Surfaktanter (også kjent som overflateaktive stoffer) er uunnværlige kjemiske hjelpestoffer i utviklingen av industri og landbruk, med fordelen av å oppnå betydelige resultater med små doser. Spesielt etter andre verdenskrig, med utviklingen av petrokjemisk industri, har den raskt voksende syntetiske overflateaktive industrien ytterligere fremmet bruken av overflateaktive stoffer innen ulike felt, som petroleum, tekstiler, plantevernmidler, medisinsk behandling, metallurgi, gruvedrift, maskineri, bygg og anlegg, veier, luftfart, mat, miljøvern, vasking og farging, etc. Denne artikkelen vil fokusere på å introdusere bruken av overflateaktive stoffer som asfaltemulgatorer i veiteknikk.
1. Definisjon avSurfaktanter
I langtidsproduksjon har man funnet ut at løsninger av enkelte stoffer kan endre overflateegenskapene til løsemidler betydelig, selv ved svært lave konsentrasjoner, noe som gjør dem egnet for visse produksjonskrav, som å redusere overflatespenningen eller grenseflatespenningen til løsemidlet, øke fuktbarheten, vaskeevnen, emulgerings- og skummingsegenskapene, osv. Såpe, som ofte brukes i dagliglivet, er et slikt stoff. En bemerkelsesverdig egenskap ved stoffer som såpe er at tilsetning av en liten mengde til vann kan redusere overflatespenningen til vannet betraktelig.
Med fremskrittene innen vitenskap og teknologi og utviklingen av produksjon har folk utført grundig forskning på egenskapene og funksjonene til slike stoffer og har gitt en relativt presis definisjon av overflateaktive stoffer. Det vil si at et overflateaktivt middel er et kjemisk stoff som kan redusere overflatespenningen (eller væske-væske-grensesnittspenningen) til et løsningsmiddel (vanligvis vann) betydelig ved svært lave konsentrasjoner, endre systemets overflatetilstand og dermed produsere en rekke effekter som fukting og anti-fukting, emulgering og demulgering, dispersjon og koagulering, skumming og skumdemping, og oppløselighet.
2. Strukturelle egenskaper til overflateaktive stoffer
Surfaktantmolekyler består av to deler med helt forskjellige egenskaper: den ene delen er den lipofile gruppen (også kjent som den hydrofobe gruppen) som har en affinitet for olje, og den andre delen er den hydrofile gruppen (også kjent som den oleofobe gruppen) som har en affinitet for vann. Denne strukturelle egenskapen til overflateaktive stoffer fører til at de hydrofile gruppene tiltrekkes av vannmolekyler når de løses opp i vann, mens de lipofile gruppene frastøtes av vannmolekyler. For å overvinne denne ustabile tilstanden må de okkupere væskeoverflaten, der de lipofile gruppene strekker seg inn i atmosfæren og de hydrofile gruppene strekker seg inn i vannet.
Selv om den strukturelle egenskapen til overflateaktive molekyler er at de er amfifile molekyler, er ikke alle amfifile molekyler overflateaktive stoffer. Bare amfifile stoffer med en tilstrekkelig lang lipofil del er overflateaktive stoffer.
For eksempel, i serien av fettsyrenatriumsalter, har forbindelser med et lite antall karbonatomer (som natriumformiat, natriumacetat, natriumpropionat, natriumbutyrat, etc.) alle lipofile og hydrofile grupper og har overflateaktivitet, men de fungerer ikke som såpe og kan derfor ikke kalles overflateaktive stoffer. Først når antallet karbonatomer øker til en viss grad, viser natriumfettsyrer tydelig overflateaktivitet og har de generelle egenskapene til såpe. De fleste naturlige animalske og plantebaserte oljer og fettstoffer er fettsyreestere som inneholder 10 til 18 karbonatomer. Hvis disse syrene kombineres med en hydrofil gruppe, vil de bli overflateaktive stoffer med en viss grad av lipofilisitet og hydrofilisitet, og ha god løselighet.
3. Påføring av overflateaktive stoffer iVeiteknikk
3.1.Surfaktanter ogasfalt emulgatorer
Asfaltemulgator er en type overflateaktivt middel. Emulgatorer og vaskemidler deler egenskaper som adsorpsjonsevne, orientering, evnen til å danne kolloidale ioner og evnen til å redusere grenseflatespenning. Som emulgator må den imidlertid også ha filmdannende egenskaper. Spesielt for asfaltemulgatorer må de ha alkaner med en passende karbonkjede for å emulgere bedre med asfalt.
3.2.Klassifisering av asfaltemulgatorer
Emulgatorer klassifiseres i ioniske og ikke-ioniske typer basert på om de hydrofile gruppene i emulgatormolekylene bærer ladninger når emulgatorene løses opp i vann. Ioniske emulgatorer er videre delt inn i kationiske, anioniske og amfotere ioniske typer på grunn av forskjellene i ladningene som bæres av deres hydrofile grupper etter ionisering i vann.
Råmaterialer for anioniske asfaltemulgatorer er billige og lett tilgjengelige, og produksjonsprosessen er enkel. Derfor var den tidligste produserte emulgerte asfalten anionisk emulgert asfalt, som vanligvis er av den middels herdende typen, og det finnes også noen langsomt herdende typer. Den kan brukes til slamforsegling, penetrering, overflatebehandling osv. Selv om anioniske emulgatorer har prisfordeler, har de stor innvirkning på asfaltens opprinnelige egenskaper, og mange problemer oppstår under byggeprosessen. Derfor er det nødvendig å vurdere de omfattende effektene av kostnad, konstruksjonseffekt og konstruksjonskvalitet når man bruker dem.
Cationisk emulgatoraSelv om det ble utviklet relativt sent, har praksis vist at det har bedre vedheft til ulike mineralmaterialer, med rask formingshastighet, høy tidlig styrke og lav dosering. Det gir ikke bare fordelene med anioniske emulgatorer, men kompenserer også for deres mangler, og har dermed tiltrukket seg mye oppmerksomhet siden utviklingen. Kationiske asfaltemulgatorer finnes i et bredt utvalg av typer og forskjellige klassifiseringsmetoder. De klassifiseres vanligvis i henhold til deres kjemiske strukturer, og de vanligste inkluderer hovedsakelig alkylaminer, kvaternære jernsalter, ligninaminer, imidazoliner, etc.
Zwitterioniske emulgatormolekyler inneholder både sure og basiske grupper, og de danner lett «indre salter». Et kjennetegn ved vandige løsninger av zwitterioniske emulgatorer er at deres elektriske ladning endres med variasjoner i pH-verdi. De har sterk kalsiumdispersjonsevne i hardt vann og god kompatibilitet med andre typer emulgatorer, men prisen er relativt høy.
De fleste ikke-ioniske emulgatorer oppnås ved reaksjon av etylenoksid med forbindelser som inneholder aktivt hydrogen (som fenoler, alkoholer, karboksylsyrer, aminer, etc.). Aktiviteten deres er ikke bare relatert til de hydrofobe alkylgruppene, men også til lengden på polyoksyetylenkjedene. De har høy overflateaktivitet, stabilitet og god emulgeringsevne, viser god kompatibilitet med andre emulgatorer og deres tilsetningsstoffer, og har en viss chelaterende effekt på metallioner. Aktiviteten deres er uavhengig av løsningens pH-verdi, og emulsjonen som dannes ved faseinversjonstemperaturen (PIT) er den mest stabile.
3.3.Virkningsprinsippet for asfaltemulgatorer
Når konsentrasjonen av emulgatoren er ekstremt lav, er det svært få emulgatormolekyler. I grenseflaten mellom luft og vann er det umulig for et stort antall emulgatormolekyler å akkumuleres. På overflaten er den nesten fortsatt i direkte kontakt med luft og vann, og overflatespenningen forblir nesten uendret, fortsatt nær overflatespenningen til rent vann.
Når konsentrasjonen av emulgatoren øker tilsvarende, samles emulgatormolekylene raskt på vannoverflaten, noe som reduserer kontaktarealet mellom luft og vann, og dermed fører til at overflatespenningen faller raskt.
Når konsentrasjonen av emulgatoren øker ytterligere og når en viss verdi, akkumuleres et stort antall emulgatormolekyler på overflaten av den vandige løsningen, og danner en monomolekylær film som dekker overflaten av løsningen, som fullstendig isolerer den vandige løsningen fra luften og stabiliserer overflatespenningen. Hvis konsentrasjonen av emulgatoren økes litt ytterligere, kan emulgatormolekylene ikke lenger akkumuleres på vannoverflaten, men i stedet selvsamles til miceller eller micellære aggregater med de lipofile gruppene pekende innover og de hydrofile gruppene pekende utover. Minimumskonsentrasjonen der miceller eller micellære aggregater er i ferd med å begynne å dannes kalles vanligvis kritisk micellekonsentrasjon (CMC).
Etter at den kritiske micellekonsentrasjonen er nådd, vil overflatespenningen ikke lenger synke hvis konsentrasjonen av emulgatoren fortsetter å øke. Siden en monomolekylær film allerede har dannet seg på overflaten, har emulgatormolekylene en tendens til å smelte sammen og bevege seg nærmere hverandre, og fortsette å aggregere til miceller, noe som fører til at antallet miceller i emulsjonen øker kontinuerlig.
Emulgering av asfalt er et viktig aspekt ved emulgeringsvirkningen. Etter å ha tilsatt en emulgator til en olje-vann-løsning, arrangerer de to gruppene i emulgatoren seg i en retningsbestemt måte, og forbinder de to grensesnittene mellom olje og vann, og forhindrer dermed at de frastøter hverandre. Etter omrøring og dispergering kan asfalt stabilt dispergere seg i vann i form av fine partikler.
Konklusjon
Med asfaltemulgatorer som eksempel gir denne artikkelen en omfattende introduksjon og analyse av de strukturelle egenskapene, arbeidsprinsippene og anvendelsesstatusen til overflateaktive stoffer. Overflateaktive stoffer kan effektivt redusere overflatespenningen til vann, sterkt adsorbere overflateaktive molekyler på forskjellige andre grensesnitt, og har ofte en viss grad av retningsbestemt adsorpsjon. Det er denne retningsbestemte adsorpsjonen som gjør at overflateaktive stoffer kan ha flere funksjoner som emulgering, demulgering, skumming, dispersjon, koagulering og fukting. Asfaltemulgatorer fungerer ved å utnytte den emulgerende effekten av overflateaktive stoffer. Enten fra et økonomisk ytelses- eller miljøvernperspektiv, vil kaldkonstruksjon være en viktig trend i utviklingen av veiteknikk i det 21. århundre, og emulgatorer er kjernen i denne teknologien. Forskning og forbedring av emulgatorers ytelse vil garantert ha en betydelig innvirkning på kaldkonstruksjon.
Publisert: 31. mars 2026