Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Водобитумные эмульсии. Учебное пособие
.pdf
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 ста-
бильны и не должны зависеть от различного качества сырья;
– эмульсия и продукты на ее основе должны быть удобоукла-
дываемыми 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 поразному 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 [1].
5.2 Монодисперсные эмульсии
В зависимости от дисперсности эмульсии могут быть поли–
или монодисперсными.
Обычные дорожные эмульсии полидисперсны, но монодисперсные эмульсии представляют более особый интерес. Эти эмульсии
позволяют получить материал с повышенными оптическими свойствами и цветной материал с минимальным количеством пигмента [4, 5].
91
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
позволит 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, которые позволят получать 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 [5].
92
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 поверхностно–активного вещества, 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 поверхностно–активного вещества, 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 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 отвер-
93
стиями, 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 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 [5].
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 200÷2000 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. 5.2) [5].
В этой статье авторы описывают получение монодисперсных
эмульсий на основе дорожных битумов и полимербитумов, которые в
настоящее время исследуются.
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.
94
Рис. 5.2. Получение эмульсии
а – полидисперсной (обычной) в коллоидной мельнице;
б – монодисперсной из полидисперсной эмульсии
5.3. «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 и в других областях промышленности [7].
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 поверхностно–
активное вещество 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.
В работе [7] наибольшую трудность вызвал поиск способа
предотвращения распада эмульсии, который происходил при высуши-
95
вании из-за несовместимости полимера, позволяющего высушивать и
затем вновь растворять эмульсию с поверхностно–активным веществом, 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 поверхностно–активному веществу 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 –
возможность смешивания двух или нескольких «сухих» эмульсий, в
обычном своем состоянии не совместимых друг с другом, что позволяет легко комбинировать различные материалы на основе эмульсий.
Принцип получения «сухой» эмульсии заключается в следующем: полимер добавляется к классической прямой эмульсии; затем эта
эмульсия, содержащая все необходимые добавки и поверхностно–
активное вещество, 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
(полимера, поверхностно–активного вещества и др.), умение пользоваться известными методами – эмульгированием и высушиванием,
хорошие знания физико-химии, синтеза полимеров и в области разра-
96
ботки технологий, которые необходимы для успешного комбинирования компонентов и применения технологических приемов.
Список литературы
1. Lauby, A. La texture en cosmetologie. De la formulation au pro-
cede d’application // RGRA. – 2002. – № 809. – Р. 37–42, 54
2. Lauby, A. Emulsions: les evolutions en marche // RGRA. –
2002. – № 809. – Р. 24–25.
3. Dalmazzone, Ch. Caracterisation de la stabilite des emulsions
opaques et concentrees dans l’industrie petroliere // RGRA. – 2002. – №
809. – Р. 44–49.
4. 3-й Международный конгресс по эмульсиям. – Лион, 2002. –
Сентябрь
5. Poirier, J.-E. Des gouttes sur mesure: la haute countwe de
l’emulsion // RGRA. – 2002. – № 809. – Р. 34–36.
6. Воюцкий, С.С. Курс коллоидной химии. – М.: Изд-во «Хи-
мия», 1975. – 512 с.
7. Lauby, A. L’emulsion seche: l’exemple type dune combinaison
formulation et procede // RGRA. – 2002. – № 809. – Р. 30–32.
97
ГЛАВА 6
Ц
и
р
к
у
л
я
ц
и
я
э
м
у
л
ь
с
и
и
МЕТОДИКА ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОБИТУМНЫХ
ЭМУЛЬСИЙ. ЛАБОРАТОРНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ
ВОДОБИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ И БИТУМНЫХ ВЯЖУЩИХ,
ВЫДЕЛЕННЫХ ПОСЛЕ РАСПАДА ЭМУЛЬСИИ
6.1. Методика приготовления водобитумных эмульсий
В лабораторных условиях водобитумные эмульсии получали
на лабораторной битумно-эмульсионной машине ЛЭМ–1 производства «Дорос», г. Ярославль (рис. 6.1).
Напорный бак
Электродвигатель
Диспергатор
Рис. 6.1. Схема устройства диспергатора ЛЭМ–1
Битумную эмульсию готовят по следующей методике: предварительно вода и эмульгатор смешиваются до полного растворения последнего при комнатной температуре; затем в полученную подобным
образом дисперсную систему вводят заданное количество соляной
98
кислоты для нейтрализации эмульгатора. Приготовленная таким образом водная система, называемая далее водной фазой, разогретая до
70÷75°С, вводится в коллоидную мельницу с регулируемым числом
оборотов. Затем разогретый до 120÷125°С битум постепенно тонкой
струей подается в коллоидную мельницу для смешения с водной фазой при 5 000÷6 000 оборотов в минуту. При добавлении заданного
количества битумной фазы продолжают диспергирование при 8 000
оборотах в минуту в течение 60÷90 секунд для получения однородной
массы.
Принято считать, что критерием готовности эмульсии служит
её цвет и дисперсность, а это означает, что готовая эмульсия после
окунания в нее стеклянной палочки должна иметь коричневый оттенок и мелкозернистую структуру и легко смываться струёй воды.
Водная фаза представляет из себя смесь воды жесткостью не
более 6 мг/л, соляной кислоты и поверхностно–активного вещества.
Если по рецепту требуется введение в битум растворителей
или модификаторов, то они добавляются в процессе нагрева.
Лабораторный контроль, согласно существующего технического стандарта [16], проводится через сутки после изготовления
эмульсии по следующим показателям:
– индекс распада;
– класс эмульсии;
– вязкость;
– однородность;
– устойчивость при хранении;
– сцепляемость пленки вяжущего с минеральными материа-
лами;
– содержание битума с эмульгатором.
Эксплуатационные показатели битума, выделенного из эмульсии, определяют в соответствии с ГОСТ 22245–90 «Битумы нефтяные
дорожные вязкие». К ним в первую очередь относятся:
– температура размягчения по «кольцу и шару»;
– растяжимость (дуктильность);
– глубина проникания иглы (пенетрация);
– температура хрупкости по Фраасу.
99
6.2. Анализ свойств водобитумных эмульсий
Индекс распада (ИР). Скорость распада катионных эмульсий
определяют при смешении их с кварцевым песком, имеющим удельную поверхность 1000 см2 / г.
Метод оценки сводится к следующему. Чистую сухую керамическую чашку диаметром 75÷100 мм вместе со стеклянной палочкой
взвешивают и, не снимая с весов, наливают 100 г эмульсии с точностью до 0,01 г. Взвешивают массу чашки с палочкой и эмульсией.
Снимают чашку с весов и при непрерывном перемешивании стеклянной палочкой высыпают кварцевый порошок (небольшими порциями,
6 г в минуту) до начала распада эмульсии, устанавливаемого визуально по превращению смеси эмульсии с порошком в не размешиваемый
комок и отделению воды. Чашку со смесью и палочной взвешивают и
рассчитывают количество израсходованного порошка по формуле:
где g
ИР = g
– масса чашки с палочкой и эмульсией, г;
l
g
– масса чашки с палочкой, со смесью эмульсии и кварцево-
2
, г/100 г, (6.1)
2–gl
го порошка, г.
Величина ИР принимается за показатель скорости распада катионной эмульсии.
Класс эмульсии. Важной эксплутационной характеристикой
битумных эмульсий является их способность с установленной скоростью достаточно полно выделять битум в виде пленки после их распределения на поверхности. По скорости распада эмульсии при взаимодействии с каменным материалом, принято выделять три класса
эмульсий: быстро-, средне-, и медленнораспадающиеся. При этом необходимая скорость распада определяется целевым назначением
эмульсии, то есть областью ее применения.
Действующий отечественный стандарт по смешиваемости битумных эмульсий с минеральными материалами подразделяет на три
класса; соответственно – ЭБК–1, ЭБК–2, ЭБК–3.
В табл. 6.1 приведены требования указанного стандарта к каждому классу эмульсий в части их смешиваемости с минеральными материалами разного зернового состава.
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]