Разработка составов эмульгаторов водо-битумных эмульс Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 665.775.5+66.063.612 + 661.185.232

В. М. Бабаев, Г. Ю. Климентова, В. Ю. Маврин РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ЭМУЛЬГАТОРОВ ВОДО-БИТУМНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Ключевые слова: водо-битумная эмульсия, эмульгатор, ПАВ.

Взаимодействием галоидных алкилов с аминоспиртами получены четвертичные аммониевые соединения. Исследованы их эмульгирующие свойства при приготовлении водо-битумных эмульсий. Найдены образцы, которые образуют устойчивые водо-битумные эмульсии классов ЭБК-3,ЭБК-2, обладающих адгезией 4 балла. Определены физико-механические свойства остатка после испарения воды из эмульсии.

Keywords: water-bitumen emulsion, emulsifier, surface-active material.

Quaternary ammonium compounds were synthesized by interaction alkyl halides with amino alcohols. Their emulsifying properties was investigated. The patterns that form stable water-bitumen emulsion classes of EBK-3, EBK-2, adhesion with 4 points was found. The physical and mechanical properties of the residue after the evaporation of water from the emulsion was determined.

В мировой практике дорожного строительства производятся и используются главным образом эмульсии катионного вида, как наиболее универсальные и обеспечивающие достаточную адгезию вяжущего к поверхности минеральных материалов кислой и основной природы [1]. Поиск эффективных эмульгирующих агентов битумных эмульсий остается актуальной и в настоящее время. Широкое практическое применение для приготовления водо-битумных эмульсий находят катионные ПАВ. Отечественная промышленность выпускается ограниченный ассортимент катионных ПАВ, многие из которых, обладая высокой эмульгирующей эффективностью, не являются промоторами адгезии.

Учитывая литературные данные и ассортимент продуктов, полупродуктов химических и нефтехимических предприятий, в качестве катионных ПАВ были исследованы четвертичные аммониевые соединения, которые были получены тремя путями.

Первый путь - взаимодействие галогеналканов с триэтаноламином. В качестве исходных реагентов для получения галогеналканов были использованы высшие жирные спирты производства «Уфанефтехим». Получение галогеналканов (I) протекало по схеме:

ЗСпН2п+10Н + РХ3-----------— СпН2п+1Х+ Р(ОН)3

1а-г

где а) п = 12-14, X = Вг; б) п = 12-14, X = С1; в) п = 12-18, X = С1; г) п = 16-20, X = Вг.

Смешение реагентов производили в течение 10 минут постепенным прибавлением трибромида (трихлорида) фосфора к высшим жирным спиртам, при этом наблюдался небольшой (до 40оС) экзоэффект. Реакцию проводили в среде аргона при перемешивании и медленном нагревании (от 100 до 250оС). По мере протекания реакции осуществлялась отгонка продукта при пониженном давлении. Температуру реакционной смеси контролировали по скорости отгонки галогеналкана.

Следующий этап синтеза - это вовлечение полученных галогеналканов, а также индивидуального бромдодекана во взаимодействие с этаноламинами: триэтаноламином марки «ч» и техническим триэтаноламином марки «А», являющимся кубовым остатком производства моноэтаноламина на ОАО «Казаньоргсинтез».

Взаимодействие бромалканов с триэтаноламином протекало по следующей схеме:

(HOCH2CH2)3N

217

где п = 12 (а); п = 12-14 (б); п = 16-20 (в).

Особенностью реакции галогеналканов с техническим триэтаноламином является образование сложной смеси продуктов (II), так как технический триэтаноламин включает в свой состав моно-, ди- и триэтаноламин.

Реакцию проводили в среде кипящего этилового спирта, контролируя время взаимодействия по тонкослойной хроматографии (элюент - ацетон). По окончании реакции растворитель удаляли, продукт сушили в вакууме водоструйного насоса до постоянного веса. Выхода продуктов составляли 82 -93%. Полученные соли представляют собой твердые воскообразные вещества хорошо растворимые в воде. Структура продуктов была подтверждена с использованием ИК-спектроскопии, масс-спектрометрии и данными элементного анализа.

Второй путь - получение ПАВ через оксиэтилированные жирные амины (оксамины), являющиеся продуктами взаимодействия первичных жирных аминов и оксида этилена, синтезированных на ОАО «Казаньоргсинтез». Взаимодействие протекало по схеме:

СН2СН2ОН

Н2т+-|Ст N

,СН2СН2ОН

чсн2сн2он

©

где п = 12-14, m = 8-12.

Реакцию проводили в среде кипящего о-ксилола, контролируя время взаимодействия по тонкослойной хроматографии (элюент - ацетон). По окончании реакции растворитель удаляли, продукт сушили в вакууме водоструйного насоса до постоянного веса. Выход составил 78%. Полученный продукт представляет собой воскообразное вещество (Тпл. 55-60°С) темного цвета хорошо растворимое в воде.

Третий путь - получение четвертичного аммониевого соединения конденсацией эпи-хлоргидрина с третичными аминами, которые получали взаимодействием смеси муравьиной кислоты и формалина с первичными аминами, являющимися продуктами производства Берез-няковского ОАО «Азот». Далее третичные амины смешивали с соляной кислотой и при температуре 40-45°С проводили реакцию с эпихлоргидрином (1час). Реакции протекают по следующим схемам:

РМН

РМ(СН3)2

КЫ(СН3)2

к-г\|—сн2-сн-сн2

СН3

где R = С1oH21-С14Н29

После подщелачивания реакционной смеси, из органического слоя выделяли продукт (IV) и сушили до постоянного веса в вакууме водоструйного насоса.

Синтезированные вещества были испытаны в качестве эмульгаторов для приготовления водо-битумных эмульсий (ВБЭ). Для приготовления ВБЭ использовали наиболее широко потребляемый битум марки БНД 90/130 производства ОАО «Уфанефтехим». ВБЭ готовили на лабораторной битумно-эмульсионной машине ЛЭМ-1, куда загружали рассчитанное количество водной (содержащей эмульгатор) и битумной фаз.

Полученные продукты эмульгировали битум с образованием эмульсий различной устойчивости. Отмечено, что длина углеводородного радикала оказывает влияние на устойчивость ВБЭ, так продукт (11а, Я=С12) образует эмульсию, устойчивость которой менее трех суток; увеличение длины алкильной цепи на один- два атома углерода (11б) приводит к образо-

ванию ВБЭ с устойчивостью более семи суток. Дальнейшее увеличение длины углеводородной цепи радикала не оказывает положительного эффекта. Таким образом, оптимальным вариантом является соединение, где углеводородный радикал содержит 12-14 атомов углерода. Следует отметить, что продукт (II), имеющий в своем составе производные моно- и диэтано-ламина, обладает меньшей стабилизирующей способностью по сравнению с производными триэтаноламина. На примере продукта (IV) показано, что устойчивость эмульсий можно повысить увеличением концентрации в них эмульгатора.

При исследовании эмульгирующих свойств синтезированных соединений при приготовлении ВБЭ было установлено, что алкилтрис(2-гидроксиэтил)аммоний бромид (Пб) в концентрации 0,5% и алкилдиметил(оксиранилметил)аммоний хлорид (IV) в концентрации 1% образуют устойчивые ВБЭ при соотношении битумная фаза : водная фаза 1:1, отнесенные к классам ЭБК-3 и ЭБК-2 соответственно, обладающие адгезией 4 балла. Образцы ВБЭ эмульсий показали хорошее сцепление вяжущего с минеральными материалами.

Проведена оценка физико-механических свойств остатков после испарения воды из устойчивой эмульсии. Образцы имеют довольно высокие значения температуры размягчения, что является показателем высокой прочности материалов, получаемых при использовании указанных вяжущих. Однако, растяжимость и пенетрация образцов не соответствуют установленным требованиям, что вероятно повлечет за собой неудовлетворительную эластичность и хрупкость образцов. Данные показатели могут быть улучшены при использовании менее вязких битумов для приготовления ВБЭ.

Таким образом, установлено, что представленные функциональнозамещенные аммониевые соединения, содержащие в своем составе длинноцепочечные алифатические радикалы, могут быть рекомендованы в качестве эмульгаторов водо-битумных эмульсий.

Литература

1. Муллахметов, Н.Р. Перспективы применения органического вяжущего / Н.Р. Муллахметов, [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. -2010 .- №7.- 216-217.

© В. М. Бабаев - асп. каф. ТООНС КГТУ, [email protected]; Г. Ю. Климентова - канд. хим. наук, доцент той же кафедры, [email protected]; В. Ю. Маврин - канд. хим. наук, доцент той же кафедры.