Surfaktan (juga dikenali sebagai bahan aktif permukaan) merupakan bahan bantu kimia yang sangat diperlukan dalam pembangunan industri dan pertanian, dengan kelebihan mencapai hasil yang ketara dengan dos yang kecil. Terutamanya selepas Perang Dunia II, dengan perkembangan industri petrokimia, industri surfaktan sintetik yang pesat membangun telah menggalakkan lagi aplikasi surfaktan dalam pelbagai bidang, seperti petroleum, tekstil, racun perosak, rawatan perubatan, metalurgi, perlombongan, jentera, pembinaan, jalan raya, penerbangan, makanan, perlindungan alam sekitar, pencucian dan pencelupan, dan sebagainya. Artikel ini akan memberi tumpuan kepada pengenalan aplikasi surfaktan sebagai pengemulsi asfalt dalam kejuruteraan lebuh raya.
1. Definisi bagiSurfaktan
Orang ramai telah mendapati dalam amalan pengeluaran jangka panjang bahawa larutan sesetengah bahan boleh mengubah sifat permukaan pelarut dengan ketara walaupun pada kepekatan yang sangat rendah, menjadikannya sesuai untuk keperluan pengeluaran tertentu, seperti mengurangkan tegangan permukaan atau tegangan antara muka pelarut, meningkatkan kebolehbasahan, detergensi, sifat pengemulsi dan pembuih, dan sebagainya. Sabun, yang sering digunakan dalam kehidupan seharian, adalah salah satu bahan tersebut. Ciri penting bahan seperti sabun ialah menambah sedikit ke dalam air boleh mengurangkan tegangan permukaan air dengan ketara.
Dengan kemajuan sains dan teknologi serta perkembangan pengeluaran, orang ramai telah menjalankan kajian mendalam tentang sifat dan fungsi bahan-bahan tersebut dan telah memberikan definisi surfaktan yang agak tepat. Iaitu, surfaktan ialah bahan kimia yang boleh mengurangkan ketegangan permukaan (atau ketegangan antara muka cecair-cecair) pelarut (biasanya air) dengan ketara pada kepekatan yang sangat rendah, mengubah keadaan permukaan sistem, sekali gus menghasilkan beberapa kesan seperti pembasahan dan anti-pembasahan, pengemulsian dan penyahmulsian, penyebaran dan pembekuan, pembuih dan penyahbuih, dan pelarutan.
2. Ciri-ciri struktur surfaktan
Molekul surfaktan terdiri daripada dua bahagian dengan sifat yang sama sekali berbeza: satu bahagian ialah kumpulan lipofilik (juga dikenali sebagai kumpulan hidrofobik) yang mempunyai afiniti terhadap minyak, dan bahagian yang satu lagi ialah kumpulan hidrofilik (juga dikenali sebagai kumpulan oleofobik) yang mempunyai afiniti terhadap air. Ciri struktur surfaktan ini menyebabkan, apabila ia larut dalam air, kumpulan hidrofilik tertarik oleh molekul air, manakala kumpulan lipofilik ditolak oleh molekul air. Untuk mengatasi keadaan tidak stabil ini, ia perlu menduduki permukaan cecair, dengan kumpulan lipofilik memanjang ke atmosfera dan kumpulan hidrofilik memanjang ke dalam air.
Walaupun ciri struktur molekul surfaktan adalah molekul amfifilik, tidak semua molekul amfifilik adalah surfaktan. Hanya bahan amfifilik dengan bahagian lipofilik yang cukup panjang adalah surfaktan.
Contohnya, dalam siri garam natrium asid lemak, sebatian dengan sebilangan kecil atom karbon (seperti natrium format, natrium asetat, natrium propionat, natrium butirat, dll.) semuanya mempunyai kumpulan lipofilik dan hidrofilik dan mempunyai aktiviti permukaan, tetapi ia tidak berfungsi sebagai sabun dan oleh itu tidak boleh dipanggil surfaktan. Hanya apabila bilangan atom karbon meningkat sehingga tahap tertentu, asid lemak natrium menunjukkan aktiviti permukaan yang jelas dan mempunyai sifat umum sabun. Kebanyakan minyak dan lemak haiwan dan tumbuhan semula jadi adalah ester asid lemak yang mengandungi 10 hingga 18 atom karbon. Jika asid ini digabungkan dengan kumpulan hidrofilik, ia akan menjadi surfaktan dengan tahap lipofilik dan hidrofilik tertentu, dan mempunyai keterlarutan yang baik.
3. Penggunaan Surfaktan dalamKejuruteraan Lebuhraya
3.1.Surfaktan danpengemulsi asfalt
Pengemulsi asfalt ialah sejenis surfaktan. Pengemulsi dan detergen berkongsi sifat seperti penjerapan, orientasi, keupayaan untuk membentuk ion koloid dan keupayaan untuk mengurangkan tegangan antara muka. Walau bagaimanapun, sebagai pengemulsi, ia juga perlu mempunyai sifat pembentukan filem. Terutamanya untuk pengemulsi asfalt, ia perlu mempunyai alkana dengan rantai karbon yang sesuai untuk mengemulsi dengan lebih baik dengan asfalt.
3.2.Pengelasan pengemulsi asfalt
Pengemulsi dikelaskan kepada jenis ionik dan bukan ionik berdasarkan sama ada kumpulan hidrofilik molekul pengemulsi membawa cas apabila pengemulsi dilarutkan dalam air. Pengemulsi ionik dibahagikan lagi kepada jenis ionik kationik, anionik dan amfoterik disebabkan oleh perbezaan cas yang dibawa oleh kumpulan hidrofiliknya selepas pengionan dalam air.
Bahan mentah pengemulsi asfalt anionik adalah murah dan mudah didapati, dan proses pengeluarannya mudah. Oleh itu, asfalt emulsi yang terawal dihasilkan ialah asfalt emulsi anionik, yang biasanya jenis set sederhana, dan terdapat juga beberapa jenis set perlahan. Ia boleh digunakan untuk pengedap buburan, penembusan, rawatan permukaan, dan sebagainya. Walaupun pengemulsi anionik mempunyai kelebihan harga, ia mempunyai kesan yang besar terhadap sifat asal asfalt, dan banyak masalah berlaku semasa proses pembinaan. Oleh itu, apabila menggunakannya, adalah perlu untuk mempertimbangkan kesan komprehensif kos, kesan pembinaan dan kualiti pembinaan.
Cpengemulsi ionikaWalaupun ia berkembang agak lewat, amalan telah menunjukkan bahawa ia mempunyai lekatan yang lebih baik pada pelbagai bahan mineral, dengan kelajuan pembentukan yang cepat, kekuatan awal yang tinggi, dan dos yang rendah. Ia bukan sahaja memberi kelebihan kepada pengemulsi anionik tetapi juga menutup kekurangannya, sekali gus menarik banyak perhatian sejak pembangunannya. Pengemulsi asfalt kationik mempunyai pelbagai jenis dan kaedah pengelasan yang berbeza. Ia biasanya dikelaskan mengikut struktur kimianya, dan yang biasa terutamanya termasuk alkil amina, garam besi kuaterner, lignin amina, imidazolin, dan sebagainya.
Molekul pengemulsi zwitterionik mengandungi kedua-dua kumpulan berasid dan bes, dan ia mudah membentuk "garam dalam". Satu ciri larutan akueus pengemulsi zwitterionik ialah cas elektriknya berubah dengan variasi nilai pH. Ia mempunyai keupayaan penyebaran kalsium yang kuat dalam air keras dan keserasian yang baik dengan jenis pengemulsi lain, tetapi harganya agak tinggi.
Kebanyakan pengemulsi bukan ionik diperoleh melalui tindak balas etilena oksida dengan sebatian yang mengandungi hidrogen aktif (seperti fenol, alkohol, asid karboksilik, amina, dll.). Aktivitinya bukan sahaja berkaitan dengan kumpulan alkil hidrofobik tetapi juga dengan panjang rantai polioksietilena. Ia mempunyai aktiviti permukaan yang tinggi, kestabilan, dan keupayaan pengemulsian yang baik, mempamerkan keserasian yang baik dengan pengemulsi lain dan bahan tambahannya, dan mempunyai kesan pengkelat tertentu pada ion logam. Aktivitinya tidak bergantung pada nilai pH larutan, dan emulsi yang terbentuk pada Suhu Pembalikan Fasa (PIT) adalah yang paling stabil.
3.3.Prinsip kerja pengemulsi asfalt
Apabila kepekatan pengemulsi sangat rendah, terdapat sangat sedikit molekul pengemulsi. Pada antara muka antara udara dan air, adalah mustahil untuk sejumlah besar molekul pengemulsi terkumpul. Di permukaan, ia hampir masih bersentuhan langsung dengan udara dan air, dan tegangan permukaan kekal hampir tidak berubah, masih hampir dengan tegangan permukaan air tulen.
Apabila kepekatan pengemulsi meningkat dengan sewajarnya, molekul pengemulsi akan cepat berkumpul di permukaan air, lalu mengurangkan luas sentuhan antara udara dan air, lalu menyebabkan tegangan permukaan menurun dengan cepat.
Apabila kepekatan pengemulsi terus meningkat dan mencapai nilai tertentu, sebilangan besar molekul pengemulsi terkumpul di permukaan larutan akueus, membentuk filem monomolekul yang menutupi permukaan larutan, yang mengasingkan sepenuhnya larutan akueus daripada udara dan menstabilkan tegangan permukaan. Jika kepekatan pengemulsi sedikit meningkat lagi, molekul pengemulsi tidak lagi boleh terkumpul di permukaan air, tetapi sebaliknya akan berkumpul sendiri menjadi misel atau agregat misel dengan kumpulan lipofilik menghala ke dalam dan kumpulan hidrofilik menghala ke luar. Kepekatan minimum di mana misel atau agregat misel akan mula terbentuk biasanya dipanggil Kepekatan Misel Kritikal (CMC).
Selepas mencapai kepekatan misel kritikal, jika kepekatan pengemulsi terus meningkat, tegangan permukaan tidak akan berkurangan lagi. Oleh kerana filem monomolekul telah terbentuk di permukaan, molekul pengemulsi cenderung untuk bergabung dan bergerak lebih dekat antara satu sama lain, terus beragregat menjadi misel, sekali gus menyebabkan bilangan misel dalam emulsi meningkat secara berterusan.
Pengemulsian asfalt merupakan aspek penting dalam tindakan pengemulsian. Selepas menambah pengemulsi kepada larutan minyak-air, kedua-dua kumpulan pengemulsi akan menyusun diri mereka secara berarah, menghubungkan dua antara muka minyak dan air, sekali gus menghalangnya daripada saling menolak. Selepas dikacau dan tersebar, asfalt boleh tersebar secara stabil dalam air dalam bentuk zarah halus.
Kesimpulan
Dengan mengambil pengemulsi asfalt sebagai contoh, artikel ini menyediakan pengenalan dan analisis yang komprehensif tentang ciri-ciri struktur, prinsip kerja dan status aplikasi surfaktan. Surfaktan boleh mengurangkan tegangan permukaan air dengan berkesan, menyerap molekul surfaktan dengan kuat pada pelbagai antara muka lain dan selalunya mempunyai tahap penjerapan berarah tertentu. Penjerapan berarah inilah yang membolehkan surfaktan mempunyai pelbagai fungsi seperti pengemulsian, penyahmulsian, pembuih, penyebaran, pembekuan dan pembasahan. Pengemulsi asfalt berfungsi dengan menggunakan kesan pengemulsian surfaktan. Sama ada dari perspektif prestasi ekonomi atau perlindungan alam sekitar, pembinaan sejuk pasti akan menjadi trend penting dalam pembangunan kejuruteraan lebuh raya pada abad ke-21, dan pengemulsi adalah teras teknologi ini. Penyelidikan dan peningkatan prestasi pengemulsi pasti akan memberi impak yang mendalam terhadap pembinaan sejuk.
Masa siaran: 31 Mac 2026