- проектирование состава эмульсии;
- разработка и исследование распределения эмульсии по поверхности;
- исследование формирования эмульсии;
- изучение совместной работы слоев эмульсии и основания, на которые она наносится.
Основные требования, предъявляемые к приготовленной эмульсии и конечному результату ее применения, также одинаковы:
- сформировавшаяся пленка и обрабатываемая поверхность должны работать как одно целое;
- пленка эмульсии должна сохранять текстуру основания;
- свойства получаемого конечного продукта должны быть стабильны и не должны зависеть от различного качества сырья;
- эмульсия и продукты на ее основе должны быть удобоукладываемыми и устойчивыми к различным воздействиям.
Рациональность и целесообразность строения множественных эмульсий основаны на их ячеистой структуре, которая позволяет заключать в оболочку (капсулу) активную субстанцию во внутренней водной среде, защищая ее таким образом от воздействия внешней среды. Это называется «эффектом резервуара для активных веществ», которые освобождаются из своего «заточения» в необходимый момент их применения путем разрушения масляных глобул-резервуаров под действием сдвигающего напряжения, в результате чего их содержимое попадает и распределяется во внешней водной фазе. Благодаря таким эмульсиям обрабатываемый материал ведет себя по-разному при контакте с поверхностью различного минерального материала или слоя покрытия. Таким путем можно использовать различные воздействия, например тепла, если ввести в капсулу частицы цеолита или цемента или высвободить в определенный момент под действием света введенный в состав эмульсии пигмент, окрашивающий определенный участок. Применение таких эмульсий может дать возможность исключить операцию увлажнения поверхности, так как им свойственен увлажняющий эффект [22].
8.2. Монодисперсные эмульсии
В зависимости от дисперсности эмульсии могут быть поли - или монодисперсными.
Обычные дорожные эмульсии полидисперсны, но монодисперсные эмульсии представляют особый интерес. Эти эмульсии позволяют получить материал с повышенными оптическими свойствами и цветной материал с минимальным количеством пигмента [1, 40].
Дисперсность эмульсии определяет многие ее свойства, и в первую очередь вязкость и скорость распада, которая зависит от распределения капель эмульсии по размерам. Поэтому, если удастся получить эмульсию с заданным размером капель, то это даст возможность задавать контролируемую скорость ее распада и вязкость. Это позволило бы для каждого конкретного случая проектировать эмульсию с каплями «по мерке». Причем получить капли нужного размера можно не только с помощью специальных добавок или подбора того или иного вида эмульгатора, но и путем выбора типа диспергатора и режима его работы в процессе приготовления эмульсии.
Известно, что скорость распада полидисперсной эмульсии зависит от величины среднего диаметра капель – чем больше этот диаметр, тем выше скорость распада. А вязкость эмульсии зависит, прежде всего, от величины отклонения фактических размеров капель эмульсии от среднего диаметра – чем меньше эта величина, тем выше вязкость [6]. Отсюда следует, что если величина отклонения от среднего диаметра капли будет равна нулю, то вязкость эмульсии будет максимальной. Другими словами, чтобы повысить вязкость, нужно приготовить монодисперсную эмульсию, где все капли будут одного диаметра. А для того, чтобы получить требуемую скорость распада эмульсии, необходимо подобрать такой режим работы или тип диспергатора, который позволит получить размер капель определенного заданного параметра, не изменяя состав эмульсии. Таким образом, есть возможность контролировать вязкость эмульсии, изменяя лишь диаметр ее капель, т. е. изменяя только механические условия ее приготовления, например скорость вращения ротора коллоидной мельницы и (или) величину зазора, а не менять химический состав эмульсии или ее водную фазу. Это дает выигрыш во времени при приготовлении, а также в стоимости, так как нет необходимости вводить специальные добавки.
Для получения монодисперсной эмульсии требуется омагниченная вода, которая позволяет управлять размером ее капель. Такая эмульсия имеет интересные оптические свойства: взаимодействуя с пучком света, она способствует получению пучка света определенного цвета в зависимости от размера капель. Этот эффект можно усилить с помощью электромагнитного поля, т. е. придать материалу нужный цвет, посылая на эмульсию разные пучки света или изменяя размер ее капель [40].
Если монодисперсная эмульсия нужна не сама по себе, а в качестве вяжущего, например как материал промежуточный, то вводится добавка, регулирующая время и скорость ее распада. При этом необходимо строго контролировать стабильность эмульсии при хранении.
В этом случае масло переводят в эмульгированное состояние, содержащее такую добавку в растворе на стадии хранения. Тогда химический потенциал этого ПАВ, как и «масла», будет зависеть от размера капли – чем выше этот потенциал, тем меньше размер капли. Из-за такого дисбаланса мелкие капли будут разрушаться в пользу самых крупных (формирование по Освальду). А поскольку, чем меньше капли, тем стабильнее эмульсия, то постепенно эмульсия подойдет к своему заданному сроку разрушения.
Полидисперсные эмульсии при хранении обычно подвержены расслоению (перераспределению капель по объему, особенно при нагревании), т. е. при хранении эмульсия изменяется, что может привести к потере потребительских качеств и даже к ее разрушению.
А монодисперсные эмульсии не подвержены такому расслоению. После того как агрегаты в результате притяжения частиц эмульсии без разрушения пленки ПАВ, которая их стабилизирует, в процессе ее хранения и расслоения сформируются, они (агрегаты) будут подвержены действию силы тяжести. Тогда развивается явление разделения фаз (расслоение), т. е. образования геля (крема), или седиментация, в зависимости от относительной плотности обеих жидкостей. Данная фаза аналогична разделению по фракциям сыпучего материала. Это явление можно использовать для получения монодисперсных эмульсий. Но такой метод трудоемок и пригоден только для лабораторных работ, а не для промышленности.
Получить монодисперсные эмульсии можно тремя путями.
1. Путем контроля степени (уровня) сдвига, задавая сдвигающую нагрузку (напряжение при сдвиге) и создавая ламинарное течение. В этом случае капли образуются особо - однородные. Эмульсии получают путем сдвига обеих фаз в специальном вискозиметре. При этом желательно сблизить вязкости обеих фаз, чтобы сделать эффективной передачу энергии сдвига от одной фазы к другой. Скорость вращения необходимо контролировать для поддержания ламинарности течения.
2. Путем продавливания вещества, которое диспергируют (ДФ) через пористую мембрану с точно откалиброванными отверстиями, а в нижней ее части, где создаются завихрения жидкости, их сдвигают потоком диспергирующей жидкости (ДС) по касательной под некоторым углом. В этом случае ДФ не должна смачивать материал мембраны.
3. Путем помещения капилляра в трубку большего размера, в которой движется водная фаза с эмульгатором. Через капилляр инжектируют (впрыскивают) ДФ (фазу, которую надо диспергировать) в поток водной фазы с эмульгатором по ее течению. Поток растягивает каплю ДФ, которая образуется на конце капилляра. Когда усилие, тянущее каплю, превысит величину поверхностного натяжения, капля отделяется (этот метод еще не доведен до промышленного использования).
Таким образом, монодисперсные эмульсии открывают пути для производства материалов с новыми заданными механическими и оптическими свойствами. Задавая и контролируя размер капель, используя законы физики, можно существенно улучшить потребительские качества эмульсии и получить совершенно новые свойства эмульсии, которые иногда могут расцениваться на современном уровне производства и как вызов обществу, и как прекрасный продукт [40].
Следует отметить, что этими методами можно исправить грубую крупнозернистую эмульсию, полученную обычным путем, пропустив ее через гомогенизатор с очень маленьким клапаном (несколько микрон) под давлением бар (1 бар = 0,1 МПа) (в зависимости от типа эмульсии). Причем это давление подается сверху клапана, а на выходе из него необходимо обеспечить давление в 1 бар. Из-за такого скачка давления возникает кавитация и турбулентность, которые уменьшают размер капель до 50 нм и полидисперсность эмульсии падает (рис. 26) [40].
В этой статье авторы описывают получение монодисперсных эмульсий на основе дорожных битумов и полимербитумов, которые в настоящее время исследуются.
Рис. 26. Получение эмульсии:
а – полидисперсной (обычной) в коллоидной мельнице;
б – монодисперсной из полидисперсной эмульсии
Для дорожников было бы интересно в недалеком будущем подобрать такую эмульсию, которая при освещении ее фарами автомобиля ночью будет давать цветную полосу, например белого цвета – осевая или красного – обочина, да еще и увеличивать интенсивность окрашивания по мере приближения к опасному участку.
8.3. «Сухая» эмульсия
Эмульсии в виде порошка известны – например, это сухое молоко. Однако, чтобы получить вместо жидкой эмульсии «сухой», капсулированный продукт необходим полимер, позволяющий ее капсулировать и высушивать. Фирма Rhodia с 1995 г. работает над решением этой задачи для нужд агрохимии и фармакологии. Однако принцип, который применила эта фирма, вполне пригоден для использования в других областях промышленности [41].
Действительно, применение «сухой» эмульсии для нужд дорожного строительства в труднодоступных районах или для ремонтных работ, когда этот материал достаточно только развести водой в необходимой концентрации, перспективно.
Получить «сухую» эмульсию можно на основе эмульсии, приготовленной обычным способом, но в водную фазу которой введен специальный полимер, похожий на применяемое ПАВ и совместимый с ним, путем высушивания до получения твердых частиц-капсул. Внутри такой капсулы находятся капли жидкости, ранее растворенные в воде, – и эмульсия готова к употреблению (рис. 27).
Рис. 27. Схема получения «сухой» эмульсии:
1 – ПАВ внутри капсул; 2 – полимер
В работе [41] наибольшую трудность вызвал поиск способа предотвращения распада эмульсии, который происходил при высушивании из-за несовместимости полимера, позволяющего высушивать и затем вновь растворять эмульсию, с ПАВ, применявшимся для приготовления самой эмульсии и находящимся вокруг капель ДФ, подлежащих капсулированию. В результате кропотливой работы специалистов по изучению физико-химических свойств эмульсий был синтезирован гидрофильный полимер типа полиакрилата с невысокой вязкостью, состоящий из коротких гидрофобных звеньев, не препятствующих его растворимости в воде, относящийся к ПАВ двойного действия. Этот полимер позволил получить «сухую» эмульсию путем высушивания. В этом режиме необходимо соблюдать только одно правило корректировки параметров сушки – минимальное соотношение между размером гранулы и первоначальным размером капель должно быть близким к 10.
Метод получения «сухой» эмульсии может быть применен и для множественных эмульсий. При этом следует отметить, что первоначальные характеристики эмульсии при высушивании и последующем восстановлении не ухудшаются, а некоторые даже улучшаются. Так, стабильность эмульсии увеличивается, так как при капсулировании эмульсии процесс распада ее блокируется и материал можно транспортировать и укладывать, не опасаясь ее преждевременного распада.
Появляется новое положительное качество «сухих» эмульсий – можно смешивать две или несколько «сухих» эмульсий, в обычном своем состоянии не совместимых друг с другом, что позволяет легко комбинировать различные материалы на основе эмульсий.
Принцип получения «сухой» эмульсии следующий: полимер добавляется к классической прямой эмульсии, затем эта эмульсия, содержащая все необходимые добавки и ПАВ, высушивается, например, способом сухого распыления, полученный порошок собирается и хранится. Этот порошок можно снова диспергировать в воде и восстановить до исходной эмульсии, готовой к применению.
«Сухая» эмульсия – это типичный пример комбинирования составов и методов с целью получения новых материалов. Проектирование состава таких эмульсий – это искусство смешения компонентов (полимер, ПАВ и др.), умение пользоваться известными методами – эмульгированием и высушиванием, хорошие знания физико-химии, синтеза полимеров и в области разработки технологий, которые необходимы для успешного комбинирования компонентов и применения технологических приемов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Битумные эмульсии получают все большее распространение в России как экономически и технологически выгодный строительный материал для дорожного строительства. Однако в настоящее время новые прогрессивные материалы на основе битумных эмульсий используются мало и часто на недостаточно высоком уровне. Качества этих материалов оставляют желать лучшего. Объясняется это не только низким качеством битумов, но и недостаточной изученностью таких сложных коллоидных систем, которые требуют серьезных знаний в области химии и физико-химии, наличия лабораторий, оборудованных на самом современном техническом уровне, и квалифицированных грамотных инженерно-технических работников.
Кроме того, процесс получения и применения битумных эмульсий и смесей на их основе предъявляет высокие требования к качеству исходных материалов, строгому выполнению технологических регламентов производства работ и квалификации обслуживающего персонала.
За рубежом прогресс в области проектирования и получения битумных эмульсий развивается по пути применения сложной измерительной и исследовательской аппаратуры (лазерные дифрактометры, микроскопы с компьютерными программами и т. п.). Но расходы на приобретение такой техники окупаются достаточно быстро, так как в этом случае удается решить многие сложные проблемы и быстро реагировать на изменение условий приготовления и применения эмульсий. С помощью этой техники возможен оперативный контроль в процессе приготовления эмульсии, своевременное вмешательство в процесс и получение материалов с заданными или желаемыми свойствами.
Большой интерес представляют также модифицированные эмульсии, разработки которых осуществляют ведущие зарубежные фирмы, а также в Беларуси [42].
Создание новых перспективных материалов на основе эмульсий и разработка оптимальных решений в сочетании с новыми технологическими приемами позволяет обеспечить получение широкого спектра эмульсионных материалов для дорожного строительства, не уступающих, а в чем-то даже превосходящих, традиционные асфальтобетонные смеси.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 3-й Международный конгресс по эмульсиям. – Лион, 2002. – Сентябрь.
2. Bibette J., Leal-Calderon F., Schmitt V., Poulin P. Emulsion Science. Basic Principles. An Overview. – S. Springer Tracts in modern physics. – 2002. – Vol. 181. – 140 p.
3. Bilingual dictionary: Справочник Colas. – Париж, 2000.
4. Равич-, Новиков и коллоидная химия. – М.: Высш. шк., 1975. – 255 с.
5. Поспелова общего курса коллоидной химии по лекциям акад. . – М.: МГУ, 1950. – 112 с.
6. Воюцкий коллоидной химии. – М.: Изд-во «Химия», 1975. – 512 с.
7. Фридрихсберг коллоидной химии. – Л.: Изд-во «Химия», 1974. – 351 с.
8. , Михайлов битумы. – М.: Транспорт, 1973. – 262 с.
9. , , Мищенко -строительные материалы. – М.: Транспорт, 1983. – 383 с.
10. Дорожные эмульсии: Энциклопедия. Т. 1 / Под ред. . – EARE, 1988.
11. Лысихина покрытия и основания с применением битумов и дегтей. – М.: Науч.-техн. изд-во Минавтошосдора РСФСР, 1962. – 360 с.
12. Ребиндер -химическая механика. – М.: Изд-во «Знание». – 1958. – Сер. IV. – № 39, 40. – 64 с.
13. Asphalt Emulsion: A Basic Asphalt Emulsion Manual. Manual Siries № 19. – АЕМА. – 112 р.
14. Соколов эмульсии: Учеб. пособие. – Омск: СибАДИ, 1998. – 83с.
15. Дорожные эмульсии / , , и др. – М.: Транспорт, 1964. – 172 с.
16. ГОСТ Р . Эмульсии битумные дорожные прямые. Технические условия / Союздорнии, Росдорнии: Введ. 01.10.2003: Взамен ГОСТ . – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. – 18 с.
17. ГОСТ . Эмульсии битумные дорожные. Технические условия. – Введ. 01.01.82: Взамен ГОСТ . – М.: Изд-во стандартов, 1981. – 12 с.
18. Финские нормы на асфальт / Консультативный совет по покрытиям PANK. – Хельсинки, 2000. – 75 с.
19. Технические указания по приготовлению эмульсий и устройству черных гравийных и щебеночных покрытий с их применением: ВСН 25-63 / Минавтошосдор РСФСР. – М.: Транспорт, 1964. – 157 с.
20. ТУ -01-89. Эмульсия обратная битумосланцевая вязкая для приготовления черного щебня. Технические условия / Минавтодор РСФСР, Мурманский ЦСМ. – 1989. – 5 с.
21. Технические указания по применению битумных шламов для устройства защитных слоев на автомобильных дорогах: ВСН 27-76 / Минавтодор РСФСР. – М.: Транспорт, 1977. – 80 с.
22. Lauby A. La texture en cosmetologie. De la formulation au procede d’application // RGRA. – 2002. – № 000. – Р. 37-42, 54.
23. Битумные эмульсии: Техн. бюллетень № 2. – ScanRoad USA, 1995. – С. 28.
24. 4-й Международный конгресс ISSA. – Париж, 1997. – Март.
25. Руководство по применению поверхностно-активных веществ при устройстве асфальтобетонных покрытий (взамен ВСН 59-68) / Росавтодор. – М., 2003. – 40 с.
26. Van Nieuwenhuyze К., Tanghe T., Verlhas P., Eckmann prehension des proprietes de el emulsion a partir des caracteristiques du liant et de el emulsifiant // RGRA. – 2001. – № 000. – Р. 41-47.
27. Delfosse F., Eckmann B., Le Roux C., Odie L., Potti J.-J., Sanchez Polo J. / Caracterisation des granulats vis-a-vis des phenomenes de rupture des emulsions dans les enrobes a froid // RGRA. – 2001. – № 000. – Р. 64-68.
28. Lillbroдnda U., Lundberg R., Olsson K. New Cold Recycling and Mixes Paving Technology // RGRA. – 2003. – № 000. – Р. 34-37.
29. Bleier J., Lenhard S., Von Statt J. Bitumenemulsionen und ihre Teilchengrossenverteilung // Bitumen. – 1990. – № 1. – S. 9-18.
30. 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. – № 000. – Р. 57-65.
31. Le systeme «emulsion – solides divises siliceux». La rupture physique de l’йmulsion // Bulletin des laboratories des Ponts et chaussйes. – 1997. – № 000. – Р. 5-12.
32. Serfass J.-P., Deneuvillers Ch., Joly A. Techniques et methodologie d’etude pour l’amelioration des enduits superfisiels // RGRA. – 1998. – № 000. – Р. 44-49.
33. Эмульсии / Под ред. Ф. Шермана. Пер. с англ. / Под ред. . – Л.: Изд-во «Химия», 1972. – 450 с.
34. Calderon F. *****pture des emulsion de bitumen: quel mecanisme? // RGRA. – 2001. – № 000. – Р. 66-72.
35. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. – Л.: Изд-во «Химия», 1973. – 152 с.
36. Heritier B., Mariotti S., Malot M. Cold mix asphalt: new methodology of formulation and new products // RGRA - 2. Spes.
issul. – 2002. – Р. 31-40.
37. Glet W. Schichtenverbund dunner Schichten im Kalteinlage
// Bitumen. – 2002. – 64, № 2. – S. 74-79.
38. Lauby A. Emulsions: les evolutions en marche // RGRA. – 2002. – № 000. – Р. 24-25.
39. Dalmazzone Ch. Caracterisation de la stabilite des emulsions opaques et concentrees dans l’industrie petroliere // RGRA. – 2002. – № 000. – Р. 44-49.
40. Poirier J.-E. Des gouttes sur mesure: la haute countwe de l’emulsion // RGRA. – 2002. – № 000. – Р. 34-36.
41. Lauby A. L’emulsion seche: l’exemple type dune combinaison formulation et procede // RGRA. – 2002. – № 000. – Р. 30-32.
42. Совершенствование транспортно-эксплуатационных качеств автомобильных дорог: Междунар. науч.-техн. конф. – Минск, 1966. – С. 66-79, 116-119.
СОДЕРЖАНИЕ | |
1. Введение .......................................................................... | 1 |
2. Состояние вопроса ......................................................... | 3 |
2.1. Современное представление об эмульсиях.................. | 5 |
2.1.1. Общие положения ...................................................... | 5 |
2.1.2. Битумные вяжущие ................................................... | 7 |
2.1.3. Битумные эмульсии ................................................... | 10 |
2.2. Факторы, влияющие на характеристики битумных эмульсий ………………………………………………………. | 15 |
2.3. Классификация битумных эмульсий............................. | 22 |
2.4. Общие требования к битумным эмульсиям................. | 25 |
2.4.1. Прямые концентрированные эмульсии ..................... | 25 |
2.4.2. Высококонцентрированные эмульсии ....................... | 34 |
2.4.3. Обратные битумные эмульсии ................................. | 35 |
2.4.4. Эмульсии на твердых эмульгаторах......................... | 36 |
3. Эмульгаторы для приготовления битумных эмульсий... | 38 |
3.1. Типы эмульгаторов........................................................ | 38 |
3.2. Принцип действия эмульгаторов.................................. | 41 |
3.2.1. Эмульсии на органических эмульгаторах ................ | 42 |
3.2.2. Тонкодисперсный порошкообразный (твердый) эмульгатор............................................................................ | 50 |
3.3. Характеристика и анализ свойств некоторых эмульгаторов......................................................................... | 54 |
4. Свойства битумных эмульсий ...................................... | 62 |
4.1. Свойства водной фазы................................................... | 62 |
4.2. Дисперсность битумных эмульсий............................... | 66 |
4.2.1. Способ и режим приготовления эмульсии .............. | 68 |
4.2.2. Влияние типа и вязкости битума на дисперсность и гранулометрию эмульсий..................................................... | 72 |
4.2.3.Измерение дисперсности для коррекции и оптимизации составов эмульсий........................................ | 76 |
4.3. Содержание остаточного эмульгатора......................... | 78 |
4.4. Стабильность эмульсий................................................. | 79 |
4.5. Скорость распада эмульсии.......................................... | 80 |
4.6. Вязкость битумных эмульсий....................................... | 87 |
5. Принцип формирования смеси на основе битумных эмульсий………………............................................................. | 89 |
5.1. Общие положения.......................................................... | 89 |
5.2. Механизм распада битумной эмульсии........................ | 92 |
5.3. Факторы, влияющие на распад битумной эмульсии.... | 96 |
5.4. Влияние характеристик поверхности минерального материала.............................................................................. | 101 |
5.4.1. Смачивание поверхности минерального материала. | 101 |
5.4.2. Адгезия ........................................................................ | 106 |
6. Особенности эмульгирования разных типов битумов............................................................................................... | 109 |
7. Эмульсии с контролируемым распадом ...................... | 114 |
8. Перспективные направления развития битумных эмульсий............................................................................... | 117 |
8.1. Множественные эмульсии............................................. | 117 |
8.2. Монодисперсные эмульсии........................................... | 121 |
8.3. «Сухая» эмульсия.......................................................... | 124 |
Заключение ......................................................................... | 127 |
Список литературы ............................................................ | 128 |
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
