V. Một số chỉ tiêu quan trọng của nhũ tơng bitum trong
V.1. nhớt của nhũ tơng
Độ nhớt của bitum là một trong những yếu tố ảnh hởng quan trọng trong quá trình chế tạo nhũ tơng bitum.
Yếu tố trội của độ nhớt là độ đậm đặc của pha bị phân tán. Một số tác giả đã đa ra một số phơng trình để biểu thị tơng quan giữa độ nhớt và độ đậm đặc cuả pha phân tán.
Nhiều yếu tố đã ảnh hởng đến độ nhớt. Đặc biệt phải kể đến tính chất của của pha bị phân tán: Lai nguyên của nhựa Bitum, loại Bitum( độ kim lún ), có hay khơng có chất pha lỏng ( dầu hoả, dầu pha lỗng ). Tính chất của pha liên tục, loại và số lợng của chất hoạt tính bề mặt.
Sự phân bố kết cỡ hạt : Tầm vóc của các tiểu cầu, phơng pháp chế tạo ( Thiết bị phân tán cơ học ).
Độ nhớt của nhũ tơng bitum đợc xác định bằng nhớt kế kỹ thuật. Độ nhớt đặc trng cho khả năng dùng nhũ tơng bitum ở những mặt đờng khác nhau. Tính chất này cơ bản phụ thuộc vào nồng độ chất kết dính trong nhũ tơng. Hàm l- ợng bitum càng lớn thì độ nhớt cuả nhũ tơng càng cao và tăng theo hàm số mũ.
Ví dụ với những nhũ tơng chứa lợng chất kết dính bitum trong khoảng 50-65% thì độ nhớt tăng khơng lớn khi tăng nồng độ bitum. Ngợc lại khi hàm lợng Bitum lớn hơn 65% thì chỉ cần thay đổi một lợng nhỏ bitum cũng làm thay đổi đáng kể độ nhớt của nhũ tơng(hình 1.4).
Hình 1.4: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhớt vào lợng bitum
Độ nhớt của nhũ tơng thay đổi theo nhiệt độ. Hiện tợng này gọi là sự mẫn cảm với nhiệt độ. Đối với mọi loại chất kết dính trong đó kể cả nhũ tơng bitum, sự mẫn cảm với nhiệt độ không phải lúc nào cũng nh nhau, ở nhiệt độ nào cũng thế. Nói một cách khác giá trị của đạo hàm ở tại một điểm nào đó trên đờng cong quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ phụ thuộc vào gía trị của nhiệt độ tại điểm đó. Thực vậy trên một khoảng hẹp nhiệt độ, có thể viết ph- ơng trình của sự mẫn cảm với nhiệt độ nh sau:
log = a. + b (I-1) trong đó : là độ nhớt (0E);
là nhiệt độ (0C)
10C - 20C < 20C - 20C <
Điều kiện công nghệ cũng ảnh hởng đến độ nhớt của nhũ tơng nhũ tơng bitum . Sự thay đổi vận tốc dòng vào thùng khuấy sẽ làm thay đổi sự phân bố kích thớc hạt nhũ tơng, nếu thành phần của bitum khơng vợt q 65% về khối lợng thì độ nhớt của nhũ tơng bitum ít phụ thuộc vào vận tốc dịng, nhng khi thành phần của bitum khơng vợt quá 65% về khối lợng thì độ nhớt của nhũ tơng ít phụ thuộc vào vận tốc dịng, nhng khi thành phần của bitum vợt quá 65% về khối lợng thì sẽ làm thay đổi sự phân bố kích thớc hạt và do đó làm thay đổi đáng kể độ nhớt của nhũ tơng bitum(hình 1.5)
Hình 1.5: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhớt vào lu lợng dòng vào Một yếu tố cũng rất quan trọng tác động đến độ nhớt của nhũ tơng bitum là độ
nhớt của bitum. Nếu độ nhớt của bitum trong thùng khuấy thấp thì kích thớc hạt của nhũ tơng sẽ giảm đi và có khuynh hớng làm tăng độ nhớt của nhũ t- ơng. Điều này có thể khắc phục bằng cách thêm vào nó một lợng nhỏ (2-4%
khối lợng) dung mơi (thờng là dầu hoả ) để pha lỗng bitum
V.2 . Độ ổn định của nhũ tơng bitum trong quá trình lu giữ , bảo quản
Bản chất của nhũ tơng là hệ phân tán pha lỏng, không ổn định về nhiệt động lực học. Sự ổn định này bắt nguồn từ xu hớng của hệ thống, theo thời gian giảm bớt năng lợng bề mặt tự do, biểu hiện trong thực tế bằng sự giảm dần bề mặt tiếp giáp giữa nhựa bitum và alkyletanolamin làm chất nhũ hóa. Giai đoạn cuối cùng của sự biểu diễn này là sự phân chia các thành phần hai pha riêng biệt khơng hồ tan đợc vào nhau. Dấu hiệu đầu tiên là hiện tợng lắng xuống: Pha bị phân tán hoặc là bị tập hợp ở phía duới hoặc nổi lên thành kem dạng bọt, yếu tố quyết định của hiện tợng này là sự chênh lệch tỉ trọng của hai pha và tốc độ chìm lắng tuân theo định luật Stokes.
Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn kết tủa: Đây là một trạng thái có thể đảo ngợc lại vì một tiểu cầu vẫn đợc giữ đợc màng bảo vệ của chất hoạt tính bề mặt. Giai đoạn cuối cùng là các tiểu cầu trộn lại với nhau vì sự phá vỡ các màng bảo vệ của chất hoạt tính bề mặt, lúc này khơng thể đảo ngợc đợc. Quá trình này giống quá trình lắng keo trong các dung dịch keo.
Một số yếu tố ảnh hởng quyết định đến độ ổn định khi lu trữ là thành phần hạt của nhũ tơng và thành phần hạt này bản thân lại phụ thuộc vào nhiều thuộc tính số : Tính chất và số lợng nhũ hoá, độ pH của pha “nớc”, lai nguyên và loại nhựa bitum, nhiệt độ của mỗi pha, đặc biệt là nhiệt độ của nhựa bitum khi chế tạo nhũ tơng bitum, kiểu và loại sản xuất nhũ tơng bitum.
V.3. Tốc độ phân tách và hiệu số Zeta
+ Tính ổn định của nhũ tơng nhựa bitum đối với đá là một tính chất cơ bản có nhiều cơng trình đợc cơng bố : Y.BELLANGER vào năm 1953, J.C.Vogt vào năm 1964, M Bossel và C.Chambu vào năm 1984, và đợc giải thích bằng nhiều lý thuyết khoa học.
+ Hiện tợng phân tách : Đây là sự xảy ra các quá trình nối tiếp: - Lắng biểu thị bằng sự chìm lắng, hoặc nổi lên thành kem.
- Đơng đặc: Cũng có một hình thức biểu thị nh trên nhng đậm hơn. Khác với giai đoạn kết tủa nó hình thành ra một sự trộn lại và có một khối đơng đặc tách hẳn ra.
+ Ninh kết : Là hiện tợng xảy ra khi nhũ tơng tiếp xúc với mặt đá. Quá trình này bắt đầu bằng hiện tợng nhũ tơng bị phân tách và nớc chảy đi.
+ Màng nhựa trở nên có hiệu lực : Đây là sự tiếp nối và sự kết thúc của hiện t- ợng ninh kết trên này. Màng nhựa trở nên có hiệu lực khi nhựa đã tách ra khỏi nớc và chỉ còn lại một bộ phận dễ bay hơi của loại dầu trớc đã dùng để pha loãng nhựa bitum dùng làm nguyên liệu sản xuất nhũ tơng.
+ Hiệu số Zeta : Lý thuyết của sự tạo nên nhũ tơng đòi hỏi rằng các tiểu cầu nhựa bitum phải bao quanh hai vòng ảnh hởng, hay còn gọi là một lớp kép bao gồm : Một vùng tác động của lực hút phân tử, đây là phần cố định dính bám chặt vào nhựa và một vùng không rõ ràng sức đẩy tĩnh điện này mà các tiểu cầu có thể di động dễ dàng trong một mơi trờng điện lực. Có một hiệu thế giữa bề mặt ngăn cách phần động và phần tĩnh với phần chất lỏng, đây là hiệu điện thế Zeta rất hấp dẫn trong việc nghiên cứu về hiệu chỉnh các cơng thức chế tạo nhũ tơng.
V.4. Tính bám dính
Tính bám dính của nhũ tơng bitum cũng là một đề tài nghiên cứu trọng tâm của nhiều tác giả, cha có một lý thuyết nào tỏ ra là hồn tồn tối u, vì có rất nhiều yếu tố ảnh hởng đến tính chất này nh : Mối liên quan giữa nhựa và đá, ảnh hởng của nhiệt độ và độ nhớt, độ ẩm có khơng khí xung quanh và độ ẩm của mặt đất đá, bụi…
Khi mặt đá mang điện tích dơng (đá vơi, đá bazan,..)
+ Phản ứng giữa bề mặt đá vôi và các chất tan trong nhũ tơng, kết tủa hình thành một chất amin cacbonat khơng hồ tan sẽ gây dính bám giữa bề mặt nhựa và mặt đá.
+ Mặt đá hút các tiểu cầu nhựa bitum mang điên tích âm và hình thành một loại xà phịng canxi khơng hồ tan gây bám dính.
+ Mặt đá hút các tiểu cầu nhựa mang điện tích dơng và hình thành một amin silicat khơng hồ tan gây bám dính.
khơng có lực hút nào, và cũng khơng có phản ứng nào, khơng có dính bám (tr- ờng hợp nhũ tơng anion),
V.5. Tính đồng nhất
Tính đồng nhất của nhũ tơng bitum đợc đặc trng bằng hàm lợng giọt chất kết dính có kích thớc nhỏ, xác định bằng hàm lợng nhũ tơng lọt qua sàng, có kích thớc lỗ sàng bằng 0,14 mm. Khi đó lợng sót lại trên sàng không đợc v- ợt quá 0,5% trọng lợng. Nhũ tơng không đồng nhất sẽ gây trở ngại cho quá trình thi cơng, đồng thời cịn đẩy nhanh q trình kết tụ sa lắng , gây hiện t- ợng phá nhũ.
VI. Lựa chọn chất nhũ hố
Trong q trình chế tạo nhũ tơng ln có sự tạo thành cả hai dạng nhũ tơng dầu- nớc và nớc dầu. Chỉ do sự bền vững cao mà một trong hai nhũ tơng mới có thể tồn tại, đó là nhũ tơng ứng với bản chất chất nhũ hoá đem dùng.
Nh vậy việc lựa chọn chất nhũ hố là hết sức quan trọng, nó quyết định phẩm chất và tính hiệu quả của nhũ tơng chế tạo sau này. Để cho sự hấp phụ các ion hữu cơ xảy ra đợc tốt thì ion phải khá hoạt động bề mặt và có mạch hydrocacbon tơng đối dài, số C từ 17-22. Đó phải là các hợp chất cao phân tử hay các oligome. Tuy nhiên các chất hoạt động bề mặt quá mạnh cũng khơng phải là chất nhũ hố tốt, một chất nhũ hố tốt thì phải có độ tạo bọt tơng đối thơi và có kích thớc nhỏ. Các chất nhũ hố 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 mơi trờng phân tán nhng lại không tan trong pha phân tán. Điều này đợc đảm bảo nhờ sự cân bằng giữa phần phân cực và khơng phân cực của chất nhũ hố (HLB). Các chất nhũ hoá mà trong phân tử của chúng có phần phân cực có tác dụng trội hơn phần khơng phân cực sẽ có xu hớng tạo nên nhũ tơng loại dầu
Ngợc lại phân tử của chất nhũ hố có phần khơng phân cực tác dụng trội hơn phần có cực thì xu hớng tạo ra nhũ tơng loại nớc –dầu.
Phơng pháp tính HLB lần đầu tiên đợc Griffin nghiên cứu và áp dụng. Phần lớn các phơng pháp tính HLB hiện nay đều dựa trên cơ sở của phơng pháp này.
Bảng sau là các khoảng HLB thích hợp cho từng hệ Khoảng HLB ứng dụng 4-6 Chất nhũ hoá dầu / nớc 7-9 Tác nhân thấm ớt 8-18 Chất nhũ hoá nớc / dầu 13-15 Chất tẩy rửa 15-18 Chất hoà tan
Nh vậy chỉ số HLB trong khoảng 4-6 là phù hợp để chế tạo nhũ tơng dầu/ n- ớc. Các hợp chất có chỉ số HLB nằm ngồi khoảng mặc dù có tính chất hoạt động bề mặt nhng khơng đợc sử dụng làm chất nhũ hoá dầu /nớc .
Các phơng pháp xác định HLB dựa trên nhiều quá trình thực nghiệm. Đối với phần lớn các este béo, HLB đợc tính nh sau:
HLB = 20(1-S/A) (I.2.1)
ở đây S là chỉ số xà phịng hố, A là chỉ số axit của axit.
ví dụ: đối với glyxerin monosterat có S =161 và A=198 từ phơng trình trên ta tính đợc HLB=3,8.
Có rất nhiều este, thật khó để xác định chính xác chỉ số xà phịng hố, ví dụ các este có mạch dài nh sáp, lanolin. Do vậy giffin đă đa ra công thức:
HLB = ( E+P )/5 (I.22)
E: Nồng độ phần trăm khối lợng của nhóm oxietylen , p là nồng độ phần trăm khối lợng của nhóm rợu.
Các phơng trình này khơng thể sử dụng cho các chất hoạt động bề mặt không ion bao gồm oxit butylen, nitơ, lu huỳnh Trong các tr… ờng hợp này phải dùng phơng pháp thực nghiệm.
Việc xác định các giá trị HLB có ý nghĩa hơn khi đặt nó trong mối quan hệ với các yếu tố khác nh tính chất của chất nhũ hố, cấu trúc của phân tử chất hoạt động bề mặt.
Đối với chất hoạt động bề mặt có cấu trúc xác định, có thể xác định HLB nh sau:
HLB = 7 + ( số nhóm a nớc ) - (số nhóm kỵ nớc )
(số nhóm kị nớc ) thờng bằng 0,475n, n là số nhóm –CH2-
Độ ổn định của nhũ tơng liên quan đến độ phân tán giữa các pha trong nhũ t- ơng.
VII.Công nghệ chế tạo nhũ tơng VII.1. Qui trình chế tạo nhũ tơng bitum
VII.2. Vấn đề chọn chất nhũ hoá cho phù hợp.
Trên thế giới vấn đề lựa chọn chất nhũ hoá hiện nay đã đợc giải quyết tốt. Tuy nhiên ở Việt nam vẫn còn cha đợc đàu t nghiên cứu sâu. Việc lựa chọn chất hoạt động bề mặt nh thế nào để phù hợp với chất phân tán là asphan cịn có nhiều khó khăn
Chất hoạt động bề mặt Anion thờng đợc sử dụng trong chế tạo bitum nhũ t- ơng hiện nay là các muối sulfonat. Chất hoạt động bề mặt Cation thơng là các hợp chất amin dạng Oligome. ở Việt Nam chất nhũ hoá loại amin đợc sử dụng khi xây dựng đờng 5.
Tuy nhiên các trờng hợp này thờng độc hại và khó kiếm. Mặt khác khi Asphan Chất pha lỗng Chất nhũ hố Nước
Pha phân tán Pha liên tục Máy khuấy Nhũ Tương
ơng mại. Công nghệ chế tạo cũng nh bản chất của chúng còn cha đợc các nhà sản xuất đầu t đề cập đến.
Ngồi ra nh đã trình bày trong các phần trên, nhũ tơng đợc ổn định nhờ lớp điện tích kép bao quanh giọt nhũ. Vậy có thể sử dụng thêm các chất sẵn có và rẻ tiền để làm tăng thêm độ ổn định của nhũ tơng bitum nh các muối vô cơ (CaCl2 chẳng hạn), các axit .
Để giải quyết những khó khăn trên về vấn đề lựa chọn chất nhũ hố trong bản luận văn này em xin trình bày nghiên cứu của mình về tổng hợp chất nhũ hoá từ nguyên liệu dầu thực vật việt nam, để chủ động nguồn nguyên liệu. Độ ổn định của nhũ đợc đánh giá qua khả năng phân tách và phân bố tập hợp giọt.
Phần II . thực nghiệm và hố chất
Chơng 1. q trình tổng hợp chất nhũ hố
Trong q trình tạo nhũ ln ln có sự tạo thành cả hai dạng nhũ tơng Dầu – Nớc và Nớc – Dầu. Chỉ do sự bền vững cao mà chỉ một trong hai dạng nhũ tơng có thể tồn tại, đó là nhũ tơng ứng với bản chất nhũ hố đem dùng.
Các chất nhũ hố 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 mơi trờng phân tán nhng lại không tan trong pha liên tục. Điều này đợc đảm bảo nhờ sự cân bằng giữa phần phân cực và không phân cực của các phân tử chất nhũ hoá (HLB). Các chất nhũ hoá mà trong phân tử của chúng phần phân cực có tác dụng tạo nên nhũ tơng loại dầu nớc. 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 hố tốt thì chúng ta trớc tiên phải lựa chọn loại dầu có thành phần và tính chất phù hợp với bản chất nhũ hố ta đang cần tìm. Muốn vậy trớc tiên ta cần khảo sát một số thành phần của một số loại dầu thực vật thông dụng.
Bảng 2.3 Thành phần một số dầu thực vật việt nam
Dầu palmitcAxit StearicAxit Axit no khác oleicAxit linoleicAxit linolenicAxit Thầu dầu 0,2-2 0,2-2 40-85 3-4 2-2,5 Dầu bông 20-25 1-2 0,5-2,5 25-35 44-50 Dầu lạc 1-80 4,5-6 5-7 45-65 18-33 đậu nành 6-10 2-5 0,5-1 25-32 50-60 4,8 DầuDừa 6-11 2-4 73-86 5-8 1-2,5