Toepassing van oppervlakteactieve stoffen in de wegenbouw

Oppervlakteactieve stoffen (ook wel surfactanten genoemd) zijn onmisbare chemische hulpstoffen in de ontwikkeling van industrie en landbouw, met als voordeel dat met een kleine dosering aanzienlijke resultaten worden behaald. Vooral na de Tweede Wereldoorlog, met de ontwikkeling van de petrochemische industrie, heeft de snel opkomende synthetische surfactantindustrie de toepassing van surfactanten in diverse sectoren verder bevorderd, zoals de aardolie-, textiel-, pesticiden-, medische, metallurgie-, mijnbouw-, machinebouw-, bouw-, wegenbouw-, luchtvaart-, voedingsmiddelen-, milieubeschermings-, was- en verfindustrie, enzovoort. Dit artikel richt zich op de toepassing van surfactanten als asfaltemulgatoren in de wegenbouw.

1. Definitie vanOppervlakteactieve stoffen

Men heeft in de praktijk ontdekt dat oplossingen van bepaalde stoffen de oppervlakte-eigenschappen van oplosmiddelen aanzienlijk kunnen veranderen, zelfs bij zeer lage concentraties. Hierdoor zijn ze geschikt voor specifieke productievereisten, zoals het verlagen van de oppervlaktespanning of grensvlakspanning van het oplosmiddel, het verhogen van de bevochtigbaarheid, reinigende werking, emulgerende en schuimvormende eigenschappen, enzovoort. Zeep, dat veelvuldig in het dagelijks leven wordt gebruikt, is een voorbeeld van zo'n stof. Een opvallende eigenschap van stoffen zoals zeep is dat een kleine hoeveelheid ervan in water de oppervlaktespanning van water sterk kan verlagen.

Met de vooruitgang van wetenschap en technologie en de ontwikkeling van de productie is er diepgaand onderzoek gedaan naar de eigenschappen en functies van dergelijke stoffen, wat heeft geleid tot een relatief precieze definitie van oppervlakteactieve stoffen. Een oppervlakteactieve stof is namelijk een chemische stof die de oppervlaktespanning (of vloeistof-vloeistof grensvlakspanning) van een oplosmiddel (meestal water) bij zeer lage concentraties aanzienlijk kan verlagen, de oppervlaktestatus van het systeem kan veranderen en daardoor een reeks effecten teweegbrengt, zoals bevochtiging en anti-bevochtiging, emulgering en demulgering, dispersie en coagulatie, schuimvorming en ontschuiming, en solubilisatie.

2. Structurele kenmerken van oppervlakteactieve stoffen

Oppervlakteactieve moleculen bestaan ​​uit twee delen met compleet verschillende eigenschappen: een lipofiele groep (ook wel hydrofobe groep genoemd) die een affiniteit heeft voor olie, en een hydrofiele groep (ook wel oleofobe groep genoemd) die een affiniteit heeft voor water. Deze structurele eigenschap van oppervlakteactieve stoffen zorgt ervoor dat, wanneer ze in water oplossen, de hydrofiele groepen worden aangetrokken door watermoleculen, terwijl de lipofiele groepen worden afgestoten door watermoleculen. Om deze instabiele toestand te overwinnen, moeten ze het vloeistofoppervlak bezetten, waarbij de lipofiele groepen zich naar de atmosfeer uitstrekken en de hydrofiele groepen zich in het water uitstrekken.

Hoewel oppervlakteactieve moleculen structureel amfifiel zijn, zijn niet alle amfifiele moleculen oppervlakteactieve stoffen. Alleen amfifiele stoffen met een voldoende lang lipofiel deel zijn oppervlakteactieve stoffen.

In de reeks natriumzouten van vetzuren hebben verbindingen met een klein aantal koolstofatomen (zoals natriumformiaat, natriumacetaat, natriumpropionaat, natriumbutyraat, enz.) bijvoorbeeld allemaal lipofiele en hydrofiele groepen en bezitten ze oppervlakteactiviteit, maar ze functioneren niet als zeep en kunnen daarom geen oppervlakteactieve stoffen worden genoemd. Pas wanneer het aantal koolstofatomen tot een bepaalde mate toeneemt, vertonen natriumvetzuren duidelijke oppervlakteactiviteit en bezitten ze de algemene eigenschappen van zeep. De meeste natuurlijke dierlijke en plantaardige oliën en vetten zijn vetzuuresters met 10 tot 18 koolstofatomen. Als deze zuren worden gecombineerd met een hydrofiele groep, worden het oppervlakteactieve stoffen met een zekere mate van lipofiliteit en hydrofiliteit, en hebben ze een goede oplosbaarheid.

3. Toepassing van oppervlakteactieve stoffen inWegbouwkunde

3.1.Oppervlakteactieve stoffen enasfaltemulgatoren

Asfaltemulgator is een type oppervlakteactieve stof. Emulgatoren en detergenten delen eigenschappen zoals adsorptievermogen, oriëntatie, het vermogen om colloïdale ionen te vormen en het vermogen om de grensvlakspanning te verlagen. Als emulgator moet het echter ook filmvormende eigenschappen bezitten. Vooral voor asfaltemulgatoren is het belangrijk dat ze alkanen met een geschikte koolstofketen bevatten om beter met asfalt te kunnen emulgeren.

3.2.Classificatie van asfaltemulgatoren

Emulgatoren worden ingedeeld in ionische en niet-ionische typen, afhankelijk van of de hydrofiele groepen van de emulgatormoleculen ladingen dragen wanneer de emulgatoren in water zijn opgelost. Ionische emulgatoren worden verder onderverdeeld in kationische, anionische en amfotere ionische typen vanwege de verschillen in de ladingen die hun hydrofiele groepen dragen na ionisatie in water.

De grondstoffen voor anionische asfaltemulgatoren zijn goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar, en het productieproces is eenvoudig. Daarom was anionisch geëmulgeerd asfalt het vroegst geproduceerde type, dat over het algemeen een gemiddelde uithardingstijd heeft, hoewel er ook enkele langzame varianten bestaan. Het kan worden gebruikt voor het afdichten van slurry, penetratie, oppervlaktebehandeling, enzovoort. Hoewel anionische emulgatoren een prijsvoordeel hebben, hebben ze een grote invloed op de oorspronkelijke eigenschappen van het asfalt en kunnen er tijdens het bouwproces veel problemen ontstaan. Daarom is het bij de toepassing ervan noodzakelijk om de algehele effecten van kosten, bouwresultaat en bouwkwaliteit in overweging te nemen.

Cationische emulgatoraHoewel het relatief laat is ontwikkeld, heeft de praktijk aangetoond dat het een betere hechting heeft aan diverse minerale materialen, met een snelle uithardingstijd, een hoge vroege sterkte en een lage dosering. Het benut niet alleen de voordelen van anionische emulgatoren, maar compenseert ook hun tekortkomingen, waardoor het sinds de ontwikkeling ervan veel aandacht heeft gekregen. Kationische asfaltemulgatoren kennen een grote verscheidenheid aan typen en verschillende classificatiemethoden. Ze worden meestal geclassificeerd op basis van hun chemische structuur, en de meest voorkomende zijn onder andere alkylaminen, quaternaire ijzerzouten, lignineaminen en imidazolinen.

Zwitterionische emulgatormoleculen bevatten zowel zure als basische groepen en vormen gemakkelijk "interne zouten". Een kenmerk van waterige oplossingen van zwitterionische emulgatoren is dat hun elektrische lading verandert met variaties in de pH-waarde. Ze hebben een sterk vermogen om calcium te dispergeren in hard water en een goede compatibiliteit met andere soorten emulgatoren, maar hun prijs is relatief hoog.

De meeste niet-ionische emulgatoren worden verkregen door de reactie van ethyleenoxide met verbindingen die actieve waterstof bevatten (zoals fenolen, alcoholen, carbonzuren, aminen, enz.). Hun activiteit hangt niet alleen samen met de hydrofobe alkylgroepen, maar ook met de lengte van de polyoxyethyleenketens. Ze bezitten een hoge oppervlakteactiviteit, stabiliteit en een goed emulgerend vermogen, vertonen een goede compatibiliteit met andere emulgatoren en hun additieven, en hebben een zeker chelerend effect op metaalionen. Hun activiteit is onafhankelijk van de pH-waarde van de oplossing, en de emulsie die gevormd wordt bij de fase-inversietemperatuur (PIT) is het meest stabiel.

3.3.Het werkingsprincipe van asfaltemulgatoren

Wanneer de concentratie van de emulgator extreem laag is, zijn er zeer weinig emulgatormoleculen aanwezig. Aan het grensvlak tussen lucht en water is het onmogelijk dat een groot aantal emulgatormoleculen zich ophoopt. Aan het oppervlak is er vrijwel nog steeds direct contact met lucht en water, waardoor de oppervlaktespanning vrijwel onveranderd blijft en nog steeds dicht bij de oppervlaktespanning van zuiver water ligt.

Wanneer de concentratie van de emulgator voldoende toeneemt, verzamelen de emulgatormoleculen zich snel aan het wateroppervlak, waardoor het contactoppervlak tussen lucht en water kleiner wordt en de oppervlaktespanning snel daalt.

Wanneer de concentratie van de emulgator verder toeneemt en een bepaalde waarde bereikt, hopen zich grote aantallen emulgatormoleculen op aan het oppervlak van de waterige oplossing. Deze moleculen vormen een monomoleculaire film die het oppervlak van de oplossing bedekt, waardoor de waterige oplossing volledig van de lucht wordt afgesloten en de oppervlaktespanning wordt gestabiliseerd. Als de concentratie van de emulgator nog iets verder wordt verhoogd, kunnen de emulgatormoleculen zich niet langer ophopen aan het wateroppervlak, maar vormen ze in plaats daarvan micellen of micellaire aggregaten met de lipofiele groepen naar binnen gericht en de hydrofiele groepen naar buiten gericht. De minimale concentratie waarbij micellen of micellaire aggregaten zich beginnen te vormen, wordt meestal de kritische micelconcentratie (CMC) genoemd.

Als de kritische micelconcentratie eenmaal is bereikt, zal de oppervlaktespanning niet langer afnemen als de concentratie van de emulgator verder toeneemt. Omdat er zich al een monomoleculaire film op het oppervlak heeft gevormd, hebben de emulgatormoleculen de neiging samen te smelten en dichter bij elkaar te komen, waardoor ze zich blijven samenvoegen tot micellen en het aantal micellen in de emulsie continu toeneemt.

De emulgering van asfalt is een belangrijk aspect van de emulgerende werking. Na toevoeging van een emulgator aan een olie-wateroplossing rangschikken de twee groepen van de emulgator zich in een bepaalde richting, waardoor de twee grensvlakken van olie en water met elkaar verbonden worden en ze elkaar niet meer afstoten. Na roeren en dispergeren kan het asfalt stabiel in water dispergeren in de vorm van fijne deeltjes.

Conclusie

Aan de hand van asfaltemulgatoren als voorbeeld, biedt dit artikel een uitgebreide introductie en analyse van de structurele kenmerken, werkingsprincipes en toepassingsstatus van oppervlakteactieve stoffen. Oppervlakteactieve stoffen kunnen de oppervlaktespanning van water effectief verlagen, oppervlakteactieve moleculen sterk adsorberen op diverse andere grensvlakken en vertonen vaak een zekere mate van gerichte adsorptie. Het is deze gerichte adsorptie die oppervlakteactieve stoffen in staat stelt meerdere functies te vervullen, zoals emulgering, demulgering, schuimvorming, dispersie, coagulatie en bevochtiging. Asfaltemulgatoren werken door gebruik te maken van het emulgerende effect van oppervlakteactieve stoffen. Zowel vanuit economisch oogpunt als vanuit milieuvriendelijk oogpunt zal koudbouw ongetwijfeld een belangrijke trend zijn in de ontwikkeling van de wegenbouw in de 21e eeuw, en emulgatoren vormen de kern van deze technologie. Onderzoek naar en verbetering van de prestaties van emulgatoren zal zeker een grote impact hebben op koudbouw.