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乳化劑、皂液pH值、締合型增稠劑T對(duì)乳化瀝青油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響

來(lái)源:中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) 瀏覽 296 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-17

采用旋轉(zhuǎn)滴界面張力法和殘留物含量差值法考察陰離子乳化劑、助劑和皂液pH值等對(duì)皂液-瀝青甲苯模擬油界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:乳化劑、助劑和皂液pH值等對(duì)油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響規(guī)律是一致的,兩者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性;隨著乳化劑和羧甲基纖維鈉用量的增加,油水界面張力降低,貯存穩(wěn)定性變好;隨著皂液pH值的升高,界面張力和貯存穩(wěn)定性分別呈現(xiàn)出變小和變好的趨勢(shì),在pH=11時(shí),界面張力值最小,貯存穩(wěn)定性最好;隨著締合型增稠劑T用量的增加,油水界面張力先增加后減小,貯存穩(wěn)定性先變差后變好,兩者最后都趨于穩(wěn)定;乳化劑和助劑對(duì)油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響的由大到小順序?yàn)槿榛瘎㏒D-2、締合型增稠劑T、羧甲基纖維素鈉。


水泥乳化瀝青砂漿(CA砂漿)由水泥、瀝青乳液、砂和多種外加劑組成,是經(jīng)水泥與瀝青共同作用膠結(jié)硬化而成的一種新型有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料。乳化瀝青是CA砂漿的關(guān)鍵組成材料,乳液的穩(wěn)定性是影響CA砂漿用乳化瀝青性能的關(guān)鍵因素。筆者針對(duì)CA砂漿用陰離子乳化瀝青的特點(diǎn),考察乳化劑、助劑和皂液pH值等對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響。


1試驗(yàn)


1.1試驗(yàn)原材料與設(shè)備


基質(zhì)瀝青選用中石油的昆侖AH-70瀝青;乳化劑為烷基芳基磺酸鹽類慢裂快凝型高鐵CA砂漿專用陰離子乳化劑SD-2,助劑選用20℃黏度為0.800~1.2 Pa·s的羧甲基纖維素鈉(CMC)和聚氨酯類締合型增稠劑T;pH調(diào)節(jié)劑選用化學(xué)純的鹽酸和氫氧化鈉;生產(chǎn)乳化瀝青的設(shè)備(膠體磨)為美國(guó)DALWORTH道維施型試驗(yàn)室改性瀝青/乳化瀝青組產(chǎn)設(shè)備;界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性分別采用Kibron公司生產(chǎn)的dIFT型全量程界面張力儀和上海昌吉生產(chǎn)的SYD-0655型乳化瀝青貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)定。


1.2試驗(yàn)方法


1.2.1乳化瀝青的制備


按照一定配比配制皂液,調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)膒H值并加熱到一定的溫度,然后將皂液和加熱熔融的瀝青一起經(jīng)過(guò)膠體磨,即可制得乳化瀝青。


1.2.2界面張力的測(cè)試


配置瀝青甲苯模擬油,改變?cè)硪旱呐浔群蚿H值等,用TX-500型全量程界面張力儀在50℃恒溫條件下用旋轉(zhuǎn)滴法測(cè)定皂液與瀝青甲苯模擬油的界面張力。


1.2.3乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的測(cè)試


將乳化瀝青注入250 mL的乳化瀝青貯存穩(wěn)定性試驗(yàn)儀中,在25℃下貯存5 d,分別從上部和下部取樣測(cè)其蒸發(fā)殘留物含量。以上部和下部所得蒸發(fā)殘留物含量的差值表示乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性,差值越小穩(wěn)定性越好,否則越差。


2油水界面張力和穩(wěn)定性的影響因素


2.1乳化劑


瀝青分散到水中要克服較大的界面張力,瀝青分散成小的顆粒時(shí)其表面積顯著增加,產(chǎn)生的瀝青乳液具有較高的能量狀態(tài),也不穩(wěn)定,因此在生產(chǎn)乳化瀝青時(shí)必須加入乳化劑來(lái)降低油水界面張力。選用高鐵專用陰離子乳化劑SD-2,配置不同乳化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的皂液,測(cè)定皂液與瀝青甲苯模擬油的界面張力,并分別制備乳化瀝青測(cè)定其貯存穩(wěn)定性,考察乳化劑用量對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。


由圖1可以看出:乳化劑用量對(duì)體系的界面張力和乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性影響明顯;體系界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性隨著乳化劑用量的變化趨勢(shì)相同,兩者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性,說(shuō)明體系的油水界面張力是影響乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的主要原因之一。


當(dāng)乳化劑的用量較少時(shí),乳化劑不能使油水界面張力充分降低,瀝青和水幾乎是直接接觸的,乳化效果不好,所以穩(wěn)定性差。隨著乳化劑用量的增加,油水界面張力開(kāi)始趨于穩(wěn)定,此時(shí)瀝青乳液逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài),乳化劑分子的親水和親油基團(tuán)分別和水、瀝青結(jié)合。再增加乳化劑的用量,瀝青乳液穩(wěn)定性的變化不大,說(shuō)明瀝青乳液中乳化劑的含量已經(jīng)達(dá)到臨界值。從圖1可以看出乳化劑SD-2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)才能在乳化瀝青中達(dá)到臨界值。

圖1乳化劑用量對(duì)界面張力和貯存穩(wěn)定性界面張力的影響


2.2皂液pH值


陰離子乳化劑SD-2為烷基芳基磺酸鹽型表面活性劑,活性組分為芳基磺酸根離子,pH值影響陰離子基團(tuán)的電離程度,進(jìn)而影響乳化劑的乳化效果。選用濃鹽酸和NaOH調(diào)節(jié)質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.0%SD-E皂液體系的pH值,測(cè)定不同pH值的皂液體系與瀝青甲苯模擬油的界面張力和使用不同pH值的皂液制備的乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性,結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2皂液pH值對(duì)界面張力和貯存穩(wěn)定性界面張力的影響


由圖2看出:pH值對(duì)油水界面張力和乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性均有較大的影響,二者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性,即隨著皂液pH值的增加油水界面張力減小,乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性變好,并在pH=11處出現(xiàn)極值點(diǎn)。這說(shuō)明皂液pH值對(duì)乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響是通過(guò)其對(duì)界面張力的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)pH值較低時(shí),皂液中的H+濃度較大,抑制了烷基芳基磺酸鹽的電離,界面上吸附的活性基團(tuán)較少,使得界面張力較大。隨著pH值的增加,皂液中OH-濃度增加,促進(jìn)了烷基芳基磺酸鹽的電離,在pH=11時(shí),界面上吸附的負(fù)電基團(tuán)達(dá)到飽和,界面張力減小到極小值,同時(shí)OH-與瀝青中的酸性物質(zhì)(HB)生成有機(jī)皂,有機(jī)皂與乳化劑中的烷基芳基磺酸基發(fā)生協(xié)同效應(yīng),使得界面張力值下降,乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性變好。


總體來(lái)說(shuō),從皂液酸堿度來(lái)看,堿性條件更利于乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性,與模擬油試驗(yàn)結(jié)果一致。


2.3締合型增稠劑


研究表明,在乳化瀝青中加入締合型增稠劑T,能夠使得使用這種乳化瀝青制備的CA砂漿具有良好的施工和易性,能夠有效降低CA砂漿的分離度,避免CA砂漿泌水、分層等不利病害的發(fā)生。締合型增稠劑T是制備高性能CA砂漿用乳化瀝青不可或缺的一種助劑。


在乳化劑SD-2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、pH值為11時(shí),考察締合型增稠劑T用量對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3締合型增稠劑T對(duì)油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響


由圖3看出:隨著締合型增稠劑T用量的增加,油水界面張力先增加后減小,乳化瀝青貯存穩(wěn)定性先變差后變好,兩者的變化趨勢(shì)一致,并且均在締合型增稠劑T質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)出現(xiàn)極值點(diǎn),此時(shí)油水界面張力最大,乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性最差。


締合型增稠劑T的作用機(jī)制主要得益于其特殊的“親油—親水—親油”形式的三嵌段聚合物結(jié)構(gòu),鏈端為親油基團(tuán)(通常為脂肪烴基),中間為水溶性的親水鏈段(通常為較高分子量的聚乙二醇)。這種特殊的結(jié)構(gòu)使得親油基在不同的瀝青顆粒表面發(fā)生吸附,這就與乳化劑中的活性成分產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附。在一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi),隨著增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,增稠劑分子在瀝青微粒表面的吸附量逐漸增多,乳化劑活性成分在瀝青微粒表面的吸附量減少,使得界面張力值增大,在締合型增稠劑T質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)達(dá)到極大值。當(dāng)增稠劑用量逐漸增大時(shí),親油基會(huì)締合成膠束,使得增稠劑分子在瀝青微粒表面的吸附量逐漸減少,乳化劑分子重新吸附在瀝青微粒表面,界面張力值降低。當(dāng)增稠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定值時(shí),親油基之間的締合作用和在瀝青顆粒表面的吸附作用達(dá)到平衡,界面張力也趨于穩(wěn)定。


2.4羧甲基纖維素鈉


羧甲基纖維素鈉(CMC)是一種性能優(yōu)良的增稠劑,可以將其添加到CA砂漿用陰離子乳化瀝青中作為穩(wěn)定劑與締合型增稠劑T復(fù)配使用。


在乳化劑SD-2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%、締合型增稠劑T質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、pH值為11時(shí),考察羧甲基纖維素鈉對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響,結(jié)果如圖4所示。

圖4羧甲基纖維素鈉對(duì)油水界面張力和貯存穩(wěn)定性的影響


由圖4看出:隨著羧甲基纖維素鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,界面張力值逐漸減小,乳化瀝青穩(wěn)定性逐漸變好,兩者呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。


從分子結(jié)構(gòu)上來(lái)看,羧甲基纖維鈉也屬于表面活性劑的范疇,具有一定的乳化能力。因此,羧甲基纖維素鈉與乳化劑SD-2具有較好的協(xié)同效應(yīng),在較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)就能夠顯著降低界面張力值,改善乳液的貯存穩(wěn)定性。


2.5正交試驗(yàn)


乳化劑SD-2,締合型增稠劑T和羧甲基纖維鈉等是CA砂漿陰離子乳化瀝青中最關(guān)鍵的3種組分,對(duì)乳化瀝青的性能起著決定性的影響。為了比較對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響,采用L9(34)正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),因素水平見(jiàn)表1。

表1正交試驗(yàn)因素與水平


根據(jù)正交試驗(yàn)表,配制不同配合比的皂液,調(diào)節(jié)pH值為11,制備乳化瀝青測(cè)定其貯存穩(wěn)定性,并測(cè)定不同配合比的皂液與瀝青甲苯模擬油的界面張力,結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析和極差分析,結(jié)果見(jiàn)表3。

表2正交試驗(yàn)結(jié)果

表3正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析和極差分析


由正交試驗(yàn)分析結(jié)果可知,乳化劑SD-2、締合型增稠劑T和羧甲基纖維素鈉等對(duì)油水界面張力和乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性的影響規(guī)律一致,兩者仍然能夠呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。由極差分析可知,影響界面張力和貯存穩(wěn)定性的因素由大到小順序?yàn)槿榛瘎㏒D-2、締合型增稠劑T、羧甲基纖維素鈉。


結(jié)論


(1)油水界面張力和乳化瀝青的貯存穩(wěn)定性呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性,油水界面張力是影響乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的主要原因之一。


(2)隨著乳化劑和羧甲基纖維鈉用量的增加,油水界面張力降低,貯存穩(wěn)定性變好;隨著皂液pH值的升高,界面張力和貯存穩(wěn)定性分別呈現(xiàn)出變小和變好的趨勢(shì),在pH=11時(shí),界面張力值最小,貯存穩(wěn)定性最好;隨著締合型增稠劑T用量的增加,油水界面張力先增加后減小,貯存穩(wěn)定性先變差后變好,兩者最后都趨于穩(wěn)定。


(3)乳化劑、締合型增稠劑T和羧甲基纖維素鈉對(duì)油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的影響由大到小順序?yàn)槿榛瘎?、締合型增稠劑T、羧甲基纖維素納,乳化劑是影響油水界面張力和乳化瀝青貯存穩(wěn)定性的最主要的因素。