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! |
Мы поможем в написании ваших работ!