PL192119B1 - Emulgator do wytwarzania kationowych emulsji asfaltowych - Google Patents

Abstract

Emulgator do wytwarzania kationowych emulsji asfaltowych zawierający dichlorki N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin, izopropanol i chlorki trimetyloalkiloamoniowe, znamienny tym, że składa się z 20-50% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)- alkilodiamin zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla otrzymanych w obecności 2-12% wagowych izopropanolu jako katalizatora przeniesienia międzyfazowego, 0,3-3% wagowych chlorków trimetyloalkiloamoniowych zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, 0,2-8% wagowych chlorku metalu l grupy układu okresowego, oraz wody do 100% wagowych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest emulgator do wytwarzania kationowych emulsji asfaltowych wolnoi średniorozpadowych, przeznaczonych do mieszanek mineralno-asfaltowych na zimno, emulsji stosowanych w technologii renowacji i budowy dróg typu „slurry seal”, a także do stabilizacji gruntów i terenów pylących wszędzie tam, gdzie pozwalają na to względy ochrony środowiska. Emulsje asfaltowe będące w istocie emulsjami typu olej w wodzie, są 50-70% emulsją asfaltu w wodzie. Nie będąc emulsjami trwałymi do swego powstania wymagają użycia specyficznych emulgatorów, które trwale umożliwiają istnienie cząstek asfaltu w wodzie. Kryterium podziału emulsji asfaltowych jest tak zwany indeks rozpadu (IR). Oznacza się go poprzez określenie maksymalnej ilości mączki kwarcowej, którą można wymieszać bez rozpadu i zastygnięcia ze 100 g emulsji. Jego wartość podaje się w gramach SiO2 na 100 g emulsji. Według kryterium IR emulsje dzieli się na szybko-, średnio- i wolnorozpadowe, skąd biorą się także znaczne różnice w ich właściwościach i kierunkach zastosowań. Emulsje szybkorozpadowe charakteryzuje IR poniżej 100 g SiO2/100 g, natomiast dla wolnorozpadowych IR wynosi 120-190 g SiO2/100 g.

W celu uzyskania emulsji asfaltowej dodaje się emulgator do wody w ilościach 0,5-3% wagowych w stosunku do masy emulsji asfaltowej, aż do jego całkowitego rozpuszczenia a następnie tak sporządzony roztwór wodny emulgatora wprowadza się do młynka wysokoobrotowego do którego jednocześnie wprowadza się płynny asfalt. Temperatura fazy wodnej wynosi 30-60°C a temperatura asfaltu wynosi 120-150°C. Temperatura emulsji asfaltowej po wyjściu z młynka emulsyjnego wynosi zwykle 80-95°C. Indeks rozpadu dla uzyskanej emulsji ściśle zależy od charakteru emulgatora.

Znane jest z polskiego opisu patentowego nr 123 858 wytwarzanie emulsji asfaltowych szybko- i średniorozpadowych z udziałem diamin tłuszczowych, najczęściej N-alkilo(C22)-1,3-diaminopropanu. Związek ten przy udziale niewielkiej ilości kwasu solnego jest powszechnie stosowany do produkcji klasycznych drogowych emulsji szybkorozpadowych (IR maksimum 100). Dodatek kwasu solnego jest niezbędny, aby otrzymać pH fazy wodnej 2-4, co gwarantuje po dokładnym zhomogenizowaniu, w specjalnym młynku, asfaltu i fazy wodnej zawierającej emulgator, uzyskanie trwałej, jednorodnej emulsji asfaltu w wodzie. Uzyskanie emulsji asfaltowej wolnorozpadowej z udziałem diamin tłuszczowych jest możliwe, wymaga to jednak użycia znacznej ilości kwasu solnego, aż do silnie kwaśnego pH fazy wodnej wynoszącego około 1. Stosowanie kwasu solnego w tak dużej ilości powoduje zanieczyszczenie środowiska. Kwas solny jest niebezpieczny dla obsługi instalacji oraz powoduje korozję aparatury.

Znane jest również z polskiego opisu patentowego nr 159 460 stosowanie mieszaniny chlorków alkilotrimetylo-amoniowych i alkilometylodi(polioksyetyleno)amoniowych o liczbie grup oksyetylenowych 2-50, przy czym łańcuch alkilowy zawiera 12-20 atomów węgla. Emulgator według polskiego opisu patentowego nr 159 460 nie wymaga stosowania kwasu solnego, lecz ma zastosowanie wyłącznie do produkcji szybkorozpadowych emulsji asfaltowych (IR maksimum 90). Środek według polskiego opisu patentowego P-322705 zawiera dichlorki N,N-dimetylotrl-(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin zawierające w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, chlorki trimetyloalkiloamoniowe zawierające w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, chlorek wapnia, izopropanol oraz wodę. Indeks rozpadu dla emulsji uzyskanej za pomocą emulgatora wynosi 120-180 g SiO2/100 g.

Celem wynalazku było opracowanie emulgatora, z udziałem, którego można uzyskać emulsje wolnorozpadowe o podwyższonej trwałości z przeznaczeniem do różnych zastosowań.

Emulgator według wynalazku zawiera 20-50% wagowych dichlorków N,N-dimetylotri-(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin posiadających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomy węgla, 0,3-3% wagowych chlorków trimetyloalkiloamoniowych zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomy węgla, 0,2-8% wagowych chlorku metalu l grupy układu okresowego, 2-12% wagowych izopropanolu użytego jako katalizator przeniesienia międzyfazowego, oraz do 100% wagowych wody.

Nieoczekiwanie stwierdzono, że emulsje asfaltowe otrzymane z udziałem emulgatora według wynalazku, który obok kwaternizowanych chlorkiem metylu tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin i małych ilości chlorków trimetyloalkiloamoniowych zawiera korzystnie niewielki dodatek chlorku metalu l grupy układu okresowego, charakteryzuje znacznie większa trwałość, co w znaczący sposób ułatwia ich różnorodne zastosowanie.

Stwierdzono, że obecny w składzie emulgatora według wynalazku chlorek metalu l grupy układu okresowego w trakcie produkcji emulsji asfaltowej występuje w postaci zdysocjowanej. Ze względu na różnice w rozpuszczalności anionu i kationu w fazie wodnej i olejowej (asfalt), anion chlorkowy jest

PL 192 119 B1 nieco lepiej rozpuszczalny w fazie olejowej (asfaltowej), stąd wypadkowy ładunek mikrokropli asfaltu jest ujemny. Efekt ten powoduje odpychanie pomiędzy mikrokroplami asfaltu zawieszonymi w wodnej fazie rozpraszającej co zapobiega ich zlewaniu i agregacji. Dodatek jonów chlorkowych pochodzących z dysocjacji soli powoduje także obniżenie napięcia powierzchniowego na granicy faz co bezpośrednio wpływa na wzrost trwałości emulsji. Opisany efekt ma maksimum to jest stężenie soli przy którym trwałość emulsji jest największa i dalszy wzrost stężenia może wywołać nawet jej rozpad. Niezmiernie istotna dla trwałości emulsji jest moc jonowa kationu i wraz z jej wzrostem następuje zwiększenie szybkości zlewania się i koagulacji mikrokropel asfaltu. Wynika z tego, że bardziej przydatne do zwiększenia trwałości emulsji asfaltowej są kationy jednowartościowe, których moc jonowa jest mniejsza niż moc kationów dwuwartościowych.

Opisany efekt tłumaczy dlaczego w pierwszych emulgatorach w celu uzyskania emulsji wolnorozpadowych niezbędne było stosowanie nadmiarowych ilości kwasu solnego oraz dlaczego za pomocą emulgatorów zawierających tylko chlorki N,N-di-metylotri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin można uzyskać emulsje średniorozpadowe o indeksie rozpadu maksimum 110 g SiO2/100 g. Zgodnie z tym dodatek chlorków trimetyloalkiloamoniowych, i chlorków metali l grupy układu okresowego będących w istocie donorami jonów chlorkowych, bez zmiany kwasowości układu wydłuża czasu rozpadu emulsji do około 170-190 g SiO2/100 g oraz jej trwałość. Uzyskane z pomocą środka według wynalazku, emulsje asfaltowe sporządzone z asfaltów polskich (z rop rosyjskich) jak i asfaltów pochodzących z rop wenezuelskich pozwalają na zastosowanie ich w wielu zabiegach drogowych l innych jak: stabilizacja dróg, stabilizacja terenów pylących, sporządzanie mieszanek mineralno-bitumicznych na zimno. Za pomocą emulgatora według wynalazku można uzyskać emulsje wolnorozpadowe niemodyfikowane lub modyfikowane lateksem. W przypadku emulsji modyfikowanych, lateks wprowadzany jest do fazy wodnej wraz z emulgatorem, a następnie przeprowadzany jest proces emulgowania asfaltu.

Przykład l

Emulgator według wynalazku otrzymano w sposób następujący, do reaktora wprowadzono izopropanol w ilości 3% wagowych, 25% wagowych stopionych uprzednio N,N,N-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin łojowych (alkil C16-C18) i wodę do 100% wagowych i ogrzano zawartość reaktora do temperatury 60°C. Następnie do reaktora wprowadzano chlorek metylu, przy czym temperatura procesu czwartorzędowania wynosiła 70-90°C a ciśnienie 0,2-0,3 kPa. Zakończenie reakcji obserwowano po zaniku spadku ciśnienia w reaktorze i analizie zasadowości (ilość ml 1M roztworu HCI potrzebna do zmiareczkowania 1g próbki), która była bliska zera. Z reaktora pobrano próbkę, którą oznaczono jako próbkę porównawczą. Następnie po schłodzeniu reaktora do temperatury 50°C, dodano chlorek sodu w ilości 3% wagowych oraz 0,5% wagowych chlorków alkilo(C16-C18)trimetyloamoniowych i całość wymieszano do ujednorodnienia w czasie do 1 godziny. W temperaturze pokojowej emulgator według wynalazku był ciekły, klarowny o żółtej barwie.

Emulsje asfaltowe otrzymano z udziałem emulgatora według wynalazku oraz za pomocą emulgatora porównawczego (bez udziału chlorku sodu). Asfalt drogowy o nazwie handlowej D100 (Płock) ogrzano do temperatury 140°C. Fazę wodną przygotowano przez wymieszanie wody ogrzanej do temperatury 45°C z 1,5% wagowego emulgatora według wynalazku lub emulgatora porównawczego, (w stosunku do uzyskanej masy emulsji asfaltowej). Stosunek lepiszcza bitumicznego (asfaltu) w stosunku do fazy wodnej wynosił 65:35. Asfalt i fazę wodną wprowadzano do młyna emulsyjnego. Emulsja asfaltowa na wyjściu z młyna miała temperaturę około 90°C. Emulsja uzyskana, ze środkiem według wynalazku jako emulgatorem w ilości 1,5% wagowych miała następujące właściwości:

- Indeks rozpadu -190 g SiO₂/100 g (emulsja wolnorozpadowa)

- Sedymentacja po 5 dniach - 0,5%

-Stabilność na cemencie -1,5g

-Odporność na wstrząsy-0

-pH -5,0

Emulsja otrzymana z udziałem emulgatora porównawczego, miała właściwości:

-Indeks rozpadu -110g SiO2/100g (emulsja średniorozpadowa)

-Sedymentacja po 5 dniach -6%

-Stabilność na cemencie -negatywna

-Odporność na wstrząsy -ślady

-pH-5,0

PL 192 119B1

Właściwości emulsji otrzymanej z udziałem emulgatora według wynalazku kwalifikują tę emulsję do szerokich zastosowań w drogownictwie: w szczególności do technologii „slurry seal” i stabilizacji dróg ( typowe zastosowania emulsji wolnorozpadowych).

Emulsja porównawcza może mieć ograniczone zastosowanie to jest np. do remontów cząstkowych, sklejania warstw, (typowe zastosowanie emulsji średniorozpadowych).

Właściwy produkt według wynalazku uzyskuje się zatem dopiero po dodaniu chlorku sodu do półproduktu stanowiącego wynik kwaternizacji N,N,N-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin. Końcowy produkt według wynalazku w ramach niniejszego przykładu zawiera zatem: 30% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetylo)-alkilodiamin łojowych (produkt kwaternizacji), 0.5% wagowego chlorków trimetyloalkiloamoniowych - alkil łojowy(C16-C18), 3% wagowych chlorku sodu, 2,5% wagowych izopropanolu oraz wodę do 100% wagowych.

P r zyk ł a d II

Podobnie jak w przykładzie l otrzymano środek zawierający: 50% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin roślinnych(C16-C22), 0,3% wagowego chlorków trimetyloalkilo(C16-C18)amoniowych, 8% wagowych chlorku sodu, 2% wagowych izopropanolu oraz wodę do 100% wagowych. Środek o tym składzie wykorzystano jako emulgator do wytwarzania emulsji asfaltowej na bazie asfaltu otrzymanego z rop wenezuelskich - Nynas Asfalt D100. Zawartość asfaltu Nynasa w otrzymanej emulsji asfaltowej wynosiła 62% wagowych a zawartość środka (emulgatora) według wynalazku wynosiła 1,5% wagowych w stosunku do całej masy wytworzonej emulsji asfaltowej. Dodatkowo do fazy wodnej wraz z emulgatorem wprowadzono modyfikator Butonal NS 198, którego zadaniem było nadanie sprężystości. Otrzymana sposobem opisanym w przykładzie l, emulsja asfaltowa miała następujący skład: 62% wagowych Asfaltu Nynas D100, 1,5% wagowego emulgatora według wynalazku, 2,5% wagowych Butonalu LS 198 oraz wody do 100% wagowych.

Uzyskana emulsja wolnorozpadowa miała następujące właściwości:

- Indeks rozpadu -190 g

- Odporność na wstrząsy - 0

- Sedymentacja po 5 dniach - 0,3%

- Stabilność na cemencie - 1,8g

- Przyczepność do granitu - 100%

- pH - 5,5

Z wykorzystaniem tej emulsji sporządzono mieszankę drogową do wykonywania nawierzchni, tzw. mieszankę mineralno-bitumiczną sporządzaną na zimno - typu „slurry seal”, zawierającą 98% wagowych kruszywa granitowego, 2% wagowych cementu, 15% wagowych emulsji asfaltowej oraz 10% wagowych wody. Ocena trwałości wykonanego odcinka drogi wykazała pełną przydatność emulsji asfaltowej otrzymanej z udziałem emulgatora według wynalazku dla potrzeb prawidłowego wykonania tej technologii.

Przykład III

Podobnie jak w przykładzie l otrzymano środek zawierający: 20% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)-alkilodiamin rzepakowych(C16-C22), 3% wagowych chlorków trimetyloalkiloamoniowych - alkil rzepakowy, 0,2% wagowego chlorku sodu, 12% wagowych izopropanolu oraz wody do 100% wagowych. Środek o tym składzie wykorzystano jako emulgator do wytwarzania emulsji asfaltowej na bazie asfaltu D130 z rafinerii Płock. Zawartość asfaltu w otrzymanej emulsji asfaltowej wynosiła 65% wagowych a zawartość emulgatora według wynalazku wynosiła 2% wagowych w stosunku do całej masy wytworzonej emulsji asfaltowej. Otrzymana sposobem opisanym w przykładzie l emulsja asfaltowa miała następujący skład: 65% wagowych asfaltu Płock D130, 2% wagowych emulgatora według wynalazku, oraz wody do 100% wagowych.

Uzyskana emulsja wolnorozpadowa miała następujące właściwości:

- Indeks rozpadu - 150g

- Sedymentacja po 5 dniach - 1,5%

- Odporność na wstrząsy - 0

- Stabilność na cemencie - 0,95g

- Przyczepność do bazaltu - 90%

- pH- 6,0

Tę emulsję wolnorozpadową wykorzystano z powodzeniem do zapobiegania pyleniu dróg na terenach piaszczystych.

PL 192 119 B1

Przykład IV

Podobnie jak w przykładzie l otrzymano emulgator zawierający: 35% wagowych dichlorków N,N-dimetylotri-(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin roślinnych(C16-C22), 1% wagowy chlorków trimetyloalkilo(C16-C18)amoniowych, 3% wagowych chlorku sodu, 2,5% wagowych izopropanolu oraz wody do 100% wagowych. Środek o tym składzie wykorzystano jako emulgator do wytwarzania emulsji asfaltowej na bazie asfaltu D200 z rafinerii gdańskiej. Otrzymana sposobem opisanym w przykładzie l emulsja asfaltowa miała następujący skład: 65% wagowych asfaltu Gdańsk D200, 1% wagowy emulgatora według wynalazku, oraz wody do 100% wagowych.

Uzyskana emulsja wolnorozpadowa miała następujące właściwości:

- Indeks rozpadu -186 g

- Odporność na wstrząsy - 0

- Sedymentacja po 5 dniach -1,8%

-Stabilność na cemencie -10g

-Przyczepność do bazaltu -95%

Tę emulsję wolnorozpadową wykorzystano z powodzeniem do recyklingu na zimno.

Przykład V

Podobnie jak w przykładzie l otrzymano emulgator zawierający: 35% wagowych dichlorków N,N-dimetylotri-(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin roślinnych(C16-C22), 1% wagowy chlorków trimetyloalkilo(C16-C18)amoniowych, 3% wagowych chlorku potasu, 2,5% wagowych izopropanolu oraz wody do 100% wagowych. Emulgator o tym składzie wykorzystano jako emulgator do wytwarzania emulsji asfaltowej na bazie asfaltu D200 z rafinerii gdańskiej. Otrzymana sposobem opisanym w przykładzie l emulsja asfaltowa miała następujący skład: 65% wagowych asfaltu Gdańsk D200, 1% wagowy emulgatora według wynalazku, oraz wody do 100% wagowych.

Uzyskana emulsja wolnorozpadowa miała następujące właściwości:

-Indeks rozpadu -180g

-Odporność na wstrząsy -0

- Sedymentacja po 5 dniach -1,8%

-Stabilność na cemencie -10g

-Przyczepność do bazaltu -95%

Emulsję wykorzystano z powodzeniem do recyklingu na zimno.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Emulgator do wytwarzania kationowych emulsji asfaltowych zawierający dichlorki N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin, izopropanol i chlorki trimetyloalkiloamoniowe, znamienny tym, że składa się z 20-50% wagowych dichlorków N,N-dimetylo-tri(2-hydroksyetyleno)alkilodiamin zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla otrzymanych w obecności 2-12% wagowych izopropanolu jako katalizatora przeniesienia międzyfazowego, 0,3-3% wagowych chlorków trimetyloalkiloamoniowych zawierających w łańcuchu alkilowym 16-22 atomów węgla, 0,2-8% wagowych chlorku metalu l grupy układu okresowego, oraz wody do 100% wagowych.