Современные эмульгаторы битума в воде



Анализ компонентного состава зарубежных битумных эмульсий.

В данной главе рассматриваются эмульгаторы битума в воде, которые широко используются в настоящее время как в России, Так и за рубежом.

Как известно, главной задачей эмульгатора является стабилизация элементов дисперсной фазы в эмульсии за счет понижения Поверхностного натяжения на границе раздела фаз и создания структурно-механического барьера. Помимо этого современные эмульгаторы битума в воде должны как минимум удовлетворять следующим требованиям:

• эмульгатор должен достаточно хорошо и быстро растворяться в

воде при температурах 40-60"C без разрушения при его введе­нии в количестве 0.2-4.0% масс, на водную фазу;

• введение эмульгатора в сравнительно небольшом (до 2-2.5% масс, на эмульсию) количестве должно обеспечивать получение стабильной эмульсии требуемого класса по скорости разруше­ния при контакте с минеральным заполнителем;

• эмульгатор должен обеспечивать получение устойчивых во времени эмульсий с содержанием битума на уровне 40-70% масс;

• эмульгатор, стабилизируя эмульсию битума в воде, не должен допускать образования обратных эмульсий;

• эмульгатор должен обеспечивать необходимые, определяемые целевым назначением эмульсии, характеристики системы стабильность при хранении, скорость распада при контакте с поверхностью и высокую адгезию вяжущего конкретным мате­риалам.

Другими словами, выбор эмульгатора определяется классом необходимой эмульсии, а его количество зависит от реальных ус­ловий применения вида и зернистости заполнителя, марки биту­ма, климатических условий и т.п. Некоторые из современных эмульгаторов при введении строго определенных количеств позво­ляют получать как медленно, так и быстрораспадающиеся эмуль­сии, что значительно упрощает их производство.

Как отмечалось выше, применяемые для производства битум­ных эмульсий эмульгаторы можно разделить на две группы: ани­онные и катионные.

Базой анионных эмульгаторов обычно являются жирные кис­лоты, молекулы которых состоят из длинной углеводородной цепи и заканчиваются карбоксильной группой. Перевод эмульгатора в ионную форму (соль, мыло) осуществляется взаимодействием ани­онного ПАВ с щелочью, например NaOH. Реакция омыления про­ходит в соответствии с уравнением:

 

R-COOH + NaOH= R-COO + Na+ + Н2О, где

ЖИРНАЯ ЩЕЛОЧЬ МЫЛО ВОДА

КИСЛОТА

отрицательно заряженный ион R-COO и является поверхностно-активной частью. Показатель рН анионной эмульсии выше 7 (обыч­но 8-11), эмульсия содержит некоторый избыток щелочи, который омыляет и любые природные кислоты, содержащиеся в битуме. По соображениям, изложенным в главе 1.2, анионные битумные эмульсии используются за рубежом крайне редко. Однако в силу ряда причин в нашей стране подавляющая часть эмульсий (свыше 80%) является именно анионными. В таблице 3 приведена краткая характеристика некоторых отечественных анионных эмульгаторов. Помимо указанных в таблице, в качестве эмульгатора битума в воде используется также так называемая присадка СДБ (лигно-сульфонат).

 

Катионные эмульгаторы битума в воде - это различного рода аминопроизводные. Перевод ПАВ в ионную форму осуществляется при действии на него кислоты (в основном - соляной) по реакции:

 

R-NH2 + HCl = R-NH5+ + Cl-,

амин кислота ион аммония хлорид- ион

где поверхностно-активным является ион аммония NH3+. В таблице 4 представлены некоторые типичные катионоактивные ПАВ, обычно используемые в качестве эмульгаторов битума в воде.

ДРУГИЕ КОМПОНЕНТЫ БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ.

Помимо битума, эмульгатора и воды, в состав битумных эмуль­сий также входят некоторые другие компоненты, одни из которых вводятся в дисперсную фазу, другие - в дисперсионную среду эмульсий для корректировки свойств как фаз, так и системы в це­лом. Эти материалы рассмотрены в таблице 5.

Таблица 5. Дополнительные компоненты, используемые при изготовлении

битумных эмульсий.

Наименование

Назначение Ориентировочный расход, сс масс на эмульсию

кислота соляная

перевод эмульгатора в ион­ную форму, регулирование значения рН водной фазы и эмульсии; расход зависти от качества используемой воды и коли­чества вводимого эмульгато­ра; вводится в водную фазу 0.1-1.0

стабилизатор

снижение расслоения (повы­шение устойчивости эмуль­сии при хранении) за счет улучшения эмульгирующего действия ПАВ при введении строго определенных коли­честв электролита; регулирование скорости рас­пада эмульсии на поверхно­сти 0.1-0.5

растворитель

вводится как в дисперсную фазу (битум), так и в диспер­сионную среду для повыше­ния клейкости образуемой при распаде эмульсии плен­ки (в качестве пленкообра- 0.5-3.0
 

зующего агента) и для облег­чения диспергирования би­тума в воде;

в качестве растворителя обычно используется уайт-спирит (фракция 140-220 °С)

 
разжижитель

используется для повышения пенетрации битума до значения, определяемого направлением последующего использования эмульсии

до 25-30
модификаторы дисперсной фазы и дисперсионной среды

используются для улучше­ния реологических свойств самой эмульсии и пленки вя­жущего, образующейся по­сле ее распада на поверхно­сти, а также в целом дорож­ной конструкции; модификатор водной фазы может служить загустите­лем эмульсии в случаях, ко­гда некоторое повышение вязкости диктуется техноло­гией производства работ с применением эмульсий

0.1-5.0
       

 

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛО­ГИИ ПРОИЗВОДСТВА БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ.

 

 

Рисунок 3. Общая схема получения дисперсных систем.

 

В большинстве случаев для получения дисперсных систем тре­буется затрата определенной внешней энергии. Все способы искусственного получения дисперсных систем можно разделить на две группы. Первая из них основана на диспергировании, т.е. на полу­чении мелких частиц дисперсной фазы из сплошного макротела. Вторая группа, наоборот, связана с агрегацией, укрупнением час­тиц молекулярного размера до размеров коллоидных частиц и по­явлением границы раздела фаз, что связано с протеканием в систе­ме конденсационных процессов.

К конденсационным методам относятся кристаллизация, десублимация, конденсация. Диспергационные методы подразделяются на самопроизвольное (например, самоэмульгирование битумов и несамопроизвольное диспергирование (например, измельчение, распыление, барботаж и т.п.). Подробно указанные методы рас­сматриваются в курсах коллоидной химии, в частности, в [41]. От­метим лишь, что в отношении лиофобных систем, частным случаем которых являются эмульсии битума в воде, самопроизвольное дис­пергирование исключено''' , потому что создание в них дисперсной фазы возможно лишь путем затраты некоторой работы. Изготовление битумных эмульсий основано на общих методах получения коллоидных систем путем диспергирования битумов в специаль­ных устройствах.

В общем случае диспергирование макрофазы может протекать и результате:

• механических воздействий (диспергатор);

• воздействия химических реагентов;

• комбинированного воздействия механических и химических факторов.

Для эмульгирования битумов в подавляющем большинстве случаев используется третья возможность. При осуществлении технологического процесса подготовленные соответствующим об­разом водная фаза и битум проходят через диспергатор, где собст­венно и происходит процесс эмульгирования - дробление битума на капли со стабилизацией частиц определенных размеров. Водная фаза представляет собой водный раствор эмульгатора, подкислен­ный соляной кислотой до требуемого уровня рН, а также в некото­рых случаях - стабилизатора, модифицирующей добавки, раство­рителя. Битум также проходит предварительную подготовку - в пего вводятся адгезионные добавки, модификаторы, растворитель и разжижитель в количествах, определяемых соответствующим рецептом для эмульсий различного назначения.

Рассмотрим влияние физических и химических параметров технологии производства на свойства получаемых битумных эмульсий:

 

I. Влияние физических параметров:

как отмечалось выше, разделение битума на мелкие капли тре­бует затрат механической энергии, возрастающей вместе с глуби­ной проникания иглы (пенетрацией), характеризующей данный би­тум. Таким образом, гранулометрия*7 получаемых эмульсий будет определяться одновременным влиянием таких технологических параметров, как вязкость битума в момент эмульгирования и меха­нические характеристики диспергатора (форма рабочего органа, ширина зазора, скорость вращения ротора).

вязкость битума: к моменту поступления в диспергатор битум должен иметь вязкость, достаточно низкую для обеспече­ния хорошего дробления. Так, для битумных эмульсий с содер­жанием вяжущего на уровне 50-60% масс, температуру водной фазы надо выбирать так, чтобы сумма температур двух фаз была близка к 190-195С. Особенно важным становится соблю­дение оптимального температурного режима при эмульгирова­нии битумов с пенетрацией ниже 100. Вязкость битумов можно снизить введением в них на стадии подготовки к производству разжижителя, когда а) повышение температуры вяжущего для достижения необходимой вязкости невозможно из-за опасности закипания эмульсии на выходе диспергатора или по экономическим соображениям;

б) растекание остаточной пленки битума после расслоения эмульсии оказывается на практике недостаточным. Нужно учиты­вать тот факт, что при добавлении растворителя в водную фазу он может не смешиваться с битумом, а эмульгироваться само­стоятельно, что приведет к образованию одновременно двух эмульсий - битума в воде и растворителя в воде.

механические характеристики лиспергаторов: гранулометрический состав эмульсии зависит от

а) формы диспергатора (аппараты с ротором и статором, выполнен­ными в виде рифленных конусов позволяют получать эмульсии с большей дисперсностью (более пологие гранулометрические кривые) по сравнению с эмульсиями, получаемыми с использо­ванием гладких цилиндрических или конических рабочих орга­нов диспергатора;

б) ширины зазора (эмульсии получаются тем тоньше, чем уже зазор;

и) скорости вращения ротора диспергатора (с повышением скоро­сти вращения ротора средний диаметр капель битума умень­шается ).Таким образом, физико-механические характери­стики (температура фаз, параметры диспергатора должны оптимизироваться в зависимости от свойств получаемых эмульсий и исходя из экономической целесообразности.

 

II. Влияние химических параметров

Ниже рассмотрено влияние основных компонентов на качество получаемых эмульсий по таким критериям, как

• стабильность при хранении (гранулометрический показатель);

• скорость распада эмульсии на поверхности;

• адгезия образующейся при распаде пленки к обрабатываемой поверхности.

Эмульгатор.

Прежде всего, эмульгатор должен обеспечивать получение эмульсий с оптимальными для конкретного вида работ свойствами. Характеристики самого эмульгатора (растворимость в воде, время хроматографического удерживания, кислотное число, температура каплепадения и т.п. связаны прежде всего с его химической струк­турой . Если стабильность эмульсии в рабочих условиях, т.е. при контакте с поверхностью материалов, оказывается недостаточной для желаемой области применения, в конечную эмульсию следует ввести стабилизатор и повысит концентрацию эмульгатора (т.е. из­менить рецепт для обеспечения требуемых параметров качества). Количество вводимого эмульгатора определяется реальными усло­виями применения эмульсии, полученной с его использованием -видом и зернистостью каменного материала, маркой и происхождением битума, климатическими условиями района строительст­ва. Средний диаметр капель битума в эмульсии изменяется по ло­гарифмической зависимости от концентрации эмульгатора, а устойчивость при хранении (стойкость к расслоению) изменяется обратно пропорционально концентрации ПАВ. При одинаковом распределении элементов дисперсной фазы по размерам, опреде­ляемом, главным образом, рассмотренными выше физическими па­раметрами процесса эмульгирования, для замедленного распада на поверхности нужна более стабильная эмульсия, имеющая более высокую концентрацию эмульгатора. Отметим, что повышение содержания битума в системе до 60-70% масс. , как правило, не требует параллельного повышения концентрации эмульгатора.

Кислота.

Нейтрализация эмульгатора кислотой необходима для пере­вода ПАВ в форму соли. Степень нейтрализации, которую можно выразить количеством (в кг) добавляемой кислоты на 1 кг эмульга­тора, составляет обычно 0.2-0.5 и оказывает большое влияние на свойства конечной эмульсии. Повышение кислотности водной фазы (соответственно - понижение водородного показателя рН) способ­ствует повышению стабильности эмульсий при хранении и замед­лению распада на поверхности, но улучшать эти показатели за счет большого избытка кислоты не рекомендуется, т.к. это может привести к снижению адгезии.

Стабилизатор.

Как отмечалось в главе 2.4, стабилизатор служит, главным об­разом, для увеличения времени распада битумной эмульсии на по­верхности каменного материала. В качестве стабилизаторов ис­пользуются неорганические соли и некоторые органические продукты.

Битум.

Битум в эмульсии не является инертным компонентом, т.к. его химический состав и физическое состояние влияют не только на свойства самой битумной эмульсии, но и определяют свойства об­разующейся на поверхности пленки. Полярные соединения, содер­жащиеся в битумах, в частности - нативные кислоты, переходят из углеводородной фазы в водную. Стабильность эмульсий в опреде­ленной степени зависит от соотношения ПАВ щелочной и кислой природы, имеющихся в составе битума. "Кислые" битумы с высо­ким содержанием органических высокомолекулярных кислот, как правило, дают нестабильные эмульсии с низким уровнем рН, повы­шенной электропроводимостью и неудовлетворительной адгезией вяжущего к поверхности.

Рецептура эмульсии подбирается в лаборатории до начала про­изводства с учетом изложенных особенностей и для каждого конк­ретного типа заполнителя. Целью подбора компонентного состава битумных эмульсий является получение в условиях реального производства эмульсий со строго определенными эксплуатацион­но-техническими характеристиками, обусловленными направле­нием их дальнейшего использования.

Выбор марки битума обусловливается классом эмульсии, типом и количеством используемого эмульгатора, а также проектными требованиями, предъявляемыми к конструктивным слоям дорож­ных покрытий, и климатическими условиями района строительст­ва. Обычно используют битумы марок БНД 60/90, БНД 90/130 по ГОСТ 22245-90. Возможно также использование битумов, модифи­цированных полимерами. За рубежом более 60% всех выпускае­мых эмульсий изготавливаются на базе ПБВ [2], что связано с ря­дом обстоятельств. Поверхностные покрытия с традиционными углеводородными вяжущими не выдерживают нагрузки особо ин­тенсивного движения и не пригодны для устройства покрытий по­воротов с коротким и средним радиусом, изменений в горизонтальном профиле дорог и перекрестков и т.п. Эти задачи и призваны решать полимернобитумные эмульсии, которые за рубежом в про­мышленном масштабе выпускаются с начала 80-х годов. Эмульсии такого типа обладают повышенной адгезией, меньшей чувстви­тельностью к изменению погоды, обеспечивают лучшее смачива­ние поверхности каменного материала за счет большей толщины пленки вяжущего. Использование модифицированных эмульсий снимает и проблему другого слабого места традиционных эмульсий - распад на поверхности - путем введения строго определенных ко­личеств соответствующих ПАВ и агентов контролируемого распада.

Собственно подготовка вяжущего к эмульгированию включает в себя следующие этапы:

• обезвоживание;

• составление смесей битумов (если это требуется рецептурой);

• введение модифицирующих добавок, адгезионных присадок, растворителя и разжижителя в количествах, определяемых рецептом;

• нагрев до определенной температуры, диктуемой, главным об­разом, типом используемого битума.

При изготовлении эмульсий температура битума, поступающе­го в диспергатор, должна быть в указанных ниже пределах:

марка битума

БНД 40/60

БНД 60/90, 90/130

температура"С

140-150 120-140

БНД 130/200 100-120

БНД 200/300 90-100

Температура водной фазы должна составлять 40-70сС, что вы­звано прежде всего стремлением создать оптимальные условия для растворения эмульгатора в воде и интенсифицировать перевод его в ионную форму.

Здесь важно отметить, что температуры битума и водной фазы следует назначать таким образом, чтобы сумма не превышала 200°С. В противном случае может произойти вспенивание смеси би­тума и водной фазы и испарение воды из получаемой эмульсии. Исходя из аддитивности этих температур, можно сформулировать следующее правило температурного режима процесса эмульги­рования:

C6t6 + CB4>tBo> <100вС, где

Сб, Свф - массовая доля битума и водной фазы в эмульсии соот­ветственно, t6,1вф - температура битума и водной фазы соответст­венно. Далее необходимо остановиться на общих принципах физи­ко-химической технологии (ФХТ) производства битумных эмульсий. Общие концепции и задачи, которые призвана решать технология, учитывающая коллоидное строение систем, примени­тельно к нефти и нефтяным дисперсным системам были разрабо­таны Сюняевым З.И. и его школой. К основополагающим работам следует отнести [12, 13, 42, 43].

 

ФХТ производства битумных эмульсий – это совокупность физических и химических методов воздействия на сырье с целью изменения его состояния, состава и свойств в процессах подготовки и непосредственно эмульгирования.

Так как битумные эмульсии являются типичными дисперсны­ми системами, для интенсификации процессов их производства не­обходимо применение принципов ТРФП, обозначенных в главе 1.1. Разработка на этой основе технологии производства, учитывающей влияние сил межмолекулярного взаимодействия и коллоидную структуру сырья и самой эмульсии, позволит получать высокока­чественные битумные эмульсии при одновременном улучшении технико-экономических показателей.

Главным во всей системе ФХТ является то, что При производстве и применении битумные эмульсии должны находиться в экстремальном состоянии. Целью производства является получение битумной эмульсии, устойчивой во времени, что отвечает I экс­тремальному состоянию (rmin, hmax)107. В условиях применения основным является то, что при контакте эмульсии с поверхностью должно быть обеспечено формирование пленки вяжущего с установленной тех­нологией применения скоростью. Регулируемая скоро­сть распада достигается варьированием типа и коли­чества вводимого в систему эмульгатора и использованием стабилизаторов эмульсии и агентов контролируемого распада. В момент нанесения на по­верхность материала эмульсия должна находиться во II экстремальном состоянии (rmax, hmin) для обеспечения полноты ее распада на составные части - битум и воду.

Таким образом, все технологические операции при производст­ве битумных эмульсий должны быть направлены на достижение экстремального состояния, при котором выполняется условие rmin, hmax, соответствующее наибольшей устойчивости системы. Необ­ходимость перевода в экстремальное состояние должна учиты­ваться при разработке компонентного состава битумных эмульсий, а сам перевод достигается совокупностью внешних воздействий на стадиях подготовки сырья и производства эмульсии. В первую оче­редь это обеспечивается граммотным выбором типа и количества эмульгатора, который, помимо придания системе агрегативной устойчивости, определяет и главное свойство эмульсий - их способность разрушаться с определенной технологией использования скоростью. Основные принципы подбора эмульгатора и задачи, решаемые эмульгаторными системами, сформулированы в гл.1.2.

Хорошей иллюстрацией физико-химического подхода к произ­водству битумных эмульсий является введение в их состав элект­ролитов, которые оказывают большое влияние как на свойства са­мой эмульсии, так и на ее поведение при контакте с поверхностью различных материалов. Изучение действия электролитов на свой­ства эмульсий важно для их правильного применения, а также для получения эмульсий из трудноэмульгируемых битумов, например из марки БНД 40/60.

Вообще говоря, свойства битумных эмульсий можно регулиро­вать добавкой электролитов как в момент производства, так и в процессах их применения, изменяя таким образом скорость распа­да на поверхности.

Авторы изучали влияние электролитов на модельной эмуль­сии, состоящей из 50% масс, битума марки БНД 60/90, 0.2% масс, диаминов и подкисленной воды (класс ЭБК-1 по ГОСТ 18659-81) Результаты представлены на рис. 4.

 

 

 

Исследовалась коагуляция этой эмульсии в зависимости от соотношения компонентов дисперсионной среды, рН водной фазы, температуры размягчения битума и от концентрации электролита. Наиболее заметное влияние на свойства эмульсии оказывало имен­но введение электролита, что можно объяснить, исходя из следую­щих соображений. Влияние электролитов на свойства и поведение эмульсий по существу сводится к их действию на эмульгатор, а точнее говоря - на адсорбционно-сольватный слой, образу­емый ионами эмульгатора. Введение электролита может вызвать коалесценцию, что связано с частичной нейтрализацией заряда би­тумных капель зарядом противоположного знака при их адсорбции на поверхности капель. Таким образом, при добавлении электроли­тов изменяется природа АСС и получать устойчивые битумные эмульсии можно лишь при строго определенном соотношении эмульгатора и стабилизатора, при нарушении которого происхо­дит коагуляция, т.е. разрушение эмульсии. Другими словами, электролит в зависимости от концентрации может выступать как в роли стабилизатора, так и в роли коагулятора битумных эмульсий.

По проведенному исследованию влияния электролита на свой­ства эмульсий можно сделать следующие выводы:

• обычно введение 0.15-0.30% масс, водного раствора Са оказы­вает на битумную эмульсию стабилизирующее воздействие, при этом скорость разрушения эмульсии на поверхности сни­жается, а сама эмульсия становится более устойчивой;

• в случаях, когда требуется ускоренная коагуляция" (класс ЭБК-1 по ГОСТ 18659-81), наиболее пригодны эмульсии с не­сколько повышенным рН (3-4), с концентрацией стабилизатора 0.2-0.4% масс. Кроме того, универсальным способом корректи­ровки скорости распада является подбор типа и регулирование концентрации используемого эмульгатора;

• эмульсии с замедленным распадом на поверхности материа­лов11 производят с повышенным содержанием эмульгатора и пониженным значением водородного показателя (1.5-2.5);

• введение электролитов позволяет регулировать время коагуля­ции эмульсии в процессах производства, хранения и примене­ния (стабильность при хранении, скорость образования пленки вяжущего при контакте эмульсии с поверхностью), а также ус­транять явление реэмульгирования"'.


Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1137; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!