Tailieu.vncty.com ly-thuyet-tong-quan-ve-nhu-tuong-bitum-v

688 views

Published on

http://tailieu.vncty.com

Published in: Data & Analytics
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
688
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
11
Actions
Shares
0
Downloads
12
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Tailieu.vncty.com ly-thuyet-tong-quan-ve-nhu-tuong-bitum-v

  1. 1. KILOBOOKS.COM 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG I: BITUM DẦU MỎ I. Thành phần và cấu trúc bitum I.1Thành phần của bitum I.1.1 Nhóm chất dầu I.1.2 Nhóm chất nhựa I.1.3 Nhóm asphan8 I.1.4 Nhóm cacben và cacbôit I.1.5 Nhóm axit asphan và các alhydrit I.1.6 Nhóm parafin I.2. Cấu trúc của bitum II. Phẩm chất của bitum II.1 Độ nhớt hay tính quánh của bitum II.2 Độ dãn dài hay tính dẻo của bitum II.3 Tính ổn định nhiệt. II.4 Tính hoá già của bitum II.5 Tính ổn định khi đun II.6 Nhiệt độ bốc cháy của bitum. II.7 Tính thấm ướt vật liệu khoáng. II.8 Tính liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng III. Ứng dụng của bitum dầu mỏ CHƯƠNGII. TỔNG QUAN VỀ NHŨ TƯƠNG BITUM I. Nhũ tương bitum I.1 Khái niệm về nhũ tương I.2 Phân loại nhũ tương http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  2. 2. KILOBOOKS.COM 2 I.2.1 Phân loại theo pha phân tán và môi trường phân tán I.2.2 Phân loại theo chất hoạt động bề mặt. I.2.3 Phân loại theo khả năng phân tách I.2.4 Phân loại theo khả năng thi công (theo caltex). I.2.5 Phân loại theo Pháp NF T66-16 I.3 Ứng dụng của nhũ tương bitum I.4 Ưu điểm của nhũ tương trong xây dựng đường giao thông. I.5 Các tính chất và yêu cầu đối vối nhũ tương bitum. I.5.1 Độ nhớt I.5.2 Tính đồng nhất. I.5.3 Tính ổn định khi vận chuyển và bảo quản. I.5.4 Tính dính bám của màng bitum với vật liệu khoáng. I.5.5 Khả năng phân tán phục hồi tính chất ban đầu trong thời gian tiếp xúc với vật liệu khoáng. II. Lý thuyết nhũ tương II.1 Chế tạo nhũ tương. II.1.1 Phương pháp ngưng tụ II.1.2 Phương pháp phân tán II.2 Phân bố giọt trong nhũ tương. II.2.1 Hàm phân bố theo kích thước. II.2.2 Một số hàm phân bố thường gặp. II.2.2.1 Phân bố chuẩn. II.2.2.2 Phân bố chuẩn logarit. II.2.2.3 Phân bố hàm số mũ GGS. II.2.2.4 Phân bố mũ kép RRS25 II.3 Sức căng bề mặt của dung dịch chất nhũ hoá. II.4 Hiện tượng tách nhũ. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  3. 3. KILOBOOKS.COM 3 II.5 Sự đảo tướng nhũ tương. II.6 Ổn định nhũ tương. II.6.1 Cấu tạo lớp điện tích kép. II.6.2 ổn định bằng lực đẩy điện II.7 Lựa chọn chất nhũ hoá III. Chất hoạt động bề mặt III.1 Chất hoạt động bề mặt anion III.2 Chất hoạt động bề mặt cation III.3 Chất hoạt động bề mặt mang cả hai dấu điện III.4 Chất hoạt động bề mặt không ion IV. Công nghệ chế tạo nhũ tương bitum IV.1 Quy trình chế tạo nhũ tương bitum IV.2 Vấn đề còn tồn tại PHẦN II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG I. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHŨ TƯNG BITUM I. Nghiên cứu chế tạo nhũ tương I.1Lựa chọn chất nhũ hoá I.2 Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn và thời gian khuấy http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  4. 4. KILOBOOKS.COM 4 LỜI MỞ ĐẦU Như chúng ta đã biết, phân đoạn cuối của dầu mỏ là bitum đã có rất nhiều những ứng dụng trong đời sống của con người từ hơn 5000 năm qua. Dù ở dạng này hay dạng khác, nó đã được sử dụng như một chất chống thấm hoặc kết dính. Một trong những tính chất quan trọng nhất của bitum là tính kết dính mà con người đã tận dụng vào mục đích xây dựng mạng lưới đường giao thông, phục vụ đời sống con người và đẩy mạnh nền kinh tế thương mại phát triển. Hiện nay, mạng lưới đường bộ Việt Nam có chiều dài tổng cộng là 106048 Km, trong đó phần lớn là đường quốc lộ có vị trí quan trọng trong kinh tế, chính trị và xã hội của đất nước. Tuy vậy, mật độ cây số đường trên số dân còn thấp, chất lượng đường còn yếu kém, đất nước ta lại đang trên đà phát triển. Do vậy, việc xây dựng, nâng cấp và hoàn thiện mạng lưới đường giao thông có chất lượng cao là vấn đề cần thiết. Yêu cầu đối với mặt đường có chất lượng tốt là phải có cường độ và tính ổn định cao, mặt đường phải nhẵn để có thể chống chịu lại áp lực của các luồng xe chạy, đảm bảo cho xe chạy đựơc an toàn và kinh tế. Ngoài ra, đường còn phải chịu được các tác dụng xấu của các yếu tố khác như : mưa, gió, nhiệt độ … Như vậy, ngoài việc bố trí hợp lý các tầng lớp trong kết cấu mặt đường thì việc lựa chọn vật liệu thích hợp cho mỗi tầng mặt đường trong điều kiện cho phép về vật liệu và khả năng thi công là một vấn đề hết sức quan trọng. Trong nhiều loại vật liệu kết dính thì bitum là loại vật liệu có thể đáp ứng tối đa các tính năng và yêu cầu đó. Bitum trong xây dựng đường được sử dụng theo hai phương pháp. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  5. 5. KILOBOOKS.COM 5 - Công nghệ nhựa nóng: Khi thi công cần đun nóng nhựa nên nhiệt độ thích hợp để làm cho chúng chảy lỏng. - Công nghệ nhựa nguội : sử dụng nhựa đường dạng nhũ tương là nhự đường ở trạng thái phân tán cao trong nước được ổn định bởi chất nhũ hoá làm cho nhựa đường vẫn ở trạng thái lỏng ngay ở điều kiện thường. Vì vậy, khi thi công nhựa đường ở dạng nhũ tương thì không cần phải đun nóng. Nhũ tương bitum lần đầu tiên đượng sử dụng làm đường vào những năm 1906-1914. Sau đó chúng lại bị lãng quên cho đến tận những năm hai mươi. Ban đầu thường sử dụng nhũ tương dạng anion nhưng bởi những tính chất vượt trội, nhũ tương dạng cation dần được phổ biến hơn cho đến ngày nay. Nhũ tương bitum được sử dụng trong các lĩnh vực duy tu bảo dưỡng, sửa chữa, rải nhựa láng mặt, làm lớp dính bám và lớp bảo dưỡng. Thấm nhập và tưới thấm nhựa, gia cố và cấp phối. Cấp phối đá nghiền hoặc sỏi cuộn trộn nhũ tương và chế tạo vữa nhựa, hạt thô trộn rải nguội. Khi sử dụng nhũ tương bitum thi công sẽ rất dễ dàng như: Không cần đun nóng, không gây ô nhiễm môi trường, an toàn cho công nhân và người đi đường. Có thể cho phép tiến hành thi công trên mặt đường ẩm ướt vào mùa mưa. Tiết kiệm được 15-30% bitum so với công nghệ nhựa nóng. Trong nhũ tương bitum có chứa nước nên khả năng lèn chặt mặt đường được dễ hơn. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo nhũ tương bitum là rất cần thiết để đáp ứng được yêu cầu hiện nay. Trong điều kiện cho phép ở Việt Nam, em xin trình bày lý thuyết tổng quan về nhũ tương bitum và phương pháp nghiên cứu chế tạo ổn định nhũ tương bitum trong bản luận văn này. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  6. 6. KILOBOOKS.COM 6 PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG I: BITUM DẦU MỎ I.Thành phần và cấu trúc của bitum. [37] I.1 Thành phần của bitum. Bitum dầu mỏ là một hỗn hợp phức tạp của nhiều loại hydrocacbon khác nhau như (Alkan,naphten, các loại mạch vòng ) và một số dẫn xuất phi kim loại khác… Bitum có nhiều nguồn gốc khác nhau nhưng chủ yếu là sản phẩm của công nghệ chế biến dầu mỏ và hoá dầu, ở dạng lỏng nhớt hay rắn, có màu nâu hoặc đen, có các đặc tính kết dính và không thấm ướt. Hoà tan được trong benzen, tricloetylen… Thành phần nguyên tố của bitum. C: 82-88% S: 2-6% H:8-11% O: 1-5% N: 0.1-1% Trong bitum người ta phân thành ba nhóm chính: Nhóm asphan, nhóm chất nhựa và nhóm chất dầu. Ngoài ra còn có mặt của các nhóm khác như: Nhóm cacben và cacboit, nhón axit asphan và các alhydrit, nhóm parafin. Nguyên liệu cặn dầu mỏ loại aromatic hoặc naphten- aromatic là nguyên liệu rất tốt để sản xuất bitum. Ngược lại chứa nhiều parafin rắn là loại nguyên liệu xấu nhất để sản xuất bitum. Các loại bitum có chất lượng xấu ta có thể đem biến tính bằng cách oxy hoá bằng oxy không khí ở 170-260°c. Quá trình oxy hoá diễn ra, một bộ phận dầu sẽ chuyển sang nhựa, nhựa sẽ chuyển sang asphanten. Do đó, có thể thay đổi được thành phần của bitum để tạo ra bitum có chất lượng tốt hơn. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  7. 7. KILOBOOKS.COM 7 I.1.1 Nhóm chất dầu Gồm những hợp chất có phân tử lượng thấp từ 300-600, không mầu, khối lượng riêng nhỏ từ 0.91- 0.925. NHóm chất dầu là môi trường pha loãng, có tác dụng hoà tan nhựa và làm trương nở asphanten trong bitum. Nếu hàm lượng này tăng thì tính quánh của bitum sẽ giảm. Trong bitum nhóm chất dầu chiếm khoảng 45- 60%. I.1.2 Nhóm chất nhựa Gồm những hợp chất có phân tử lượng cao hơn, khoảng từ 600- 900. Khối lượng riêng xấp xỉ bằng 1, có mầu nâu sẫm, hoà tan trong benzen, etxăng, clorofooc. Nhóm chất nhựa trung tính (tỉ lệ H/C= 1.6-1.8)làm cho bitum có tính dẻo. Nhựa axit (H/C= 1,3-1,4) làm tăng tính bám dính của bitum đá. Hàm lượng nhóm chất nhựa vào khoảng 15- 30%. I.1.3 Nhóm asphan Là nhóm chất rắn, giòn gồm các hợp chất có phân tử lượng lớn 1000- 6000. Khối lượng riêng 1,1- 1,15, có mầu nâu sẫm hoặc đen. hoà tan trong ete và axeton. Asphanten đảm bảo cho bitum có độ rắn và nhiệt độ chảy mềm cao. Hàm lượng của asphan trong bitum vào khoảng 10- 38%. I.1.4 Nhóm cacben và cacboit Tính chất của cacben gần giống với asphanten, chỉ khác là không tan được trong benzen và CCl4. Hoà tan được trong disulfuacacbon, có khối lượng riêng lớn hơn 1. Cacboit là một chất rắn dạng muội, hoà tan được trong bất cứ dung môi hữu cơ nào. Hàm lượng của nhóm chất này trong bitum nhỏ hơn 1,5%. Chúng làm bitum kém dẻo. I.1.5 Nhóm axit asphan và các alhydrit Nhóm này là những chất nhựa hoá (nhựa axit) mang cực tính bao gồm những phân tử có chứa nhóm cacboxyl (-COOH). Nó là thành phần hoạt tính http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  8. 8. KILOBOOKS.COM 8 bề mặt lớn nhất của bitum. Dễ hoà tan trong rượu cồn, benzen,CCL4, khó hoà tan trong etxăng. axit asphan có khối lượng riêng nhỏ, mầu nâu sẫm, hàm lượng có trong bitum nhỏ hơn 1%. Khi hàm lượng tăng lên thì khả năng thấm ướt và cường độ liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng dạng cacbonat tăng lên. I.1.6 Nhóm parafin Là những hydrocacbon ở dạng rắn. Parafin có thể làm giảm khả năng phân tán và hoà tan của asphanten vào trong các nhóm khác. Có thể làm giảm tính đồng nhất của bitum nếu tỷ lệ parafin cao, nhiệt độ hoá mềm, tính giòn của bitum ở nhiệt độ thấp sẽ tăng lên. Bitum hoá lỏng ở nhiệt độ thấp hơn so với bitum không chứa parafin. Tỷ lệ parafin trong bitum có thể lên đến 5%. I.2 Cấu trúc của bitum Cấu trúc cơ bản của bitum là cấu trúc mixell. Trong lý thuyết mixell đối với những chất cao phân tử, Menep và Mark coi cấu trúc của chúng như một hệ thống tinh thể (mixell). Mỗi mixell là một hệ thống phức tạp bao gồm một số lượng lớn các phân tử có khối lượng phân tử lớn bao quanh một tinh thể bằng những lực tương hỗ. Khi lực tương hỗ lớn thì mỗi mixell là một nút của mạng. Cấu trúc mixell được coi là những pha phân tán. với bitum thì pha phân tán là asphan, xung quanh chúng là những chất nhựa và môi trường phân tán là chất dầu. Trong bitum cứng và quánh mixell chiếm một tỷ lệ rất lớn. Còn trong bitum lỏng chúng chiếm một tỷ lệ rất nhỏ đến nỗi không có tương tác gì với nhau nên có thể chuyển động tự do trong chất dầu. Quan hệ giữa hàm lượng và cấu tạo các nhóm trong bitum (dầu, nhựa và asphan) có thể tạo ra các cấu trúc phân tán khác nhau đó là: Sol, gel, sol- gel. Mỗi loại đều có những tính chất cơ lý nhất định. Cấu trúc sol đặc trưng cho bitum có hàm lượng chất dầu và chất nhựa lớn. Khi các mixell không tạo ra được các lực tương hỗ lẫn nhau và chuyển http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  9. 9. KILOBOOKS.COM 9 động tự do trong môi trường dầu, cấu trúc sol có ở trong bitum lỏng và bitum quánh nấu chảy. Khi tỷ lệ asphan trong bitum lớn sẽ tạo nên cấu trúc gel. Trong cấu trúc gel các hạt nhân mở rộng ra, các mixell xích lại gần nhau, tạo ra các lực tương hỗ lẫn nhau, làm nên mạng cấu trúc không gian. tính chất đó tạo nên tính đàn hồi cho chất kết dính và là đặc trưng cho cấu trúc của bitum cứng ở nhiệt độ thấp. Cấu trúc sol- gel đặc trưng cho bitum quánh ở nhiệt độ thường. Ở cấu trúc này vật liệu sẽ có tính chất đàn hồi dẻo và tính nhớt. II.Phẩm chất của bitum II.1 Độ nhớt hay tính quánh của bitum Tính quánh của bitum thay đổi trong một phạm vi rộng. Nó ảnh hưởng nhiều đến tính chất cơ học của hỗn hợp vật liệu khoáng với chất kết dính, đồng thời quyết định công nghệ chế tạo và thi công loại vật liệu sử dụng bitum. Độ quánh của bitum phụ thuộc vào hàm lượng các nhóm cấu tạo và nhiệt độ môi trường. Khi hàm lượng nhóm asphan tăng lên và hàm lượng nhóm chất dầu giảm đi, độ quánh của bitum tăng lên. Khi nhiệt độ của môi trường tăng cao, nhóm chất nhựa sẽ bị chảy lỏng, độ quánh của bitum giảm. Để đánh giá độ quánh của bitum người ta dùng chỉ tiêu độ xuyên kim, đo bằng độ (1 độ bằng 0,1mm). Trị số của độ xuyên kim càng nhỏ thì độ quánh của bitum càng cao. II.2 Độ dãn dài hay tính dẻo của bitum Tính dẻo đặc trưng cho khả năng biến dạng của bitum dưới tác dụng của ngoại lực. Tính dẻo của bitum phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, thành phần nhóm và được tính bằng số cm khi kéo căng 1 mẫu có thiết diện quy định ở 25°c với tốc độ kéo là 5 cm/ phút cho tới khi mẫu thử bị đứt độ dãn dài http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  10. 10. KILOBOOKS.COM 10 biểu thị cho khả năng dính dẻo, đàn hồi của bitum, cho biết tỷ lệ giữa các thành phần của bitum .Những loại bitum có trị số kéo dài càng lớn càng tốt. II.3 Tính ổn định nhiệt Khi nhiệt độ thay đổi tính cứng và tính dẻo của bitum thay đổi. Sự thay đổi này càng nhỏ thì bitum có tính ổn định nhiệt càng cao. Tính ổn định nhiệt của bitum phụ thuộc vào thành phần hóa học của nó. Khi hàm lượng asphanten tăng lên, tính ổn định nhiệt của bitum tăng lên, hàm lượng nhóm asphanten giảm thì tính chất này cũng giảm. II.4 Tính hóa già của bitum Do tác động của thời tiết mà tính chất và thành phần hóa học của bitum bị thay đổi.Người ta gọi sự thay đổi đó là sự hóa già của bitum. Nguyên nhân của sự hóa già là do thành phần nhóm asphan tăng lên, sự bay hơi của nhóm chất dầu cũng làm tính quánh và tính giòn của bitum tăng lên làm thay đổi lớp cấu tạo phân tử, tạo nên các hợp chất mới. Quá trình hóa già của bitum dẫn đến quá trình già hóa của bê tông asphan. Độ giòn cao của bitum làm xuất hiện các vết nứt trong lớp phủ mặt đường, tăng quá trình phá hoại do ăn mòn. Quá trình hóa già của lớp phủ mặt đường có thể chia làm hai giai đoạn. Giai đoạn 1 cường độ và tính ổn định biến dạng tăng. Giai đoạn 2 bitum bắt đầu già, cấu trúc thay đổi làm lớp phủ mặt đường bị phá hoại. Tuy vậy, sự già hóa của bitum phát triển chậm, thường sau 10 năm sử dụng sự già hóa mới ở mức độ cao. Tính già hóa có thể xác định ngay tại hiện trường hoặc bằng mẫu thử nghiệm trong các buồng khí hậu nhân tạo. II.5 Tính ổn định khi đun Khi dùng bitum, người ta thường đun nóng nó lên đến nhiệt độ cao khoảng 160°c trong thời gian khá dài do đó các thành phần dầu nhẹ có thể bị bốc hơi làm thay đổi tính chất của bitum. Các loại bitum dầu mỏ loại quánh sau thí nghiệm phải có hao hụt về trọng lượng không được lớn hơn1%, độ http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  11. 11. KILOBOOKS.COM 11 xuyên kim và độ dãn dài thay đổi không được lớn hơn 40% so với trị số ban đầu. II.6 Nhiệt độ bốc cháy của bitum . Nhiệt độ bốc cháy của bitum là nhiệt độ mà tại đó các chất dầu nhẹ trong bitum bốc hơi hòa lẫn vào môi trường xung quanh tạo lên hỗn hợp dễ cháy, khi ta đưa ngọn lửa lại gần thì bùng cháy và lan khắp bề mặt bitum. Nhiệt độ bốc cháy là một chỉ tiêu hết sức quan trọng về an toàn cho công nhân trong khi tiến hành ra cố bitum. II.7 Tính thấm ướt vật liệu khoáng. Tính thấm ướt vật liệu khoáng của bitum phụ thuộc vào hàm lượng các chất hoạt tính bề mặt có cực và tính chất của vật liệu khoáng, tính thấm ướt được đặc trưng bởi góc thấm ướt. Đó là góc giữa bề mặt vật liệu khoáng và tiếp tuyến với bề mặt giọt chất kết dính tại ranh giới tiếp xúc với vật liệu. Nếu góc thấm ướt càng nhọn thì tính thấm ướt càng tốt. Khi đó lực hút giữa các phân tử giữa chất kết dính với bề mặt vật liệu khoáng gần bằng lực hút phân tử nội tại chất kết dính. Nếu như góc thấm ướt lớn thì tính thấm ướt kém, lực hút phân tử với bề mặt vật liệu khoáng yếu. Do đó, chất kết dính càng thấm ướt tốt với vật liệu khoáng thì lực hút phân tử trong chúng càng yếu và lực dính bám giữa chất kất dính với bề mặt vật liệu khoáng càng mạnh. Những vật liệu khoáng ghét nước là những vật liệu dính bám chất kết dính hữu cơ tốt. II.8 Tính liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng . Sự liên kết của bitum với bề mặt vật liệu khoáng có liên quan đến quá trình thay đổi lý hóa khi hai chất tiếp xúc tương tác với nhau. Sự liên kết này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo nên cường độ và tính ổn định với nước, với nhiệt độ của hỗn hợp bitum và vật liệu khoáng. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  12. 12. KILOBOOKS.COM 12 Khi nhào trộn bitum với vật liệu khoáng, các hạt khoáng được thấm ướt bằng bitum và tạo thành một lớp hấp phụ. Khi đó các phân tử bitum ở trong lớp hấp phụ sẽ tương tác với các phân tử ở bề mặt vật liệu khoáng. Tương tác đó có thể là tương tác hóa học hay lý học. Lực liên kết hóa học lớn hơn rất nhiều so với lực liên kết lý học do đó khi bitum tương tác hóa học với vật liệu khoáng thì cường độ liên kết sẽ lớn nhất. Liên kết của bitum với vật liệu khoáng trước tiên phụ thuộc vào tính chất của bitum. Bitum có sức căng bề mặt càng lớn nghĩa là có độ phân cực càng lớn thì liên kết với vật liệu khoáng càng tốt. Độ phân cực của bitum phụ thuộc vào hàm lượng nhóm chất nhựa, đặc biệt là nhựa axít. Bitum chứa nhóm chất nhựa càng nhiều thì sự liên kết của nó với vật liệu khoáng càng tốt. Liên kết của bitum với vật liệu khoáng còn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu khoáng. Các loại đá bazơ liên kết với bitum tốt hơn các loại đá axit vì có thể xảy ra liên kết hóa học. Sự ổn định nước của hỗn hợp trong trường hợp này phụ thuộc vào độ hòa tan trong nước của các hợp chất mới tạo thành. Nếu như các hợp chất mới tạo thành là các muối kali, Natri của các axít hữu cơ thì nó sẽ hòa tan tốt trong nước và như vậy làm cho hỗn hợp kém ổn định nước. Nếu hợp chất đó là những muối canxi, sắt, nhôm là những hợp chất không hòa tan trong nước thì hỗn hợp ổn định nước. Mức độ liên kết của bitum với bề mặt vật liệu đá hoa có thể đánh giá theo độ bền của màng bitum trên bề mặt đá hoa khi nhúng trong nước sôi. Nếu sau thí nghiệm hơn 2/3 bề mặt của đá hoa vẫn được bitum bao bọc thì độ liên kết của bitum với bề mặt đá hoa là tốt. Trường hợp hoạt tính của bitum thấp, sự liên kết của nó với bề mặt vật liệu khoáng kém, thì cần cho thêm vào bitum chất phụ gia hoạt động bề mặt để bitum có độ hoạt tính cần thiết. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  13. 13. KILOBOOKS.COM 13 III. Ứng dụng của bitum dầu mỏ. Bitum có tính quánh ( nhớt ) càng cao thì càng tốt, nhưng tính nhớt càng cao thì bitum càng đặc và do đó bitum sẽ giòn khi thi công. Vì vậy, khi chọn mác bitum phải căn cứ vào phương pháp thi công, thiết bị thi công, điều kiện khí hậu để chọn cho phù hợp. Dưới đây là một số ứng dụng của bitum trong xây dựng làm đường: - Xử lý bề mặt đường ở những vùng khí hậu lạnh, chế biến các hỗn hợp bitum - sỏi- đá dăm và hỗn hợp bê tông - asphan nóng, sử dụng bitum mác 200/300 ( Bitum có độ xuyên kim từ 200- 300mm ). - Dùng trong ngành xây dựng thuỷ lợi, xử lý các bề mặt đường giao thông ở những vùng khí hậu ôn hoà, xây dựng mặt đường đá dăm theo phương pháp thấm ướt ở những vùng khí hậu lạnh và ôn hoà, sử dụng bitum mác 130/200 (Bitum có độ xuyên kim từ 130- 200mm ). - Dùng để xây dựng mặt đường đá dăm theo phương pháp thấm ướt ở những vùng khí hậu ôn hoà, chế biến các hỗn hợp bitum- khoáng sàng và bê tông asphan nóng ở những vùng khí hậu lạnh, hay dùng để xử lý bề mặt đường giao thông ở những vùng khí hậu ấm, sử dụng bitum mác 90/130 (Bitum có độ xuyên kim từ 90- 130mm ). - Dùng để xây dựng đường giao thông theo phương pháp thấm ướt ở những vùng có khí hậu ấm, chế tạo các hỗn hợp bitum- khoáng sàng và bê tông asphan nóng, chế tạo vật liệu lợp và cách nước sử dụng bitum mác 60/90 ( Bitum có độ xuyên kim từ 60- 90mm ). - Chế tạo các hỗn hợp bitum- khoáng sàng và bê tông asphan nóng để xây dựng mặt đường ôtô ở xứ nóng sử dụng bitum mác 40/60 (Bitum có độ xuyên kim từ 40- 60mm ). http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  14. 14. KILOBOOKS.COM 14 CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ NHŨ TƯƠNG BITUM I.Nhũ tương bitum. [1.2] I.1 Khái niệm. Lý thuyết nhũ tương được phát triển một cách khá ngẫu nhiên. Nó là một phần quan trọng của lý thuyết hóa học chất keo và là một phần phát triển từ công nghệ lâu đời liên quan đến việc chế biến sữa. Các điều kiện cần thiết để tạo nên nhũ tương cũng giống như các điều kiện cần thiết để tạo nên các hệ keo có pha phân tán rắn và môi trường phân tán lỏng. Nhũ tương càng bền vững sa lắng khi khối lượng riêng của hai pha phân tán càng gần nhau. Nhũ tương là hỗn hợp của hai chất lỏng không tan lẫn vào nhau. Trong đó một chất lỏng phân tán vào chất lỏng kia dưới dạng những hạt nhỏ li ti, và được gọi là pha phân tán còn chất lỏng kia được gọi là môi trường phân tán. Kích thước của các giọt chất lỏng biến đổi trong phạm vi rất rộng. Để nhũ tương có tính ổn định người ta cho thêm vào một chất gọi là chất nhũ hóa ( chất phụ gia hoạt tính bề mặt ). Chất nhũ hóa sẽ hấp phụ trên bề mặt các giọt bitum làm giảm sức căng bề mặt ở mặt phân chia pha giữa bitum và nước. Đồng thời nó tạo ra trên bề mặt các giọt bitum một màng mỏng kết cấu bền vững, có tác dụng ngăn cản sự kết tụ của chúng làm cho nhũ tương được ổn định. I.2 Phân loại nhũ tương. [8.9] Người ta phân loại nhũ tương theo kiểu và loại, theo tốc độ phân tách, theo hàm lượng nhựa chứa trong nhũ tương. I.2.1 Phân loại theo pha phân tán và môi trường phân tán - Nhũ tương thuận: pha phân tán là bitum , môi trường phân tán là nước. -Nhũ tương nghịch: pha phân tán là nước, môi trường phân tán là bitum . http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  15. 15. KILOBOOKS.COM 15 I.2.2 Phân loại theo chất hoạt động bề mặt - Nhũ tương anion hoạt tính. - Nhũ tương cation hoạt tính . - Nhũ tương không ion. - Nhũ tương là loại bột nhão. I.2.3 Phân loại theo khả năng phân tách- theo ASTM D997- 86 - Nhũ tương phân tách nhanh: RS - Nhũ tương phân tách trung bình: MS - Nhũ tương phân tách chậm: SS I.2.4 Phân loại theo khả năng thi công- theo Caltex. - Premix grade: là một công thức nhũ tương có độ ổn định lớn hơn so với loại spray grade, thích hợp để trộn với vật liệu đá có đường kính danh nghĩa lớn hơn hoặc bằng 3mm - Raped setting grade: là một công thức nhũ tương thích hợp để trộn với các hạt khoáng mịn, hỗn hợp ở dạng vữa và có tốc độ phân tách nhanh. - Spray grade: là một công thức nhũ tương thích hợp với thiết bị phun cơ học dùng để sử lý bề mặt đường ( láng mặt, làm lớp dính bám … ) và không yêu cầu trộn với vật liệu đá. - Stable mix grade: là một công thức nhũ tương thích hợp để trộn với các hạt khoáng rất mịn, cát nghiền. Hỗn hợp ở dạng mịn và có tốc độ phân tách chậm. I.2.5 Phân loại theo pháp NF T66-16: - Nhũ tương cation hoạt tính, ký hiệu là C - Nhũ tương anion hoạt tính, ký hiệu là A Có bốn loại nhũ tương như sau: - Nhũ tương phân tách chậm: EAL, ECL - Nhũ tương phân tách nhanh: EAR, ECR http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  16. 16. KILOBOOKS.COM 16 - Nhũ tương phân tách trung bình: ECM - Nhũ tương siêu ổn định: EAS, ECS I.3 Ứng dụng của nhũ tương bitum. [2] Việc lựa chọn các loại nhũ tương tùy thuộc vào mục đích sử dụng, điều kiện khí hậu nơi tiến hành thi công. Nhũ tương thường được sử dụng vào các mục đích như sau: - Duy tu bảo dưỡng, sửa chữa, rải lớp láng mặt, thường sử dụng nhũ tương phân tách nhanh, nhất là loại nhũ tương cation hoạt tính. - Giải lớp thấm nhập hoặc đá trộn ở hiện trường, thường sử dụng nhũ tương có tốc độ phân tách trung bình. - Trộn hỗn hợp cấp phối đá nhũ tương ở trạm trộn, thường sử dụng nhũ tương phân tách chậm. - Công nghệ vữa nhựa hạt thô rải nguội để khôi phục mặt đường cũ, thường sử dụng nhũ tương phân tách chậm hoặc loại siêu ổn định - Làm lớp dính bám giữa hai lớp móng và mặt, làm lớp tạo màng bảo dưỡng bê tông xi măng. - Sử dụng gia cố đất nền, móng dưới… I.4 Ưu điểm của nhũ tương bitum trong xây dựng đường ôtô. [38] - Không cần đun nóng khi thi công. - Không gây nguy hiểm như hỏa hoạn, độc hại cho công nhân, người đi đường. - Hồi phục nhanh chóng các tính chất cơ bản của nhựa đường. Đảm bảo nhanh chóng trả lại mặt đường cho các phương tiện lưu thông. - Có khả năng thi công trên mặt đường ẩm, điều kiện thời tiết bất lợi và khí hậu không ổn định. - Việc tiếp tế nhũ tương phục vụ thi công rất thuận tiện vì có thể tập kết kho ở gần chỗ thi công. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  17. 17. KILOBOOKS.COM 17 - Thành phần dung môi thấp, không gây độc hại và ô nhiễm môi trường. I.5 Các tính chất và yêu cầu đối với nhũ tương bitum. [19] I.5.1 Độ nhớt Độ nhớt của nhũ tương bitum được xác định bằng nhớt kế kỹ thuật. Độ nhớt đặc trưng cho khả năng dùng nhũ tương ở những mặt đường khác nhau. Tính chất này cơ bản phụ thuộc vào nồng độ chất kết dính trong nhũ tương. Hàm lượng bitum càng lớn thì độ nhớt của nhũ tương càng cao và tăng theo hàm số mũ. Ví dụ: với những nhũ tương chứa lượng chất kết dính bitum trong khoảng 50-65%, thì độ nhớt tăng không lớn khi tăng nồng độ bitum. Ngược lại khi hàm lượng bitum lớn hơn 65% thì chỉ cần thay đổi một lượng nhỏ bitum cũng làm thay đổi đáng kể độ nhớt của nhũ tương. (Hình I-1) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 50 54 58 62 66 70 74 Hµm lu−îng Bitum ( khèi l−îng) §énhít0.1Pa.s(mm/s) Hình I-1 Đồ thị sự phụ thuộc độ nhớt của nhũ tương vào hàm lượng bitum. Độ nhớt của nhũ tương thay đổi nhiều theo nhiệt độ. Hiện tượng này gọi là sự mẫn cảm với nhiệt độ. Đối với mọi loại chất kết dính trong đó kể cả http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  18. 18. KILOBOOKS.COM 18 nhũ tương bitum, sự mẫn cảm với nhiệt độ không phải lúc nào cũng như nhau, ở nhiệt độ nào cũng thế. Nói một cách khác giá trị của đạo hàm ở tại một điểm trên đường cong quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ phụ thuộc vào giá trị của nhiệt độ tại điểm đó. Thực vậy, trên một khoảng hẹp nhiệt độ, có thể viết phương trình của sự mẫn cảm với nhiệt độ như sau: ba +θ=ηlog ( I-1 ) Trong đó: η là độ nhớt ( °E ) ; θ là nhiệt độ ( °C ) a và b là những hằng số phụ thuộc vào tính chất nhũ tương. Khi dùng nguội thì độ nhớt của nhũ tương không được thay đổi quá 30% nếu nhiệt độ hạ xuống từ 20-10°c hoặc tăng lên từ 20-40°c CC 2010 η−η C203.0 η< CCC 204020 3.0 η<η−η Điều kiện công nghệ cũng ảnh hưởng đến độ nhớt của nhũ tương bitum. Sự thay đổi vận tốc dòng vào thùng khuấy sẽ làm thay đổi sự phân bố kích thước hạt nhũ tương. nếu thành phần của bitum không vượt quá 65%về khối lượng thì độ nhớt của nhũ tương ít phụ thuộc vào vận tốc dòng. nhưng khi thành phần của bitum vượt quá 65% theo khối lượng thì sẽ làm thay đổi sự phân bố kích thước hạt và do đó làm thay đổi đáng kể độ nhớt của nhũ tương bitum. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  19. 19. KILOBOOKS.COM 19 Một yếu tố cũng rất quan trọng tác động đến độ nhớt của nhũ tương bitum là độ nhớt của bitum. Nếu độ nhớt của bitum trong thùng khuấy thấp thì kích thước hạt của nhũ tương sẽ giảm và có khuynh hướng làm tăng độ nhớt của nhũ tương. Điều này có thể khắc phục bằng cách thêm vào nó một lượng nhỏ (2-4% khối lượng ) dung môi (thường là dầu hoả ) để pha loãng bitum. I.5.2 Tính đồng nhất Tính đồng nhất của nhũ tương bitum được đặc trưng bằng hàm lượng các giọt chất kết dính có kích thước nhỏ, xác định bằng hàm lượng nhũ tương lọt qua sàng, có kích thước lỗ sàng bằng 0,14mm. Khi đó lượng sót lại trên sàng không được vượt quá 0,5% trọng lượng. Nhũ tương không đồng nhất sẽ gây trở ngại cho quá trình thi công, đồng thời còn đẩy nhanh quá trình kết tụ sa lắng, gây ra hiện tượng phá nhũ. I.5.3 Tính ổn định khi vận chuyển và bảo quản Tính ổn định khi bảo quản đặc trưng cho khả năng bảo toàn tính chất của nhũ tương trong điều kiện nhiệt độ thay đổi. Thời gian bảo quản nhũ http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  20. 20. KILOBOOKS.COM 20 tương có thể kéo dài. Yêu cầu đối với nhũ tương bitum không bị kết tụ hay lắng đọng trong thời gian dài, đảm bảo độ đồng nhất. Để xác định tính ổn định khi vận chuyển và bảo quản người ta lấy nhũ tương đã được bảo quản sau bẩy ngày kể từ lúc chế tạo cho chảy qua sàng có kích thước lỗ sàng bằng 0,14mm. Khi đó nếu như lượng còn lại trên mặt sàng không vượt quá 0,1% theo trọng lượng thì loại nhũ tương đó được xem là ổn định. I.5.4 Tính dính bám của màng bitum với vật liệu khoáng. Tính dính bám được kiểm tra bằng trị số bề mặt của đá răm vẫn còn được phủ nhũ tương sau khi rửa mẫu thử nghiệm ở nhiệt độ 100°c. Trị số bề mặt phải không được nhỏ hơn 75% đối với nhũ tương anion và không nhỏ hơn 95% đối với nhũ tương cation. I.5.5 Khả năng của pha phân tán phục hồi tính chất ban đầu trong thời gian tiếp xúc với vật liệu khoáng. Khả năng này được đặc trưng bằng tốc độ phân giải của nhũ tương. Sự phân giải của nhũ tương khi tiếp xúc với bề mặt khoáng nước sẽ tách ra, các giọt bitum tiếp xúc với nhau, hình thành lớp dày đặc trên bề mặt của hạt vật liệu khoáng. Tốc độ đông tụ của nó càng nhanh nếu như hoạt tính của chất nhũ hóa càng lớn. Tùy theo tính chất và số lượng chất nhũ hóa mà người ta có thể nhận được các loại nhũ tương phân giải nhanh, vừa và chậm. Tốc độ phân giải của nhũ tương được xác định bằng cách trộn nó với xi măng hay vật liệu sỏi. Sau hai phút đem mẫu sỏi ra ngoài không khí 30 phút, đem cân. Dùng vòi nước dội trong 15 phút rồi cân lại. Độ phân giải của nhũ tương: 2 1 δ δ =λ .100% (I-2) http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  21. 21. KILOBOOKS.COM 21 Trong đó: 1δ Lượng bitum dính chặt vào bề mặt sỏi sau khi đã dội nước(g) 2δ Lược bitum dính chặt vào bề mặt sỏi trước khi dội nước (g) II Lý thuyết nhũ tương Nhũ tương là một hệ phân tán của ít nhất hai chất lỏng không tan lẫn vào nhau. Có hai dạng nhũ tương, dạng dầu trong nước ( pha dầu phân tán vào pha nước ) và dạng nước trong dầu ( pha nước phân tán trong pha dầu ). Trong các hệ này, phân tử của chất nhũ hóa tự sắp xếp bằng cách định hướng nhóm kị nước của chúng vào pha dầu và nhóm ưa nước vào pha nước. Dạng nhũ tương được tạo ra tùy thuộc vào loại chất nhũ hóa được sử dụng, nhiệt độ ,và khối lượng các pha được sử dụng. Nói chung pha lỏng nào dễ hòa tan chất nhũ hóa có xu hướng trở thành pha liên tục. Trong một nhũ tương, kích thước các giọt rất không đồng đều, kích thước giọt liên quan đến phương pháp chế tạo nhũ tương và nồng độ chất nhũ hóa. Sự thay đổi trong phân bố kích thước giọt là đường cong đối với thời gian. Dựa vào đó có thể xác định độ ổn định của nhũ tương. II.1 Chế tạo nhũ tương Có hai phương pháp chế tạo nhũ tương: phương pháp ngưng tụ và phương pháp phân tán. II.1.1 Phương pháp ngưng tụ Khi chất lỏng A được hòa tan vào chất lỏng B ở trạng thái có bão hòa, nếu như trạng thái quá bão hòa này bị phá vỡ sẽ tạo thành nhũ tương. Có thể phá vỡ trạng thái quá bão hòa bằng cách hạ nhiệt độ của dung dịch hoặc thay đổi nồng độ dung dịch để giảm độ hòa tan. Phương pháp này ít được sử dụng trong công nghiệp so với phương pháp phân tán: http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  22. 22. KILOBOOKS.COM 22 II.1.2 Phương pháp phân tán: Phương pháp phân tán để chế tạo nhũ tương gồm hai dạng. Quá trình nhũ hóa xảy ra một cách tự nhiên với dầu có khả năng nhũ hóa hay hòa tan. Hoặc quá trình nhũ hóa xảy ra do có lực tác dụng bằng thiết bị nhũ hóa để phân tán một pha lỏng thành những giọt nhỏ vào pha lỏng kia. II.2 Phân bố giọt trong nhũ tương Trong đa số các trường hợp, việc biểu thị các số liệu thu được bằng hàm phân bố sẽ thuận tiện cho việc nghiên cứu cấu trúc tập hợp giọt. II.2.1 Hàm phân bố theo kích thước Mật độ phân bố qr(x) cho biết xác suất gặp một giọt có đường kính nào đó của tập hợp giọt. Chỉ số r chỉ ra các loại hình phân bố: r = o : phân bố theo số giọt r =1: phân bố theo độ dài r =2: phân bố theo bề mặt r =3: phân bố theo thể tích hoặc khối lượng Việc chuyển giữa các loại hình phân bố tuân theo phương trình: ∫ − − = max min )(.. )(.. )( x x i ir x i ir x r dxxqxk xqxk xq ( I-3 ) Trong đó kx: hệ số phụ thuộc hình dạng của giọt có đường kính x, có thể xác định như sau: Xn X k A x = : hế số hình dạng tính theo tỷ lệ kích thước nhỏ nhất và kích thước lớn nhất tính theo hai phương đặc trưng của hạt. 2 2 S Y x X X k = : hệ số hình dạng tính theo tỷ lệ đường kính tương đương thể http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  23. 23. KILOBOOKS.COM 23 tích và bề mặt. II.2.2 Một số phân bố thường gặp II.2.2.1 Phân bố chuẩn Thường gặp ở các quá trình ngưng tụ, kết dính, thăng hoa trong quá trình chuyển pha, các quá trình hình thành và lớn lên của các quần thể vi sinh vật và các quá trình sấy phun. Hàm phân bố chuẩn có dạng:       σ − − πσ == 2 2 3 3 2 )( exp 2 1 )( )( )( zxx xd xdQ xq ( I-4 ) Và tổng phân bố: ∫       σ − − πσ = max min 2 2 3 2 )( exp 2 1 )( x x z dx xx xQ (I-5) Trong đó xz : độ lớn của hạt ứng với Q3(x) = 0,5 σ : độ lệch tiêu chuẩn của phân bố này. Mật độ phân bố có dạng hình chuông. q3(x) σ2 Xmin Xm ax x H×nh I-3 : đường cong mật độ phân bố chuẩn. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  24. 24. KILOBOOKS.COM 24 II.2.2. 2 Phân bố chuẩn logarit Thường dùng cho các tập hợp hạt hình thành trong quá trình vo viên, các tập hợp hình thành trong quá trình sấy phun, các tập hợp hạt thực vật sau khi nghiền và các tập hợp hạt quặng hình thành do các vụ nổ. Hàm phân bố chuẩn logarit có dạng:         σ − − πσ == 2 lg 2 lg 3 3 2 )lg(lg exp 2 1 )(lg )(lg )(lg zxx xd xdQ xq (I-6) vµ ∫         σ − − πσ = max min lg lg 2 lg 2 lg 3 )(lg 2 )lg(lg exp 2 1 )(lg x x z xd xx xQ (I-7) Trong đó xz : giá trị ứng với Q3(lgxz) = 0,5 lgσ : độ lệc tiêu chuẩn của phân bố này. II.2.2.3 Phân bố hàm số mũ GGS : Thường dùng cho các tập hợp hạt nghiền, tập hợp hạt kết tinh tự nhiên như muối ăn bờ biển… Hàm phân bố mũ có dạng: 1 maxmax 3 3 )( )( −       == m x x x m dx xdQ xq (I-8) Trong đó xmax : đường kính hạt lớn nhất. m : thông số độ rộng, nó đặc trưng cho độ rộng phân bố của tập hợp hạt. 12 1323 max 3 lglg )(lg)(lg lg )(lg xx xQxQ x x xQ m − − =       = (I-9) Với x1, x2 : kích thước của hai loại hạt xác định trong tập hợp đang xét. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  25. 25. KILOBOOKS.COM 25 Q3(x1), Q3(x2) : các giá trị tổng phân bố ứng với x1, x2. II.2.2.4 Phân bố mũ kép RRS Thường để mô tả các tập hợp hạt nghiền, các tập hợp hạt xuất hiện khi khai khoámg vật, tập hợp hạt của vật bị rơi vỡ, tập hợp hạt lỏng khi tung tóe bằng cơ cấu cơ học. Phân bố mũ kép RRS có dạng:               −      == − nn x x x x x n dx xdQ xq , 1 ,, 3 3 exp )( )( (I-10) n x x xQxR         −=−= , 33 exp)(1)( (I-11) , 3 lglg lglg )( 1 lglg xx e xR n − −      = (I-12) Trong đó , x :kích thước đặc trưng của tập hợp hạt, ứng với Q3(x, ) = 0,623; n : đặc trưng độ rộng của phân bố. II.3 Sức căng bề mặt của dung dịch chất nhũ hóa Giữa các phân tử chất lỏng hay chất rắn luôn có lực liên kết. Các phân tử nằm bên trong khối chất lỏng có lực liên kết ở về mọi phía của phân tử. Các phân tử chất lỏng nằm trên bề mặt có một phía không liên kết với các phân tử chất lỏng khác, do đó nó có năng lượng cao hơn. Chất lỏng có xu hướng tạo thành dạng hình cầu sao cho diện tích tiếp xúc bề mặt nhỏ nhất để có năng lượng thấp nhất. Sức căng bề mặt ( ) là khái niệm dùng để mô phỏng lực liên kết giữa các phân tử tại bề mặt. Sức căng bề mặt của một pha là do các phân tử ở bề http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  26. 26. KILOBOOKS.COM 26 mặt pha có năng lượng cao hơn pha kia. Lực liên kết giữa các phân tử của pha nào lớn hơn sẽ có sức căng bề mặt lớn hơn. Khi hai chất lỏng A và B tiếp xúc trực tiếp với nhau, giữa các phân tử của chúng cũng có lực liên kết. Giả sử sức căng bề mặt của chất lỏng A là Aγ , của chất lỏng B là Bγ , sức căng bề mặt giữa hai chất lỏng A, B là ABγ thì: ∑−γ+γ=γ ABBAAB 2 ( I-13 ) ∑ AB lµ lùc liªn kÕt gi÷a c¸c ph©n tö A vµ B. Khi lực liên kết giữa các phân tử A và B rất lớn, sức căng bề mặt giữa chúng nhỏ. Điều này có nghĩa năng lượng của chúng giảm do sự tiếp xúc giữa hai pha. Do đó hai chất lỏng dần bị phân tán vào nhau nhằm tăng diện tích tiếp xúc. Giới hạn của quá trình phân tán này là hai chất lỏnh trộn lẫn vào nhau tạo thành dung dịch A và B. Có thể giải thích cơ chế giảm sức căng bề mặt giữa pha dầu và pha nước dưới tác dụng của chất nhũ hóa như sau: Trong dung dịch chất nhũ hóa, các phân tử chất hoạt động bề mặt tập trung và bị hấp phụ ở bề mặt của dunh dịch, các nhóm kị nước định hướng vào không khí, bề mặt dung dịch được bao phủ bởi các nhóm kị nước. Do lực liên kết giữa các hydrocacbon nhỏ hơn giữa các phân tử nước nên sức căng bề mặt của dung dịch nước ( được bao phủ bởi các nhóm kị nước ) sẽ nhỏ hơn sức căng bề mặt của nước. Nghĩa là dưới tác dụng của chất hoạt động bề mặt, sức căng bề mặt của nước giảm. Khi một chất hoạt động bề mặt được hấp thụ ở bề mặt dầu - nước, các phân tử dầu nước sẽ không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà qua phân tử chất hoạt động bề mặt. Các nhóm kị nước hướng vào dầu, nhóm ưa nước hướng vào nước. Lực liên kết giữa dầu và nhóm kị nước cũng như lực liên kết giữa nhóm ưa nước và nước thường lớn. Do đó chất hoạt động bề mặt làm giảm http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  27. 27. KILOBOOKS.COM 27 sức căng bề mặt giữa dầu và nước. Như vậy, sự cân bằng giữa nhóm ưa nước và nhóm kị nước ( HLB ) của chất nhũ hóa là một yếu tố quan trọng quyết định sự hấp thụ của nó ở bề mặt lỏng- lỏng. Khi HLB thích hợp, chất hoạt động bề mặt hấp thụ có hiệu quả và chỉ có một lượng nhỏ dầu tiếp xúc trực tiếp với nước, sức căng bề mặt giảm. Qua việc nghiên cứu sức căng bề mặt của hệ nhũ tương bitum – nước có thể đánh giá được độ bền và độ ổn định của hệ. Sức căng bề mặt giữa hai pha bị ảnh hưởng bởi hàm lượng chất hoạt động bề mặt, nhiệt độ và sự có mặt của các muối. Bằng con đường nhiệt động học, gần đây người ta đã đưa ra phương trình mô tả sự phụ thuộc của sức căng bề mặt vào kích thước giọt lỏng: r l2 1 + σ =σ ∞ ( I.14 ) Ở đây σ : là sức căng bề mặt của các giọt lỏng hình cầu có bán kính r ∞σ : là sức căng bề mặt của bề mặt chất lỏng phẳng ( r=∞ ) L : đường kính phân tử II.4 Hiện tượng tách nhũ Để nhũ tương có độ ổn định cao, kích thước giọt nhũ phải nhỏ, sự phân bố kích thước giọt hẹp. Quá trình phá vỡ sự ổn định của nhũ tương xảy ra như sau: http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  28. 28. KILOBOOKS.COM 28 Hình I-4: Quá trình phá vỡ nhũ tương Ban đầu do sự khác nhau về tỷ trọng giữa pha phân tán và môi trường phân tán, nhũ tương bị phân tách thành hai phần có nồng độ chất phân tán khác nhau. Tốc độ lắng của các giọt nhũ được tính bằng phương trình Stoke. 2 21 2 9 )(2 η − = ddgr u ( I.15 ) Trong đó: u : tốc độ lắng r : bán kính giọt nhũ d1, d2 : tỷ trọng của chất phân tán và môi trường phân tán 2η : độ nhớt của môi trường phân tán g : gia tốc trọng trường Từ phương trình Stoke có thể thấy rằng để làm giảm quá trình lắng của các giọt nhũ, nhũ tương phải có phân bố kích thước giọt hẹp, kích thước của giọt nhỏ, hoặc tỷ trọng giữa các pha tạo nên nhũ tương phải xấp xỉ nhau, điều này rất khó thực hiện được trong một số trường hợp cụ thể. Quá trình lắng đọng có thể trở lại dạng nhũ tương ban đầu nhờ tác dụng khuấy trộn mạnh. Quá trình phá nhũ hoàn toàn xảy ra khi các giọt bitum kết hợp lại với nhau thành các giọt lớn hơn làm giảm số lượng giọt trong nhũ tương. Quá Nhò t−¬ng L¾ng ®äng TËp hîp c¸c giät nhò KÕt tô TËp hîp c¸c giät nhò L¾ng ®äng T¸ch nhò http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  29. 29. KILOBOOKS.COM 29 trình kết hợp này xảy ra liên tục, đến một lúc nào đó nhũ tương bị phân tách thành hai phần riêng biệt. Quá trình kết tụ xảy ra theo hai bước. Ban đầu các giọt nhũ có xu hướng tập hợp lại, tạo thành một tập hợp giọt. Trong mỗi tập hợp giọt các giọt nhũ tiếp xúc trực tiếp với nhau khi phân tử chất nhũ hóa trên bề mặt giọt nhũ bị khử hấp thụ. Do vậy chúng kết hợp lại với nhau tạo thành các giọt có kích thước lớn hơn. Lúc này nhũ tương bị lắng đọng và phân tách nhanh chóng. Như vậy lực hấp thụ của chất nhũ hóa đối với pha phân tán có vai trò rất quan trọng trong quá trình ổn định nhũ tương, ngăn cản quá trình kết tụ của các giọt nhũ. II.5 Sự đảo tướng nhũ tương Sự đảo tướng trong nhũ tương là một hiện tượng phổ biến trong tất cả các hệ nhũ. Khi ta đưa vào nhũ tương, vừa đưa vào vừa khuấy mạnh một lượng thừa chất hoạt động bề mặt (chất nhũ hóa ) sẽ cho ta nhũ tương loại ngược lại với nhũ tương ban đầu. Nghĩa là pha phân tán trở thành môi trường phân tán và ngược lại môi trường phân tán trở thành pha phân tán. Ngoài ra sự đảo tướng nhũ tương còn xảy ra do tác dụng cơ học lâu dài trong một số điều kiện nhất định. Khi quan sát bằng kính hiển vi người ta thấy rằng trong quá trình đảo tướng sẽ bắt đầu bằng việc các giọt của pha phân tán bị kéo dài ra, chuyển thành màng, rồi sau đó các màng mới được tạo thành này bao bọc lấy môi trường phân tán của nhũ tương ban đầu, dần dần đã biến môi trường phân tán trở thành pha phân tán. Một điều lý thú là do sự phân bố không đồng đều chất nhũ hóa trong các khu vực nhỏ khác nhau của hệ mà trong sự đảo tướng có thể xuất hiện cái gọi là đa nhũ tương, tức là các giọt dầu của nhũ tương dầu / nước lại có thể chứa những giọt nước vô cùng nhỏ trong nó. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  30. 30. KILOBOOKS.COM 30 II.6 Ổn định nhũ tương Như ta đã biết các chất hoạt động bề mặt hấp thụ nên bề mặt giọt nhũ, nhóm kị nước sẽ hướng vào pha dầu, nhóm ưa nước hướng vào pha nước, tạo nên một lớp màng liên kết giữa hai pha. II.6.1 Cấu tạo lớp điện tích kép Nhũ tương ổn định hơn khi lớp màng ở bề mặt phân chia giữa hai pha tích điện. lớp điện tích này của các giọt có thể được hình thành theo ba cách: Do quá trình ion hóa, quá trình hấp thụ hoặc do sự tiếp xúc. khi các chất nhũ hóa hấp thụ trên bề mặt các giọt, các nhóm có khả năng hòa tan trong nước của nó bị ion hóa, tạo thành lớp điện tích kép bao bọc quanh hạt nhũ. Đối với nhũ tương được ổn định bằng các hợp chất không ion, lớp điện tích tại bề mặt giọt không phải do sự hấp phụ các ion từ môi trường phân tán, mà do ma sát khi các giọt nhũ tiếp xúc trực tiếp với nhau hay tiếp xúc với môi trường. Điều này đã được nhiều tác giả nghiên cứu và chứng minh bằng thực nghiệm, Coehn đã đưa ra quy luật sau: Một chất có hằng số điện môi cao sẽ tích điện khi tiếp xúc với một chất có hằng số có điện môi thấp hơn. Như vậy do nước có hằng số điện môi cao nên phần lớn nhũ tương dầu- nước có điện tích âm còn nhũ tương nước- dầu lại có điện tích dương. Lớp điện tích trên bề mặt giọt rất phức tạp. Khi các ion mang điện bao quanh các giọt nhũ, các ion trái dấu sẽ nằm song song, tiếp xúc lớp ion trên tạo thành lớp điện tích kép. Hình I-5 : Lớp điện tích kép ở bề mặt phân chia pha dầu- nước DÇu N−íc http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  31. 31. KILOBOOKS.COM 31 Lớp điện tích kép gồm hai phần: Một phần cố định nằm sát bề mặt, phần khác phân tán tạo thành lớp phân tán. Mật độ điện của các điện tích ở lớp phân tán giảm mạnh theo quy luật hàm số mũ. Khi có mặt chất nhũ hóa, sự phân bố thế của lớp điện tích kép được trình bày trong hình I-6a, hệ nhũ tương có xu hướng keo tụ mạnh. Khi có mặt chất nhũ hóa, có sự thay đổi thế của lớp điện tích kép ( Hình I-6b), thế Zeta đủ lớn để ổn định nhũ tương. Giới hạn để ổn định nhũ tương là thế Zeta= 100 mv. DÇu N−íc DÇu N−íc DÇu N−íc (a) (b) (c) Hình I - 6: Lớp điện tích kép ở bề mặt phân chia pha dầu/ nước a: không có chất hoạt động bề mặt b: có chất hoạt động bề mặt c: hàm lượng chất hoạt động bề mặt tăng và có mặt chất điện ly trong pha nước. Khi thêm chất điện ly vào pha nước, có sự thay đổi rõ ràng trong đường cong thế ( Hình I-6c ). Bán kính lớp phân tán sẽ giảm do sự tăng nồng độ ion ngược dấu và sự nén điện tích kép. x Ψ0 ∆V http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  32. 32. KILOBOOKS.COM 32 Phương trình poisson: KT enz k ε = 22 8 ( I.16 ) Ở đây: z là hóa trị của các ion tích điện trái dấu với lớp ion bề mặt n là số ion tích điện trái dấu trên 1cm3 dung dịch e là điện tích nguyên tố ε là hằng số điện môi K là hằng số Boltzman T là nhiệt dộ tuyệt đối k là nghịch đảo bán kính hiệu dụng của giọt nhũ Lớp điện tích bao quanh giọt nhũ có ý nghĩa rất lớn đối với việc ổn định hệ nhũ tương, do nó ngăn cản các giọt nhũ tiến lại gần nhau, kết tụ và phá vỡ nhũ tương. II.6.2 Ổn định bằng lực đẩy điện Khi hai giọt chất lỏng chuyển động đến gần nhau, do ở mỗi giọt tổng các điện tích âm bằng tổng các điện tích dương, cho nên không có một tương tác điện nào xảy ra. Khi tiến đến gần nhau hơn nữa, tương tác sẽ thay đổi đột ngột. Do các bầu khí quyển ion lồng vào nhau, lực đẩy lúc này xuất hiện giữa các ion nghịch của hai bầu khí quyển, tạo nên một sự sắp xếp lại các ion đó trong không gian. Lực đẩy giữa hai giọt nhũ xấp xỉ bằng: 0226 )/(1062,4 kH R evrxV −− γ= ( I.17 ) r: là bán kính của giọt v: là hóa trị của các ion γ : được cho bởi phương trình sau 1 1 2/ 2/ + − =γ z z e e ( I.18 ) http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  33. 33. KILOBOOKS.COM 33 Ở đây: oo kTvz ψεψ= ,/ là thế của điện tích kép. Giữa các giọt nhũ còn có lực hấp dẫn Vander Waals: VA = - Ar/ 12 H0 ( I- 19 ) A là hằng số phụ thuộc vào độ phân cực của các phân tử tạo nên giọt nhũ. Tương tác tổng cộng giữa các giọt: V = VA + VR ( I- 20 ) Nếu VA > VR nhũ tương không ổn định. Ngược lại VR > VA nhũ tương ổn định. Như vậy, thế của lớp điện tích kép hay cụ thể là thế Zeta có thể đặc trưng cho độ bền của nhũ tương. Sự đưa thêm vào hệ một chất điện ly, sự biến đổi PH, nồng độ các chất phân tán, sự thay đổi nhiệt độ … sẽ làm thay đổi thế Zeta. II.7 Chọn chất nhũ hóa Để có được một nhũ tương thích hợp ta phải chọn chất nhũ hóa có hàm lượng nhóm kị nước và nhóm ưa nước (HLB) phù hợp. Phương pháp tính HLB lần đầu tiên được Griffin nghiên cứu và áp dụng. Phần lớn các phương pháp tính HLB hiện nay đều dựa trên cơ sở phương pháp này. Bảng sau là các khoảng HLB thích hợp cho từng hệ. Bảng I.1 Khoảng HLB Ứng dụng 4-6 Chất nhũ hoá dầu/ nước 7-9 Tác nhân thấm ướt 8-18 Chất nhũ hoá nước/ dầu 13-15 Chất tẩy rửa 15-18 Chất hoà tan http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  34. 34. KILOBOOKS.COM 34 Như vậy, chỉ số HLB trong khoảng 4-6 là phù hợp để chế tạo nhũ tương dầu / nước. Các hợp chất có chỉ số HLB nằm ngoài khoảng mặc dù có tính chất hoạt động bề mặt nhưng không được sử dụng làm chất nhũ hóa dầu / nước. Các phương pháp xác định HLB dựa trên nhiều quá trình thực nghiệm. Đối với phần lớn các este béo, HLB được tính như sau: HLB = 20 (1- ) A S ( I.21 ) Ở đây s là chỉ số xà phòng hóa của este, A là chỉ số axít của axít. Ví dụ: đối với glyxerin monosterat có s=161 và A=198 từ phương trình trên ta tính được HLB=3,8. Có rất nhiều este, thật khó để xác định chính xác chỉ số xà phòng hóa, ví dụ các este có mạch dài như sáp, lanolin. Do vậy giffin đã đưa ra công thức: HLB= 5 PE+ ( I.22 ) E: là nồng độ phần trăm khối lượng của nhóm oxietylen, p là nồng độ phần trăm khối lượng của nhóm rượu. Các phương trình này không thể sử dụng cho các chất hoạt động bề mặt không ion bao gồm oxít propylen, oxít butylen, ni tơ, lưu huỳnh,… Trong các trường hợp này phải dùng phương pháp thực nghiệm. Độ ổn định của nhũ tương liên quan đến độ phân tán giữa các pha trong nhũ tương. Không thể chỉ sử dụng chỉ số HLB để đánh giá độ ổn định của nhũ tương. Việc xác định giá trị HLB sẽ có ý nghĩa hơn khi đặt nó trong mối quan hệ với các yếu tố khác như tính chất của chất nhũ hóa, cấu trúc của phân tử chất hoạt động bề mặt. Đối với chất hoạt động bề mặt có cấu trúc xác định, có thể tính giá trị HLB như sau: http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  35. 35. KILOBOOKS.COM 35 HLB = 7 + ∑( số nhóm ưa nước) – ∑( số nhóm kị nước) ∑( số nhóm kị nước) thường bằng 0,475n, n là số nhóm – CH2- Việc chọn chất nhũ hóa để sản xuất nhũ tương bitum sẽ được đề cập kĩ hơn trong phần sau. III. Chất hoạt động bề mặt: [1.22] Chất hoạt động bề mặt là hợp chất hóa học khi hòa tan trong một chất lỏng sẽ làm giảm sức căng bề mặt của chất lỏng ấy hoặc lực căng ở mặt tiếp xúc của nó với một chất lỏng khác, do quá trình hấp thụ vào chất này hay chất kia ở bề mặt tiếp xúc. Phân tử chất hoạt động bề mặt gồm hai phần: phần có cực tạo thành các ion âm hoặc dương ( nhóm ưa nước ) và nhóm không có cực thường là các hyđrôcacbon chuỗi dài từ 14 đến 20 nguyên tử cacbon ( nhóm kị nước ). Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt rất thấp, phân tử của nó phân bố rải rác trong dung dịch. Khi nồng độ các chất hoạt động bề mặt tăng, dẫn đến tạo cấu trúc mixell bao gồm vài chục phân tử hợp chất bề mặt kết hợp lại với nhau. Trong mỗi mixell nhóm kị nước sẽ định hướng vào bên trong. Còn nhóm ưa nước sẽ định hướng ra ngoài. Một ứng dụng quan trọng của chất hoạt động bề mặt là sử dụng làm chất nhũ hóa. Nhũ tương là một hệ không ổn định về mặt nhiệt độ. Để hệ nhũ tương ổn định hơn, ta cần đưa vào hệ một cấu tử thứ ba để làm giảm năng lượng bề mặt. Cấu tử thứ ba chính là chất nhũ hóa. chất nhũ hóa còn ngăn cản xu hướng keo tụ, phá vỡ hệ nhũ tương. Việc chọn chất nhũ hóa có hàm lượng nhóm ưa nước và nhóm kị nước phù hợp sẽ cho ta các hệ nhũ tương có chất lượng tốt. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  36. 36. KILOBOOKS.COM 36 III.1 Chất hoạt động bề mặt anion Đây là những chất hoạt động bề mặt mà khi hòa tan trong nước cho ta các ion âm và những ion này là nguyên nhân của hoạt tính bề mặt. Bao gồm: - Các muối của những axít béo gọi chung là xà phòng như muối kiềm của axít béo, muối kim loại của axít béo, muối gốc hữu cơ của axít béo. - Các muối sulfat của những axít béo: Đây là những chất hoạt động bề mặt đã được sử dụng từ lâu và được dùng rộng rãi để làm gốc chế tạo các loại nước gội đầu, nước tắm sủi bọt, các chất sáp tạo nhũ hóa, các chất tẩy rửa. - Các dẫn suất sulfon: ví dụ các chất sulfonat của dầu hỏa, các chất lignosulfat, các chất alkylarysulfonat. - Các chất hữu cơ photpho: công thức của những chất này hiện nay có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Các loại alkyl photphat là những chất được ứng dụng nhiều nhất làm chất nhũ hóa vi nhũ tương. III. 2 Chất hoạt động bề mặt cation: Đây là những chất hoạt động bề mặt tự ion hóa khi pha vào trong nước để cung cấp những ion hữu cơ mang điện tích dương là nguyên nhân gây ra hoạt tính bề mặt. Tuy chất hoạt động bề mặt cation đã được điều chế từ lâu, nhưng mới chỉ được phát triển mạnh từ sau thế chiến lần thứ hai. Ngày nay chúng được phát triển mạnh trong các lĩnh vực như chống ăn mòn, tác nhân tuyển quặng, dùng làm chất nhũ hóa nhưng nhiều nhất là chất làm mềm vải sợi, lĩnh vực sử dụng của chúng đặc biệt là trên các cơ cấu mang điện tích âm. ngoài một gốc hydrocacbon, phần lớn các phân tử này chứa một nguyên tử chất đạm nitơ mang điện tích dương, có thể là những chất hữu cơ hoặc là mạch hở hoặc là những chu kì phức tạp. Sự khác biệt này thường dùng để làm một chỉ tiêu phân loại. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  37. 37. KILOBOOKS.COM 37 Bao gồm: - Các muối alkylamin: các chất hoạt động bề mặt này được sử dụng nhiều nhất để làm mềm vải sợi. - Các muối amoni bậc 4 alkyl: các phân tử loại này có khả năng diệt khuẩn rất cao, vì vậy một số được làm thuốc sát trùng. - Các nmin oxyt: mặc dù là những chất hoạt động bề mặt cation, các chất này ở giới hạn của những chất không mang điện, vì vậy có thể giống với một số chất hoạt động bề mặt anion. Nhờ có tính chất này mà người ta dùng nó làm mỹ phẩm. - Các dẫn xuất của hóa dầu: Người ta phân loại các chất dẫn xuất của hóa dầu ngược lại với bốn nhóm trên, ở đây vẫn là những chất amin và muối amôni bậc 4. - Các chất dẫn xuất không có đạm: Đây là những phân tử có hoặc là một nguyên tử lưu huỳnh hoặc là một nguyên tử phot pho mang dấu điện dương. III.3 Chất hoạt động bề mặt mang cả hai dấu điện: Đây là những chất hoạt động bề mặt có hai hoặc nhiều nhóm chức và tùy theo những điều kiện của dung môi có thể ion hóa trong dung dịch nước và có thể cung cấp các ion âm hoặc dương. Các chất này biểu hiện tính ion của mình tùy theo độ PH: Là anion khi ở trên điểm cân bằng điện và cation khi ở dưới. Ngoài những chất được tổng hợp bằng phương pháp hóa học trong nhóm này còn có các axít amin trong các prôtêin thực vật ( như chất lestin của đậu tương) hoặc động vật ( như các casein trong sữa ). Có thể biểu diễn các phân tử này dưới dạng NH2-R-COOH Khi đó tính chất anion trong môi trường kiềm sẽ có dạng COO- M+ R http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  38. 38. KILOBOOKS.COM 38 NH2 M+ có thể là Na+ hoặc K+ , và tính chất cation trong môi trường axit sẽ có dạng COOH R M+ có thể là Cl- H3N+ M- Bao gồm: - Các dẫn xuất từ betan như alkylbetan, alkylaminobetan có khả năng làm ướt, gây bọt và tảy rửa, ít độc hại và có khả năng tự hủy, không gây ô nhiễm môi trường. Các chất này chủ yếu dùng làm đồ mĩ phẩm. - Các dẫn xuất từ imidazolin: Những chất này có khả năng nhũ hóa rất mạnh. - Các dẫn xuất của các axít amin: các chất hoạy động bề mặt này được dùng để gây bọt và diệt khuẩn. III.4 Chất hoạt động bề mặt không ion. Các chất này hòa tan vào được trong nước là do trong thành phần của chúng có những nhóm hoạt động rất háo nước. Ở bất cứ PH nào chúng đều có thể tác dụng với các chất hoạt động bề mặt ion. Có thể phân loại chúng theo kiểu liên hệ giữa các nhóm háo dầu và háo nước. - Liên hệ kiểu este như esteglycol, este glyserol, este của các axít béo…Các chất hoạt động bề mặt này được chủ yếu dùng trong công nghiệp dược phẩm, mĩ phẩm và thực phẩm. - Liên hệ kiểu este: đây là những hợp chất hữu cơ thường được dùng để chế tạo nhũ tương dùng trong công nghiệp sơn và công nghiệp nông phẩm. - Liên hệ kiểu amit: thường sử dụng chế tạo bột giặt và dùng trong công nghiệp mĩ phẩm. - Các chất khác: còn một số chất hoạt động bề mặt không ion nữa như nhựa đa phân tử alkylenoxyt, mercaptan và polyoxyetylen. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  39. 39. KILOBOOKS.COM 39 Hình I-7: Ổn định nhũ tương bằng chất nhũ hóa a: chất nhũ hóa anion b: chất nhũ hóa cation IV. Công nghệ chế tạo nhũ tương bitum IV.1 Quy trình chế tạo nhũ tương bitum : Trước đây nhũ tương bitum thường được điều chế từ 50 - 70% asphan, 5 - 25% nước, và sử dụng thêm các chất độn như dolomit, đất sét, cao lanh, thủy tinh lỏng… Nhũ tương bitum thường được điều chế bằng phương pháp phân tán dưới tác dụng cơ học. Sau nhiều năm nghiên cứu và sử dụng, quy trình chế tạo và thành phần nhũ tương bitum đã được thay đổi và điều chỉnh cho hoàn thiện. Hiện nay,nhũ tương bitum được điều chế theo quy trình sau. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  40. 40. KILOBOOKS.COM 40 Hình I-8 : Quy trình thí nghiệm. Có thể sử dụng các loại asphan khác nhau có độ kim lún khác nhau. asphan phải được hóa lỏng bằng cách gia nhiệt, ngoài ra có thể sử dụng thêm chất pha loãng ( thường là dầu hỏa ) để giảm độ nhớt của asphan tạo điều kiện cho asphan phân tán tốt. chất nhũ hóa được pha trực tiếp vào nước. Asphan được đưa vào bể chứa với khối lượng thích hợp, được cấp nhiệt để hóa lỏng. Sử dụng lưu lượng kế điều chỉnh hàm lượng dung dịch chất nhũ hóa và nước nóng vào bộ phận phân tán để đảm bảo tỷ lệ phối trộn. Tại đây dưới tác dụng mạnh của khuấy trộn cơ học ( máy khuấy ), asphan được phân tán thành những giọt nhỏ li ti. Tốc độ và thời gian khuấy phải đủ lớn. Lực căng ở bề mặt phân cách giữa bitum và nước giảm nhờ sự hấp thụ của chất nhũ hóa vào cả hai pha. Chất nhũ hóa bao phủ quanh giọt bitum làm ổn định giọt nhũ. Nước được sử dụng phải chứa ít những tạp chất hữu cơ và khoáng vật. Các ion Ca, Mg trong nước có xu hướng gây phản ứng, đặc biệt là với các chất nhũ hóa dạng CnHm- COONa để tạo thành những hợp chất không hòa tan Asphalt ChÊt pha lo·ng N−ícChÊt nhò ho¸ Pha ph©n t¸n Pha liªn tôc M¸y khuÊy Nhò t−¬ng http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  41. 41. KILOBOOKS.COM 41 trong nước và không có hoạt tính bề mặt. Có thể sử dụng nước sinh hoạt thường ngày của con người. Tùy thuộc vào điều kiện và mục đích sử dụng nhũ tương mà người ta lựa chọn chất nhũ hóa để tạo ra nhũ tương thích hợp. Ví dụ: ở Pháp người ta sử dụng chủ yếu là loại nhũ tương cation. Trong khi ở Nhật cả nhũ tương cation và anion đều được sử dụng. IV.2 Vấn đề còn tồn tại Trên thế giới, vấn đề lựa chọn chất nhũ hóa để chế tạo nhũ tương bitum hiện nay đã được giải quyết rất tốt. Tuy nhiên, ở Việt Nam chưa được đầu tư nghiên cứu sâu. Về bản chất, các chất nhũ hóa và chất ổn định nhũ tương là những chất hoạt động bề mặt như đã trình bày ở trên. Có rất nhiều chất hoạt động bề mặt nhưng việc lựa chọn chất bề mặt hoạt động bề mặt như thế nào cho phù hợp chất phân tán là asphan và nhũ tương mong muốn tạo thành còn có rất nhiều khó khăn. Các cơ sở sản xuất nhũ tương bitum đều là liên doanh với nước ngoài với hóa chất và thiết bị nhập ngoại. Công trình nghiên cứu của TS. Trần Mạnh Trí tuy đã thành công nhưng nhũ tương sản xuất được cũng chỉ đáp ứng được yêu cấu để xây dựng đường giao thông cấp hai. Hơn nữa khi chuyển giao công nghệ thì các chất nhũ hóa thường được cung cấp dưới dạng tên thương mại. Công nghệ chế tạo và bản chất của chúng còn chưa được các nhà đầu tư đề cập đến. Chất hoạt động bề mặt anion thường được sử dụng trong chế tạo nhũ tương bitum hiện nay là các muối Sunfonat. Chất hoạt động bề mặt cation thường là các hợp chất amin dạng Oligome. Tuy đã được sử dụng khi xây dựng đường 5 nhưng các chất thường độc và khó kiếm. Trong điều kiện hạn chế như vậy nên với khuôn khổ của đồ án này chúng tôi nghiên cứu chọn chất nhũ hóa dạng anion từ các axit béo, dầu thực http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  42. 42. KILOBOOKS.COM 42 vật sẵn có trong nước để chế tạo nhũ tương bitum với quy trình chế tạo phù hợp điều kiện tại Việt Nam. Tiến hành một số bước kiểm tra sản phẩm bằng dụng cụ ngay tại phòng thí nghiệm. PHẦN II : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG I : NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHŨ TƯƠNG BITUM I . Nghiên cứu chế tạo nhũ tương bitum : I.1. Lựa chọn chất nhũ hóa: Trong quá trình tạo nhũ luôn luôn có sự tạo thành cả hai dạng nhũ tương dầu- nước và nước – dầu. Chỉ do sự bền vững cao mà chỉ một trong hai nhũ tương có thể tồn tại, đó là nhũ tương ứng với bản chất chất nhũ hóa đem dùng. Các chất nhũ hóa chỉ có tác dụng ngăn cản sự kết dính giữa các hạt khi nó có mặt trên bề mặt các hạt, nghĩa là nó tan tốt trong môi trường phân tán nhưng lại không tan trong pha liên tục. Điều này được đảm bảo nhờ sự cân bằng giữa phần phân cực và không phân cực của phân tử chất nhũ hóa (HLB). Các chất nhũ hóa mà trong phân tử của chúng phần phân cực có tác dụng trội hơn phần không phân cực sẽ có tác dụng tạo nên nhũ tương loại dầu – nước. Thuộc loại này có các hợp chất amin, các alcol hay muối kim loại kiềm của các axit béo, các muối sulfonat… Do vậy, để có chất nhũ hóa tốt thì trước tiên ta phải lựa chọn loại dầu có thành phần và tính chất phù hợp với bản chất chất nhũ hóa ta đang cần tìm. Sau đây là phương hướng nghiên cứu chế tạo chất nhũ hóa: - Trước tiên ta cần khảo sát về thành phần của một số dầu thực vật thông dụng. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  43. 43. KILOBOOKS.COM 43 - Sau đó tiến hành xà phòng hóa các dầu thực vật. Để phản ứng xẩy ra triệt để ta tiến hành ở nhiệt độ 85- 90°c, dùng dung dịch NaOH 40%. Ta sẽ thu được xà phòng từ các loại dầu thực vật. - Phần xà phòng của dầu thực vật có thành phần đặc trưng nhất cho từng nhóm. - Tiến hành nhũ hoá trong điều kiện: nhiệt độ của bitum là 1400 c, nhiệt độ nước là 85°c và giữ nguyên lượng nước với tất cả các loại dầu. - Đánh giá sự tạo nhũ với từng mẫu ta có dầu cho chất lượng nhũ tốt. Dưới đây là bảng tham khảo thành phần một số dầu thực vật thông dụng: Bảng II.1 Dầu Axit Palmitc (C16:2) axit Stearic (C18:0) axit no khac axit Oleic (C18:1) Axit Linolen c (C18:2) axit Linolenic (C18:3) Thầu dầu1 0,2-2 85-40 3-4 2-4,5 Bông (hat) 20-25 1-2 0,5-2,5 25-35 44-50 Lạc 80-1 4,5-6 5-7 45-65 18-33 Đậu nành 6-10 2-5 0,5-1 25-32 50-60 4-8 Dừa2 6-11 2-4 73-86 5-8 1-2,5 Cám 12-18 1-3 0,4-1 40-48 30-40 Sở 13-15 0,3-0,4 74-87 10-14 Vừng 8-9 4,3-4,7 0,4-0,8 37-49 37-47 Ngô(phôi) 8-13 2-4 0,5-2 26-29 42-59 Dọc 55 44 2-3 Hướng 6-9 2-6 1 25-35 55-65 http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  44. 44. KILOBOOKS.COM 44 dương Ô lưu 7-14 2-4 0,1-0,3 70-84 4-12 Cọ(cùi) 32-43 2-6 1-2 40-52 10-14 Cọ (nhân)3 7-9 1-7 69-82 4-18 1-2 Hạt cải4 1-5 1-3 5-6 17-32 15-22 1-3 Hạt cao xu 9-12 5-12 19-30 35-45 15-25 Lanh 6-6,3 2,5-4 0,7-0,2 15-25 15-25 45-55 Gai 5,8-9,9 1,7-5,6 6-16 36-50 15-28 Trẩu5 3,7-4,2 1,2-2,5 75-82 5-10 10,3-11 Ghi chú: 1 axit rixinoleic 85- 90%; 2 axit lauric 45-51%, axit myristic 16-20%; 3 axit lauric 47-55%, axit myristic 12-17%; 4 axit eruxic 47-51%; 5 axit eleostearic 75-82%. Tham khảo bảng thành phần của các dầu trên ta thấy rằng thành phần chủ yếu là các axit hữu cơ có mạch hydrocacbon dài (16-18 nguyên tử các bon), rất phù hợp cho việc chế tạo chất nhũ hóa. Đòng thời ta cũng chọn ra được năm loại dầu đặc trưng cho năm nhóm axit chính đó là dầu sở, dầu lanh, dầu hướng dương, dầu đậu phộng, dầu đậu nành. Kết quả nghiên cứu sẽ được trình bày ở phần sau. I.2. Ảnh hưởng của tốc độ khuấy trộn và thời gian khuấy: Nhũ tương càng bền khi kích thước giọt càng nhỏ và đồng nhất.Nhũ tương bitum là một dạng nhũ tương đậm đặc, độ nhớt lớn, rất dễ bị sa lắng khi sự phân tán các giọt không cao. Vì vậy, tốc độ khuấy trộn có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền vững của nhũ tương, đặc biệt trong thời gian đưa pha phân tán vào môi trường phân tán. Trong quá trình tạo nhũ, bên cạnh sự phân tán, ở mức độ này hay khác, còn luôn luôn xảy ra sự liên kết giữa các giọt mới hình thành vì chất nhũ hoá http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN
  45. 45. KILOBOOKS.COM 45 không kịp hấp thụ hoàn toàn lên bề mặt các giọt và các giọt đó chưa có độ bền vững ứng với độ bền vững của các giọt nhũ tương đã chế tạo xong. Nghĩa là thời gian khuấy trộn đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo nhũ tương. Tuy nhiên, trong những điều kiện nhất định, sự đảo tướng nhũ tương có thể do tác dụng cơ học lâu dài. Vì vậy thời gian khuấy trộn phải phù hợp. Trong điều kiện thí nghiệm hạn chế, chúng tôi sử dụng máy khuấy của Trung Quốc, công suất 40W và tốc độ của quá trình khuấy tối đa 1400vòng/phút. Thời gian khuấy trộn 4 giờ. http://kilobooks.com THÖ VIEÄN ÑIEÄN TÖÛ TRÖÏC TUYEÁN

×