chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2020-15-2-56-66chemicallytech-1597Research ArticleSYNTHESIS AND PROCESSING OF POLYMERS AND POLYMERIC COMPOSITESСИНТЕЗ И ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИТОВ НА ИХ ОСНОВЕInvestigation of modified bitumen binders via Fourier-transform infrared spectroscopyИсследование влияния процесса модификации на групповой состав битума и модификаторов методом Фурье-ИК-спектроскопииhttps://orcid.org/0000-0002-9879-3701ГордееваИ. В.GordeevaI. V.

Гордеева Ирина Владимировна, младший научный сотрудник

Scopus Author ID 39261264400, ResearcherID E-6567-2014

119991, Москва, ул. Косыгина, д. 4

Irina V. Gordeeva, Junior Research Assistant

4, ul. Kosygina, Moscow, 119991

irinavolchenko90@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7126-3391МельниковД. А.MelnikovD. A.

Мельников Дмитрий Анатольевич, инженер

111024,  Москва, Перовский проезд, д. 2, стр. 1

Dmitry A. Melnikov, Engineer

2, b. 1, Perovskii proezd, Moscow, 111024

https://orcid.org/0000-0003-1592-345XГорбатоваВ. Н.GorbatovаV. N.

Горбатова Виктория Николаевна, инженер

119991,  Москва, ул. Косыгина, д. 4 

Victoria N. Gorbatova, Engineer

4, ul. Kosygina, Moscow, 119991

https://orcid.org/0000-0001-8326-667XРезниченкоД. С.ReznichenkoD. S.

Резниченко Дмитрий Сергеевич, кандидат технических наук, генеральный директор; старший преподаватель, кафедра физики и химии материалов имени Б.А. Догадкина

111024,  Москва, Перовский проезд, д. 2, стр. 1; 119435,  Москва, улица Малая Пироговская, д. 1, стр. 5

Dmitry S. Reznichenko, Cand. of Sci., General Director;  Senior Teacher, B.A. Dogadkin Department of Material Physics and Chemistry

2, b. 1, Perovskii proezd, Moscow, 111024; 1, b. 5, Malaya Pirogovskaya ul., Moscow, 119435

https://orcid.org/0000-0001-9968-8244НаумоваЮ. А.NaumovaYu. A.

Наумова Юлия Анатольевна, доктор химических наук, профессор кафедры химии и технологии переработки эластомеров им. Ф.Ф. Кошелева

119571,  Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Yulia A. Naumova, Dr. of Sci. (Chemistry), Professor, Department of  Chemistry and Processing Technology of Elastomers

1, b. 5, Malaya Pirogovskaya ul., Moscow, 119435

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. СеменоваРоссияN.N. Semenov Federal Research Center of Chemical Physics, Russian Academy of SciencesRussian FederationНаучно-исследовательский институт эластомерных материалов и изделийРоссияResearch Institute of Elastomeric Materials and ProductsRussian FederationНаучно-исследовательский институт эластомерных материалов и изделий; МИРЭА – Российский технологический университетРоссияResearch Institute of Elastomeric Materials and Products; MIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian FederationМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation2020200520201525666Copyright © Gordeeva I.V., Melnikov D.A., Gorbatovа V.N., Reznichenko D.S., Naumova Y.A., 20202020Гордеева И.В., Мельников Д.А., Горбатова В.Н., Резниченко Д.С., Наумова Ю.А.Gordeeva I.V., Melnikov D.A., Gorbatovа V.N., Reznichenko D.S., Naumova Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1597Objectives

Objectives. This study evaluates the effect of the modification process on the group composition of bitumen and bitumen binders containing rubber powder and hybrid modifier that is based on styrene–butadiene thermoplastic elastomer and rubber crumb. The aim of the study was to determine the presence or absence of functional groups that reflect the direction of physicochemical processes during the preparation of a hybrid modifier in rotary dispersers and during the modification of bitumen binders.

Methods

Methods. Rubber powder and hybrid modifier were obtained by high-temperature shear grinding using a rotary disperser. Bitumen and modified bitumen binders were investigated via Fouriertransform infrared spectroscopy. Using the method of spectral subtraction, it was determined that during the process of manufacturing modified bitumen binders, structural changes occur in both bitumen and modifiers. During this study, the extraction of modifiers (rubber powder and hybrid modifier) in toluene was performed.

Results

Results. The quantitative analysis of changes in the group composition of modifiers before and after the modification procedure was carried out. The active polymer and structural indices were determined. The general trend of the change in the active polymer and structural indices was noted for the initial spectra of the rubber powder and hybrid modifier, and their spectra were obtained after the procedure of subtraction from the spectra of bitumen binders.

Conclusions

Conclusions. The interdiffusion of aromatic compounds between the bitumen component and modifier particles was confirmed. On the basis of the results of the extraction of modifiers in toluene, and by taking into account the infrared spectroscopy data, it was determined that during the production of hybrid modifier during the simultaneous grinding of rubber crumb and styrene– butadiene thermoplastic elastomer, there was a chemical interaction between them. 

Цели

Цели. В статье проанализировано влияние процесса модификации на групповой состав битума и битумных вяжущих, содержащих резиновый порошок и гибридный модификатор на основе бутадиен-стирольного термоэластопласта и резиновой крошки. Целью исследования было определение наличия или отсутствия функциональных групп, отражающих направленность физико-химических процессов при получении гибридного модификатора в роторных диспергаторах и при модификации битумных вяжущих.

Методы

Методы. Резиновый порошок и гибридный модификатор получены методом высокотемпературного сдвигового измельчения на роторном диспергаторе. Битумы и модифицированные битумные вяжущие исследованы методом инфракрасной спектроскопии с Фурье преобразованием. С помощью метода вычитания спектров установлено, что в процессе изготовления модифицированных битумных вяжущих происходят структурные изменения как в битуме, так и в модификаторах. В работе также проведена экстракция модификаторов (резинового порошка и гибридного модификатора) в толуоле.

Результаты

Результаты. Проведен количественный анализ изменений, происходящих в групповом составе модификаторов до и после процедуры модификации. Определены активный полимерный и структурный индексы. Отмечена общая тенденция в изменении активного полимерного и структурного индексов для исходных спектров резинового порошка и гибридного модификатора и их спектров, полученных после процедуры вычитания из спектров битумных вяжущих спектра битума.

Выводы

Выводы. Подтверждена взаимодиффузия ароматических соединений между битумной составляющей и частицами модификаторов. На основании результатов экстракции модификаторов в толуоле и с учетом данных ИК-спектроскопии найдено, что в процессе производства гибридного модификатора совместным соизмельчением резиновой крошки и бутадиен-стирольного термоэластопласта между ними происходит химическое взаимодействие. 

битумрезино-полимерные композитырезиновые порошкиИК-спектроскопиябитумные вяжущиегибридный модификаторвысокотемпературное сдвиговое измельчениеструктурный индексметод вычитания спектровbitumenrubber-polymer compositesrubber powdersIR-spectroscopybituminous bindershybrid modifierhigh-temperature shear grindingstructural indexspectrum subtraction methodРабота выполнена за счет субсидии, выделенной Федеральным исследовательским центром химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук на выполнение государственного задания, тема 0082-2019-0009 (АААА-А20-120021390044-2)This article has been translated into English by H. Moshkov and edited for English language and spelling by Enago, an editing brand of Crimson Interactive Inc.ReferencesPartl M.N., Bahia H.U., Canestrari F., Roche Ch., Benedetto H.D., Piber H., Sybilski D. (eds.) Advances in Inter- laboratory Testing and Evaluation of Bituminous Materials: State-of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 206-ATB. Springer; 2013. V. 9. 453 p.Partl M.N., Bahia H.U., Canestrari F., Roche Ch., Benedetto H.D., Piber H., Sybilski D. (eds.) Advances in Inter- laboratory Testing and Evaluation of Bituminous Materials: State-of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 206-ATB. Springer; 2013. V. 9. 453 p.Leseur D., Gerard J.-F, Claudy P., Letoffe J.-M., Planche J.-P., Martin D. A structure-related model to describe asphalt linear viscoelasticity. J. Rheol. 1996;40:813-856. https://doi.org/10.1122/1.550764Leseur D., Gerard J.-F, Claudy P., Letoffe J.-M., Planche J.-P., Martin D. A structure-related model to describe asphalt linear viscoelasticity. J. Rheol. 1996;40:813-856. https://doi.org/10.1122/1.550764Гохман Л.М. Битумы, полимерно-битумные вяжущие, асфальтобетон, полимерасфальтобетон: учебно-методическое пособие. М.: ЗАО «ЭКОН-ИНФОРМ»; 2008. 117 с.Gokhman, L.M. Bitumy, polimerno-bitumnye vyazhushchie, asfalʼtobeton, polimerasfalʼtobeton: uchebnometodicheskoe posobie (Bitumen, polymer-bitumen binders, asphalt concrete, polymerasphaltobeton: teaching aid). Moscow: EKON-INFORM; 2008. 117 p. (in Russ.).Soenen H., Lu X., Redelius P. The morphology of SBS modified bitumen in binders and in asphalt mix. In: Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials, London: Taylor & Francis Group; 2009. P. 151-160. ISBN 978-0-415-55854-9Soenen H., Lu X., Redelius P. The morphology of SBS modified bitumen in binders and in asphalt mix. In: Advanced Testing and Characterization of Bituminous Materials, London: Taylor & Francis Group; 2009. P. 151160. ISBN 978-0-415-55854-9Behnood A., Gharehveran M.M. Morphology, rheology, and physical properties of polymer-modified asphalt binders. Eur. Polym. J. 2019;112:766-791. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.10.049Behnood A., Gharehveran M.M. Morphology, rheology, and physical properties of polymer-modified asphalt binders. Eur. Polym. J. 2019;112:766-791. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2018.10.049Никольский В.Г., Дударева Т.В., Красоткина И.А., Зверева У.Г., Бекешев В.Г., Рочев В.Я., Каплан А.М., Чекунаев Н.И., Внукова Л.В., Стырикович Н.М., Гордеева И.В. Разработка и свойства новых наномодификаторов для дорожного покрытия. Химическая физика. 2014;33(7):87-93. https://doi.org/10.7868/s0207401x14070073Nikolskii V.G., Dudareva T.V., Krasotkina I.A., Zvereva U.G., Bekeshev V.G., Rochev, V.Ya., Kaplan A.M., Chekunaev N.I., Vnukova L.V., Styrikovich N.M., Gordeeva I.V. Development and properties of new nanomodifiers for road coating. Khimicheskaya Fizika. 2014;33(7):87-93 (in Russ.). https://doi.org/10.7868/s0207401x14070073Schaur A., Unterberger S., Lackner R. Impact of molecular structure of SBS on thermomechanical properties of polymer modified bitumen. Eur. Polym. J. 2017;96:256-265. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.09.017Schaur A., Unterberger S., Lackner R. Impact of molecular structure of SBS on thermomechanical properties of polymer modified bitumen. Eur. Polym. J. 2017;96:256-265. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2017.09.017Loderer C., Partl M.N., Poulikakos L.D. Effect of crumb rubber production technology on performance of modified bitumen. Constr. Build. Mater. 2018;191:1159-1171. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.10.046Loderer C., Partl M.N., Poulikakos L.D. Effect of crumb rubber production technology on performance of modified bitumen. Constr. Build. Mater. 2018;191:11591171. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.10.046Biro S., Fazekas B. Asphalt rubber versus other modified bitumens. Road Mater. Pavement. 2012. URL: http://www.ra-foundation.org/wp-content/uploads/2013/02/020-PAP_017.pdfBiro S., Fazekas B. Asphalt rubber versus other modified bitumens. Road Mater. Pavement. 2012. Available from: http://www.ra-foundation.org/wp-content/uploads/2013/02/020-PAP_017.pdfGreene J., Chun S., Nash T., Choubane B. Evaluation and Implementation of PG 76-22 Asphalt Rubber Binder in Florida. Transport. Res. Rec. 2015;2524(1);3-10. https://doi.org/10.3141/2524-01Greene J., Chun S., Nash T., Choubane B. Evaluation and Implementation of PG 76-22 Asphalt Rubber Binder in Florida. Transport. Res. Rec. 2015;2524(1);3-10. https://doi.org/10.3141/2524-01Илиополов С.К., Мардиросова И.В., Щеглов А.Г., Чубенко Е.Н., Черсков Р.М., Хаддад Л.Н. Резиносодержащий полимерный модификатор битума. Патент РФ № 2266934. Бюл. №36. 27.12.2005.Iliopolov S.K., Martirosova I.V., Shcheglov G.A., Chubenko E.N., Cherskov R.M., Haddad L.N. Rubber-polymer bitumen modifier. Patent RF No. 2266934. Bul. No. 36. 27.12.2005 (in Russ.).Фролов И.Н., Юсупова Т.Н., Ганеева Ю.М., Барская Е.Е., Романов Г.В. Физико-химические особенности модификации товарных битумов смесевыми олефиновыми термопластами. Нефтегазовое дело. 2008(2). URL: http://ogbus.ru/authors/Frolov/Frolov_1.pdfFrolov I. N., Yusupova T. N., Ganeeva Yu. M., Barskaya E. E., Romanov G. V. Physical and chemical features of modification of commodity bitumen by mixed olefin thermoplastics. Neftegazovoe delo. 2008(2). Available from: http://ogbus.ru/authors/Frolov/Frolov_1.pdf (in Russ.).Senise S., Carrera V., Navarro F.J., Partal P. Thermomechanical and microstructural evaluation of hybrid rubberised bitumen containing a thermoplastic polymer. Construct. Build. Mater. 2017;157:873-884. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.09.126Senise S., Carrera V., Navarro F.J., Partal P. Thermomechanical and microstructural evaluation of hybrid rubberised bitumen containing a thermoplastic polymer. Construct. Build. Mater. 2017;157:873-884. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.09.126Гордеева И.В., Никольский В.Г., Наумова Ю.А. Гибридный модификатор на основе измельченного вулканизата, получаемого методом высокотемпературного сдвигового измельчения. Сборник докладов ХХ Юбилейной научно-практической конференции «Резиновая промышленность: Сырье. Материалы. Технологии». Москва: НИИШП; 2015:217-220.Gordeeva I.V., Nikolskii V.G., Naumova Yu.A. Hybrid modifier on the basis of crushed vulcanizate obtained by the method of high-temperature shear grinding. Collection of papers of the XX Anniversary Scientific-Practical Conference “Rubber Industry: Raw Stocks, Materials, Technologies” Moscow: NIISHP; 2015:217-220 (in Russ.).Зверева У.Г. Резинобитумные композиты на основе дорожного битума и активного резинового порошка (АПДДР): получение, структура, реологические свойства, применение. Дисс. кан. хим. наук: 02.00.06. М.: 2016. 149 c.Zvereva U.G. Rubber-bitumen composites on the basis of bitumen and active rubber powder (APDDR): preparation, structure, rheological properties, application. Diss. of Cand. of Chem. Sci.: 02.00.06. Moscow: 2016. 149 p. (in Russ.).Берлин А.А., Дударева Т.В., Красоткина И.А., Никольский В.Г. Утилизация отходов шинной резины и активный порошок дискретно девулканизованной резины. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2018;2:27-35.Berlin A.A., Dudareva T.V., Krasotkina I.A., Nikolskii V.G. Disposal of waste tire rubber and active powder of discretely devulcanized rubber. All materials. Encyclopedic reference book. 2018;2:27-35 (in Russ.).Zhu C., Zhanga H., Xua G., Wub C. Investigation of the aging behaviors of multi-dimensional nanomaterials modified different bitumens by Fourier transform infrared spectroscopy. Construct. Build. Mater. 2018;167:536-542. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.02.056Zhu C., Zhanga H., Xua G., Wub C. Investigation of the aging behaviors of multi-dimensional nanomaterials modified different bitumens by Fourier transform infrared spectroscopy. Construct. Build. Mater. 2018;167:536-542. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.02.056Weigel S., Stephan D. The prediction of bitumen properties based on FTIR and multivariate analysis methods. Fuel. 2017;208(15):655-661. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.07.048Weigel S., Stephan D. The prediction of bitumen properties based on FTIR and multivariate analysis methods. Fuel. 2017;208(15):655-661. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.07.048Yao H., Dai Q., You Zh. Fourier Transform Infrared Spectroscopy characterization of aging-related properties of original and nano-modified asphalt binders. Construct. Build. Mater. 2015;101:1078-087. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.085Yao H., Dai Q., You Zh. Fourier Transform Infrared Spectroscopy characterization of aging-related properties of original and nano-modified asphalt binders. Construct. Build. Mater. 2015;101:1078-1087. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.085Nivitha M.R., Prasad E., Krishnan J.M. Transitions in unmodified and modified bitumen using FTIR spectroscopy. Mater. Struct. 2019;52(7):1-11. https://doi.org/10.1617/s11527018-1308-7Nivitha M.R., Prasad E., Krishnan J.M. Transitions in unmodified and modified bitumen using FTIR spectroscopy. Mater. Struct. 2019;52(7):1-11. https://doi.org/10.1617/s11527-018-1308-7Макаров Д.Б., Ягунд Э.М., Аюпов Д.А., Мурафа А.В., Фасхутдинов К.А., Хозин В.Г., Яхин Р.Г. Изучение битумно-полимерных вяжущих, модифицированных смесевыми термоэластопластами, методом ИК-спектроскопии. Известия КГАСУ. 2015;4(34):280-286.Makarov D.B., Agung E.M., Ayupov D.A., Murafa A.V., Faskhutdinov K.A., Khozin V.G., Yakhin R.G. Study of bitumen-polymer binders, modified by mixed thermoplastic elastomer by the method of IR-spectroscopy. Izvestiya KGASU = News of the KSUAE. 2015;4(34):280-286. (in Russ.).Bellamy L.J. The Infra-red Spectra of Complex Molecules. Dordrecht: Springer; 1975. https://doi.org/10.1007/978-94-011-6017-9Bellamy L.J. The Infra-red Spectra of Complex Molecules. Dordrecht: Springer; 1975. https://doi.org/10.1007/978-94-011-6017-9Накамото К. Инфракрасные спектры неорганических и координационных соединений. М.: Издательство «Мир»; 1966. 411 с.Nakamoto K. Infrared Spectra of Inorganic and Coordination Compounds. New York: John Wiley & Sons, Inc.; 1963.Tang N., Huang W., Xiao F. Chemical and rheological investigation of high-cured crumb rubber-modified asphalt. Construct. Build. Mater. 2016;123:847-854. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.07.131Tang N., Huang W., Xiao F. Chemical and rheological investigation of high-cured crumb rubber-modified asphalt. Construct. Build. Mater. 2016;123:847-854. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.07.131Zhang F., Hu C. The research for structural characteristics and modification mechanism of crumb rubber compound modified asphalts. Construct. Build. Mater. 2015;76(1):330-342. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.12.013Zhang F., Hu C. The research for structural characteristics and modification mechanism of crumb rubber compound modified asphalts. Construct. Build. Mater. 2015;76(1):330-342. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.12.013

The authors declare that there are no conflicts of interest present.