Быстрое и качественное производство любых эмульсий, суспензий на колоидной мельнице MK !

измельчение твердой фазы при приготовлении суспензии на машине MKO !

1. ВВЕДЕНИЕ

Битум в различной форме используется как связующий материал при строительстве дорог. При комнатной температуре битум представляет собой исключительно вязкую жидкость, непригодную для применения. Она может быть переведена в рабочее состояние тремя способами:

•  нагревом;
•  смешиванием с нефтяными растворителями (асфальтовый лак);
•  эмульгированием в воде для образования битумной эмульсии.

Первый из способов обычно используется для получения горячих смесей при выполнении работ среднего и большого объема, и в случае, когда имеется оборудование для нагрева, хранения и нанесения битума. Это, однако, менее пригодно для небольших работ или при отсутствии оборудования. Второй способ, как правило, дороже из-за весьма дорогостоящих растворителей, которые никакой функциональной нагрузки в связующем материале не несут. Кроме того, растворители загрязняют окружающую среду и они пожароопасны. Третий способ, с использованием битумной эмульсии, не требует нагрева и обладает тем преимуществом по сравнению с горячим битумом, что здесь материал может использоваться с холодным и даже влажным заполнителем асфальтового покрытия. Асфальтовый лак также может использоваться с холодным заполнителем, но в случае, если последний влажный, необходимо добавить адгезив. Большинство эмульсий обладает удовлетворительными адгезивными свойствами, и особенно катионные эмульсии.
Цель этой работы состоит в обсуждении основных теоретических положений, касающихся битумных эмульсий и их свойств, а также в описании основных применений при дорожном строительстве.

2. ТИПЫ ЭМУЛЬСИЙ

Эмульсия может быть определена как дисперсная система, в которой одна из жидкостей распределена в виде мелких капель в другой жидкости. Битумные эмульсии относятся к эмульсиям масла в воде, где битум распределен в воде, рис. 1. Интервал размера капель обычно составляет от 0,001 до 0,01 мм. Содержание битума определяется предполагаемым применением эмульсий, но обычно колеблется в пределах 30-70%.

Капли битума отделены друг от друга благодаря действию ионизированных молекул эмульгатора, которые ориентируются относительно поверхности капель, образуя электростатическое силовое поле. Стабильность эмульсии в значительной степени определяется напряженностью этого силового поля, см. рис. 3 и рис. 5. Если эмульгатор катионного типа, капли заряжены положительно (катионная эмульсия), в то время как с анионным эмульгатором заряд будет отрицательным (анионная эмульсия).
Помимо анионных и катионных эмульсий, существуют также не ионные эмульсии, которые иногда используются, когда требуются исключительно стабильные эмульсии, в первую очередь для холодных смесей, содержащих большие количества мелкозернистого заполнителя. До настоящего времени они находили ограниченное применение в дорожном строительстве, и в этой работе они больше рассматриваться не будут.
В большинстве стран существуют технические нормы как на анионные, так и на катионные эмульгаторы. Эти две категории эмульгаторов обычно разделяются на три класса в зависимости от стабильности эмульсии при вступлении в контакт с заполнителем или поверхностью дорожного покрытия, т.е. эмульсии быстрого, среднего и медленного структурирования. Эмульсия быстрого структурирования быстро расслаивается на поверхности заполнителя, оставляя пленку битума. Эмульсия медленного структурирования при перемешивании с заполнителем расслаивается очень медленно, что обеспечивает более длительное время для перемешивания и других рабочих процедур. Качество эмульсии обеспечивается специфицированием содержания битума, вязкости, стабильности при хранении и других свойств, см. раздел 5.
Анионные эмульсии были разработаны в начале этого века. Они получили распространение, но рост их применения был сравнительно медленным. В середине 40-х годов появились катионные эмульсии, а это означало существенный технический прогресс.
Использование эмульсий с тех пор непрерывно возрастало и в последние годы во многих странах произошло резкое увеличение использования эмульсий. Причина заключается в том, что эмульсия имеет ряд преимуществ по сравнению с прочими связками, и к ним следует отнести снижение расходов, универсальность при применении, снижение расходов энергии и загрязнения среды.

3. ЭМУЛЬГАТОРЫ

3.1 ОБЩЕЕ

Тщательный подбор эмульгатора играет большую роль в получении эмульсий с требуемыми свойствами. Имеется много химических соединений, которые могут быть использованы для эмульгирования битума, но по техническим и экономическим соображениям только небольшое число из них получило широкое распространение. Большая часть этих соединений может использоваться отдельно или в комбинации с одним или большим числом других соединений. Они могут быть также модифицированы различными способами для получения специальных свойств. Хороший эмульгатор должен, помимо обеспечения эмульсии соответствующих свойств, быть экономически выгодным. Кроме того, желательно, чтобы он был безопасным и простым в работе.
Эмульгатор нормально состоит из длинной углеводородной цепи, которая заканчивается анионной или катионной функциональной группой. Парафиновая часть (углеводородная цепь) иона эмульгатора ориентируется относительно поверхности битумной капли, в результате чего углеводородная цепь прочно связывается с битумом. Ионная часть при этом расположена у поверхности капли. В результате капли становятся электрически заряженными - положительный заряд для катионных и отрицательный заряд для анионных эмульсий.
На рис. 3 показаны ионы катионного эмульгатора и их расположение относительно капли битума. Для более ясного представления относительные размеры ионов увеличены прибл. в 50 000 раз.

В катионной эмульсии положительно заряженные ионы ориентируются относительно поверхности битумных капель. Отрицательно заряженные хлоридные ионы притягиваются к поверхности капель положительными зарядами и ионами образуется "электрический двойной слой" в эмульсии. Такой слой упрощенно представлен на рис. 4. Действительная картина, однако, намного более сложная. Сюда вовлечены все типы ионов и молекул в растворе. Соответствующая реакция имеет место в анионной эмульсии. Свойства двойного слоя оказывают сильное воздействие на устойчивость и вязкость эмульсии.

3.2 КАТИОННЫЕ ЭМУЛЬГАТОРЫ

Базой катионных эмульгаторов, как правило, являются нитросоединения с длинными углеводородными цепями, такие как алкиламины. Алкиламины являются поверхностно активными соединениями с сильным воздействием на поверхностное натяжение. Они экономичны и могут быть легко приобретены. Для удовлетворения почти любых требований алкиламины могут быть модифицированы рядом способов. Некоторые из наиболее распространенных соединений представлены в таблице 1.

Таблица 1. Некоторые типичные катионные соединения, обычно используемые как эмульгаторы.

* R представляет углеводородную цепь с 8-22 атомами углерода.

Функциональное действие большинству эмульгаторов обеспечивается вступлением их в реакцию с кислотой. Кислота - в большинстве случаев хлористоводородная кислота - вступает в реакцию с азотом и образует ионы аммония. В установке периодического действия это часто выполняется постепенным добавлением кислоты и эмульгатора в горячую воду при непрерывном перемешивании, рис. 8. Регулирование рН выполняется после введения и растворения всего эмульгатора добавлением дополнительного количества кислоты до получения правильного показателя рН. В установке непрерывного действия эмульгатор впрыскивается в водяную линию. Кислота добавляется тем же способом и реакция происходит до поступления воды в мельницу. Для установок такого типа, рис. 9, предпочтительно иметь жидкие и легко диспергируемые эмульгаторы. Реакция между амином и хлористоводородной кислотой представлена на рис. 5.

R-NH2 + HCl -----> R-NH3 + Cl, где R представляет углеводородную цепь с 8-22 атомами углерода.

Рис. 5. Пример химической реакции для получения соли амина.

Четвертичное соединение аммония является солью и уже в ионизированной форме. Соль растворяется в воде и не требует какой-либо реакции с кислотой. Однако, если необходимо, регулирование рН может быть выполнено с помощью хлористо-водородной кислоты.

3.3 АНИОННЫЕ ЭМУЛЬГАТОРЫ

Анионные эмульгаторы обычно базируются на жирных кислотах. Молекула жирной кислоты состоит из длинной углеводородной цепи и заканчивается карбоксильной группой. Раствор эмульгатора приготовляется взаимодействием анионного эмульгатора с гидроокисью натрия. Эта реакция называется омылением. Показатель рН анионной эмульсии выше 7 и эмульсия обычно содержит избыток гидроокиси натрия, которая вступает в реакцию с любыми "природными" кислотами содержащимися в битуме. На рис. 6 представлена типичная реакция для анионного эмульгатора.

R-COOH + NaOH ----> R-COO + Na+ + H2O, где R представляет углеводородную цепь с 9-21 атомом углерода.

Рис. 6. Типичная реакция для получения анионного мыла.

4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭМУЛЬСИЙ

4.1 ОБЩЕЕ

Установка для изготовления битумной эмульсии может быть периодического или непрерывного действия и в нее обычно входит коллоидная мельница. При осуществлении технологического процесса раствор эмульгатора и битум проходят через коллоидную мельницу, где происходит эмульгирование. Раствор эмульгатора и битум подаются в мельницу насосами. Раствор эмульгатора содержит воду, эмульгатор, кислоту и, если требуется, стабилизатор, которые тщательно перемешиваются в соотношениях, обеспечивающих однородный раствор с правильным показателем рН. Используется чистый битум или битум, смешанный с растворителем, как например, дизельное топливо. Из мельницы поступает горячая эмульсия, которая подводится к промежуточному баку, где она охлаждается до поступления в бак окончательного хранения или в барабаны.
В процессе изготовления температура эмульсии не должна достигать 100 гр. С, и рекомендуемая температура колеблется в пределах 85-95 гр. С. Для предотвращения местного перегрева перепад температур между битумом и раствором эмульгатора должен поддерживаться как можно меньшим. Однако битум должен иметь достаточно высокую температуру, чтобы он мог перекачиваться. Для 60 %-ной эмульсии считается, что сумма температур обеих фаз должна быть около 195 гр. С и при этом температура эмульсии на выходе из мельницы должна составлять прибл. 90 гр. С. С учетом указанного, оптимальные температуры приведены в таблице 2.

Таблица 2. Оптимальные температуры битума и раствора эмульгатора при изготовлении эмульсий с содержанием битума 60%.

До начала производства подбирается состав, обеспечивающий получение эмульсии в соответствии с применением и техническими характеристиками.

4.2 КОЛЛОИДНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ

Основными деталями коллоидной мельницы являются статор и ротор, с малым зазором между ними, составляющим обычно 0,2-0,6 мм, рис. 7.

Ротор вращается с высокой скоростью - от нескольких тысяч оборотов в минуту в больших мельницах и свыше 10 000 об/мин а маленьких лабораторных мельницах. Требуемая частота вращения связана с диаметром ротора, и параметром, определяющим подходящую частоту вращения, является окружная скорость ротора. Как зазор между ротором и статором, так и окружная скорость ротора влияют на распределение по размерам капель битума. Размер капли увеличивается либо за счет увеличения зазора, либо за счет снижения окружной скорости ротора.
Большинство мельниц оборудовано каким-либо простым перемешивающим устройством на входе, где битум диспергируется в форме капель. Это делается для предотвращения проникновения чистого битума в зазор. Для улучшения размола в некоторых роторах на поверхности предусмотрены канавки. Производительность коллоидных мельниц колеблется в пределах от нескольких сот килограмм в час (лабораторные мельницы) до 200 тонн в час для заводских установок.

4.3 УСТАНОВКИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

В установке периодического действия раствор эмульгатора и битум подготавливаются в нужных количествах и при нужных температурах в дозаторах. Битум обычно хранится в баке и перекачивается в дозатор. Если требуется, выполняется добавка растворителя и его перемешивание с битумом. Дозаторы заполняются до уровней, обеспечивающих правильное содержание битума в эмульсии. Температуры порций должны быть отрегулированы до начала производства. Дозатор часто имеет конструкцию, обеспечивающую считывание количества жидкости со шкалы уровнемера. В этом случае отпадает необходимость в насосах с измерительной функцией, вместо которых могут использоваться обычные насосы.
Вода и битум проходят через мельницу до тех пор, пока не произойдет опорожнение дозатора. Поскольку количества битума и воды выбираются до начала технологического процесса, содержание битума в эмульсии будет таким, каким оно задано, рис. 8.
В некоторых установках, где горячая эмульсия охлаждается и тепло используется для нагрева воды следующей порции, применяются теплообменники.
Иногда битум подается непосредственно из бака для хранения в мельницу. При этом подача воды и битума должна тщательно регулироваться. Это может быть выполнено вручную регулировкой подачи насоса в соответствии с показаниями расходомеров или с помощью каких-либо автоматических устройств.

4.4 УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

В установке непрерывного действия нет дозаторов и осуществляется непосредственная подача битума и раствора эмульгатора. Раствор эмульгатора приготовляется автоматически и в соответствии с выбранным составом впрыскиванием эмульгатора, кислоты и стабилизатора в водяной трубопровод, где до поступления воды в мельницу эмульгатор вступает в реакцию с кислотой.
Вода нагревается до соответствующей температуры с помощью нагревателя непрерывного действия. Для установки непрерывного действия требуются эмульгаторы, которые легко диспергируются в воде, что необходимо для быстрого осуществления реакции с кислотой. Зонд для измерения рН, прикрепленный к водяному трубопроводу непосредственно перед мельницей, регулирует дозирование.
Битум, а если требуется, и растворитель также непрерывно поступают в мельницу. Битум находится в баке при правильной температуре. Установка непрерывного действия может, работать до тех пор, пока имеется материал и достаточно места для складирования продукта, рис. 9.

Основными преимуществами установок непрерывного действия по сравнению с таковыми периодического действия являются:

• Быстрый переход с одного типа эмульсии на другой.
• Снижение издержек на рабсилу и эксплуатационных расходов.
• Почти полностью исключается опасность для здоровья, связанная с использованием химикалий.
• Повышенный коэффициент использования благодаря исключению дозаторов.
  

ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА

Битумные эмульсии, представляющие собой дисперсные системы, образованные из мелких капель битума в воде, обладают как преимуществами, так и недостатками дисперсионной среды - воды. Эмульсии хранятся при температуре от 10 0С до 85 0С, в зависимости от температуры, требуемой для применения. При хранении при более высоких температурах емкости должны быть изолированы. В качестве греющей среды можно использовать горячую воду или пар. Можно использовать также нефтяные горелки.
Когда требуется нанесение эмульсий быстрого и среднего структурирования в диапазоне повышенных температур, то используются более высокие температуры хранения. Однако пониженные температуры хранения часто используются, например, при хранении и транспортировке в барабанах.
Эмульсии нельзя нагревать выше температуры 85 0С и не допускается замерзание эмульсий. В противном случае материал не может быть использован по назначению. При нагреве битумных эмульсий в процессе транспортировки, а также в баках или распределителях следует предусмотреть перемешивание для предотвращения или уменьшения образования поверхностного слоя. При хранении в баках для предотвращения расслоения выполняется слабое перемешивание. При хранении в барабанах рекомендуется до начала использования эмульсий прокатить барабаны несколько раз по земле и устранить тем самым расслоение, которое могло иметь место.
Перед разбавлением битумных эмульсий следует проверить их совместимость с водой. Всегда следует добавлять воду в эмульсию, а не эмульсию в воду.
Запрещается смешивание различных типов эмульсий в баках для хранения, распределителях и т.д.

ВЫБОР ТИПА ЭМУЛЬСИИ

При выборе типа и марки битумной эмульсии прежде всего следует принимать во внимание назначение эмульсии. После выбора группы эмульсий для определенной цели следует рассмотреть прочие факторы.
При принятии решения необходимо учитывать свойства заполнителя и способность эмульсии покрывать заполнитель. Следует проверить пригодность катионной или анионной эмульсии для соответствующего заполнителя. Обычно катионные эмульсии обладают более универсальными свойствами в отношении различных заполнителей. Эмульсии среднего и медленного структурирования, будучи более стабилизированными, в меньшей степени зависят от выбора типа заполнителя, хотя при выборе анионной или катионной эмульсии действительными являются те же основные принципы.
Важными являются также и предполагаемые погодные условия при выполнении работ. Укажем здесь температуру воздуха, влажность, скорость ветра и возможность выпадения осадков. Свойство эмульсии в отношении разрушения и адгезионные характеристики зависят от испарения воды. Хотя атмосферные условия и условия на поверхности являются менее критическими для катионных эмульсий, они все же в отношении достижения оптимальных результатов в некоторой степени зависят от погодных условий.
Прочими факторами, которые необходимо принимать во внимание, являются наличие воды, географические условия, управление движением и наличие оборудования. Важную роль играет также оценка, основанная на использовании местного опыта.
При выборе эмульсии можно руководствоваться некоторыми практическими указаниями, но лабораторные испытания настоятельно рекомендуются. Для подбора наилучшей эмульсии для предполагаемой области применения необходимо выполнить оценку различных типов эмульсий.
Эмульсии быстрого структурирования характеризуются быстрым осаждением связующего вещества при вступлении в контакт с дорожным покрытием и заполнителем. Они не годятся для смешивания с заполнителем. Эмульсии с высоким содержанием связующего вещества обычно используются горячими, в то время как прочие эмульсии используются холодными. Эмульсии среднего структурирования имеют скорость разрушения, обладающую достаточной задержкой для обеспечения смешивания с крупным заполнителем или заполнителем с прерывистым гранулометрическим составом. Эти эмульсии используются как холодными, так и горячими. Эмульсии медленного структурирования имеют скорость осаждения связующего вещества, которая обеспечивает достаточную задержку для возможности осуществления смешивания с мелким заполнителем и плотным заполнителем, или для достаточного проникновения в поверхность до разрушения. Эти эмульсии обычно используются холодными. Данные, приведенные в таблице 5, можно использовать в качестве своего рода рекомендаций при выборе типа эмульсии.

Таблица 5. Рекомендации по выбору типа эмульсии.