CN103980718A - 一种非离子表面活性剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非离子表面活性剂及其制备方法与应用。该非离子表面活性剂的制备方法包括下述步骤：脂肪酸Ⅰ与聚醚胺Ⅱ发生酰胺化反应，所述的脂肪酸Ⅰ与所述的聚醚胺Ⅱ的摩尔比为（1:1）-（1:2），R为C₇-C₁₇烷基和/或C₇-C₁₇烯烃基，聚醚胺Ⅱ的分子量M满足230≤M<2000。本发明的非离子表面活性剂作为沥青温拌剂的拌合温度低，降低沥青制备过程的能量消耗，提高沥青的抗水损能力。

Description

一种非离子表面活性剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及表面活性剂领域，尤其涉及一种非离子表面活性剂及其制备方法与应用。

背景技术

表面活性剂主要包括四大类别，分别是阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂和两性表面活性剂。近年来，寻找合适的表面活性剂用于降低沥青与石料拌合和压实的温度，是沥青研究领域的热点。适宜的表面活性剂及其组合可以降低沥青和石料拌合与压实的温度，从而降低沥青制备过程中的能源消耗、气体排放和改善施工环境。

近年来，随着环境问题和全球变暖的日渐严重，如何节约能源、同时降低二氧化碳的排放成了化学领域研究的一个重要方面。近年，随着城镇化建设的扩大，沥青的铺路过程成了其中的重要一项，而此过程中能源的消耗和二氧化碳排放较大，降低沥青生产及路面铺展压实过程中的温度可以有效的降低能源的消耗、降低二氧化碳的排放、改善工人的施工环境。沥青温拌技术是相对于沥青的热拌技术而言的。沥青的热拌技术是指沥青在160℃下加热融化，石料在180-200℃加热条件下脱水干燥，沥青和石料拌合和压实的温度不低于140℃。温拌沥青技术是指在低于热拌沥青技术30-50℃温度下将沥青和石料拌合和压实。到目前为止，温拌沥青技术的总类很多，其中主要有WMA-Foam（沥青温拌发泡技术）、LEA（low energy asphalt）、Astec的绿色双滚筒、合成沸石、Evotherm（益路）、Rediset WMX、REVIX和Sasobit蜡等技术。

上述的沥青温拌技术根据工作机理，可以分为三大类：沥青发泡技术；胶结料降粘型技术和基于表面活性剂平台的Evotherm技术。所有这些技术都是通过在给定的温度条件下降低温拌沥青混合物的粘度或增大沥青粘合剂的体积来完成的。这些技术使石料在低于热拌沥青的温度条件下能充分拌合和压实。

胶结料降粘型即向沥青中加入流变学改性剂，如向沥青中加入Sasobit蜡，即长碳链的聚乙烯蜡来降低沥青的粘度，但是在沥青的长期使用后，它的刚度增强了，即沥青的柔性降低了。因此，沥青的低温性能受到了损坏，所以容易引起沥青混合物在低温下的断裂，尤其是在冬天。沥青发泡技术的工作原理是是向沥青中导入水，使沥青发泡，从而使沥青表面形成水膜，形成的水膜可以起到润滑的作用，从而使沥青在石料表面充分裹附，降低沥青混合料的操作温度。但是该技术涉及拌合设备的大型改造，所以其应用有很大程度的局限性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于为了克服现有的沥青温拌技术对沥青低温性能的影响及对拌合设备的大规模改造等方面的缺陷，提供了一种非离子表面活性剂及其制备方法和作为沥青温拌剂的应用。本发明的非离子表面活性剂作为沥青温拌剂可以降低拌合和压实的温度，降低沥青的粘度、增加沥青的流动性，降低沥青制备过程的能量消耗，提高沥青的抗水损能力。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

本发明提供了一种非离子表面活性剂，其结构式如下：

其中，R为C₇-C₁₇烷基和/或C₇-C₁₇烯烃基，所述的结构的分子量为230~2000。

本发明还提供了一种非离子表面活性剂的制备方法，其包括下述步骤：

脂肪酸Ⅰ与聚醚胺Ⅱ发生酰胺化反应，所述的脂肪酸Ⅰ与所述的聚醚胺Ⅱ的摩尔比为（1:1）-（1:2），R为C₇-C₁₇烷基和/或C₇-C₁₇烯烃基，聚醚胺Ⅱ的分子量M满足230≤M<2000。

其中，本发明一较佳实施例中，所述的R为C₁₃烷基和/或C₁₃烯烃基且M=230；或，R为C₁₅烷基和/或C₁₅烯烃基且M=400。

其中，所述的酰胺化反应较佳地在二甲苯中进行，优选实现二甲苯吸附脱水工艺。

其中，所述的酰胺化反应的温度较佳地为120℃-180℃，更佳地为120℃-160℃，最佳地为140℃-160℃。

其中，所述的酰胺化反应的时间一般以检测反应体系胺值不变为止，较佳地为6-48小时，更佳地为10-24小时，最佳地为10-18小时。

其中，所述的脂肪酸Ⅰ与所述的聚醚胺Ⅱ的摩尔比较佳地为（1:1）-（1:1.5），更佳地为（1:1）-（1:1.3）。

其中，所述的酰胺化反应结束后还可以进一步包含下列后处理步骤：减压蒸馏除去水和甲苯即可。

本发明还提供了一种由上述制备方法制得的非离子表面活性剂。

本发明还提供了由上述制备方法制得的非离子表面活性剂作为沥青温拌剂的应用。所述的非离子表面活性剂的用量占沥青的质量分数较佳地为3‰-7‰。所述的非离子表面活性剂的用量占沥青的质量分数更佳地为5‰-7‰。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的积极进步效果在于：本发明的非离子表面活性剂作为沥青温拌剂的拌合温度低，降低沥青制备过程的能量消耗，提高沥青的抗水损能力。

附图说明

图1为实施例2中化合物18a红外谱图。

图2为实施例4中化合物18b红外谱图。

图3为实施例6中化合物18c红外谱图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1

称取十四酸（0.05mol）与分子量为230的聚醚胺（0.06mol）于烧瓶中，加入二甲苯做溶剂。在140-160℃条件下反应10-18小时，通过滴定伯胺值来监测反应。反应过程中用分水器除去反应过程中的水，反应结束后，减压蒸馏除去水和二甲苯，得到化合物14A，改变饱和脂肪酸中碳原子的个数（碳原子个数依次为8、10、12、16、18），分别得到化合物8A，10A，12A，16A，18A。

实施例2

称取油酸（0.05mol）与分子量为230的聚醚胺（0.06mol）于烧瓶中，加入二甲苯做溶剂。在140-160℃条件下反应10-18小时，通过滴定伯胺值来监测反应。反应过程中用分水器除去反应过程中的水，反应结束后，减压蒸馏除去水和二甲苯，得到化合物18a。

通过红外谱图进一步确认，18a的红外谱图如图1所示。图1中波数3282cm^-1为18a中末端胺基（-NH₂）和碳碳双建上的碳氢（-C=C-H）伸缩振动吸收峰，波数2925cm^-1为甲基的C-H伸缩振动吸收峰，波数2854cm^-1为亚甲基的C-H伸缩振动吸收峰，波数1646cm^-1为酰胺上的羰基伸缩吸收峰，波数1559cm^-1为碳碳双建的伸缩吸收峰，波数1456cm^-1为甲基的C-H面内弯曲振动吸收峰，波数1375cm^-1为亚甲基的C-H的面内弯曲伸缩振动吸收峰，波数1109cm^-1为醚链中C-O伸缩振动吸收峰。而油酸中羰基的吸收峰在1700cm^-1以上，由上面的数据可知，产物中油酸已基本反应完。改变长碳链不饱和脂肪酸中碳原子的个数（碳原子个数依次为8、10、12、14、16），分别得到化合物8a，10a，12a，14a，16a。

实施例3

称取十四酸（0.05mol）与分子量为400的聚醚胺（0.06mol）于烧瓶中，加入二甲苯做溶剂。在140-160℃条件下反应10-18小时，通过滴定伯胺值来监测反应。反应过程中用分水器除去反应过程中的水，反应结束后，减压蒸馏除去水和二甲苯，得到化合物14B。改变饱和脂肪酸中碳原子的个数（碳原子个数依次为8、10、12、16、18），分别得到化合物8B，10B，12B，16B，18B。

实施例4

称取油酸（0.05mol）与分子量为400的聚醚胺（0.06mol）于烧瓶中，加入二甲苯做溶剂。在140-160℃条件下反应10-18小时，通过滴定伯胺值来监测反应。反应过程中用分水器除去反应过程中的水，反应结束后，减压蒸馏除去水和二甲苯，得到化合物18b。

通过红外进一步确认，18b的红外谱图如图2所示。图2中波数3293cm^-1为18b中末端胺基（-NH₂）和碳碳双建上的碳氢（-C=C-H）伸缩振动吸收峰，波数2926cm^-1为甲基的C-H伸缩振动吸收峰，波数2855cm^-1为亚甲基的C-H伸缩振动吸收峰，波数1645cm^-1为酰胺上的羰基伸缩吸收峰，波数1557cm^-1为碳碳双键的伸缩吸收峰，波数1456cm^-1为甲基的C-H面内弯曲振动吸收峰，波数1374cm^-1为亚甲基的C-H的面内弯曲伸缩振动吸收峰，波数1108cm^-1为醚链中C-O伸缩振动吸收峰。而油酸中羰基的吸收峰在1700cm^-1以上，由上面的数据可知，产物中油酸已基本反应完。改变长碳链不饱和脂肪酸中碳原子的个数（碳原子个数依次为8、10、12、14、16），分别得到化合物8b，10b，12b，14b，16b。

实施例5

称取十四酸（0.05mol）与分子量为2000的聚醚胺（0.06mol）于烧瓶中，加入二甲苯做溶剂。在140-160℃条件下反应10-18小时，通过滴定伯胺值来监测反应。反应过程中用分水器除去反应过程中的水，反应结束后，减压蒸馏除去为除去的水和二甲苯，得到化合物14C。改变饱和脂肪酸中碳原子的个数（碳原子个数依次为8、10、12、16、18），分别得到化合物8C，10C，12C，16C，18C。

实施例6

称取油酸（0.05mol）与分子量为2000的聚醚胺（0.06mol）于烧瓶中，加入二甲苯做溶剂。在140-160℃条件下反应10-18小时，通过滴定伯胺值来监测反应。反应过程中用分水器除去反应过程中的水，反应结束后，减压蒸馏除去为除去的水和二甲苯，得到化合物18c。

通过红外进一步确认，18c的红外谱图如图3所示。图3中波数3286cm^-1为18c中末端胺基（-NH₂）和碳碳双建上的碳氢（-C=C-H）伸缩振动吸收峰，波数2925cm^-1为甲基的C-H伸缩振动吸收峰，波数2855cm^-1为亚甲基的C-H伸缩振动吸收峰，波数1647cm^-1为酰胺上的羰基伸缩吸收峰，波数1548cm^-1为碳碳双建的伸缩吸收峰，波数1452cm^-1为甲基的C-H面内弯曲振动吸收峰，波数1365cm^-1为亚甲基的C-H的面内弯曲伸缩振动吸收峰，波数1104cm^-1为醚链中C-O伸缩振动吸收峰。而油酸中羰基的吸收峰在1700cm^-1以上，由上面的数据可知，产物中油酸已基本反应完。改变长碳链不饱和脂肪酸中碳原子的个数（碳原子个数依次为8、10、12、14、16），分别得到化合物8c，10c，12c，14c，16c。

实施例7

将镇海基质70#沥青（购于中国石化集团）加热至140℃，再向其中加入沥青质量7‰的化合物14A，在加热条件下机械搅拌混合均匀，将得到的混合物测试其软化点、延度、抗水损能力、60℃下动态粘度、135℃下的动态粘度。再将占沥青质量7‰的化合物8A，10A，12A，16A，18A分别与沥青混合，测试软化点、延度、抗水损能力、60℃下动态粘度、135℃下的动态粘度等性能。

不同碳原子个数的A系列化合物与沥青混合后，沥青混合物的软化点、延度等数据如下：

由上述数据可知碳原子个数为14时，软化点最低，且60℃和135℃温度下的动态粘度较低，即该物质可以在相同温度下，可以将沥青的粘度降低到最低，从而降低沥青与石料拌合与压实的温度。

实施例8

将镇海基质70#沥青（购于中国石化集团）加热至140℃，再向其中加入沥青质量7‰的化合物14B，在加热条件下机械搅拌混合均匀，将得到的混合物测试其软化点、延度、抗水损能力、60℃下动态粘度、135℃下的动态粘度。再将占沥青质量7‰的化合物8B，10B，12B，16B分别与沥青混合，测试软化点、延度、抗水损能力、60℃下动态粘度、135℃下的动态粘度等性能。

不同碳原子个数的B系列化合物与沥青混合后，沥青混合物的软化点、延度等数据如下：

由上述数据可知碳原子个数为16时，软化点最低，且60℃和135℃温度下的动态粘度最低，即该物质可以在相同温度下，可以将沥青的粘度降低到最低，从而降低沥青与石料拌合与压实的温度。

实施例9

将镇海基质70#沥青（购于中国石化集团）加热至140℃，再向其中加入沥青质量7‰的化合物14C，在加热条件下机械搅拌混合均匀，将得到的混合物测试其软化点、延度、抗水损能力、60℃下动态粘度、135℃下的动态粘度。再将占沥青质量7‰的化合物8C，10C，12C，16C，18C分别与镇海基质70#沥青混合均匀，得到的混合物测试软化点、延度、抗水损能力、60℃下动态粘度、135℃下的动态粘度。

不同碳原子个数的C系列化合物与沥青混合后，沥青混合物的软化点、延度等数据如下：

由上述数据可知该系列化合物与沥青混合后，沥青的抗水损能力下降，即沥青与石料的混合物在有水条件下，沥青容易从石料表面剥落。由于聚醚胺分子量越大时，分子中的醚链就越长，而醚链具有亲水的作用，所以分子量为2000的聚醚胺与脂肪酸反应后的化合物对沥青的抗水损能力影响较大，不适宜单独作为沥青温拌剂使用。

实施例10

在A系列化合物中，14A的效果最好，所以以14A为样，将不同添加量（占沥青的质量分数）的14A加到镇海基质70#沥青中，在加热条件下机械搅拌混合均匀，将得到的混合物测试其软化点、延度、抗水损能力、60℃下动态粘度、135℃下的动态粘度。测试结果如下：

由上述数据可知，当沥青温拌剂14A的添加量为5‰时，60℃温度下的动态粘度最低，添加量为7‰时，135℃温度下的动态粘度最低，软化点较低，但是添加量较少时，可以降低铺路过程的成本。

实施例11

在B系列化合物中，16B的效果最好，所以以16B为样，不同添加量（占沥青的质量分数）的16B加到镇海基质70#沥青中，在加热条件下机械搅拌混合均匀，将得到的混合物测试其软化点、延度、抗水损能力、60℃下动态粘度、135℃下的动态粘度。测试结果如下：

由上述数据可知，当沥青温拌剂16B的添加量为7‰时，软化点、60℃温度下的动态粘度和135℃温度下的动态粘度都最低。各方面综合考虑，添加量7‰时，效果最佳。

Claims (10)

1.一种非离子表面活性剂，其特征在于，其结构式如下：

其中，R为C₇-C₁₇烷基和/或C₇-C₁₇烯烃基，所述的结构的分子量为230~2000。

2.一种非离子表面活性剂的制备方法，其特征在于，其包括下述步骤：

脂肪酸Ⅰ与聚醚胺Ⅱ发生酰胺化反应，所述的脂肪酸Ⅰ与所述的聚醚胺Ⅱ的摩尔比为（1:1）-（1:2），R为C₇-C₁₇烷基和/或C₇-C₁₇烯烃基，聚醚胺Ⅱ的分子量M满足230≤M<2000。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的R为C₁₃烷基和/或C₁₃烯烃基且M=230；或，R为C₁₅烷基和/或C₁₅烯烃基且M=400。

4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的酰胺化反应的溶剂为二甲苯，酰胺化反应采用二甲苯吸附脱水工艺；所述的酰胺化反应的时间以检测反应体系胺值不变为止。

5.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述的酰胺化反应的温度为120℃-180℃；所述的酰胺化反应的时间为6-48小时；所述的脂肪酸Ⅰ与所述的聚醚胺Ⅱ的摩尔比为（1:1）-（1:1.5）。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述的酰胺化反应的温度为120℃-160℃；所述的酰胺化反应的时间为10-24小时；所述的脂肪酸Ⅰ与所述的聚醚胺Ⅱ的摩尔比为（1:1）-（1:1.3）。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的酰胺化反应的温度为140℃-160℃；所述的酰胺化反应的时间为10-18小时。

8.一种由如权利要求2~7中任一项所述的制备方法制得的非离子表面活性剂。

9.由如权利要求2~7中任一项所述的制备方法制得的非离子表面活性剂作为沥青温拌剂的应用。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的非离子表面活性剂的用量占沥青的质量分数为3‰-7‰，较佳地为5‰-7‰。