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 не модифицированным 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 инфракрасной спектроскопии (ИК), которая позволяет идентифицировать функциональные группы и оценить химические преобразования в материале [3-4].

Полипропилен (PP) 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].

Тяжелые 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, поскольку позволяет выявить изменения в химическом составе и оценить степень взаимодействия компонентов [10]. Спектральный анализ дает 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 тяжелых 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].

Таким образом, целью настоящей работы является анализ структуры битумно-полимерных композитов на основе битума, полипропилена и тяжелых нефтяных остатков с применением ИК-спектроскопии. Это позволит выявить характер взаимодействий в системе и определить влияние полимерной модификации на молекулярную структуру битума.

Материалы и методы исследования. Для идентификации функциональных групп в составе исследуемых образцов применялась ИК-Фурье спектроскопия (FTIR). 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 пленка) проводился в виде тонкой пленки 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 (Казахстан). 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 (PP), сополимеры полиэтилена и пропилена (PE-PP) и другие полимерные структуры.
3. Тяжелый нефтяной остаток марки H603. Он использовался для регулирования вязкости и улучшения технологических характеристик ПМБ-композиции. Введение нефтяного остатка повышало текучесть материала и обеспечивало равномерное распределение компонентов в смеси, способствуя получению оптимального баланса между пластичностью и вязкостью. Это улучшило долговечность и устойчивость дорожных покрытий.

На рисунке 1 представлены ИК-спектры использованных материалов.

Рисунок 1 – ИК-спектры битума, тяжелого нефтяного остатка и вторичного полипропилена

 

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 см⁻¹ и 2854 см⁻¹ для всех образцов с различной интенсивностью. Полоса поглощения карбонильных групп C=O (около 1700 см⁻¹) выражена в битуме и тяжелом нефтяном остатке, что свидетельствует о наличии кислородсодержащих соединений, таких как асфальтены и кетоны. В спектре полипропилена данная полоса отсутствует или проявляется слабо. Деформационные колебания CH₂ и CH₃ фиксируются при 1460 см⁻¹ и 1375 см⁻¹, с максимальной интенсивностью в полипропилене. Колебания -(CH₂)n- групп (около 720 см⁻¹), характерные для длинноцепочечных углеводородов, отчетливо выражены в битуме и тяжелом 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 тяжелого 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 (рисунок 2) для смесей 94% битума + 6% полипропилена и 95% битума + 5% полипропилена наблюдаются основные колебания, характерные для исходных компонентов.

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

 

В области 2956 см⁻¹ 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 счет взаимодействия битума с полимером. Деформационные колебания CH₂ и CH₃ групп в области 1460 см⁻¹ 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% тяжелого нефтяного остатка. Первый состав (93% битума + 6% полипропилена + 1% тяжелого нефтяного остатка) представлен на рисунке 3.

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

 

Основные полосы поглощения остаются аналогичными предыдущим спектрам, однако добавление тяжелого нефтяного остатка может повлиять на интенсивность и форму пиков. В области 2956 см⁻¹ 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 тяжелого остатка.

Деформационные колебания CH₂ и CH₃ групп (1460 см⁻¹ 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 решетке полипропилена, но их интенсивность может уменьшаться с понижением содержания полимера (с 6% до 4%).

Добавление тяжелого 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 тяжелого остатка может приводить к небольшим изменениям интенсивности характерных полос.

 

Заключение и выводы. В заключение можно отметить, что на представленных ИК-спектрах битумно-полимерных композитов, модифицированных полипропиленом и тяжелым 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 см⁻¹, 2854 см⁻¹), полосы карбонильных соединений (около 1700 см⁻¹) и деформационные колебания метиленовых и метильных групп (1460 см⁻¹, 1375 см⁻¹). Однако интенсивность некоторых полос, особенно в области 993–918 см⁻¹, соответствующей структуре полипропилена, снижается при уменьшении его концентрации.

Добавление тяжелого нефтяного остатка в количестве 1% не привело к появлению новых функциональных групп, однако могло повлиять на интенсивность отдельных полос за счет 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.

Информация о конфликте интересов. Конфликта интересов нет ни у одного из авторов.

Информация о финансировании. Это 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»).

Благодарности. Авторы благодарны Толкимбаеву Габит Аждаровичу – Генеральному директору ОЮЛ «Ассоциация производителей и потребителей нефтегазохимической продукции (Нефтегазохимическая Ассоциация)».

Информация о вкладе каждого автора.

Сейтенова Г. Ж. – концепция исследования, Дюсова Р.М. – анализ полученных данных, Сыздық А.Ғ. – сбор и обработка данных, написание текста,          Джексембаева А.Е. – сбор и обработка данных, иллюстрации. Все авторы внесли существенный вклад в проведение исследование и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию до публикации.

About the authors

Rizagul Dyussova

NPJS Company "Toraigyrov University"

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

Candidate of Technical Sciences, Postdoctoral fellow of the Department of Mechanics and Oil and Gas Engineering

Kazakhstan

Gaini Zh. Seitenova

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

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

Ayazhan Galymkyzy Syzdyk

L.N. Gumilyov Eurasian National University

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

2nd year master's student

Kazakhstan, st. Kazhymukan, 13, Astana, Kazakhstan

Asel Ermekovna Jexembayeva

L.N. Gumilyov Eurasian National University

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

Director of the Department of Innovation Development,

Kazakhstan, st. Satpayeva 2, Astana, Kazakhstan

References

Supplementary files