CN106084250A - 一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂及其制备方法 - Google Patents

一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂及其制备方法与应用，其分子结构通式为：其中，R为甲基(‑CH3)、乙基(‑C2H5)或羟乙基(‑C2H4OH)；LIGNIN代表木质素分子链。是由以下质量配比的原料制备而成：木质素：水：氢氧化钠：N‑氨乙基哌嗪：丙烯酸：甲醛(37％)：低碳数叔胺：工业盐酸(30％)：环氧氯丙烷＝100：(159‑230)：(19‑27)：(42‑50)：(23‑29)：(30‑36)：(35‑82)：(42‑50)：(31‑37)。本发明的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的合成原料易得、生产成本低、工艺简单、不需要高温反应。可乳化多种不同型号的沥青，制备的乳化沥青细腻均匀，储存稳定性好，可以制备出快裂型阳离子型乳化沥青。

Description

一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂及其制备方法，属于精细化工技术领域。
背景技术
乳化沥青是沥青和水在乳化剂的作用下，形成水包油的液态沥青乳液。乳化沥青主要分为阳离子乳化沥青、阴离子乳化沥青和非离子乳化沥青。其中，阳离子乳化沥青由于具有节能环保,可以改善施工条件,与石料粘附力强，并能有效减少沥青过度老化等许多优良的应用特点,而被广泛的应用于道路建设和路面维护中。
影响乳化沥青路用性能的最关键因素就是沥青乳化剂，目前国内外阳离子型沥青乳化剂主要品种有有机胺类、季铵盐类、咪唑啉类、酰胺类等，随着阳离子乳化沥青的应用，沥青乳化剂的品种也逐渐丰富。
美国专利USP4338136以C12-18长碳链脂肪酸与二乙烯三胺在一定条件下反应制备沥青乳化剂。该方法的缺点是制备的沥青乳化剂价格昂贵，用于稀浆封层施工时，破乳时间长，成型时间慢，开放交通时间长。中国专利CN1096714利用炼油厂副产环烷酸与烯基多胺反应，制备沥青乳化剂。该方法的缺点是乳化剂的原料供应受到很大制约，不利于推广应用。中国专利CN1861721A涉及一种松香阳离子沥青乳化剂。该乳化剂是由松香和烯基多胺反应，得到松香中间体，然后，与不同类型的季铵盐中间体缩合，制得性能优良的松香阳离子沥青乳化剂。这一方法的缺点是反应步骤繁琐，需要高温反应。中国专利CN101712625A涉及一种两性慢裂快凝沥青乳化剂合成方法，采用油酸与多胺反应生成酰胺多胺，然后加入氯乙酸发生卤代反应，制得沥青乳化剂。该方法的缺点是制备时需要高温反应。中国专利CN101745340A涉及一种阳离子沥青乳化剂制备方法，主剂由混合有机酸和有机胺反应得到中间体，再进行季铵化反应制得，辅剂为非离子表面活性剂和改性助剂。该方法的缺点是制备步骤繁琐，成本较高，需要高温反应。
上述阳离子型沥青乳化剂及其制备方法普遍存在的不足是：制备乳化剂的原料成本较高，来源受到限制，制备时需要高温反应，对生产实验设备要求较高。木质素是自然界中存量仅次于纤维素的位于第二的天然生物有机化合物。研究木质素类沥青乳化剂可降低造纸中黑液带来的环境污染。以木质素作为沥青乳化剂的原料可降低沥青乳化剂的生产成本，并且合成工艺简单，原料来源广泛。因此，开发基于木质素为原料的性能优良、成本低廉的新型沥青乳化剂具有十分重要的实际应用价值。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂及其制备方法。该制备方法所需原料来源广泛，生产成本低，制备工艺简单，无需高温反应。制备得到的沥青乳化剂性能优良，可乳化多种不同型号的沥青，制备的乳化沥青细腻均匀，储存稳定性好。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂，其分子结构通式为：
其中，R为甲基(-CH3)、乙基(-C2H5)或羟乙基(-C2H4OH)；LIGNIN代表木质素分子链。
一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的制备方法，包括如下步骤：
1)将N-氨乙基哌嗪和丙烯酸混合反应，得到反应中间体I，中间体I为
2)将低碳数叔胺、工业盐酸和环氧氯丙烷混合，反应，得到反应中间体II，低碳数叔胺为三甲胺、三乙胺或三乙醇胺，中间体II为R为甲基(-CH3)、乙基(-C2H5)或羟乙基(-C2H4OH)；
3)将木质素和氢氧化钠水溶液混合反应，得到反应中间体III；
4)将反应中间体I加入到反应中间体III中，再滴加甲醛溶液，反应，得到反应中间体IV，中间体IV为
5)将反应中间体II滴加到反应中间体IV中，反应，即得到木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂；
以上步骤只要不影响制备，可互换。
优选的，所述甲醛溶液的浓度为37％，三甲胺采用浓度为33％的三甲胺水溶液，工业盐酸的浓度为30％，三乙醇胺采用浓度为85％的三乙醇胺水溶液。
优选的，采用的原料及原料配比为，木质素、水、氢氧化钠、N-氨乙基哌嗪、丙烯酸、37％的甲醛溶液、33％的三甲胺水溶液、30％的工业盐酸以及环氧氯丙烷的质量比为100：(159-230)：(19-27)：(42-50)：(23-29)：(30-36)：(63-74)：(42-50)：(31-37)。
优选的，采用的原料及原料配比为，木质素、水、氢氧化钠、N-氨乙基哌嗪、丙烯酸、37％的甲醛溶液、三乙胺、30％的工业盐酸以及环氧氯丙烷的质量比为100：(159-230)：(19-27)：(42-50)：(23-29)：(30-36)：(35-43)：(42-50)：(31-37)。
优选的，采用的原料及原料配比为，木质素、水、氢氧化钠、N-氨乙基哌嗪、丙烯酸、37％的甲醛溶液、85％的三乙醇胺水溶液、30％的工业盐酸以及环氧氯丙烷的质量比为100：(159-230)：(19-27)：(42-50)：(23-29)：(30-36)：(53-82)：(42-50)：(31-37)。
其中，所述水和所述氢氧化钠混合，氢氧化钠溶于水中得到步骤3)中的氢氧化钠水溶液。
优选的，所述的木质素为碱木质素。
优选的，步骤1)中，反应的温度为30-60℃，反应的时间为0.5-2h。
优选的，步骤2)中，反应的温度为30-70℃。
优选的，步骤4)中，反应的温度为60-80℃，优选为65-75℃，反应的时间为2-4h。
优选的，步骤5)中，反应的温度为60-80℃，优选为65-75℃，反应的时间为2-4h。
上述木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将N-氨乙基哌嗪加入到反应容器中，再分批加入丙烯酸，丙烯酸加入完毕后，在30-60℃搅拌反应0.5-2h，得到反应中间体I；
(2)在第二反应器中加入低碳数叔胺，分批加入工业盐酸，工业盐酸加入完毕后，再分批加入环氧氯丙烷，环氧氯丙烷加入完毕后，在30-70℃搅拌反应2-3h，得到反应中间体II，其中，低碳数叔胺为三甲胺、三乙胺或三乙醇胺；
(3)在第三反应器中将木质素溶解在氢氧化钠水溶液中，搅拌反应，得到反应中间体III；
(4)将反应中间体I加入到反应中间体III中，再分批加入37％的甲醛溶液，60-80℃反应2-4h，得到反应中间体IV；
(5)将反应中间体II分批加入到反应中间体IV中，60-80℃反应2-4h，即得到木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂；
只要不影响制备，以上步骤可互换。
上述木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂在制备快裂型阳离子乳化沥青中的应用。
一种快裂型阳离子乳化沥青的制备方法，包括如下步骤：沥青乳化剂的用量为制备的乳化沥青总质量的1.0-3.0％，将上述木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂加水配制成水溶液，用盐酸调节pH值至2-3，加热至60-70℃，制得皂液；将加热后的沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出快裂型阳离子乳化沥青。
所述的制备方法制备得到的快裂型阳离子乳化沥青。
本发明通过对反应原料的合理选择，制备得到了一种全新结构的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂。其中，本发明以丙烯酸作为沥青乳化剂的反应原料，在沥青乳化剂的分子结构中通过加入丙烯酸引入了羧酸基，增加了沥青乳化剂的亲水性，以及乳化剂与沥青的相容性。另外，综合考虑碳链长度对于沥青乳化剂的HLB值(亲水/亲油平衡值)和CMC(临界胶束浓度)的影响，选择以木质素、N-氨乙基哌嗪、环氧氯丙烷和低碳数叔胺作为反应的原料，使制备的沥青乳化剂的HLB值在最佳范围以内，提高了对沥青的乳化性能。
本发明的有益效果：
(1)本发明的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的原料木质素相对于目前的阳离子型沥青乳化剂所用的原料便宜、来源广泛，沥青乳化剂生产成本低。
(2)本发明的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的制备方法工艺简单、不需要高温反应。
(3)本发明制备的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂可乳化多种不同型号的沥青，制备的乳化沥青细腻均匀，储存稳定性好，适用于公路透层油或粘层油的洒布，以及用于碎石封层、石屑封层、雾封层及修复路面轻微网裂等，具有快裂型沥青乳化剂的特性。制得的乳化沥青各项性能均能满足中国交通部制订的阳离子乳化沥青标准(JTJ052-2000)。
(4)本发明的原料中通过加入丙烯酸、N-氨乙基哌嗪、低碳数叔胺和环氧氯丙烷，使得制备的沥青乳化剂分子具有环胺类阳离子型化学结构，增强了沥青乳化剂分子的电荷强度，提高了沥青乳化剂分子的亲水性。这样不仅提高了沥青乳化剂的乳化性能，而且改善了乳化沥青的使用性能。
由于本发明的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的电离作用比较强，在增加了沥青乳化剂的亲水性的同时，还可以使界面膜携带相应的较多的正电荷，出现了一层界面电荷，由此出现了界面电荷层。界面电荷层的形成通过让沥青微粒相互排斥，使它们保持一定距离，从而让沥青颗粒维持分散状态，对沥青乳液起到了分散作用。界面电荷层的出现，对于沥青的乳化、沥青在水相中的分散、保持沥青乳液的均相稳定体系具有至关重要的作用。由于本发明的乳化剂在水中可电离较多阳离子，所以界面电荷层作用较强，从而使得本发明的乳化剂乳化沥青后其体系更加稳定。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
本发明实施例中所用到的原料、试剂均为常规的化学产品，均能通过商业渠道购买得到。
实施例1：
(1)木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的制备：
1)在反应器中加入129.0g N-氨乙基哌嗪，然后滴加72.1g丙烯酸，45℃搅拌反应1h，得到反应中间体I。
2)在另一反应器中加入193.1g 33％(质量分数)三甲胺水溶液，逐渐加入131.2g30％(质量分数)工业盐酸，再逐渐加入97.1g环氧氯丙烷，45℃搅拌反应2h，得到反应中间体II。
3)在另一反应器中将283.0g木质素溶解在649.6g 10.7％(质量分数)氢氧化钠水溶液中，混合搅拌反应，得到反应中间体III。
4)将反应中间体I加入到反应中间体III中，再逐渐加入92.5g 37％(质量分数)甲醛，70℃反应3h，得到反应中间体IV；
5)将反应中间体II逐渐加入到反应中间体IV中，70℃反应3h。即得到木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂，留作乳化沥青试验。
将制备的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂经分离提纯后进行FTIR检测，结果如下：3290-3545cm-1为O-H伸缩振动和N-H伸缩振动吸收叠加峰，2961cm-1为亚甲基非对称伸缩振动吸收峰，2851cm-1为亚甲基对称伸缩振动吸收峰，1645cm-1为N-H弯曲振动和羧酸盐中C＝O伸缩振动吸收峰，1574cm-1和1464cm-1为苯环的骨架振动吸收峰，1394cm-1和1310cm-1为O-H面内弯曲振动吸收峰，1134cm-1为C-H面内弯曲振动吸收峰，1040cm-1为Ar-O-C伸缩振动吸收峰，640cm-1为O-H面外弯曲振动吸收峰。
反应方程式如下：
(2)乳化沥青的制备：
取AH-90#沥青300g，加热至125℃，将12.5g本实施例制备的沥青乳化剂加入到200g水中，用工业盐酸调节pH值至2-3，加热至65℃，制得皂液。将沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出阳离子型乳化沥青。
(3)乳化沥青性能检测：
制得的乳化沥青按中国交通部制订的阳离子乳化沥青标准(JTJ052-2000)进行检测，结果如下：本实施例制备的乳化沥青均匀、细腻，沥青含量为55％，筛上剩余量为0.04％，与矿料裹覆面积大于2/3，储存稳定性(1d)为0.9％；采用拌和料进行拌和，可拌和时间为2秒。表明该乳化剂制备的沥青乳液为快裂型阳离子乳化沥青，各项性能均能满足JTJ052-2000标准的要求。
实施例2：
(1)木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的制备：
1)在反应器中加入129.0g N-氨乙基哌嗪，然后滴加72.1g丙烯酸，45℃搅拌反应1h，得到反应中间体I。
2)在另一反应器中加入109.1g三乙胺，逐渐加入131.2g 30％(质量分数)工业盐酸，再逐渐加入97.1g环氧氯丙烷，45℃搅拌反应2h，得到反应中间体II。
3)在另一反应器中将283.0g木质素溶解在649.6g 10.7％(质量分数)氢氧化钠水溶液中，混合搅拌反应，得到反应中间体III。
4)将反应中间体I加入到反应中间体III中，再逐渐加入92.5g 37％(质量分数)甲醛，60℃反应4h，得到反应中间体IV；
5)将反应中间体II逐渐加入到反应中间体IV中，80℃反应2h。即得到木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂，留作乳化沥青试验。
将制备的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂经分离提纯后进行FTIR检测，结果如下：3260-3547cm-1为O-H伸缩振动和N-H伸缩振动吸收叠加峰，2947cm-1为亚甲基非对称伸缩振动吸收峰，2837cm-1为亚甲基对称伸缩振动吸收峰，1633cm-1为N-H弯曲振动和羧酸盐中C＝O伸缩振动吸收峰，1575cm-1和1454cm-1为苯环的骨架振动吸收峰，1394cm-1和1305cm-1为O-H面内弯曲振动吸收峰，1131cm-1为C-H面内弯曲振动吸收峰，1098cm-1为C-O伸缩振动吸收峰，1030cm-1为Ar-O-C伸缩振动吸收峰，778cm-1为C-H面外弯曲振动吸收峰，623cm-1为O-H面外弯曲振动吸收峰。
反应方程式如下：
(2)乳化沥青的制备：
取AH-70#沥青300g，加热至125℃，将12.5g本实施例制备的沥青乳化剂加入到200g水中，用工业盐酸调节pH值至2-3，加热至65℃，制得皂液。将沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出阳离子型乳化沥青。
(3)乳化沥青性能检测：
检测方法同实施例1，检测结果为：乳化沥青均匀、细腻，沥青含量为56％，筛上剩余量为0.03％，与矿料裹覆面积大于2/3，储存稳定性(1d)为0.9％；采用拌和料进行拌和，可拌和时间为2秒。表明该乳化剂制备的沥青乳液为快裂型阳离子乳化沥青，各项性能均能满足JTJ052-2000标准的要求。
实施例3
(1)木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的制备：
1)在反应器中加入129.0g N-氨乙基哌嗪，然后滴加72.1g丙烯酸，45℃搅拌反应1h，得到反应中间体I。
2)在另一反应器中加入189.6g 85％(质量分数)三乙醇胺水溶液，逐渐加入131.2g 30％(质量分数)工业盐酸，再逐渐加入97.1g环氧氯丙烷，45℃搅拌反应2h，得到反应中间体II。
3)在另一反应器中将283.0g木质素溶解在649.6g 10.7％(质量分数)氢氧化钠水溶液中，混合搅拌反应，得到反应中间体III。
4)将反应中间体I加入到反应中间体III中，再逐渐加入92.5g 37％(质量分数)甲醛，80℃反应2h，得到反应中间体IV；
5)将反应中间体II逐渐加入到反应中间体IV中，60℃反应4h。即得到木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂，留作乳化沥青试验。
将制备的木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂经分离提纯后进行FTIR检测，结果如下：3230-3490cm-1为O-H伸缩振动和N-H伸缩振动吸收叠加峰，2932cm-1为亚甲基非对称伸缩振动吸收峰，2831cm-1为亚甲基对称伸缩振动吸收峰，1649cm-1为N-H弯曲振动和羧酸盐中C＝O伸缩振动吸收峰，1584cm-1和1464cm-1为苯环的骨架振动吸收峰，1392cm-1为O-H面内弯曲振动吸收峰，1124cm-1为C-H面内弯曲振动吸收峰，1067cm-1为C-O伸缩振动吸收峰，1028cm-1为Ar-O-C伸缩振动吸收峰，920cm-1和891cm-1为苯环上孤立的氢面外弯曲振动吸收峰，613cm-1为O-H面外弯曲振动吸收峰。
反应方程式如下：
(2)乳化沥青的制备：
取A-100#沥青300g，加热至125℃，将12.5g本实施例制备的沥青乳化剂加入到200g水中，用工业盐酸调节pH值至2-3，加热至65℃，制得皂液。将沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出阳离子型乳化沥青。
(3)乳化沥青性能检测：
检测方法同实施例1，检测结果为：乳化沥青均匀、细腻，沥青含量为59％，筛上剩余量为0.01％，与矿料裹覆面积大于2/3，储存稳定性(1d)为0.6％；采用拌和料进行拌和，可拌和时间为3秒。表明该乳化剂制备的沥青乳液为快裂型阳离子乳化沥青，各项性能均能满足JTJ052-2000标准的要求。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂，其特征在于，其分子结构通式为：
其中，R为甲基(-CH3)、乙基(-C2H5)或羟乙基(-C2H4OH)；LIGNIN代表木质素分子链。
2.一种木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将N-氨乙基哌嗪和丙烯酸混合反应，得到反应中间体I，中间体I为
2)将低碳数叔胺、工业盐酸和环氧氯丙烷混合，反应，得到反应中间体II，低碳数叔胺为三甲胺、三乙胺或三乙醇胺，中间体II为R为甲基(-CH3),乙基(-C2H5)或羟乙基(-C2H4OH)；
3)将木质素和氢氧化钠水溶液混合反应，得到反应中间体III；
4)将反应中间体I加入到反应中间体III中，再滴加甲醛溶液，反应，得到反应中间体IV，中间体IV为
5)将反应中间体II滴加到反应中间体IV中，反应，即得到木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂；
以上步骤只要不影响制备，可互换。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：采用的原料及原料配比为，木质素、水、氢氧化钠、N-氨乙基哌嗪、丙烯酸、37％的甲醛溶液、33％的三甲胺水溶液、30％的工业盐酸以及环氧氯丙烷的质量比为100：(159-230)：(19-27)：(42-50)：(23-29)：(30-36)：(63-74)：(42-50)：(31-37)。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：采用的原料及原料配比为，木质素、水、氢氧化钠、N-氨乙基哌嗪、丙烯酸、37％的甲醛溶液、三乙胺、30％的工业盐酸以及环氧氯丙烷的质量比为100：(159-230)：(19-27)：(42-50)：(23-29)：(30-36)：(35-43)：(42-50)：(31-37)。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：采用的原料及原料配比为，木质素、水、氢氧化钠、N-氨乙基哌嗪、丙烯酸、37％的甲醛溶液、85％的三乙醇胺水溶液、30％的工业盐酸以及环氧氯丙烷的质量比为100：(159-230)：(19-27)：(42-50)：(23-29)：(30-36)：(53-82)：(42-50)：(31-37)。
6.根据权利要求2-5所述的制备方法，其特征在于：所述的木质素为碱木质素。
7.权利要求2-6任一所述木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
(1)将N-氨乙基哌嗪加入到反应容器中，再分批加入丙烯酸，丙烯酸加入完毕后，在30-60℃搅拌反应0.5-2h，得到反应中间体I；
(2)在第二反应器中加入低碳数叔胺，分批加入工业盐酸，工业盐酸加入完毕后，再分批加入环氧氯丙烷，环氧氯丙烷加入完毕后，30-70℃搅拌反应2-3h，得到反应中间体II，其中，低碳数叔胺为三甲胺、三乙胺或三乙醇胺；
(3)在第三反应器中将木质素溶解在氢氧化钠水溶液中，搅拌反应，得到反应中间体III；
(4)将反应中间体I加入到反应中间体III中，再分批加入37％的甲醛溶液，60-80℃反应2-4h，得到反应中间体IV；
(5)将反应中间体II分批加入到反应中间体IV中，60-80℃反应2-4h，即得到木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂；
只要不影响制备，以上步骤可互换。
8.权利要求1所述木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂在制备快裂型阳离子乳化沥青中的应用。
9.一种快裂型阳离子乳化沥青的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：权利要求1所述的沥青乳化剂的用量为制备的乳化沥青总质量的1.0-3.0％，将上述木质素环胺类阳离子型沥青乳化剂加水配制成水溶液，用盐酸调节pH值至2-3，加热至60-70℃，制得皂液；将加热后的沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出快裂型阳离子乳化沥青。
10.权利要求9所述的制备方法制备得到的快裂型阳离子乳化沥青。
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