乳化瀝青是黏稠瀝青經(jīng)熱融和機械作用以微滴狀態(tài)分散于含有乳化劑、穩(wěn)定劑的水中，形成水包油（O/W）型的瀝青乳液。乳化瀝青主要由瀝青、水、乳化劑和穩(wěn)定劑組成。
乳化瀝青按瀝青材料、乳化劑、用途和性能不同，可分為多種類型。乳化瀝青的優(yōu)點主要有5點：可冷態(tài)施工，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染。常溫下具有較好的流動性，能保證灑布的均勻性，提高路面修筑質(zhì)量。采用乳化瀝青，擴展了瀝青路面的類型，如稀漿封層等。乳化瀝青與礦料表面具有良好的工作性和黏附性，可節(jié)約瀝青并保證施工質(zhì)量。可延長施工季節(jié)，低溫多雨季節(jié)對乳化瀝青施工影響較小。
乳化瀝青不僅可用于路面的維修與養(yǎng)護、舊瀝青路面的冷再生與防塵處理，還可用于表面處治、貫入式、瀝青礫石、乳化瀝青混凝土等各種結(jié)構(gòu)形式的路面及基層，也可用作透層油、黏層油，用于各種穩(wěn)定基層的養(yǎng)護。此外，乳化瀝青還可用作防水、防潮、防腐材料。乳化瀝青已成為鐵路上較好的道床減振材料，促進了高速鐵路事業(yè)的發(fā)展。
乳化瀝青概述
瀝青是由化學(xué)成分復(fù)雜的多種有機高分子化合物組成的混合物，具有獨特的流變性能。因其良好的粘結(jié)性、抗老化性和防水能力，長期以來被廣泛地用于防水和密封材料、道路修補等。作為一種傳統(tǒng)的防水材料，瀝青仍有巨大的應(yīng)用市場。同時，因為瀝青路面具有彈塑性好、有利于提高車速、降低油耗等優(yōu)良性能，成為瀝青的主要應(yīng)用領(lǐng)域。另外乳化瀝青在金屬防腐、沙漠固沙、邊坡穩(wěn)定等方面的應(yīng)用亦早有報道。
瀝青的使用形式主要有熱瀝青、稀釋瀝青、乳化瀝青。與熱瀝青、稀釋瀝青相比，乳化瀝青節(jié)約能源40% ~ 50%、改善施工條件、降低工程造價20% ~ 30%以上，并能有效地減少高溫加熱時引起的瀝青過度老化，以及致癌物苯并[a]芘吡的大量揮發(fā)。特別是隨著基礎(chǔ)設(shè)施防水要求的逐步提高，以及道路稀漿封層和微表處的迅速發(fā)展，極大地促進了乳化瀝青的發(fā)展。
發(fā)展及其應(yīng)用
乳化瀝青是指把瀝青加熱熔融，在機械攪拌作用力下，以細小的微粒分散于含有乳化劑及其助劑的水溶液中形成的水包油型（O/W）乳液。根據(jù)所用乳化劑電性的不同，分為陽離子乳化瀝青、陰離子乳化瀝青、非離子乳化瀝青等。
從1914年美國的粘土乳化瀝青開始，到60年代開發(fā)出了多種陰離子乳化瀝青產(chǎn)品。陰離子乳化劑品種較多，價格相對低廉，但是陰離子乳化瀝青與礦料特別是潮濕礦料以及堿性礦料的粘結(jié)性較差。隨著對表面活性劑認識的進一步深入以及膠體化學(xué)、界面化學(xué)的發(fā)展，20世紀 60年代出現(xiàn)的陽離子乳化瀝青有效地彌補了陰離子乳化瀝青的不足，提高了成膜的早期強度，在低溫、潮濕條件下使用性能較好。法國、美國在60年代就實現(xiàn)了陽離子瀝青乳液的商品化。70年代末我國開始研究陽離子瀝青乳液，對乳液的加工工藝、乳化設(shè)備以及乳液的檢測標準和方法等方面取得了一系列的成績，為乳化瀝青的推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來，我國防水涂料的銷售量約為16萬噸/年，僅乳化瀝青用量達4萬噸以上。另據(jù)國際稀漿封層協(xié)會報導(dǎo)，乳化瀝青在稀漿封層中的用量由1996年的291.15萬噸增加到1999年的360.34萬噸。
乳化劑的應(yīng)用
乳化瀝青是隨著瀝青用表面活性劑的開發(fā)應(yīng)用而發(fā)展的。除了加工工藝外，對于確定的基質(zhì)瀝青，乳化劑的種類、結(jié)構(gòu)和組成決定了乳化瀝青的基本性質(zhì)及使用范圍。
從結(jié)構(gòu)來看，乳化劑是由非極性的疏水基和極性的親水基組成的兩親性分子，這種結(jié)構(gòu)使乳化劑在溶液表(界)面形成定向緊密排列，改變了體系的表(界)面化學(xué)性質(zhì)。當乳化劑的濃度超過其臨界膠束濃度CMC(critical micelle concentration)，表(界)面張力降至最低，從而具有乳化、消泡、分散等功能，在建材化工、石油開采、大宗商品、紡織印染等領(lǐng)域有廣泛的用途。
根據(jù)乳化劑親水親油平衡值（HLB）的大小可初步確定其應(yīng)用的范圍，瀝青用乳化劑一般在10 ~ 18之間。由于瀝青乳液中瀝青的比表面積很大，所以乳化劑的濃度要遠大于CMC，才能達到充分乳化的目的，乳化劑用量一般控制在乳液的0.13% ~ 3%（質(zhì)量分數(shù)）。
乳化劑的分類
按照乳化劑親水基性質(zhì)的不同，乳化劑分為陰離子型、陽離子型、兩性離子型、非離子乳化型以及復(fù)合離子型等。世界各國常用的瀝青乳化劑見表1。
陰離子乳化劑
此類乳化劑原料便宜易得，工藝簡單，技術(shù)成熟，不必調(diào)節(jié)p H值就可直接使用，在乳化瀝青的發(fā)展初期受到了重視。主要包括羧酸鹽類、磺酸鹽類、硫酸脂鹽類、磷酸脂鹽類等。
陽離子乳化劑
此類乳化劑發(fā)展較晚，但實踐發(fā)現(xiàn)它與各種礦料有更好的粘附性，用量少等優(yōu)點，得到了更廣泛的應(yīng)用。主要有烷基胺類、酰[xiān]胺類、咪唑啉類、季銨[ǎn]鹽類、環(huán)氧乙烷雙胺、胺化木質(zhì)素等。其中二烷基或三烷基胺類一般沒有乳化性。含有C12~ C22的單烷基胺類乳化劑效果較好，但是烷基單胺缺乏足夠的乳化能力，所以常用有C12~ C22烷基、2 ~ 4個CH2的N-烷基聚亞甲基二胺鹽類乳化劑。烷基丙烯二胺常由丙烯腈與伯胺加成還原得到，而鹵代烷同乙二胺反應(yīng)也是合成N-烷基乙二胺的最普通方法。同樣，鹵代烷與多亞甲基多胺（二亞甲基三胺、環(huán)丙烷（過程稿）四胺等）反應(yīng)，可以得到N-烷基多胺。實踐證明，有C16~ C20的脂肪烴基取代的乙撐或丙撐二胺是性能良好的陽離子乳化劑。
季銨鹽類乳化劑是應(yīng)用最為廣泛的陽離子乳化劑。主要有烷基第七代季銨鹽（如1831、18331、1621等），雜環(huán)化合物結(jié)構(gòu)的季銨鹽，通過酰胺、酯[zhǐ]、醚等基團連接的季銨鹽（如Ar OC2H4OC2H4N+Me Et Cl—）等。特別是含氯烷基季銨鹽類，如烷基吡啶氯化物，用于稀漿封層中能減少快裂型瀝青乳液的流失。連有C8~ C22鏈的芳基或環(huán)烷基季銨鹽，可以減慢瀝青的破乳，并有改善與石料、混凝土等粘附性的作用。盡管季銨鹽類的乳化能力與二胺類相當，但與石料等基體結(jié)合破乳后形成的覆蓋膜層較薄。
酰胺類乳化劑常由脂肪酸（酯）胺解得到，其單酰胺化合物是一類重要的表面活性劑，反應(yīng)過程中通入CO2可防止二酰胺的生成。由脂肪酰胺的鹽酸鹽得到的乳液具有良好的貯存穩(wěn)定性和對各種基體的粘附性能。脂肪酸的衍生物，特別是妥爾油與二乙烯三胺或四亞乙基五胺的產(chǎn)物，是一種很有用的瀝青乳化劑。另外，烷基酰胺多胺RCO-NH(C3H6NH)nC3H6NH2中含有多個親水性胺基，所以能通過調(diào)節(jié)p H值，得到性能各異的瀝青乳液。但是酰胺類乳化劑在水中有水解現(xiàn)象。酰胺類乳化劑經(jīng)進一步加熱脫水可以形成咪唑啉類陽離子乳化劑，它的無機酸鹽也是很好的乳化劑。
兩性乳化劑
它的分子結(jié)構(gòu)與氨基酸相似，即分子中同時存在酸性基和堿性基，易形成“內(nèi)鹽”。主要有甜菜堿型、氨基酸型、咪唑啉型等，也有雜元素代替N、P的，如S為陽離子基團活性中心的兩性表面活性劑。其耐硬水、鈣分散能力較強，與其他各類型的乳化劑有良好的配伍性，但價格較高。除甜菜堿型乳化劑外，表面活性劑的性質(zhì)一般與溶液的p H值有關(guān)。
非離子乳化劑
非離子乳化劑大多是由環(huán)氧乙烷與帶活潑氫的化合物（如酚、醇、羧酸、胺等）反應(yīng)得到的，其活性不僅與疏水烷基有關(guān)，還與聚氧乙烯鏈的長短有關(guān)。它具有高表面活性、穩(wěn)定性以及良好的乳化能力，與其它乳化劑及其助劑的配伍性較好，并對金屬離子有一定的螯合作用。它的活性與溶液的p H值無關(guān)，在轉(zhuǎn)相點（相位 inversion 溫度，PIT）形成的乳液最穩(wěn)定。一般有C12~18的脂肪醇和碳八芳烴~10的烷基酚的環(huán)氧乙烷加成物是優(yōu)良的乳化劑，環(huán)氧數(shù)低于5 ~ 6的為油溶性的。常用的烷基酚聚氧乙烯醚的烴基一般含有C8~ C20，環(huán)氧乙烷的含量在85% ~ 99%左右，并且常與其它類型的乳化劑復(fù)合使用。
復(fù)配體系
在實際應(yīng)用中，往往采用不同種類的乳化劑混合物，以滿足單一的乳化劑難以達到的效果，同時可以降低成本。
乳化劑復(fù)配
離子型乳化瀝青中的粒子，由于靜電斥力而產(chǎn)生一定的張力，使瀝青乳液的穩(wěn)定性降低。而與非離子型乳化劑復(fù)合使用時，二者將交替吸附在顆粒表面，大大降低了顆粒之間的靜電張力，另外非離子乳化劑水化作用形成的水化層，對乳液的穩(wěn)定性也有一定的協(xié)同效應(yīng)。在k12（SDS）中加入少量的十二烷基聚氧乙烯醚（C12E5），能使CMCSDS及γSDS大大降低：當C12E5的摩爾分數(shù)達到0.02時，CMCSDS由8×10?3mol/L降到1×10?3mol/L。例如第七代季銨鹽類中裂型乳化劑加入烷基聚氧乙烯醚，調(diào)節(jié)非離子乳化劑的用量，可得到稀漿封層用慢裂快凝型的乳化劑。由于非離子乳化劑的濁點Cp和離子型乳化劑的三相點KP對溫度的響應(yīng)不同，所以復(fù)合使用過程中應(yīng)注意溫度的控制。
陰陽離子復(fù)配
一般陰、陽離子乳化劑在水溶液中不能混合，否則會生成沉淀或發(fā)生絮凝，活性降低甚至消失。研究發(fā)現(xiàn)在一定條件下，使陰/陽離子乳化劑的復(fù)配體系有很高的活性，顯示出極大的增效作用。例如，以物質(zhì)的量比1:1混合的碳八芳烴H17N+Me3Br－（CMC=0.26 mol/L，γcmc=41 m N/L）與C8H17SO4Na（CMC=0.13 mol/L，γcmc=42.5 m N/L）體系，CMC、
γcmc分別降至7.5×10－3mol/L、23 m N/L。其增效作用來源于正陰離子間強烈的相互作用，它使乳液內(nèi)的乳化劑分子更容易形成膠束，表面吸附層中陰、陽離子的交替排列更為緊密使吸附量增加。
盡管陰/陽復(fù)配乳化劑體系具有強烈的增效作用，但乳化劑濃度超過體系的CMC后，陰、陽離子由于強烈的靜電引力可能發(fā)生絮凝或沉淀，現(xiàn)有多種方法來提高復(fù)配體系的溶解性：
（1）非等摩爾配比復(fù)配，以價格較低的陰離子乳化劑為主，配以少量高活性的陽離子乳化劑；（2）降低疏水鏈的對稱性;（3）增大極性親水基的體積，空間位阻的增加，減少陰、陽離子間的靜電引力，使復(fù)合體系的溶解性增加；（4）引入聚氧乙烯基，即在離子型乳化劑中引入聚氧乙烯基形成混合型的乳化劑。這有利于降低分子間的電荷密度、減弱陰/陽離子間的引力，同時聚氧乙烯鏈的弱親水性也增大了復(fù)配體系的溶解度；（5）加入第三活性組分，非離子型乳化劑、兩性離子乳化劑和離子型乳化劑有較好的配伍性，所以常用來改善陰/陽離子復(fù)配體系的溶解性，并可能獲得稀漿封層用的慢裂型乳化瀝青。另外，發(fā)現(xiàn)用烷基磺酸鹽代替烷基硫酸鹽也能提高復(fù)配體系的溶解能力。并非直接混合就能得到活性很高的復(fù)配體系，其制造過程、包裹方法、陰/陽離子乳化劑以及第三活性劑的種類選擇都很重要。一般先將陽離子表面活性劑經(jīng)適當處理后再與陰離子表面活性劑復(fù)配使用。利用復(fù)合乳化劑的瀝青乳液，與石料等基體的粘附性、抗剝落性等有明顯的改善。
乳化劑的選擇
制備性能優(yōu)良的乳液，乳化劑的選擇很重要。HLB適合的乳化劑不一定是最佳的乳化劑，還要考慮乳化能力、乳化成本及乳化后的性能是否滿足要求等。一般常根據(jù)經(jīng)驗遵循以下原則：（1）優(yōu)先選擇離子型乳化劑；（2）選擇與瀝青組分中有相近結(jié)構(gòu)的乳化劑；（3）復(fù)合乳化劑的使用往往能達到更好的乳化效果。另外可以根據(jù)乳化劑的其它參數(shù)進行選擇。乳化劑的用量可試用“黃金分割點法”或者“軸線平衡法”結(jié)合乳化效果來確定。
助劑及其作用
乳狀液是高度分散的體系，比表面的增加不是自發(fā)的，分散相有自動聚結(jié)的趨勢，它屬于熱力學(xué)的不穩(wěn)定體系。為了提高乳化劑的乳化效果、瀝青乳液的穩(wěn)定性等，常添加HCl、Na OH、Mg Cl2、Ca Cl2、Na2Si 臭氧、EVA、淀粉、酰胺、長鏈醇等。由Stokes公式可知，減小兩相間的密度差小、增加連續(xù)相的粘度，可提高乳液的穩(wěn)定性。例如3%的甲基纖維素可將水的粘度提高近一萬倍。為了提高乳化瀝青與基體材料的粘結(jié)性，常加入2%的氫氧化鈣或者0.05%的金屬皂作為抗剝離劑。研究表明，堿性氮是抗剝落劑中的重要活性組分。從40年代開始，抗剝落劑主要是以油脂為原料，合成的胺類、酰胺類、第七代季銨鹽類含氮陽離子表面活性劑。例如長安大學(xué)公路學(xué)院的AST液態(tài)抗剝落劑等。
添加不同助劑得到的瀝青乳液，在改善乳液穩(wěn)定性、粘度滿足施工需要的同時，會對瀝青乳液蒸發(fā)殘留物的物理力學(xué)性能有不同程度的影響，所以應(yīng)該嚴格控制其加入量。
發(fā)展方向
隨著能源危機的加劇和人們環(huán)保意識的增強，以及人們對乳化瀝青認識的深入，乳化瀝青的用量逐年增加，使用的范圍進一步擴大。
國內(nèi)瀝青用乳化劑品種單一、種類不全，有效成分較低，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，對各種瀝青的適應(yīng)性較差，應(yīng)該在對現(xiàn)有乳化劑復(fù)配改性的基礎(chǔ)上，努力開發(fā)多品種多系列的乳化劑以滿足不同的需要。與此相比，國外瀝青乳化劑的品種多、質(zhì)量較好，針對不同的用途（或地區(qū)）均有多種相應(yīng)的產(chǎn)品。如Westvaco、Akzo Nobel等公司都有幾十種乳化劑可供選擇。
對于乳化瀝青的發(fā)展，主要集中在如何控制瀝青乳液的破乳時間，制備均一穩(wěn)定的精細乳液等方面。一般乳液中瀝青的含量在65%以下，但法國等國家研制出瀝青濃度高于70%，甚至高達80%的O/W型乳液。
如何進一步拓寬乳化瀝青的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)乳化瀝青的高性能化，是世界各國共同關(guān)注的熱點之一。例如，對基質(zhì)瀝青進行改性，較好地解決瀝青高溫易流淌泛油、低溫硬脆開裂等不足。另外，阻燃瀝青乳液的出現(xiàn)不僅解決了防水問題，而且增大了阻燃效果。
乳化劑特點
1、有寬闊的溫度適應(yīng)性。在瀝青混凝土施工作業(yè)時高溫140℃～180℃不流淌，在低溫—20℃～—30℃的動荷載作用下不脆裂;
2、材料固化成膜塊，成膜韌性好。由于材料中加入化學(xué)助劑，使材料在短時間內(nèi)即可成膜，縮短橋面防水施工時間;
3、粘結(jié)力強，在配方中添加了滲透劑和增粘劑，提高了涂料的滲透能力和粘結(jié)性能，可將鋪裝層與橋面板粘結(jié)成一個整體。
4、施工防水層后，橋面板與鋪裝層的剪切強度達到0.5~1.0Mpa,基層開裂2mm，涂膜不開裂;
5、施工可操作性：冷施工作業(yè)，機械化，自動化程度高，材料，不污染環(huán)境
參考資料 >