DK174542B1 - HIPR-emulsion af bitumen vand og fremgangsmåde til fremstilling af samme - Google Patents

Description

DK 174542 B1

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af emulsioner af bitumen i vand og nærmere beskrevet fremstillingen af emulsioner af bitumen i vand med et stort indhold af den indre fase (HIPR, high internal phase ratio).

5

Bitumen er et meget viskøst materiale, som anvendes til vejbygning og til andre formål. På grund af dets store viskositet, er det vanskeligt at anvende det i koldt eller i ubehandlet tilstand. En metode til nedsættelse af viskositeten er at opvarme materialet og anvende det varmt. En anden er tilsætning af 10 et let petroliumsdestilat som fortynder. Dette vil fortynde bitumenen og gøre dets anvendelse ved lavere temperatur mulig. Destillatet vil imidlertid efterfølgende gå tabt ved fordampning og eventuelt give anledning til miljøproblemer. En tredje, som er den, den foreliggende opfindelsen angår, er dannelse af en emulsion af bitumen i vand. Emulsioner har lavere viskositeter 15 end udgangsbitumenen og kan anvendes ved lavere temperaturer til sprøjtnings- og blandingsformål.

Imidlertid er dispergeringen af bitumen i et medium med meget lavere viskositet såsom vand en ugunstig metode af hydrodynamiske grunde. Dette pro-20 biem kompliceres yderligere ved visse anvendelser af ønsket om benyttelse af emulsioner indeholdende relativt store voluminer af bitumenfasen, uden at det går ud over emulsionens fluiditei. 1 tilfældet med et system indeholdende dispergerede kugler af samme stør-25 relse er det maksimale indre fasevolumen, der optages af en hexagonalt tætpakket konfiguration, ca. 74%. Imidlertid er emulsioner i praksis sjældent monodisperse, og det er derfor muligt at øge pakningens tæthed ganske lidt ud over de 74%, uden at det medfører væsentlige dråbedistorsioner. Forsøg på yderligere at øge det indre fasevolumen over dette andet niveau, resulte-30 rer i større dråbedeformation, og på grund af det herved frembragte større område mellem dråberne opstår der ustabilitet; dette kulminerer i enten faseinversion eller brydning af emulsionen. Under exceptionelle omstændigheder 2 DK 174542 B1 er det muligt at frembringe dispersioner indeholdende så meget som 98% dispergeret fasevolumen uden inversion eller brydning.

Emulgerede systemer indeholdende mere end 70% indre fase er kendt som 5 HIPR-emulsioner. HIPR-emulsioner fremstilles normalt ved dispergering af stigende mængder af den dispergerede fase i den kontinuerte fase indtil det indre fasevolumen overstiger 70%. Ved meget store indre fasevoluminer, f.eks. over 80%, kan systemerne tydeligvis ikke indeholde diskrete sfæriske dispergerede fasedråber; de vil snarere bestå af meget deformerede dråber 10 adskilt af tynde film af vand.

En nyttig oversigt over udviklingsstadet for HIPR-emulsionsteknologi findes i canadisk patent nr. 1.132.908.

15 Der er nu opfundet en forbedret fremgangsmåde til fremstilling af HIPR-bitumenemulsioner, ved hvilken emulsionerne fremstilles direkte ud fra et udgangsmateriale, som til at begynde med indeholder et stor volumen bitumen i forhold til vand, ved anvendelse af blanding med ringe energi i modsætning til dispergering med stor energi.

20

Ifølge den foreliggende opfindelse er der således tilvejebragt en fremgangsmåde til fremstilling af en HIPR-emulsion af bitumen i vand, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at 70 til 98 vægtprocent bitumen blandes direkte med 30 til 2 vægtprocent af en vandig opløsning af en emul-25 gerende surfaktant, hvilke procenter er udtrykt som vægtprocenter af den totale blanding, hvorhos bitumenen har en viskositet, der ligger i området fra 200 til 500.000 mPa s ved blandingstemperaturen, og blandingen udføres under små forskydningsforhold i området 10 til 1000 reciprok-sekunder på en sådan måde, at der dannes en emulsion indeholdende deformerede bitu-30 mendråber med gennemsnitlig dråbediameter på fra 2 til 50 mikrometer adskilt af tynde film af vand.

3 DK 174542 B1

Fortrinsvis udgør bitumen 80-95% vægtprocent, og fortrinsvis har bitumen en viskositet på mellem 1000 og 250.000 mPa s ved blandingstemperaturen. Fortrinsvis blandes bitumenen med 20 til 5 vægtprocent af en vandig opløsning af en emulgerende surfaktant, hvilke procenter angiver vægtprocenter af 5 den totale blanding, hvorhos blandingen udføres under forhold med ringe mekanisk forskydning på fortrinsvis 50 til 250 reciprok-sekunder på en sådan måde. at der dannes en emulsion indeholdende deformerede bitumendråber med gennemsnitsdråbediametre på 2 til 50 mikrometer adskilt af tynde film af vand.

10

Til tilvejebringelse af bitumen med passende egenskaber, vil det sædvanligvis være nødvendigt at opvarme den til en temperatur, som ikke overstiger 100°C.

i 15 Ikke desto mindre er denne temperatur betydeligt lavere end den. som bitumenen almindeligvis opvarmes til ved fremstillingen af konventionelle bitu-menemulsioner. Gængse metoder til fremstilling af bitumenemulsioner med en kationisk surfaktant omfatter emulgering ved en temperatur i området 120° til 140°C under forhold med stærk mekanisk forskydning (for eksempel 20 i en koloidmølle) til opnåelse af den nødvendige dråbestørrelse. Mekanisk dispergering ved kraftig forskydning kan føre til dannelsen af polydisperse emulsioner med nogle partikler af relativ stor størrelse eller til multiple emulsioner, der begge er uønskede karakteristika.

25 Hårde bitumener, som ikke kunne emulgeres ved konventionelle metoder, er egnede til emulgering ved den foreliggende fremgangsmåde. Sådanne bitumener har hidtil kun vanskeligt kunne behandles på grund af de usædvanligt høje temperaturer der kræves til nedbringelse af viskositeten af bitumenen til et niveau, ved hvilket det kunne bearbejdes.

30

Bitumenen og vandet kan blandes ved anvendelse af udstyr, som er kendt for at være anvendelig til blanding af viskøse væsker, se HF Irving og RL Saxton, Mixing Theory and Practice (Eds. VW Uhl og JB Gray), bind 1, kapi- 4 DK 174542 B1 tel 8, Academic Press, 1966. Udover ovennævnte udstyr kan der også anvendes statiske blandeapparater.

Surfaktanten bruges passende i mængder på 0,1 til 5 vægtprocent baseret 5 på totalvægten af emulsionen.

Passende $urfaktanter omfatter anioniske surfaktanter, blandinger af anioniske og ikke-ioniske surfaktanter, kationiske surfaktanter (som foretrækkes) og blandinger af kationiske og ikke-ioniske surfaktanter.

10

Ikke-ioniske surfaktanter omfatter ethoxylerede alkylphenoler, ethoxylerede alkoholer og ethoxylerede sorbitanestere.

Kationiske surfaktanter omfatter hydrochloriderne af fede diaminer, imidazo-15 liner, ethoxylerede aminer, amido-aminer og kvaternære ammoniumforbindelser.

Anioniske surfaktanter omfatter langkædede carboxyl- og sulphonsyrer.

20 Med fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse er det muligt at fremstille HIPR-emulsioner med højere indhold af bitumen end de hidtil kendte.

Der tilvejebringes således ifølge et yderligere aspekt ved den foreliggende 25 opfindelse en HIPR-emulsion af bitumen i vand indeholdende 80 til 98 vægtprocent, fortrinsvis 85 til 95 vægtprocent bitumen, hvilken emulsion indeholder deformerede bitumendråber med en gennemsnitlig partikeldiameter i området fra 2 til 50 mikrometer.

30 De således fremstillede HIPR-emulsioner er stabile og kan fortyndes med vandig surfaktantopløning eller vand til frembringelse af stabile emulsioner med et lavere volumen af bitumenfasen, som udviser en høj grad af mono-dispersitet. Emulsionerne kan fortyndes til den krævede viskositet, uden at 5 DK 174542 B1 det på ugunstig måde indvirker på stabiliteten. Fordi den snævre størrelsesfordeling oprethodles ved fortynding, viser den opnåede emulsion ringe tendes til skumdannelse. Dette reducerer igen risikoen for faseadskillelse.

5 Opfindelsen angår således også en fremgangsmåde til fremstilling af en emulsion af bitumen i vand, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at en HIPR-emulsion af bitumen i vand fremstilles ved en fremgangsmåde ifølge hvilket som helst af kravene 1-6 og derefter fortyndes med vand eller en vandig opløsning af en surfaktant.

10

Emulsionerne, især de fortyndede emulsioner, er, når de fortyndes med en surfaktantopløsning, egnede til anvendelse til blandt andet vejbygning og -vedligeholdelse, og til papir- og metalbelægninger.

15 Opfindelsen angår desuden en HIPR-emulsion af bitumen i vand, hvilken emulsion er ejendommelig ved, at den indeholder 80 til 98 vægtprocent bitumen, og at emulsionen indeholder deformerede bitumendråber med en gennemsnitlig partikeldiameter på fra 2 til 50 mikrometer.

20 Opfindelsen illustreres af de følgende eksempler.

Eksempel 1

En 90% HIPR-emulsion blev fremstillet ved tilsætning af 90 g af en 200 "pen 25 grad" Cyrus bitumen til et 250 ml bægerglas indeholdende 10 g 3,0% vandig ikke-ionisk surfaktantopløsning. Surfaktanten var et alkylaromatisk ethoxylat.

Dette blev derpå blandet ved 90°C under anvendelse af en dobbeltvinget hånd-husholdningspisker i ét minut ved 1000 omdrejninger per minut fulgt af 30 6 DK 174542 B1 yderligere ét minut ved 1200 omdrejninger per minut under forhold med lille mekanisk forskydning (nogle få hundrede reciprok-sekunder).

Under blandingsprocessen trækkes og foldes der vandig surfaktantfilm igen-5 nem hele bitumenen, hvilket i sidste instans fører til en kompleks filmstruktur.

Fortynding af HIPR-emulsionen med yderligere vand frigør bitumenen fra dets indespærrende skelet, og sfæriske dråber skiller ud.

10 Efterfølgende fortynding af denne 90% bitumenemulsion med 1% surfaktan-topløsning ved 90°C muliggjorde dannelse af emulsioner med lavere bitu-menindhold; det vil sige 70/30, 60/40 og 50/50. Efter 18 måneders opbevaring ved stuetemperatur viste disse fortyndede emulsioner ingen tegn på coa-lescens.

15

Skønt viskositeten af emulsionerne steg med stigende bitumenindhold, var , , det tydeligt, at selv ved stuetemperatur udviste emulsionen med 70% bitu men stadig en rimelig grad af fluiditet og ville derfor være anvendelig til pumpning. Yderligere fortynding åbnede mulighed for mikroskopisk undersø-20 gelse af emulsionerne og viste en god monodispergeringsgrad og en gennemsnitlig dråbediameter på omtrent 15 mikrometer.

Eksempler 2-7 25 Yderligere emulsioner af bitumen i vand blev fremstillet på følgende måde: 0,8 g Af hydrochloridet af fedtaminen, der sælges under varemærket Dino-ram-S, blev anbragt i et 500 ml bægereglas, vand (27 ml) blev tilsat, og opløsningen blev derpå opvarmet til 40°-50°C til opløsning af surfaktanten. Bi-30 tumenen blev opvarmet til 90°C og 240 g blev tilsat den vandige fase. Bægerglasset med bitumenen og den vandige fase blev anbragt i et vandbad ved 90°C i 5 minutter. Bitumenen og den vandige fase blev derpå blandet i 30 sekunder ved anvendelse af en husholdningspisker til opnåelse af en 90% 7 DK 174542 B1 emulsion. En vandig opløsning (76,5 ml) med 1 vægtprocent emulgeringsmiddel blev derpå tilsat over et tidsrum på 30 sekunder under omrøring til fortynding af emulsionen til et lavere bitumenindhold. Efter fortynding blev opblandingen fortsat i yderligere 60 sekunder for at sikre, at produktet var 5 grundigt homogeniseret.

Stabiliteten af emulsionerne ved opbevaring blev bedømt ved en subjektiv metode omfattende en visuel undersøgelse af emulsionerne efter 1, 5, 24 og 48 timer. Tegn på ustabilitet indiceredes af skinddannelse og agglomering, 10 hvilket gav et kornet udseende med en nedsættelse af viskositeten til følge.

Der blev opnået de i den efterfølgende tabel 1 anførte resultater.

Eksempler 8-10 15

Tilsvarende procedurer blev benyttet til fremstilling af emulsioner ud fra 3 bitumener fremkommet ved atmosfærisk destillation af to venezuelanske råolier.

20 De anvendte surfaktanter var som følger:

Eksempel 8: en blanding af natriumoleat og et nonylphenol-ethoxylat.

Eksempel 9: den under varemærket Pouanida B solgte.

25

Eksempel 10: hydrochloridet af den under varemærket Duomeen T solgte.

Der blev opnået de i den efterfølgende tabel 2 anførte resultater.

30 DK 174542 B1

I I I

I I I

i i i i i i

I I I

_ ! ί { GJ ^ « * i » -Q ε ϊ j i E JZ 3 ! ! ! <D _ 0) 'r ! : !

C O) I I I

c 5 £ i : ! o ® C φ T- i ΙΟ r- ! m. ! Γ-- Οιλο,Ε oo ! σ> r- I r-·. !

I I I

I I (

I I I

I I I

I I I

I ' I

I I I

[ *—» r ( i ! i d I i >

ra i CO j CO £ j 00 CO ; CO

-2.E μ- ! T i ^ W d Λ ! Λ Λ ! Λ Λ i Λ _ c ! I ί S i § i I i i 2 S c 2 ! ! ί 0 ffl o.o α i j j 1 5 s ! S s ! s« i ss i s Ιΐϊ l| 5 i S ° i ° ° ! °

I—III

Ό φ ! ί i Λ o φ : : ! T- Λ 5 JZ o i ! ! co Φ "c -2 ! I ί n -s (/)=: σ j ; j ™ £ S φ f o i o o ! ° § ! 8 A o ί : : C 5 i : i ΰ ® i 1 g Q. ,_ c f i TO E o o i o ίο o ω φ °J 8 ! 8 ! 01 ί ω i i i i f I I 1

I I I

f * I

(7> ό <λ ! ! _ ‘S

8 ί 8 ί 8 18 > 5> 8 3 * i CO i iri i - i ; f <jj Ό ! c i c !

1 g i I 8. i S. ! S

O S ? ί O ί O ί °· O) O o o ' o o ' c O CM \ r- ! h- C- ·— CN i i , i _ <D C 1 .ti ! — ' .tr c o 52 ! tu Ira ! to

3 E 2 : $ ί $ ! S

é ffi ^ ! o I o [3 CD i: O ^ ^ i *

I 1 I

ί : : ! E ! ί ί a> ί ί ί ” ω I i ί UJQJ (Μ ί CO 'Τ ! CO CO ι Γ-- DK 174542 B1

~ E

C 1 ”1 w ro ^ E £ ro ® t s C (O 2 c α E ,® σ> .2 °°- O ό σ> r>- -sr Q) _Q 0)

m p CO OO OO

.E T Tf -5* ΟΌ Cj Λ Λ Λ

C

C <D

ro o

'-CO

i ? I I

- I f E I tn o o <U CO .b Φ cl N CO (J) n ro σ> F- —

O

0 I ^ </) 3 c5 2 1 s

1 O CM O

co 5; n cd O) ' ? ? s ro ffi ro o ro Hi 2 o m cm O i: d cm to cn o O) _ _ ro ro 2 2 z § ro £ £ e 5 2 o o ro

oo 2 Ί> Έ O

ro

Q

E

ro ΙΛ - ώ 00 -

Claims (11)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af en HIPR-emulsion af bitumen i vand, kendetegnet ved, at 70 til 98 vægtprocent bitumen blandes direkte 5 med 30 til 2 vægtprocent af en vandig opløsning af en emulgerende surfak-tant, hvilke procenter er udtrykt som vægtprocenter af den totale blanding, hvorhos bitumenen har en viskositet, der ligger i området fra 200 til 500.000 mPa s ved blandingstemperaturen, og blandingen udføres under små forskydningsforhold i området 10 til 1000 reciprok-sekunder på en sådan måde, 10 at der dannes en emulsion indeholdende deformerede bitumendråber med gennemsnitlig dråbediameter på fra 2 til 50 mikrometer adskilt af tynde film af vand.

2 Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at udgangsmate-15 rialet omfatter 80 til 95 vægtprocent bitumen udtrykt som vægtprocent af den totale blanding.

3. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at opblandingen udføres under små forskydningsfor- 20 hold i området 50 til 250 reciprok-sekunder.

4. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at bitumenen har en viskositet på fra 1000 til 250.000 mPa s. 25

5. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at surfaktanten er en blandet anionisk/ ikke-ionisk surfaktant.

6. Fremgangsmåde ifølge hvilket som helst af kravene 1 til 4, ke n de - I e g n e t ved, at surfaktanten er en kationisk surfaktant. DK 174542 B1

7. Fremgangsmåde til fremstilling af en emulsion af bitumen i vand, kendetegnet ved, at en HIPR-emulsion af bitumen i vand fremstilles ved en fremgangsmåde ifølge hvilket som helst af de foregående krav og derefter fortyndes med vand eller en vandig opløsning af en surfaktant. 5

’ 8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at HIPR- emulsionen fortyndes til der fremkommer en emulsion med bitumenindhold i forholdene 70/30, 60/40 eller 50/50.

9. HIPR-emulsion af bitumen i vand, kendetegnet ved, at den indehol der 80 til 98 vægtprocent bitumen, og at emulsionen indeholder deformerede bitumendråber med en gennemsnitlig partikeldiameter på fra 2 til 50 mikrometer.

10. HIPR-emulsion ifølge krav 9, kendetegnet ved, at den indeholder 85 til 95 vægtprocent bitumen.

11. HIPR-emulsion ifølge krav 9 eller 10, kendetegnet ved, at den har en væsentlig grad af monodispersitet.