CN113652236B - 一种泥岩分散剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种泥岩分散剂及其制备方法，属于土壤调节材料或土壤稳定材料技术领域。所述泥岩分散剂由以下原料按质量百分比组成：润湿剂3～5％，扩散剂I 2～6％，扩散剂II 5～10％，表面活性剂5～8％，增稠剂0.3～0.6％，稳泡剂0.5％，余量为水。本发明提供的泥岩分散剂具有高润湿性和高分散性，可以快速分解聚集的粘土，有效预防盾构机刀盘和土仓结饼和团塞，保证盾构机出土顺畅。

Description

一种泥岩分散剂及其制备方法

技术领域

本发明属于土壤调节材料或土壤稳定材料技术领域，具体涉及一种泥岩分散剂及其制备方法。

背景技术

盾构施工已成为隧道施工中最常用的施工方法，在盾构施工中需要对土壤进行改良，常用的土壤改良剂包括膨润土、泡沫剂、高分子聚合物等，但是这些土壤改良剂仅适用于常规地层。当盾构机掘进到泥岩等粘土地层，盾构机刀盘旋转切削粘土，在高温高压下，粘土容易固结在刀盘上，造成盾构机推进打滑，掘进扭矩增大，损坏盾构机。同时粘土进入土仓后，会被进一步挤压成饼状形成泥饼，造成盾构机出土困难。因此，目前急需提供一种针对粘土地层的土壤改良剂。

中国专利CN112342028B中公开了一种盾构分散剂及其制备方法和应用，该盾构分散剂由如下质量百分比的原料制备而成：螯合剂1 2％～8％、螯合剂21％～5％、螯合剂31.5％～8％、阴离子表面活性剂0.2％～8％、两性表面活性剂1％～4％、陶瓷分散剂5％～8％、渗透剂1％～3％、水55％～80％；所述螯合剂1为柠檬酸钠；所述螯合剂2为乙二胺四乙酸；所述螯合剂3为三聚磷酸钠和焦磷酸钠的混合物；所述阴离子表面活性剂选自十二烷基硫酸钠、α-烯烃磺酸钠和十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸钠中的至少一种；所述两性表面活性剂为椰油酰胺丙基甜菜碱。该专利申请中制备的分散剂起主要作用的为螯合剂，通过不同种类螯合剂的复配，来达到分散粘土的目的。但是由与螯合剂本身的特性，其耐酸碱pH和耐高温性能较差，例如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠，其在高温下会发生水解，同时其螯合能力受pH值影响较大，一般只能在碱性条件下使用。柠檬酸和葡糖糖酸在酸性条件下羟基与羟基不会离解成氧负离子，导致螯合能力很弱，因此其分散性对环境具有较高的要求，不适宜在酸性条件下使用。

专利申请CN107603629A中公开了一种环保型盾构泡沫剂及其制备方法，该盾构泡沫剂由以下质量百分含量的原料制成：起泡剂5～18％、稳泡剂4～10％、增黏剂2～8％、分散剂2～6％、保鲜剂0.2～2％、稳定剂0.2～2％、助泡剂0.2～2％、余量为水。该申请中公开了盾构泡沫剂质量稳定，不受存放温度和存放时间影响，具有较长的保质期；然而在该申请的说明书中并未记载不同存储条件下存放盾构泡沫剂的性能测试数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泥岩分散剂，具有高润湿性、高分散性的效果，可以快速瓦解泥饼，保护盾构机不受损害。为了达到这一目的，本发明采用如下技术方案：

一种泥岩分散剂，由以下原料按质量百分比组成：润湿剂3～5％，扩散剂I2～6％，扩散剂II 5～10％，表面活性剂5～8％，增稠剂0.3～0.6％，稳泡剂0.5％，余量为水；所述润湿剂为环氧乙烷环氧丙烷嵌段共聚物、4,8-二丁基萘磺酸钠、顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸盐中的至少一种；所述扩散剂I为蓖麻油酸丁酯硫酸钠、蓖麻油磷酸酯盐、蓖麻酸丁酯硫酸三乙醇胺盐中的至少一种；所述扩散剂II为脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷、分散剂IW中的至少一种。

优选的，所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和直链烷基苯磺酸钠按质量比(1～3):1组成的混合物。

进一步优选的，所述泥岩分散剂由以下原料按质量百分比组成：环氧乙烷环氧丙烷嵌段共聚物3.7％，蓖麻油酸丁酯硫酸钠2.8％，脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷6.4％，分散剂IW 2.2％，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠4.8％，直链烷基苯磺酸钠2.4％，增稠剂0.5％，稳泡剂0.5％，余量为水。

进一步优选的，所述泥岩分散剂由以下原料按质量百分比组成：4,8-二丁基萘磺酸钠3.0％，蓖麻油磷酸酯盐4.8％，脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷7.2％，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠3.2％，直链烷基苯磺酸钠3.2％，增稠剂0.5％，稳泡剂0.5％，余量为水。

进一步优选的，所述泥岩分散剂由以下原料按质量百分比组成：4,8-二丁基萘磺酸钠3.2％，顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸盐1.1％，蓖麻油酸丁酯硫酸钠3.4％，脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷4.1％，分散剂IW 4.2％，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠4.3％，直链烷基苯磺酸钠3.7％，增稠剂0.6％，稳泡剂0.5％，余量为水。

优选的，所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、甲基纤维素中的至少一种；所述稳泡剂为硅树脂聚醚乳液。

本发明还提供了上述任一项所述的泥岩分散剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、备料，按照各原料的质量百分比进行备料；

S2、将所述润湿剂、扩散剂I、扩散剂II、表面活性剂和水加入到搅拌釜中，搅拌使各原料分散；

S3、向步骤S2得到的分散液中加入所述增稠剂和稳泡剂，搅拌均匀，即得所述泥岩分散剂。

优选的，步骤S2中以800rpm的转速搅拌60min；步骤S3中以500rpm的转速搅拌40min。

本发明提供的泥岩分散剂，其配方中含有特定比例的润湿剂、扩散剂I、扩散剂II、表面活性剂、增稠剂、稳泡剂和水。其中润湿剂具有优良的润湿、渗透作用，其具有固定的亲水亲油基团，当与粘土表面接触时，亲油基附着于粘土表面，亲水基向外伸向液体中，从而使粘土-水体系界面的表面张力降低，起到分解粘土的作用。扩散剂I和扩散剂II均具有较强的渗透和分散作用，扩散剂I主要为阴离子型分散剂，其带有负电荷，可通过范德华力吸附于粘土颗粒表面，从而使粘土颗粒因带有同种电荷而产生相互排斥，使粘土颗粒间的粘接性降低。扩散剂II主要为非离子型分散剂，其也可以通过范德华力吸附于粘土颗粒上。当扩散剂I使粘土颗粒均带有负电荷时，扩散剂II通过产生空间位阻效应和渗透水化力，使已吸附负电荷的粘土颗粒在互相接近时又滑动错开，从而进一步使粘土间的粘接强度下降，使粘土颗粒均匀分散在液相中而不再聚集，最终达到预防泥饼产生的目的。

本发明还通过优选扩散剂的种类，将不同种类扩散剂进行复配，从而进一步提高泥岩分散剂整体的渗透性和分散能力，同时还能提高其地质适应性。表面活性剂主要起到辅助作用，本发明选用两款阴离子表面活性剂，按照特定比例进行复配，可以产生大量的泡沫。当润湿剂和扩散剂将粘土块分解成粘土颗粒时，因为盾构机刀盘和土仓处于高温高压的环境下，为了防止粘土颗粒可能出现再度聚集的情况，表面活性剂产生的大量泡沫对粘土颗粒进行润滑，提高粘土的和易性，从而进一步阻止泥饼的产生。增稠剂主要是提高泥岩分散剂的粘度，从而提高泡沫的液膜强度，提高稳泡性能。稳泡剂的作用是进一步提高泡沫的稳泡性能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的泥岩分散剂，具有高润湿性和高分散性，通过改变微观颗粒电荷状态，将土壤颗粒分散在溶液中。可有效防止刀盘泥饼的形成和土仓内渣土的结块，避免盾构机刀盘、压力仓结饼和团塞，使出土更为顺畅。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。本领域技术人员依据以下实施方式所作的任何等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在以下实施例和对比例中，所使用的原料采购来源见表1：

表1：实施例和对比例中原料采购来源

在以下实施例中，环氧乙烷环氧丙烷嵌段共聚物的分子量范围一般选择2000～2900；顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸盐主要为钾盐、钠盐，一般选择顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸钠；蓖麻油磷酸酯盐主要为钾盐、钠盐，一般选择蓖麻油磷酸酯钠盐；脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷一般选择脂肪醇聚氧乙烯(30)醚甲基硅烷；脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠分子式为RO(CH₂CH₂O)n-SO₃Na(n＝2或3，R为12～15烷基)，一般选择n＝2，R为12的烷基；直链烷基苯磺酸钠一般选择十二烷基苯磺酸钠等常见表面活性剂。

在以下实施例中，所提供的泥岩分散剂按照以下步骤制备：

S1、备料，按照各个实施例和对比例所需的原料的质量百分比进行备料；

S2、将润湿剂、扩散剂I、扩散剂II、表面活性剂和水加入到搅拌釜中，控制搅拌转速为800r/min，搅拌60min，进行高速分散；

S3、向步骤S2得到的分散液中加入增稠剂和稳泡剂，控制搅拌转速为500r/min，搅拌40min，即得所述泥岩分散剂。

实施例1～7

本发明优选的实施例制备的泥岩分散剂的组成见下表2。

表2实施例1～7制备的泥岩分散剂的组成

对比例1

本对比例按照实施例1的方法制备泥岩分散剂，与实施例1的不同之处在于，不添加润湿剂环氧乙烷环氧丙烷嵌段共聚物。

对比例2

本对比例按照实施例1的方法制备泥岩分散剂，与实施例1的不同之处在于，不添加扩散剂I蓖麻油酸丁酯硫酸钠。

对比例3

本对比例按照实施例1的方法制备泥岩分散剂，与实施例1的不同之处在于，不添加扩散剂II。

对比例4

本对比例按照实施例1的方法制备泥岩分散剂，与实施例1的不同之处在于，不添加脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷。

对比例5

本对比例按照实施例1的方法制备泥岩分散剂，与实施例1的不同之处在于，不添加分散剂IW。

对比例6

本对比例按照实施例1的方法制备泥岩分散剂，与实施例1的不同之处在于，不添加表面活性剂。

对比例7

本对比例按照实施例1的方法制备泥岩分散剂，与实施例1的不同之处在于，不添加脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠；即表面活性剂只含有直链烷基苯磺酸钠。

对比例8

本对比例按照实施例1的方法制备泥岩分散剂，与实施例1的不同之处在于，不添加直链烷基苯磺酸钠；即表面活性剂只含有脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠。

性能测试

对实施例1～7和对比例1～8制备的泥岩分散剂分别进行性能测试，按照GB/T15357-2014《表面活性剂和洗涤剂旋转黏度计测定液体产品的黏度和流动性质》中的方法测定粘度，按照一般测定液体外观的目视法测定泥岩分散剂的外观，按照企业内部制定的检测方法测定发泡率、稳泡半衰期、水溶性、pH值和分散性，测试结果见表3。

企业内部检测方法如下：

一、发泡率和稳泡半衰期

1.仪器

小型发泡机(LC-5)1台、量筒1个、塑料桶1个、温度计1个、电子台秤1台

2.操作方法

(1)25℃下，用电子天平称量干净的1000mL量筒质量并记录，然后用塑料桶称取90g泥岩分散剂溶解在2910g水中，搅拌均匀后测量并记录溶液温度；

(2)接通电源，将小型发泡机吸水管置于步骤(1)配制的溶液中，开启水泵排出管内空气后，开启空压机，将打出的泡沫用塑料桶接住，待桶装满泡沫时，关闭小型发泡机；

(3)开启秒表计时，1min内迅速将800～1000mL泡沫转移至称量量筒中，1min时读取并记录初始泡沫体积，称量量筒加泡沫的总质量；

(4)当量筒内的泡沫消泡后变成液体时应及时倒出，同时记录量筒内泡沫质量消至初始泡沫质量1/2时所经历的时间T。

按下式计算：

其中：FER——发泡倍数或发泡率，倍；

M₀——量筒质量，g；

M₁——量筒加泡沫总质量，g；

ρ——泡沫剂溶液密度，g/cm³；

V——初始泡沫体积，mL。

二、水溶性

操作方法：

(1)在透明玻璃杯中将待检泥岩分散剂用任意比例的水稀释；

(2)轻摇玻璃杯让待检溶液充分稀释并静止至无气泡；

(3)观察稀释液是否有分层或浑浊。

三、pH值

泥岩分散剂的pH值按照GB/T 6368-2008《表面活性剂水溶液pH值的测定电位法》中的方法进行测定。

四、分散性

操作方法：

(1)25℃下，称取100g粘土块放入烧杯中，记录初始时间T1；

(2)往烧杯内加入500g泥岩分散剂，至液体完全没过粘土块，无需搅拌，静置观察；

(3)待粘土块完全分解后，记录最终时间T2；

(4)T2-T1即可用来表征泥岩分散剂的分散性。

表3泥岩分散剂性能测试结果

从表3中实施例1～7的检测结果可知，本发明实施例提供的泥岩分散剂综合性能优异，在25℃下，粘度保持在68～77mPa·s之间，使得泡沫具有较好的液膜强度，从而保证泡沫的稳泡半衰期。整体的pH值保持在7.1～7.4之间，具有微弱的碱性，从而对盾构机设备不具有腐蚀性，发泡率在21～26倍之间，稳泡半衰期在20～25min之间，由此可以说明，本发明制得的泥岩分散剂具有良好的发泡能力和泡沫稳定性。当润湿剂和扩散剂将粘土块分解成粘土颗粒时，产生的泡沫对粘土颗粒进一步的润滑，提高粘土的和易性，从而进一步阻止泥饼的产生。在25℃下，本发明制得的泥岩分散剂，其分散性保持在20min以内，其中实施例1的分散性可以达到16min，分散性能非常优异。

与实施例1相比，未添加润湿剂的对比例1的分散时间较实施例1明显延长；未添加扩散剂I的对比例2的分散时间进一步延长，达到43min，分散性能变差；未添加扩散剂II的对比例3的分散时间达到65min，分散时间延长了49min，分散性能更差。对比例6未添加表面活性剂，其发泡率只有5倍，基本不发泡，稳泡半衰期仅有3min，分散时间为26min，较实施例1相比，分散性能稍有下降。对比例7和对比例8相对于实施例1分别只添加一种表面活性剂，可以看出，发泡率和半衰期较实施例1相比，稍有下降，分散性也稍有下降，但是较对比例6完全不加表面活性剂相比，各项性能均有提高。

由对比例1～5和实施例1相比可知，单独使用本发明限定的润湿剂、扩散剂I和扩散剂II制得的泥岩分散剂，其分散性能均出现不同程度的下降；其中扩散剂II对整体的分散性能影响较大。由对比例6和实施例1相比可知，表面活性剂在整个分散体系中，起到的是辅助作用，是进一步分散的作用。由对比例7～8与实施例1相比可知，只添加一种表面活性剂制得的泥岩分散剂，其分散性能比两种表面活性剂复配制得的泥岩分散剂稍差。由对比例7～8和对比例6相比可知，只添加一种表面活性剂制得的泥岩分散剂，其分散性能比不添加表面活性剂制得的泥岩分散剂稍好，由此可证明，两种表面活性剂复配，可以起到互相增强作用。由此可知，按照本发明的配比制得的泥岩分散剂具有水溶性好，发泡率高，分散性能好的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。对于任何熟悉本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。任何依据本发明申请保护范围及说明书内容所作的简单的等效变化和修饰，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种泥岩分散剂，其特征在于，由以下原料按质量百分比组成：润湿剂3～5％，扩散剂I 2～6％，扩散剂II 5～10％，表面活性剂5～8％，增稠剂0.3～0.6％，稳泡剂0.5％，余量为水；所述润湿剂为环氧乙烷环氧丙烷嵌段共聚物、4,8-二丁基萘磺酸钠、顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸盐中的至少一种；所述扩散剂I为蓖麻油酸丁酯硫酸钠、蓖麻油磷酸酯盐、蓖麻酸丁酯硫酸三乙醇胺盐中的至少一种；所述扩散剂II为脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷、分散剂IW中的至少一种；所述表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和直链烷基苯磺酸钠按质量比(1～3):1组成的混合物；所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、甲基纤维素中的至少一种；所述稳泡剂为硅树脂聚醚乳液。

2.根据权利要求1所述的泥岩分散剂，其特征在于，由以下原料按质量百分比组成：环氧乙烷环氧丙烷嵌段共聚物3.7％，蓖麻油酸丁酯硫酸钠2.8％，脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷6.4％，分散剂IW 2.2％，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠4.8％，直链烷基苯磺酸钠2.4％，增稠剂0.5％，稳泡剂0.5％，余量为水。

3.根据权利要求1所述的泥岩分散剂，其特征在于，由以下原料按质量百分比组成：4,8-二丁基萘磺酸钠3.0％，蓖麻油磷酸酯盐4.8％，脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷7.2％，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠3.2％，直链烷基苯磺酸钠3.2％，增稠剂0.5％，稳泡剂0.5％，余量为水。

4.根据权利要求1所述的泥岩分散剂，其特征在于，由以下原料按质量百分比组成：4,8-二丁基萘磺酸钠1.6％，顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸盐2.4％，蓖麻油酸丁酯硫酸钠3.5％，蓖麻油磷酸酯盐2.5％，脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷5.7％，分散剂IW4.3％，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠5.1％，直链烷基苯磺酸钠1.7％，增稠剂0.5％，稳泡剂0.5％，余量为水。

5.根据权利要求1所述的泥岩分散剂，其特征在于，由以下原料按质量百分比组成：4,8-二丁基萘磺酸钠3.2％，顺丁烯二酸二仲辛酯磺酸盐1.1％，蓖麻油酸丁酯硫酸钠3.4％，脂肪醇聚氧乙烯醚甲基硅烷4.1％，分散剂IW 4.2％，脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠4.3％，直链烷基苯磺酸钠3.7％，增稠剂0.6％，稳泡剂0.5％，余量为水。

6.权利要求1～5任一项所述的泥岩分散剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、备料，按照各原料的质量百分比进行备料；

S2、将所述润湿剂、扩散剂I、扩散剂II、表面活性剂和水加入到搅拌釜中，搅拌使各原料分散；

S3、向步骤S2得到的分散液中加入所述增稠剂和稳泡剂，搅拌均匀，即得所述泥岩分散剂。

7.根据权利要求6所述的泥岩分散剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中以800rpm的转速搅拌60min；步骤S3中以500rpm的转速搅拌40min。