Analysis of the structure of bitumen-polymer composites based on IR spectroscopy data

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Битумно-полимерные композиты представляют собой перспективные материалы, обладающие улучшенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с немодифицированным битумом [1]. Добавление полимеров позволяет повысить термостойкость, пластичность и устойчивость к старению, что особенно важно для их использования в дорожном строительстве и гидроизоляции [2]. В последнее время особый интерес вызывают исследования, направленные на изучение структурных изменений битумных композитов с помощью ИК-спектроскопии, которая позволяет идентифицировать функциональные группы и оценить химические преобразования в материале [3, 4].

Полипропилен является одним из наиболее широко применяемых полимеров в модификации битума, поскольку он обладает высокой стойкостью к термоокислительному старению и улучшает механические свойства конечного продукта [5]. Однако взаимодействие битума с полипропиленом зависит от ряда факторов, включая концентрацию полимера, условия смешивания и наличие дополнительных модификаторов [6, 7].

Тяжёлые нефтяные остатки играют важную роль в регулировании свойств битумных композитов, влияя на их реологические и термические характеристики [8]. Исследования показывают, что их совместное применение с полимерами может привести к образованию композиций с улучшенной эластичностью и когезионной прочностью [9].

ИК-спектроскопия зарекомендовала себя как эффективный метод анализа структуры битумно-полимерных материалов [10]. Спектральный анализ даёт возможность отслеживать процессы окисления, полимеризации и деструкции, что особенно важно при изучении долговечности материалов [11–15].

Настоящая работа посвящена исследованию структуры битумно-полимерных композитов на основе битума, полипропилена и тяжёлых нефтяных остатков методом ИК-спектроскопии. Основная цель исследования – оценить влияние различных концентраций полипропилена на спектральные характеристики образцов и выявить закономерности их структурных изменений [16, 17]. В ходе экспериментов проанализированы основные пики ИК-спектров, относящиеся к характеристическим функциональным группам битума и полимера, а также их изменения после окисления [18–20]. Анализ структуры битумно-полимерных композитов на основе битума, полипропилена и тяжёлых нефтяных остатков с применением ИК-спектроскопии позволит выявить характер взаимодействий в системе и определить влияние полимерной модификации на молекулярную структуру битума.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для идентификации функциональных групп в составе исследуемых образцов применялась ИК Фурье-спектроскопия (далее – FTIR, англ. Fourier transform infrared spectroscopy). Спектры были зарегистрированы с использованием спектрометра IRTracer-100 SHIMADZU в диапазоне 4000–400 см^-¹ с разрешением 4 см^-¹. Анализ полимерных образцов (вторичный полипропилен, полипропиленовый мешок, пупырчатая плёнка) проводился в виде тонкой плёнки с целью выявления характерных полос поглощения. Основное внимание уделялось идентификации колебаний C–H, C=O и других функциональных групп, указывающих на возможные структурные изменения материала после модификации битума.

В ходе исследования использовались следующие материалы:

1. Битум марки БНД 100/130 отечественного производителя ТОО «Павлодарский нефтехимический завод». Данный битум обладает высокой вязкостью и широко применяется в дорожном строительстве благодаря своим эксплуатационным характеристикам, обеспечивающим его эффективность в различных климатических условиях.
2. Вторичный полипропилен, полученный от ТОО «Компания Нефтехим LTD», представляет собой переработанный термопластичный материал на основе пропилена. Его спектр демонстрирует характерные полосы поглощения, соответствующие различным типам полимеров, включая изотактический полипропилен, сополимеры полиэтилена и пропилена и другие полимерные структуры.
3. Тяжёлый нефтяной остаток марки H Он использовался для регулирования вязкости и улучшения технологических характеристик полимерно-модифицированного битума. Введение нефтяного остатка повышает текучесть материала и обеспечивает равномерное распределение компонентов в смеси, способствуя получению оптимального баланса между пластичностью и вязкостью. Это улучшает долговечность и устойчивость дорожных покрытий.

На рис. 1 представлены ИК-спектры использованных материалов. ИК-спектры исследуемых образцов демонстрируют характерные полосы поглощения, соответствующие основным функциональным группам. Валентные колебания C–H в CH₂- и CH₃- группах наблюдаются в области 2956 и 2854 см^-¹ для всех образцов с различной интенсивностью. Полоса поглощения карбонильных групп C=O (около 1700 см^-¹) выражена в битуме и тяжёлом нефтяном остатке, что свидетельствует о наличии кислородсодержащих соединений, таких как асфальтены и кетоны. В спектре полипропилена данная полоса отсутствует или проявляется слабо.

 

Рисунок 1. ИК-спектры битума, тяжёлого нефтяного остатка и вторичного полипропилена

Figure 1. IR spectra of bitumen, heavy oil residue, and secondary polypropylene

 

Деформационные колебания CH₂- и CH₃- фиксируются при 1460 и 1375 см^-¹ с максимальной интенсивностью в полипропилене. Колебания -(CH₂)n- групп (около 720 см^-¹), характерные для длинноцепочечных углеводородов, отчётливо выражены в битуме и тяжёлом нефтяном остатке. Колебания C–C и C–H в кристаллической структуре полипропилена проявляются в области 993–918 см^-¹. ИК-спектральный анализ показал, что полипропилен характеризуется интенсивными пиками, соответствующими колебаниям CH₂, CH₃ и C–C, что свидетельствует о его насыщенной углеводородной природе и отсутствии кислородсодержащих соединений. В спектрах битума и тяжёлого нефтяного остатка наблюдаются выраженные полосы поглощения карбонильных групп (≈1700 см^-¹), а также колебания, характерные для насыщенных углеводородов (2956 и 2854 см^-¹).

Это подтверждает их сложный состав, включающий асфальтены, смолистые и полярные компоненты. Анализ интенсивности спектральных полос позволяет оценить степень взаимодействия компонентов в модифицированном материале, что может быть полезно при исследовании структуры битумно-полимерных композитов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На представленных ИК-спектрах (рис. 2) для смесей битума и полипропилена в пропорциях 94% : 6% и 95% : 5% соответственно наблюдаются основные колебания, характерные для исходных компонентов.

 

Рисунок 2. ИК-спектры битумно-полимерных композитов с разными массовыми соотношениями битума и полимера

Figure 2. IR spectra of bitumen–polymer composites with different mass ratios of bitumen and polymer

 

В области 2956 и 2854 см^-¹ отмечаются интенсивные полосы, соответствующие валентным колебаниям C–H в CH₂- и CH₃- группах, что подтверждает наличие насыщенных углеводородных фрагментов, характерных для битума и полипропилена. В районе 1700 см^-¹, отвечающем за карбонильные группы C=O, интенсивность полосы снижена по сравнению с чистым битумом, что может свидетельствовать о частичном экранировании кислородсодержащих соединений за счёт взаимодействия битума с полимером. Деформационные колебания CH₂- и CH₃- групп в области 1460 и 1375 см^-¹ сохраняются, что подтверждает присутствие полипропилена в смеси. Полоса около 720 см^-¹, характерная для -(CH₂)n- групп (длинноцепочечные углеводороды), также хорошо выражена, что указывает на наличие структурных углеводородных соединений. В диапазоне 993–918 см^-¹ присутствуют полосы, характерные для C–C и C–H колебаний в кристаллической структуре полипропилена, что подтверждает его распределение в битумной матрице без значительных изменений структуры.

Таким образом, добавление полипропилена в битум не приводит к исчезновению его характерных полос поглощения, однако наблюдается изменение интенсивности карбонильного пика в области 1700 см^-¹, что указывает на возможные взаимодействия между битумом и полимером. Снижение интенсивности пиков полипропилена в области 993–918 см^-¹ при уменьшении его содержания с 6% до 5% свидетельствует о дозозависимом распределении полимера в битумной матрице.

Теперь на представленных ИК-спектрах показаны смеси, содержащие не только битум и полипропилен, но и 1% тяжёлого нефтяного остатка. Первый состав (93% битума + 6% полипропилена + 1% тяжёлого нефтяного остатка) представлен на рис. 3.

 

Рисунок 3. ИК-спектры битумно-полимерных композитов с различным содержанием битума, полимера и тяжёлого нефтяного остатка

Figure 3. IR spectra of bitumen–polymer composites with varying contents of bitumen, polymer, and heavy oil residue

 

Основные полосы поглощения остаются аналогичными предыдущим спектрам, однако добавление тяжёлого нефтяного остатка может повлиять на интенсивность и форму пиков. В области 2956 и 2854 см^-¹ сохраняются характерные колебания C–H в CH₂- и CH₃- группах. Полоса при 1700 см^-¹, соответствующая карбонильным соединениям (C=O), может изменяться из-за взаимодействия компонентов, в частности, возможного дополнительного вклада кислородсодержащих соединений тяжёлого остатка.

Деформационные колебания CH₂- и CH₃-групп (1460 и 1375 см^-¹) остаются выраженными, что подтверждает присутствие полипропилена. Также сохраняются полосы около 720 см^-¹, указывающие на длинноцепочечные углеводородные структуры. В диапазоне 993–918 см^-¹ наблюдаются колебания, характерные для C–C и C–H в кристаллической решётке полипропилена, но их интенсивность может уменьшаться с понижением содержания полимера (с 6% до 4%).

Добавление тяжёлого нефтяного остатка в количестве 1% не приводит к появлению новых выраженных полос, но может влиять на интенсивность уже имеющихся, особенно в области карбонильных соединений и углеводородных групп. Сравнение двух спектров показывает, что уменьшение содержания полипропилена и битума при неизменном количестве тяжёлого остатка может приводить к небольшим изменениям интенсивности характерных полос.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимо отметить, что на представленных ИК-спектрах битумно-полимерных композитов, модифицированных полипропиленом и тяжёлым нефтяным остатком, наблюдаются характерные полосы поглощения, соответствующие основным функциональным группам битума, полимера и углеводородных соединений. Сравнительный анализ спектров показал, что при изменении содержания полипропилена с 6% до 4% сохраняются основные колебания C–H в CH₂- и CH₃- группах (2956 и 2854 см^-¹), полосы карбонильных соединений (около 1700 см^-¹) и деформационные колебания метиленовых и метильных групп (1460 и 1375 см^-¹). Однако интенсивность некоторых полос, особенно в области 993–918 см^-¹, соответствующей структуре полипропилена, снижается при уменьшении его концентрации.

Добавление тяжёлого нефтяного остатка в количестве 1% не привело к появлению новых функциональных групп, однако могло повлиять на интенсивность отдельных полос за счёт взаимодействия с битумной матрицей. В целом, полученные данные подтверждают, что структура битумно-полимерных композитов сохраняет ключевые характеристики исходных компонентов, при этом изменение концентрации полимера и битума оказывает влияние на степень модификации и взаимосвязь их структурных элементов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Исследование выполнено при финансовой поддержке Комитета науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (грант №BR21882278 «Создание строительно-технического инжинирингового центра по оказанию полного цикла аккредитованных услуг строительного, дорожно-строительного сектора Республики Казахстан»).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Благодарность. Авторы выражаю благодарность Толкимбаеву Габиту Аждаровичу – Генеральному директору ОЮЛ «Ассоциация производителей и потребителей нефтегазохимической продукции (Нефтегазохимическая Ассоциация)».

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Сейтенова Г.Ж. – концепция исследования; Сыздык А.Г. – сбор и обработка данных, написание текста; Джексембаева А.Е. – сбор и обработка данных, иллюстрации; Дюсова Р.М. – анализ полученных данных.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. The research was carried out with the financial support of the Science Committee of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan (Grant No. BR21882278 “Establishment of a construction and engineering center to provide a full cycle of accredited services for the construction and road construction sector of the Republic of Kazakhstan”).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Acknowledgment. The authors express their gratitude to Gabit Azhdarovich Tolkimbayev, General Director of the Legal Entity Association “Association of Producers and Consumers of Petrochemical Products (Petrochemical Association).”

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Gayni Zh. Seitenova – research concept; Ayazhan G. Syzdyk – data collection and processing, text writing; Assel Ye. Dzheksembayeva – data collection and processing, illustrations; Rizagul M. Dyussova – analysis of the obtained data.

 

About the authors

Gaini Zh. Seitenova

Association of Producers and Consumers of Petrogaschemical Products (Petrogaschemical Association)

Email: gainiseitenova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6202-3951

Cand. Sc. (Chemistry)

Kazakhstan, Astana

Ayazhan Galymkyzy Syzdyk

Eurasian National University

Email: ayazhanka.syzdyk@gmail.com
ORCID iD: 0009-0007-4435-0976
Kazakhstan, Astana

Asel Ermekovna Jexembayeva

Eurasian National University

Email: dzhexembayeva_aye@enu.kz
ORCID iD: 0009-0009-6153-9580

PhD

Kazakhstan, Astana

Rizagul M. Dyussova

Toraighyrov University

Author for correspondence.
Email: rizagul.dyussova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3083-5255

Cand. Sc. (Engineering)

Kazakhstan, Pavlodar

References

Supplementary files