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膠乳類(lèi)作為改性劑制備改性乳化瀝青時(shí)，乳化瀝青和膠乳在乳化劑的作用下，破壞各自原有的平衡，重新建立起一種新的平衡，如果這種平衡不能穩(wěn)定存在，將會(huì)影響改性乳化瀝青的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和使用。因此，乳液穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)改性乳化瀝青的關(guān)鍵指標(biāo)。而改性乳化瀝青的穩(wěn)定性與制備工藝、乳化劑用量、膠乳與乳化瀝青顆粒大小等諸多因素有關(guān)。從熱力學(xué)的角度分析，任何乳狀液都不是穩(wěn)定的，隨著時(shí)間的推移、環(huán)境溫度的變化或接觸介質(zhì)的變化，都可能引起乳狀液的分層、絮凝和聚集，**終導(dǎo)致乳狀液的破壞。改性乳化瀝青是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，其穩(wěn)定性是由所添加的乳化劑、乳液穩(wěn)定劑等產(chǎn)生的各種作用而引起的。維持乳液穩(wěn)定性的各種理論主要有吸附理論、膜理論、吸附雙電層理論等。 1 試驗(yàn)部分 1.1 試驗(yàn)原料 基質(zhì)瀝青：勝利90號(hào)； 乳化劑：JQT，陽(yáng)離子型，江陰峭歧股份有限公司生產(chǎn)； 改性劑：自制的SBS膠乳：固含量為40.68%，具有很好的穩(wěn)定性； 穩(wěn)定劑；CaCl2：化學(xué)純；聚丙烯酰胺； 鹽酸：化學(xué)純。 1.2 試驗(yàn)設(shè)備 瀝青乳化機(jī)：溫州興達(dá)機(jī)械制造廠生產(chǎn)，型號(hào)YXD-60。 1.3 制備工藝 按膠乳混合狀態(tài)分類(lèi)，改性乳化瀝青的制備方法通常有3種：二次熱混合法、一次熱混合法和一次冷混合法。目前普遍認(rèn)為二次熱混合法的乳化效果較好。試驗(yàn)采用二次熱混合法，其工藝流程見(jiàn)圖1。即先將SBS膠乳和乳化劑的水溶液經(jīng)混合剪切進(jìn)行**次混合，然后再加入熱的瀝青，在瀝青乳化劑的作用下進(jìn)行第二次乳化分散的過(guò)程。 2 SBS膠乳的制備 取25g線型的SBS-792于燒杯中，加入一定量的甲苯溶劑，放置1h，使得SBS充分溶脹；再于燒杯中加入定量的以陽(yáng)離子為主的復(fù)配型乳化劑，此混合液在高分散乳化機(jī)作用下，慢慢注入定量的熱蒸餾水，在此過(guò)程中，乳化機(jī)的轉(zhuǎn)速為10 000rpm；待水加入完畢后，調(diào)節(jié)乳化機(jī)轉(zhuǎn)速**16 000rpm，作用30min，得O/W型初級(jí)乳液；此初級(jí)乳液通過(guò)減壓蒸餾分出其中的甲苯溶劑，得SBS膠乳。 3試驗(yàn)結(jié)果與討論 3.1 乳化劑用量的影響 乳化劑的用量少，乳化效果不好，乳液中瀝青微粒粒徑大小不均，體系的儲(chǔ)存穩(wěn)定性下降；用量多，使生產(chǎn)成本提高，造成浪費(fèi)。通過(guò)考察乳化劑用量對(duì)瀝青乳化后儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而也可以確定乳化劑的**佳用量。影響見(jiàn)圖2。改性乳化瀝青中，SBS膠乳的含量為總物料的6%。 從圖2可以看出，乳化劑的用量在0.4%-0.8%范圍內(nèi)時(shí)，乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性隨乳化劑的用量變化很大，當(dāng)用量大于0.8%時(shí)，乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性幾乎保持不變，且乳液具有很好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。對(duì)于加入6%SBS膠乳(相當(dāng)于4.8%的固體SBS含量)的改性乳化瀝青，乳化劑用量小于1%時(shí)，其儲(chǔ)存穩(wěn)定性隨乳化劑用量的增加變化較大，乳化劑用量大于1%，乳化劑的用量對(duì)改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性影響較小，體系趨于穩(wěn)定。 當(dāng)乳化劑用量較少時(shí)，乳化劑不能使水的表面張力充分降低，瀝青和水幾乎是直接接觸著的，乳化效果不好，所以穩(wěn)定性差；隨著乳化劑量的增加，瀝青乳液逐漸開(kāi)始趨向于穩(wěn)定的狀態(tài)，乳化劑分子的親水和親油基團(tuán)分別和水、改性瀝青結(jié)合。再增加乳化劑用量，瀝青乳液穩(wěn)定性的變化不大時(shí)，說(shuō)明瀝青乳液中乳化劑含量已經(jīng)達(dá)到臨界膠束濃度。從圖2可以看出，陽(yáng)離子乳化劑JQT在含量為1%時(shí)才能在改性乳化瀝青中達(dá)到臨界膠束濃度。 3.2 穩(wěn)定劑用量的影響 用單一乳化劑制備瀝青乳液，其乳液顆粒有時(shí)會(huì)粗大不均，易發(fā)生絮凝或者沉降現(xiàn)象。 如果在單一乳化劑中添加穩(wěn)定劑制備瀝青乳液，則可以得到顆粒均勻而微細(xì)的乳液。穩(wěn)定劑包括無(wú)機(jī)穩(wěn)定劑和有機(jī)穩(wěn)定劑。其中穩(wěn)定效果**好的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)物質(zhì)為氯化銨和氯化鈣。有機(jī)鹽類(lèi)穩(wěn)定劑有胺類(lèi)、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉等，因此選擇適宜的穩(wěn)定劑是保證乳化瀝青穩(wěn)定的重要措施。 試驗(yàn)在乳化劑和改性劑用量為總物料的1%和6%條件下，分別考察無(wú)機(jī)穩(wěn)定劑CaCl2和有機(jī)穩(wěn)定劑聚丙烯酰胺及其復(fù)配后對(duì)改性乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響。見(jiàn)圖3。 圖3表明，無(wú)論是無(wú)機(jī)類(lèi)還是有機(jī)類(lèi)穩(wěn)定劑，改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性并不隨其用量的增加而呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，其用量存在一個(gè)**佳值。出現(xiàn)此原因，主要是因?yàn)樘砑臃€(wěn)定劑能夠增強(qiáng)乳液顆粒周?chē)碾p電層效應(yīng)，增加f電位和顆粒之間的相互排斥力，只有當(dāng)顆粒間的排斥力達(dá)到某一平衡時(shí)，顆粒間才可以穩(wěn)定共存；排斥力太大或太小，都會(huì)使得顆粒之間存在凝聚，不能起到很好的穩(wěn)定效果。由此可以看出，CaCl2#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#的**佳用量為0.2%；聚丙烯酰胺和1：1質(zhì)量比復(fù)配的CaCl2和聚丙烯酰胺的**佳用量都為0.15%。 從圖3中還可以看出，聚丙烯酰胺的穩(wěn)定效果優(yōu)于CaCl2，究其原理，是瀝青乳液中加入聚丙烯酰胺穩(wěn)定劑，可以提高水相粘度，能在分散的微粒上形成界面膜，使其微粒相互碰撞時(shí)不易聚結(jié)，減小瀝青微粒的沉降速度。界面膜由密排的定向分子組成，膜的強(qiáng)度較大，瀝青微粒聚結(jié)需要克服的阻力也大，因而瀝青乳液越能穩(wěn)定。加入CaCl2后增大水相密度，減小與瀝青相的密度差，能夠增強(qiáng)乳液顆粒周?chē)碾p電層效應(yīng)，增大f電位，增加顆粒之間的相互排斥力，減緩顆粒之間的合一凝聚速度。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于勝利90號(hào)重交通道路石油瀝青來(lái)說(shuō)，增加乳液的粘度和密度雖都可以達(dá)到穩(wěn)定的效果，但是粘度的增加對(duì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)更大。而復(fù)配的CaCl2和聚丙烯酰胺作為穩(wěn)定劑時(shí)，其一方面增加水相的粘度，另一方面增加水相的密度，在與單一穩(wěn)定劑用量相同的條件下，其可以起到雙重的穩(wěn)定效果，故可以大大改善改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定牲。因此，對(duì)于勝利90號(hào)重交通道路石油瀝青，采用無(wú)機(jī)和有機(jī)復(fù)配的穩(wěn)定劑效果**好。 3.3 乳化劑溶液的pH值的影響 對(duì)于陽(yáng)離子乳化劑，主要在酸性條件下使用。以季銨鹽型乳化劑配制乳化液時(shí)，由于其乳化劑易溶于水，不需添加酸。但如果在季銨鹽中添加有機(jī)或者無(wú)機(jī)酸調(diào)整溶液的pH值，能夠增強(qiáng)乳化劑本身的活性，在提高乳化穩(wěn)定性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性的同時(shí)，可以降低乳化劑的用量。 此試驗(yàn)采用鹽酸來(lái)調(diào)節(jié)乳化劑的pH值，在沒(méi)有添加穩(wěn)定劑的條件下考察乳液pH值對(duì)改性乳化瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性的影響。其中SBS膠乳的加入量為6%，乳化劑用量為l%。見(jiàn)表l。 表1 乳化劑水溶液pH值對(duì)改性乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響
3.4 SBS膠乳對(duì)體系微觀穩(wěn)定性的影響 由于SBS膠乳作為改性劑時(shí)，其用量只有百分之幾，考察其對(duì)改性乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響，不能從根本上反映出SBS在體系中的分散狀況，因此本試驗(yàn)采用德G萊卡公司生產(chǎn)的光學(xué)電子顯微鏡進(jìn)行分析。圖4和圖5分別為改性劑SBS膠乳用量為6%時(shí)的光學(xué)顯微鏡圖。 放大倍數(shù)分別為400和l 000倍。從圖中可以看出SBS顆粒(白色顆粒)在乳化瀝青中分散比較均勻，沒(méi)有明顯的聚集結(jié)膠現(xiàn)象。 通過(guò)透射電鏡分析，得出SBS顆粒平均粒徑為1.97 p.m，瀝青的平均粒徑為2.53 p.m。測(cè)量SBS膠乳20C的密度為0.990lg/cm-1，乳化瀝青的密度1.089g/cm-1。兩者顆粒大小、密度的相近是保證SBS在體系中均勻分散的重要因素。 此外，影響改性乳化瀝青穩(wěn)定性的因素還有制備工藝、乳化設(shè)備、瀝青特性等諸多因素。為了使改性乳化瀝青具有一定的穩(wěn)定性，.在研制生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)采取以下措施：(1)應(yīng)盡量選擇結(jié)構(gòu)與瀝青組成結(jié)構(gòu)相同或相似的乳化劑以提高其親和力，且乳化劑的用量要達(dá)到臨界膠束濃度；(2)應(yīng)設(shè)法提高連續(xù)相(水相)的粘度，以降低顆粒的沉降速率；(3)應(yīng)盡量減少分散相與連續(xù)相之間的密度差；(4)應(yīng)調(diào)整乳化劑水溶液的pH值，以保證對(duì)瀝青的完全乳化，此外也要與膠乳類(lèi)改性劑的pH值相同或接近；(5)應(yīng)盡量選用乳化后顆粒大小與瀝青顆粒大小相近的改性劑。 4 SBS膠乳改性乳化瀝青的性能分析 根據(jù)穩(wěn)定性考察得出的各影響因素的**佳用量制備改性乳化瀝青，即乳化劑JQT的用量為1%；SBS膠乳用量為6%；穩(wěn)定劑選用1 c1質(zhì)量比復(fù)配的。CaCl2#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#和聚丙烯酰胺，用量為o.15%。其中瀝青與水的比例為50：50，乳化機(jī)轉(zhuǎn)速1 000rpm，乳化時(shí)間為3rain。對(duì)其的性質(zhì)進(jìn)行分析，分別采用相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。具體數(shù)據(jù)列于下表2。 表2 改性乳化瀝青的性能指標(biāo)
5 結(jié)論 a)陽(yáng)離子乳化劑JQT在用量為1%時(shí)達(dá)到其臨界膠束濃度，即其的**佳用量為1%。 b)對(duì)于勝利90號(hào)重交通道路石油瀝青，無(wú)機(jī)類(lèi)和有機(jī)類(lèi)穩(wěn)定劑復(fù)配后可以大大提高其的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。 c)對(duì)于乳化劑JQT，加酸降低其水溶液的pH值反而對(duì)改性乳化瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性不利。 d)SBS顆粒的大小和密度與乳化后瀝青顆粒的大小和乳化瀝青的密度匹配時(shí)，可以使得SBS顆粒在乳化瀝青中分散均勻。 e)根據(jù)試驗(yàn)得出的各因素的**佳用量制備出性能優(yōu)良的改性乳化瀝青，通過(guò)SBS膠乳改性前后瀝青的三項(xiàng)指標(biāo)分析得出，SBS膠乳具有很好的改性效果，是一較好的改性劑乳液。 |
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