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一种含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂、乳化沥青及其制备方法与应用

2021-02-01 10:42:36

一种含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂、乳化沥青及其制备方法与应用

  技术领域

  本发明涉及精细化工技术领域,具体涉及一种含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂、乳化沥青及其制备方法与应用。

  背景技术

  公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

  目前国内外阳离子型沥青乳化剂主要品种有:有机胺类、季铵盐类、咪唑啉类、酰胺类等,随着阳离子乳化沥青的应用,沥青乳化剂的品种也逐渐丰富。

  安磊等人通过不同的多乙烯多胺和不同的酸混合反应制备了混合酰胺型沥青乳化剂,并对沥青乳化性能进行测试,结果表明制备的沥青乳化剂属于慢裂快凝型乳化剂,并且混合类沥青乳化剂比单一类沥青乳化剂乳化效果好[安磊,崔巍,王宝彗,王冬美.混合多乙烯多胺型沥青乳化剂的合成及其性能测试.中国高新技术企业,2011,(31):58-59]。郭彦强等人从分子结构设计出发制备了脂肪酰胺沥青乳化剂。通过对性能测试实验,观察沥青的乳化情况及新制备乳化沥青的拌和性能,来研究所合成沥青乳化剂的性能。结果表明所研制的乳化剂可以很好的将SK-90沥青进行乳化,制备出的乳化沥青具有分散性好的特点[郭彦强,韩瑞民,弥海晨,弓锐.脂肪酰胺阳离子沥青乳化剂的合成及性能.公路,2014,59(11):193-196]。王冬美等人采用三乙烯四胺,硬脂酸和瓜子油脂肪酸合成了一种混合酰胺型阳离子沥青乳化剂,通过正交实验优化了合成沥青乳化剂的工艺条件。通过性能测试,结果表明所制备的沥青乳化剂为慢裂快凝型沥青乳化剂,具有乳化性能好、用量少、与集料粘附力强、适应性强、附着速度快、储存稳定性好等特点[王冬美,安磊,张建中,崔巍,许云峰,佟天宇.一种酰胺类阳离子沥青乳化剂的合成及应用.石油化工高等学校学报,2015,28(1):16-19]。

  但是,发明人发现,这些方法的缺点是合成工艺中需要高温反应,反应步骤较繁琐,原料来源受到限制,对生产实验设备要求较高。

  发明内容

  因此,针对上述阳离子型沥青乳化剂及其制备方法存在的不足,即合成工艺中需要高温反应,反应步骤较繁琐,原料来源受到限制,对生产实验设备要求较高的问题,本发明的目的在于提供一种生产成本低、工艺简单、不需要高温反应的含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂及其制备方法。

  为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

  在本发明的第一方面,提供一种含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂,其具有式X所示的分子结构通式,式X为:

  其中,R为-NH(CH2CH2NH)m-H、-NHCH2CH2OH,m=1、2、3。

  根据本发明所述的含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂,其可以选自以下结构:

  

  在本发明的第二方面,提供一种第一方面所述含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的制备方法,包括以下步骤:

  (1)将妥尔油脂肪酸、醇类溶剂和环氧氯丙烷混合反应,得到反应中间体I,所述反应中间体I的结构式为

  (2)向反应中间体I中再逐渐加入多胺类化合物,混合反应,得到反应中间体II,所述反应中间体II的结构通式为

  

  其中,R为-NH(CH2CH2NH)m-H、-NHCH2CH2OH,m=1、2、3,所述多胺类化合物为四乙烯五胺、三乙烯四胺、N-氨乙基哌嗪、β-羟乙基乙二胺或二乙烯三胺;

  (3)将三甲胺水溶液、盐酸和环氧氯丙烷混合反应,得到反应中间体III;

  (4)向反应中间体II中再逐渐加入反应中间体III,混合反应,即得到含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂。

  在本发明的第三方面,提供一种第一方面所述含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂在制备乳化沥青的应用,尤其是,本发明提供了上述第一方面中所述的季铵盐多胺两性型沥青乳化剂在制备慢裂型阳离子乳化沥青中的应用。

  在本发明的第四方面,提供一种阳离子乳化沥青的制备方法,包括如下步骤:

  将上述第一方面中所述的沥青乳化剂加水配制成水溶液,用工业盐酸调节pH值至2-3,加热至60-70℃,制得皂液;将加热后的沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出阳离子乳化沥青;其中,沥青乳化剂的用量为制备的乳化沥青总质量的1.0-3.0%。

  在本发明的第五方面,本发明保护上述第四方面中所述的制备方法制备得到的阳离子乳化沥青。

  本发明的具体实施方式具有以下有益效果:

  (1)本发明的具体实施方式中原料中通过加入多胺类化合物,使得本发明制备得到的沥青乳化剂分子的亲水性较大;环氧氯丙烷和妥尔油脂肪酸的加入,使制备得到的沥青乳化剂分子具有含酯基多胺季铵盐化学结构,增强了沥青乳化剂分子的电荷强度。

  本发明的沥青乳化剂结构式中含有的亲水基较多,羟基、胺基、季铵盐和酯基,使得界面膜、水合层和界面电荷层都相应的增强,提高了乳液的稳定性。

  (2)本发明的具体实施方式中采用特定的原料三甲胺、多胺类化合物、环氧氯丙烷和妥尔油脂肪酸,生成具有一定HLB值的沥青乳化剂,采用本发明制备的含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂具有很好的乳化性能,制备得到的乳化沥青的性能指标优良,可乳化多种不同型号的沥青,制备的乳化沥青细腻均匀,具有良好的集料裹附性和储存稳定性。制得的乳化沥青按中国交通部制订的阳离子乳化沥青行业标准(JTJ052-2000)进行检测,性能满足要求。适用于公路稀浆封层和微表处等施工,具有慢裂沥青乳化剂的特性。

  (3)本发明的具体实施方式中含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的主原料妥尔油脂肪酸相对于目前的阳离子型沥青乳化剂所用的原料便宜、来源广泛,可生物降解,沥青乳化剂生产成本低。

  (4)现有技术中酰胺基胺类乳化剂反应温度一般控制在140~180℃,而本发明的具体实施方式中含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的制备方法工艺简单、不需要高温反应,降低能耗。

  具体实施方式

  应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

  需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、组件和/或它们的组合。

  本发明实施例中所用到的原料、试剂均为常规化学产品,均能通过市场购买得到。

  为了丰富沥青乳化剂的种类,本发明的一种实施方式中,提供了一种含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂,其分子结构通式为:

  其中,R为-NH(CH2CH2NH)m-H、-NHCH2CH2OH,m=1、2、3。

  该含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的结构将羟基、胺基、季铵盐和酯基亲水基团以一定的基团形式有效结合起来,再加之合适的碳链结构和其他亲油基团,共同形成这一新型结构的沥青乳化剂。

  本发明的一种实施方式中,提供了一种含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂制备方法,包括以下步骤:

  (1)将妥尔油脂肪酸、醇类溶剂和环氧氯丙烷混合反应,得到反应中间体I,所述反应中间体I的结构式为

  (2)向反应中间体I中再逐渐加入多胺类化合物,混合反应,得到反应中间体II,所述反应中间体II的结构通式为

  其中,R为-NH(CH2CH2NH)m-H、-NHCH2CH2OH,m=1、2、3,所述多胺类化合物为四乙烯五胺、三乙烯四胺、N-氨乙基哌嗪、β-羟乙基乙二胺或二乙烯三胺;

  (3)将三甲胺水溶液、盐酸和环氧氯丙烷混合反应,得到反应中间体III;

  (4)向反应中间体II中再逐渐加入反应中间体III,混合反应,即得到含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂。

  在本发明一些优选的实施方式中,妥尔油脂肪酸、醇类溶剂、环氧氯丙烷、多胺类化合物、三甲胺水溶液、盐酸和环氧氯丙烷的摩尔比为1mol:(1.50-4.50)mol:(1.00-1.10)mol:(1.00-1.10)mol:(1.05-1.15)mol:(1.05-1.15)mol:(1.00-1.10)mol。

  经过大量实验验证与分析,上述摩尔比例的各原料使得本发明制备得到的含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的性能较理想,不合适的配比关系的原料不能形成含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂。

  在本发明一些优选的实施方式中,所述妥尔油脂肪酸为针叶树木用硫酸盐法制纸浆的蒸煮废液得到的副产物,其来源广泛,可生物降解,以其作为原料生产沥青乳化剂具有成本低廉等特点。经过大量实验验证与分析,并根据本发明制得的含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的需要,选择上述妥尔油脂肪酸制得的沥青乳化剂的效果较好。

  在本发明一些优选的实施方式中,所述多胺类化合物为四乙烯五胺、三乙烯四胺、N-氨乙基哌嗪、β-羟乙基乙二胺或二乙烯三胺,经过大量实验验证与分析,并根据本发明制得的含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的需要,选择上述多胺类化合物制得的沥青乳化剂的效果较好。

  在本发明一些优选的实施方式中,所述醇类溶剂为乙醇或异丙醇,经过大量实验验证与分析,并根据本发明制得的含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的需要,选择上述醇类溶剂制得的沥青乳化剂的效果较好。

  在本发明一些优选的实施方式中,步骤(1)中,反应的温度为40-55℃,反应的时间为3-4h。

  在本发明一些优选的实施方式中,步骤(2)中,反应的温度为60-80℃,优选为65-75℃,反应的时间为2-3h。

  在本发明一些优选的实施方式中,步骤(3)中,反应的温度为45℃,反应的时间为2h。

  在本发明一些优选的实施方式中,步骤(4)中,反应的温度为60-80℃,优选为65-75℃,反应的时间为2-3h。

  在本发明一种较为具体的实施方式中,所述含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的制备方法,具体包括如下步骤:

  (1)将妥尔油脂肪酸加入到反应容器中,加入醇类溶剂,加热搅拌混合,再分批加入环氧氯丙烷,加入完毕后,在40-55℃搅拌反应3-4h,得到反应中间体I;

  (2)向反应中间体I中再逐渐加入多胺类化合物,加入完毕后,在60-80℃反应2-3h,得到反应中间体II;

  (3)将质量分数33%的三甲胺水溶液加入到反应容器中,逐渐加入质量分数30%的工业盐酸,加入完毕后,再逐渐加入环氧氯丙烷,加入完毕后,在45℃搅拌反应2h,得到反应中间体III;

  (4)向反应中间体II中再逐渐加入反应中间体III,加入完毕后,在60-80℃反应2-3h,即得到含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂。

  本发明的一种实施方式中,提供了上述含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂在制备乳化沥青中的应用。

  在本发明一些优选的实施方式中,提供了上述含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂在制备慢裂型阳离子乳化沥青中的应用。

  本发明以多胺类化合物作为沥青乳化剂的反应原料,在沥青乳化剂的分子结构中通过加入多胺类化合物引入了胺基,增加了沥青乳化剂的亲水性,以及乳化剂与沥青的相容性。另外,综合考虑碳链长度对于沥青乳化剂的HLB值(亲水/亲油平衡值)和CMC(临界胶束浓度)的影响,选择以妥尔油脂肪酸、环氧氯丙烷和三甲胺作为反应的原料,使制备的沥青乳化剂的HLB值在最佳范围以内,提高了对沥青的乳化性能。

  针对本发明中的含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂,本发明的一种实施方式中还提供一种阳离子乳化沥青的制备方法,包括如下步骤:沥青乳化剂的用量为制备的乳化沥青总质量的1.0-3.0%,将上述沥青乳化剂加水配制成水溶液,用工业盐酸调节pH值至2-3,加热至60-70℃,制得皂液;将加热后的沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出阳离子乳化沥青。

  本发明的一种实施方式中,提供了上述阳离子乳化沥青的制备方法制备得到的阳离子乳化沥青。

  为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案,以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。

  实施例1

  (1)含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的制备:

  1)在反应器中加入282.5g妥尔油脂肪酸,100g异丙醇,加热搅拌混合。55℃下逐渐加入95.2g环氧氯丙烷,加完后在55℃搅拌反应3h,得到反应中间体I;

  反应如下:

  

  所合成反应中间体I的红外谱图分析结果如下:3010cm-1为环氧基团C-H和双键C=C-H的伸缩振动吸收峰的叠加峰,2926cm-1为亚甲基的非对称伸缩振动吸收峰,2856cm-1为亚甲基的对称伸缩振动收峰,1711cm-1为C=O双键的伸缩振动吸收峰,1648cm-1为C=C双键伸缩振动吸收峰,1460cm-1为亚甲基的非对称弯曲振动,1411cm-1为甲基的非对称弯曲振动,1285cm-1为环氧基团伸缩振动吸收峰,1096cm-1为C-H的面内弯曲振动吸收峰,935cm-1为环氧基团伸缩振动吸收峰,720cm-1为亚甲基面内摇摆振动吸收峰,无755cm-1附近的C-Cl伸缩振动吸收峰。

  2)向反应中间体I中再逐渐加入191.2g四乙烯五胺,加入完毕后,在70℃反应2h,得到反应中间体II;反应如下:

  

  所合成反应中间体II的红外谱图分析结果如下:3404cm-1为O-H的伸缩振动吸收峰,3268cm-1为N-H的伸缩振动吸收峰,3011cm-1为C=C-H的伸缩振动吸收峰,2921cm-1为亚甲基的非对称伸缩振动吸收峰,2850cm-1为亚甲基的对称伸缩振动收峰,1735cm-1为C=O双键的伸缩振动,1639cm-1为C=C双键伸缩振动吸收峰,1554cm-1为N-H的变形振动吸收峰,1458cm-1为亚甲基的非对称弯曲振动,1400cm-1为甲基的非对称弯曲振动,1309cm-1为C-OH的伸缩振动吸收峰,1108cm-1为C-H的面内弯曲振动吸收峰,922cm-1为C(OH)-H的弯曲振动吸收峰,722cm-1为亚甲基面内摇摆振动吸收峰。

  3)在另一反应器中加入193.1g三甲胺水溶液(质量分数33%),逐渐加入131.2g工业盐酸(质量分数30%),再逐渐加入97.1g环氧氯丙烷,加完后在45℃搅拌反应2h,得到反应中间体III;

  反应如下:

  

  4)向反应中间体II中再逐渐加入反应中间体III,加入完毕后,在70℃反应2h,即得到含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂,留作乳化沥青试验;

  反应如下:

  

  所合成产物含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的红外谱图分析结果如下:3416cm-1为O-H的伸缩振动吸收峰,3262cm-1为N-H的伸缩振动吸收峰,2926cm-1为亚甲基的非对称伸缩振动吸收峰,2856cm-1为亚甲基的对称伸缩振动收峰,1718cm-1为C=O双键的伸缩振动吸收峰,1642cm-1为C=C双键的伸缩振动吸收峰,1551cm-1为N-H的变形振动吸收峰,1474cm-1为亚甲基的非对称弯曲振动,1411cm-1为甲基的非对称弯曲振动,1300cm-1为C-OH的伸缩振动吸收峰,1096cm-1为C-H的面内弯曲振动吸收峰,963cm-1为C(OH)-H的弯曲振动吸收峰,916cm-1为亚甲基面外弯曲振动吸收峰,713cm-1为亚甲基面内摇摆振动吸收峰。

  (2)乳化沥青的制备:

  取AH-90#沥青300g,加热至125℃,将10.0g本实施例制备的沥青乳化剂加入到200g水中,用工业盐酸调节pH值至2-3,加热至65℃,制得皂液。将沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出阳离子型乳化沥青。

  (3)乳化沥青性能检测:

  制得的乳化沥青按中国交通部制订的阳离子乳化沥青行业标准(JTJ052-2000)进行检测,结果如下:本实施例制备的乳化沥青均匀、细腻,沥青含量为56%,筛上剩余量为0.04%,与矿料裹覆面积大于2/3,电荷为阳离子;采用拌和料进行拌和并加SBR改性胶乳,其可拌和时间大于2分钟。表明该乳化剂制备的沥青乳液为慢裂型阳离子乳化沥青,沥青乳化剂为慢裂型。

  实施例2

  (1)含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的制备:

  1)在反应器中加入282.5g妥尔油脂肪酸,100g异丙醇,加热搅拌混合。50℃下逐渐加入95.2g环氧氯丙烷,加完后在50℃搅拌反应4h,得到反应中间体I;

  反应如下:

  

  2)向反应中间体I中再逐渐加入147.7g三乙烯四胺,加入完毕后,在65℃反应3h,得到反应中间体II;

  反应如下:

  

  3)在另一反应器中加入193.1g三甲胺水溶液(质量分数33%),逐渐加入131.2g工业盐酸(质量分数30%),再逐渐加入97.1g环氧氯丙烷,加完后在45℃搅拌反应2h,得到反应中间体III;

  反应如下:

  

  4)向反应中间体II中再逐渐加入反应中间体III,加入完毕后,在65℃反应3h,即得到含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂,留作乳化沥青试验。

  反应如下:

  

  (2)乳化沥青的制备:

  取AH-90#沥青300g,加热至125℃,将10.0g本实施例制备的沥青乳化剂加入到200g水中,用工业盐酸调节pH值至2-3,加热至65℃,制得皂液。将沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出阳离子型乳化沥青。

  (3)乳化沥青性能检测:

  制得的乳化沥青按中国交通部制订的阳离子乳化沥青行业标准(JTJ052-2000)进行检测,结果如下:本实施例制备的乳化沥青均匀、细腻,沥青含量为55%,筛上剩余量为0.05%,与矿料裹覆面积大于2/3,电荷为阳离子;采用拌和料进行拌和并加SBR改性胶乳,其可拌和时间大于2分钟。表明该乳化剂制备的沥青乳液为慢裂型阳离子乳化沥青,沥青乳化剂为慢裂型。

  实施例3

  (1)含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂的制备:

  1)在反应器中加入282.5g妥尔油脂肪酸,100g异丙醇,加热搅拌混合。55℃下逐渐加入95.2g环氧氯丙烷,加完后在55℃搅拌反应3h,得到反应中间体I;

  反应如下:

  

  2)向反应中间体I中再逐渐加入130.3g氨乙基哌嗪,加入完毕后,在70℃反应2h,得到反应中间体II;

  反应如下:

  

  3)在另一反应器中加入193.1g三甲胺水溶液(质量分数33%),逐渐加入131.2g工业盐酸(质量分数30%),再逐渐加入97.1g环氧氯丙烷,加完后在45℃搅拌反应2h,得到反应中间体III;

  反应如下:

  

  4)向反应中间体II中再逐渐加入反应中间体III,加入完毕后,在70℃反应2h,即得到含酯基多胺季铵盐型沥青乳化剂,留作乳化沥青试验。

  反应如下:

  

  (2)乳化沥青的制备:

  取AH-70#沥青300g,加热至125℃,将10.0g本实施例制备的沥青乳化剂加入到200g水中,用工业盐酸调节pH值至2-3,加热至65℃,制得皂液。将沥青和乳化剂皂液通过胶体磨乳化制备出阳离子型乳化沥青。

  (3)乳化沥青性能检测:

  制得的乳化沥青按中国交通部制订的阳离子乳化沥青行业标准(JTJ052-2000)进行检测,结果如下:本实施例制备的乳化沥青均匀、细腻,沥青含量为55%,筛上剩余量为0.04%,与矿料裹覆面积大于2/3,电荷为阳离子;采用拌和料进行拌和并加SBR改性胶乳,其可拌和时间大于2分钟。表明该乳化剂制备的沥青乳液为慢裂型阳离子乳化沥青,沥青乳化剂为慢裂型。

  以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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