는 경우(실시예 1)가 점착부여제 및 프로세스 오일이 혼합된 경우(비교예 5)보다 용해 속도가 2배 이상 빨랐으며 표면적을 향상시키기 위해 발포시킨 경우(비교예 6) 보다 용해 속도가 좋음을 알 수 있다. 또한 회전박막 가열 손실율을 보면 프로세스 오일이 들어 있는 비교예 5 ∼ 6보다 들어 있지 않은 실시예 1이 매우 낮아 이송 중 휘발 물질이 발생이 적음을 알 수 있다.
상기 표 3은 개질 아스팔트 내에 함유된 SBS-1 함량을 12 중량%로 한정한 실시예 7 ∼ 8과, 비교예 7 ∼ 8을 비교하여 나타낸 것으로, 용해가 모두 완료된 110분 후 연화점은 126.2 ∼ 126.6 ℃로 유사하였으나, 용해가 완료되는 시점에서 측정한 연화점은 용해시간이 짧은 실시예 7 ∼ 8이 비교예 7 ∼ 8이보다 높게 나타났는데 이를 통해 용해시간 단축으로 열노화가 최소화된다는 것을 알 수 있다.
도 1은 아스팔트 개질제가 아스팔트에 용융 혼합되는 과정을 나타낸 것으로, (a)는 종래 개질제의 아스팔트와 용융 과정이고, (b)는 본 발명에 따른 개질제의 아스팔트와 용융 과정을 나타낸 것이다.

Claims (13)

  1. 스티렌 함량이 10 ∼ 50 중량% 범위이고, 중량 평균 분자량이 50,000 ∼ 400,000 g/mol 범위인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS) 100 중량부와,
    아스팔트 21 ∼ 150 중량부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용융 속도가 향상된 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 아스팔트는 35 ∼ 130 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질제 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 중량 평균 분자량이 50,000 ∼ 90,000 g/mol인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS) 100 중량부와, 아스팔트 35 ∼ 100 중량부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 개질제 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 중량 평균 분자량이 90,000 ∼ 400,000 g/mol인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS) 100 중량부와, 아스팔트 35 ∼ 130 중량부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 개질제 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 선형, 가지형 또는 테이퍼드형인 것을 특징으로 하는 개질제 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 커플링 효율(CE)이 50% ∼ 100% 범위인 것을 특징으로 하는 개질제 조성물.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 가지형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 다음 화학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 개질제 조성물.
    [화학식 1]
    [(S-B)n]m-X
    상기 화학식 1에서, n은 1 ∼ 2의 정수이고, m은 2 ∼ 6의 정수이고, S는 비닐 방향족 탄화수소 블록이고, B는 공액디엔 블록이며, X는 다관능 커플링제를 나타낸다.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 테이퍼드형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 전체 스티렌 블록 중 테이퍼 블록이 5 ∼ 35 중량% 범위를 유지하는 것을 특징으로 하는 개질제 조성물.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 아스팔트는 침입도(ASTM D946)가 60 ∼ 100 범위인 것을 특징으로 하는 개질제 조성물.
  10. 아스팔트 70 ∼ 93 중량%와,
    청구항 1 내지 4 중에서 선택된 어느 한 항의 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물이 3 ∼ 30 중량% 함유되어 이루어진 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트.
  11. 제 10 항에 있어서, 박막가열 손실율 0.01 ∼ 0.1 %인 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 개질 아스팔트는 방수시트용 또는 플랜트 믹스용에 적용하는 것을 특징으로 하는 개질아스팔트.
  13. 스티렌 함량이 10 ∼ 50 중량% 범위이고, 중량 평균 분자량이 50,000∼400,000 g/mol 범위인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(SBS) 100 중량부와, 아스팔트 21 내지 150 중량부를 100 ∼ 160 ℃에서 혼합한 후, 성형하여 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물을 제조하는 단계와,
    상기 펠렛형상의 SBS-아스팔트 마스터배치 개질제 조성물 3 ∼ 30 중량%와 아스팔트 70 ∼ 93 중량%를 160 ∼ 200 ℃ 범위에서 용융혼합하여 개질 아스팔트를 제조하는 단계를
    포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트의 제조방법.
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