Влияние ультразвука на дисперсность водо-битумных эмульсий, стабилизированных с помощью неионногенных ПАВ

УДК 665.455

Э. А. Яушев, А. И. Абдуллин, Е. А. Емельянычева ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ДИСПЕРСНОСТЬ ВОДО-БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ НЕИОННОГЕННЫХ ПАВ

Ключевые слова: водо-битумные эмульсии, ультразвук, неионогенные ПАВ.

В статье рассмотрена возможность использования ультразвукового воздействия на водо-битумные эмульсии для уменьшения их вязкости. В статье также приведены результаты экспериментальных исследований влияния ультразвука на дисперсность водо-битумных эмульсий, стабилизированных неионогенными ПАВ.

Keywords: water-bitumen emulsions, ultrasound, nonionic Surfactants.

The article describes the use of ultrasonic influence on water-bitumen emulsions to reduce their viscosity. The article also presents the results of experimental studies of the effect of ultrasound on the dispersion of water-bitumen emulsions stabilized with nonionic surfactants.

Введение

В настоящее время одним из приоритетных направлений исследований в области дорожного строительства является разработка и совершенствование материалов для «холодных» технологий строительства покрытий автомобильных дорог. Под эти технологии подразумевают использования водо-битумных эмульсий (ВБЭ), в процессе укладки дорожно-строительного материала в холодном виде [1].Технологичность его использования в качестве вяжущего повышается при снижении вязкости, которая может быть достигнута [2,3] нагревом, смешивание с нефтяными растворителями, эмульгирование с образованием эмульсий.

Наиболее приемлемым методом является использование битумных эмульсий. Использование ВБЭ имеет ряд преимуществ:

Вязкость ВБЭ при нормальных условиях на несколько порядков ниже чем у горячих битумов, что ведет за собой уменьшения затрат на покрытие дорожного полотна. Снижение вязкости позволяет точно дозировать вяжущий раствор, а так же проводить процесс укладки дорожного полотна без использования энергоемкого оборудования, так как процесс укладки протекает при нормальных условиях и не требует нагрева каменного материала. [4]

В настоящие время известно два принципа эмульгирования: механический и акустический. Как правило, для получения обычных концентрированных дорожных эмульсий [5,6] используются гомогенизаторы (коллоидные мельницы). В роторных диспергаторах дисперсность получаемой эмульсии зависит от скорости вращения ротора и величины зазора [7] С уменьшением зазора уменьшается размер капелек эмульсии. При работе на больших скоростях ротора и с малыми зазорами получаются высокодисперсные эмульсии. Однако сейчас появляются все больше технологий эмульгирования, осно-ванны на использовании ультразвукового воздействия. При прохождении ультразвука в жидкости в последней возникают большие давления и напряжения растяжения , измеряемые многими атмосферами. Жидкость не выдерживает растягивающих усилий и в местах, где имеются примеси или газовые

пузыри, происходит разрыв жидкости, который приводит к явлению кавитации. [8]

Таким образом применение ультразвука в качестве дополнительной стадии к механическому диспергированию, позволит получить эмульсии с улучшенными эксплуатационными свойствами. Экономически выгоднее сначала грубо приготовить эмульсию [9] в коллоидной мельнице, а на следующем этапе для улучшения свойств эмульсии воздействовать на нее ультразвуком. Однако использование ультразвука как основного способ эмульгирования имеет недостатки , связанные с тем, что, кави-тационные явления вызывают также местное значительное повышение температуры, давлений и, создают механические напряжения на границе раздела фаз [10].И наряду с кавитацией усиливаются явления коагуляции.

В качестве основного эксплуатационного показателя качества эмульсий в работе была выбрана вязкость. Вязкость эмульсии как коллоидной системы является функцией многих факторов: содержания дисперсной фазы, природы и концентрации эмульгатора, наличия дополнительных веществ в составе эмульсии. Однако, нельзя отрицать зависимость вязкостных свойств от дисперсности эмульсии. Известно, что вязкость является одной из важнейших эксплуатационных характеристик битумных эмульсий. Она характеризует седиментационную устойчивость эмульсии, способность эмульсии растекаться, пропитывать и обволакивать минеральный материал при поверхностной обработке дорожного полотна, пропитке различных минеральных смесей и склеивании слоев асфальтобетона.

Вязкость также характеризует коллоидные свойства битумных эмульсий, а именно дисперсность, свойства дисперсионной среды и дисперсной фазы, а также силу взаимодействия между частицами эмульсии, свойства их адсорбционно-сольватных слоев. Таким образом,по изменению вязкости условно можно судить об изменениях показателя дисперсности битумных эмульсий.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования был выбран битум окисленный дорожный марки БНД 90/130 согласно ГОСТ 22245-90, полученный на

Уфимском нефтеперерабатывающем заводе. Основные малакометрические свойства битума, а также его групповой состав представлены в таблице 1.

В качестве эмульгатора был исследован блок-сополимер класса проксанолов (плюроников) с содержанием гидрофильных полиоксиэтиленовых блоков в молекуле ПАВ, равным 80 % мас:

НО (СН2СН20)а-(СН:СН(СНз)0)4 Н

где 44а/(44а+5 8Ь)=0.8

Таким образом, гидрофильно--липофильный баланс проксанола равен 16, что позволяет получать обратные эмульсии. Основные свойства проксанола: гидроксильное число равно 28,00 мгКОН/г, одержа-ние оксиэтиленовых групп равняется 80,00 % мас., молекулярная масса равна 10000 г/моль.

Таблица 1 - Основные свойства и групповой химический состав битума марки БНД 90/130

Наименование показателя Значения

Температура, 0С

- размягчения по КиШ >47

- хрупкости по Фраасу -18

Глубина проникания иглы при 250С, х0,1мм 108

Растяжимость при 250С, см 100

Адгезия, соответствие образцу № 2

Групповой состав

Масла 28,2

Смолы, в том числе 56,35

смолы бензольные 25,61

смолы спиртобензольные 30,74

Асфальтены 15,45

С+А/М 2,55

С/М 1,99

С/А 3,65

Результаты испытаний водо-битумных эмульсий показаны в таблице 2.

Таблица 2 - Условная вязкость в зависимости от времени обработки ультразвуком

Номер образца Состав, % мас. УВ, с

Время обработки ультразвуком, с

БНД 90/130 Эмульгатор-стабилизатор Вода 0 30 90 210 450

1 40,00 0,50 59,50 8,45 8,46 8,46 8,52 8,80

2 40,00 1,00 59,00 9,40 7,92 7,75 7,94 8,56

3 40,00 1,50 58,50 9,41 8,93 8,78 8,73 8,45

4 40,00 2,00 58,00 9,95 10,09 10,15 10,48 10,59

5 50,00 0,50 59,50 10,14 10,35 10,30 10,42 10,76

6 50,00 1,00 59,00 10,21 9,50 9,30 9,53 10,27

7 50,00 1,50 58,50 11,29 10,72 10,54 10,48 10,25

8 50,00 2,00 58,00 11,94 12,11 12,18 12,58 12,71

9 60,00 0,50 59,50 13,18 13,46 13,39 13,55 14,03

10 60,00 1,00 59,00 13,27 12,36 12,09 12,39 14,23

11 60,00 1,50 58,50 14,68 13,93 13,70 13,62 14,67

12 60,00 2,00 58,00 15,52 15,74 15,83 16,35 18,65

Благодаря структурно-групповому составу и малой вязкости (показатель пенетрации составляет 108) позволяет вести процесс эмульгирования в менее жестких условиях и при меньшей концентрации эмульгатора. Дальнейшее увеличение содержания эмульгатора не приводит к улучшению эмульгируе-мости битума, поэтому введение полимера в состав эмульсии выше 2 % мас. в данном случае считается нецелесообразным.

Графические зависимости вязкостных свойств эмульсии от концентрации эмульгатора и времени обработки ультразвуком приведены на рис. 1, 2.

1150

8,50---

7,50 -

0,00 (1,5(1 1,0(1 1,50 2,(10 2,50 Концентрация '»птпгапра. % мае,

-4-УЗО -ш-УЗЗО -á-ym 4í-y32io НК-УЗ«

а

9,50 -7,50 -

0,00 0.5(1 Ш 1.50 2.00 1.50

К'ошкитрция шлыиюра, % шс.

-Ш-УШ -k-Ш -М-У31Ю НК-УШ

б

Содержание битумной фазы: а) 50%, б) 60%

Рис. 1 - Зависимость вязкости от концентрации эмульгатора при разном содержании битумной фазы

При анализе графиков на рисунке 1 видно, что характер изменения условной вязкости в зависимости от содержания эмульгатора практически идентичен вне зависимости от содержания дисперсной фазы битумной эмульсии - битума. Увеличение вязкости битумной эмульсии, не подвергнутой ультразвуковой обработке, объясняется механизмом стабилизации эмульсии поверхностно-активными

веществами неионогенного типа. По мере увеличения содержания эмульгатора происходит увеличение толщины адсорбционно-сольватного слоя сложной структурной единицы битумной эмульсии, вследствие чего происходит увеличение вязкости, что и наблюдается на графиках. Использование ультразвука позволяет добиться большей дисперсности эмульсии за счет уменьшения диаметра частиц, и как следствие, количество адсорбированного на поверхности битумной частицы полимера будет уменьшаться, т. е. происходит увеличение общей поверхности раздела фаз битум-вода, толщина АСС уменьшается, вязкость падает.

V ,

*—»

О 100 200 300 400 500

Врии обрасти т.итраяринл с

-Ь50/50ЭмЦ) -*-50;50 Эм1.5 —50/50Эц2,0 а

19,50

ЩО 9,50 7,50

0 100 200 300 400 500 В|Ю1Н ии|Ш«Ш1 УЛЬТр шшм, с

-»-60/40 Эы0,5-ш-60.40 Эм1,0-*-<>0/40 Зм1,5—60/40 Эы2,0 б

Рис. 2 - Зависимость вязкости от времени ультразвуковой обработки при разном содержании битумной фазы

Замедление скорости распада эмульсии, также можно достичь путем влияния на АСС битумных частиц, увеличив при этом его толщину и прочность, получив "армирование" (стабилизированные тонкодисперсными наполнителями) эмульсии. [11]

При выборе условий связанных с уменьшением размеров частиц, и учете фактора изотермической перегонки, эмульсия окажется более монодисперсной, и как следствие вязкость ее будет уменьшаться по сравнению с вязкостью исходной эмульсии. Пределом уменьшения вязкости окажется состояние эмульсии, при котором частицы битума бу-

дут иметь одинаковый размер, а толщина АСС частицы окажется минимальной. Многими исследователями установлено также, что при влиянии фактора увеличения толщины АСС, вязкость будет расти. [12, 13]

По мере увеличения времени воздействия ультразвукового воздействия происходит увеличение температуры за счет увеличения интенсивности механического перемешивания жидкостей, при этом происходят конкурирующие процессы диспергирования и коагуляции. Процесс частиц вследствие броуновского движения и/или дополнительного механического перемещения от ультразвукового воздействия будет интенсифицироваться не только вследствие увеличения числа соударений частиц и агрегатов, но и вследствие уменьшения количества ПАВ на границе раздела фаз.

Графики на рисунке 2 показывают оптимальное соотношение времени ультразвукового воздействия и концентрации эмульгатора для получения более монодисперсной битумной эмульсии с меньшей вязкостью. Стоит отметить разнонаправленную зависимость условной вязкости от времени ультразвуковой обработки при различной концентрации полимера. При концентрациях эмульгатора 0,5 и 2,0 % мас. по мере обработки ультразвуком. Объясняется это тем, что при обработке ультразвуком происходит дроблением частиц, уменьшение толщины АСС, за счет чего увеличивается доля коагуляции. При максимальной концентрации эмульгатора вязкость постоянно растет - вначале за счет большой величины АСС и плотной упаковки дисперсной фазы, при этом увеличивается сопротивление течению жидкости; дальше увеличение вязкости связано с коагуляционными процессами за счет увеличения температуры и уменьшения толщины АСС. При концентрациях 1,0 и 1,5 % мас. наблюдается немного другая картина, а именно при времени ультразвуковой обработки 30-90 секунд наблюдается уменьшение вязкости, что вероятнее всего можно объяснить уменьшением частиц за счет диспергирующей функции ультразвука, также возможно получение более монодисперсных эмульсий. Далее с увеличением времени обработки происходит либо стабилизация условной вязкости, либо ее увеличение за счет коагуляционных процессов.

Результаты и выводы

1.Ультразвукавое воздействие оказывает влияние на вязкостные свойства битумных эмульсий. При увеличение времени воздействия ультразвуком вязкость эмульсий, стабилизированных не-ионогенными ПАВ, увеличивается. По мере увеличения содержания битумной фазы в дисперсной системе эффект воздействия ультразвука становится более заметным.

2. Ультразвуковое воздействия оказывает влияние на дисперсность эмульсий. Использование ультразвука позволяет добиться большей дисперсности эмульсии за счет уменьшения диаметра частиц и как следствие увеличения раздела фаз битум-вода.

3. Установлено предельное время обработки эмульсии ультразвуком, выше которого наблюдаются конкурирующие основному процессу диспергирования явления коагуляции.

4.Установлено оптимальное соотношение времени ультразвукового воздействия и концентрации эмульгатора для получения более монодисперсной битумной эмульсии с меньшей вязкостью.

5.Выявлена разнонаправленная зависимость условной вязкости от времени ультразвуковой обработки при различной концентрации эмульгатора.

Литература

1. Кучма М.И. Поверхностно-активные вещества в дорожном строительстве. М: Транспорт, 1980.-180с.

2. Карпеко, Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физико-химической технологии производства и примения / Ф.В. Карпеко, А.А. Гуреев. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998.192 с.

3. Абрамзон, А.А. Эмульсии / А.А. Абрамзон. - Л.: Химия, 19722. - 124 с.

4. Идрисов, М.Р. Битумные эмульсии в дорожном строительстве / А.И. Абдуллин, М.Р. Идрисов //Вестник Казан. Технол. Ун-та - 2011. - Т.14, №23.-С.124-129

5. Кучма М.И. Исследование процессов эмульгирования битумов для дорожного строительства: автореф. дис. канд. техн. наук / М.И. Кучма. - Харьков, 1967. - 28 с.

6. Соколов Ю.В. Дорожные эмульсии: Учеб.пособие. -Омск: СибАДИ, 1998. - 83с.

7. Eckmann B., Le Bec S., Verlhac P., Calderon F.L., Dicharry C. Mesure et prediction de la distribution granulometrique des emulsions de bitume // RGRA. - 2001. - № 794. - Р. 57-65.

8. Честнов А. Л. «Технология изготовления измерительных инструментов и приборов».

9. Проксанолы в качестве стабилизаторов водо-битумных эмульсий. Идрисов М.Р., Абдуллин А.И.Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 3. С. 138-140.

10. Гинберг А.М. «Ультразвук в химических и электрохимических процессах машиностроения».

11. Кремнев Л.Я. Новые пути получения высокоустойчивых эмульсий / Л.Я. Кремнев // Л., - 1950. Вып. 17. - с. 96 - 103. - (Труды ЛТИ).

12. Карпеко Ф.В. Битумные эмульсии. Основы физико-химической технологии производства и применения / Ф.В. Карпеко, А.А. Гуреев. - М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1998. - 192 с.

13. Ниппер Д. Стабилизация коллоидных дисперсий полимерами / Д. Ниппер. - М.: Мир, 1986. - 488 с.

© Э. А. Яушев - магистрант каф. химических технологий переработки нефти и газа КНИТУ; А. И. Абдуллин - к.т.н., доц. той же кафедры, ayaz_abdullin@kstu.ru; Е. А. Емельянычева - к.т.н., доц. той же кафедры, emelyanycheva@gmail.com.

© E. A. Yaushev, Master Department of Chemical Technology of Petroleum and Gas Processing, KNRTU; A. I. Abdullin, PhD, Associate Professor, in the same department, ayaz_abdullin@kstu.ru; E. A. Emelyanycheva, PhD, Associate Professor in the same department, emelyanycheva@gmail. com.