两类阳离子沥青乳化剂的制备与性能研究

论文摘要

我国飞速发展的道路交通事业对乳化沥青技术的要求越来越高,表面活性剂作为沥青乳化剂的研究是乳化沥青领域的重要组成部分。阳离子表面活性剂作为沥青乳化剂时展现出的优点吸引了业界人士的重视,但国内的阳离子表面活性剂应用于乳化沥青时存在着更新换代慢、质量不高和使用条件苛刻等问题。基于以上问题,本文设计并合成了一系列新型苯二胺阳离子双子表面活性剂和一系列N-烷基双季铵盐型阳离子表面活性剂,研究了它们作为沥青乳化剂时在乳化沥青中的相关性能,并系统探究了它们的表（界）面化学性能,以及乳化、泡沫和抗菌等应用性能。主要内容与结果如下:以对苯二胺、N,N-二甲基烷基叔胺(CnH2n+1N（CH2）2,其中n=12、16和18)、盐酸与环氧氯丙烷为主要原料分两步合成了一类苯二胺型阳离子沥青乳化剂(简称C12、C16和C18)。通过单因素实验对第二步的亲核取代反应进行了优化,得出n（对苯二胺）:n（N-（3-氯-2-羟基）丙基-N,N-二甲基烷基氯化铵）=1:2.2,n（碳酸钠）:n（对苯二胺）=2:1,反应温度85℃,反应时间30 h,C12、C16和C18的收率分别为76.8%、77.5%和77.4%。并通过IR、MS和1H NMR等手段对所得产物进行了表征。实验测得C12和C16的Krafft点均低于0℃,C18的Krafft点为10.3℃。测定了不同温度下C12、C16和C18的表面化学性能,在298 K时C12、C16和C18的cmc分别是3.29×10-3mol?L-1、2.53×10-4mol?L-1和3.14×10-4mol?L-1;γcmc的值分别是28.24 mN?m-1、31.95 mN?m-1和35.06mN?m-1;反离子结合度（K0）分别是0.6282、0.6413和0.6432。当温度升高时,cmc升高,γcmc与K0降低。热力学函数的计算结果显示胶束化过程是放热且自发的过程。降低石蜡-水界面张力能力的顺序为:C12<C16<C18。另外,烷基链的增长使泡沫性降低。C12、C16和C18分别对白色念珠菌与金黄色葡萄球菌作用2 min后将其抑菌率提高至99%,将大肠杆菌作用20 min后将其抑菌率提高至99.99%。以N,N-二甲基烷基叔胺(CnH2n+1N（CH2）2,其中n=12、14和16)、环氧氯丙烷以及三甲胺盐酸盐为原料分两步合成了一类N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂（简称HPDDC、HPTDC和HPHDC）。通过正交实验对第二步的季铵化反应进行了优化,得出当n（3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵）:n（N,N-二甲基烷基叔胺）=1.1:1,反应时间为6 h,反应温度为80oC时,HPDDC、HPTDC和HPHDC的收率分别为85.8%、86.4%和85.4%。并通过IR、MS和1H NMR等手段对所得产物进行了表征。测得HPDDC、HPTDC和HPHDC的Krafft点均低于0℃。在298 K下,HPDDC、HPTDC和HPHDC的cmc值分别为7.35×10-3mol?L-1、4.67×10-3mol?L-1和3.08×10-3mol?L-1;γcmc分别为32.93mN·m-1、33.85 mN·m-1和35.05 mN·m-1;反离子结合度（K0）分别为0.3574、0.3920和0.4390。同样,当温度升高时,cmc升高,γcmc与K0降低,并且热力学函数的计算结果显示胶束化过程是放热且自发的过程。降低石蜡-水界面张力能力的顺序为:HPDDC<HPTDC<HPHDC。0 min时的泡沫高度顺序为HPHDC>HPTDC>HPDDC。HPDDC、HPTDC和HPHDC分别对白色念珠菌与金黄色葡萄球菌作用5 min后将其抑菌率提高至99%以上,对大肠杆菌作用10 min后将其抑菌率提高至98%以上。测定了所合成的两种沥青乳化剂用于乳化沥青时的相关性能,结果表明,苯二胺型乳化沥青具有良好的稳定性,拌和时间均大于120 s,破乳时间均在20 min左右,属于慢裂快凝型沥青乳化剂;N-烷基双季铵盐型乳化沥青稳定性均达到相关标准,拌和时间均大于120 s,破乳时间均大于30 min,该系列乳化剂属于慢裂型沥青乳化剂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 乳化沥青简介
•     1.2.1 乳化沥青概念
•     1.2.2 乳化沥青的发展
•     1.2.3 乳化沥青的应用
•     1.2.4 乳化沥青的乳化机理
•     1.2.5 乳化沥青的破乳机理
•   1.3 沥青乳化剂
•     1.3.1 阴离子沥青乳化剂
•     1.3.2 阳离子沥青乳化剂
•     1.3.3 两性沥青乳化剂
•     1.3.4 非离子沥青乳化剂
•   1.4 立题依据和主要研究内容
• 第二章 两类阳离子沥青乳化剂的合成及表征
•   2.1 引言
•   2.2 实验试剂及仪器
•     2.2.1 实验试剂
•     2.2.2 实验仪器
•   2.3 苯二胺型阳离子沥青乳化剂的合成方法
•     2.3.1 N-（3-氯-2-羟基）丙基-N,N-二甲基烷基氯化铵的合成
•     2.3.2 苯二胺型阳离子沥青乳化剂的合成
•   2.4 N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的合成方法
•     2.4.1 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的合成
•     2.4.2 N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的合成
•   2.5 分析及结构表征
•   2.6 结果与讨论
•     2.6.1 苯二胺型阳离子沥青乳化剂合成条件优化
•     2.6.2 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的合成
•     2.6.3 N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂合成条件优化
•     2.6.4 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的合成
•     2.6.5 N-（3-氯-2-羟基）丙基-N,N-二甲基烷基氯化铵的红外光谱
•     2.6.6 N-（3-氯-2-羟基）丙基-N,N-二甲基烷基氯化铵的质谱
•     2.6.7 N-（3-氯-2-羟基）丙基-N,N-二甲基烷基氯化铵的核磁共振氢谱
•     2.6.8 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的红外光谱
•     2.6.9 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的质谱
•     2.6.10 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的核磁共振氢谱
•     2.6.11 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的红外光谱
•     2.6.12 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的质谱图
•     2.6.13 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的核磁共振氢谱
•   2.7 本章小结
• 第三章 两类阳离子沥青乳化剂的表（界）面化学性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 实验试剂及仪器
•     3.2.2 实验方法
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的Krafft点
•     3.3.2 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的反离子结合度
•     3.3.3 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的表面化学性能
•     3.3.4 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的胶束化热力学函数
•     3.3.5 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的界面化学性能
•     3.3.6 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的Krafft点
•     3.3.7 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的反离子结合度
•     3.3.8 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的表面化学性能
•     3.3.9 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的胶束化热力学函数
•     3.3.10 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的界面化学性能
•   3.4 本章小结
• 第四章 两类阳离子沥青乳化剂的应用性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•     4.2.1 实验试剂及仪器
•     4.2.2 实验方法
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的乳化性
•     4.3.2 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的泡沫性
•     4.3.3 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂的抗菌性
•     4.3.4 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的乳化性
•     4.3.5 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的泡沫性
•     4.3.6 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂的抗菌性
•   4.4 本章小结
• 第五章 两类阳离子沥青乳化剂在乳化沥青中的应用
•   5.1 引言
•   5.2 实验部分
•     5.2.1 实验试剂及仪器
•     5.2.2 乳化沥青的制备
•     5.2.3 乳蒸发残留物含量试验
•     5.2.4 筛上剩余量试验
•     5.2.5 储存稳定性试验
•     5.2.6 与矿料的拌和试验
•     5.2.7 破乳速度试验
•     5.2.8 乳化沥青破乳时间测定
•     5.2.9 粒径分布的测定
•   5.3 结果与讨论
•     5.3.1 系列苯二胺型阳离子沥青乳化剂对沥青的乳化性能
•     5.3.2 系列苯二胺型乳化沥青的工业性能
•     5.3.3 系列苯二胺型乳化沥青的粒径分布
•     5.3.4 系列N-烷基双季铵盐型沥青乳化剂对沥青的乳化性能
•     5.3.5 系列N-烷基双季铵盐型乳化沥青的工业性能
•     5.3.6 系列N-烷基双季铵盐型乳化沥青的粒径分布
•   5.4 本章小结
• 第六章 主要结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 :作者在攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王晨

导师: 许虎君

关键词: 阳离子沥青乳化剂,慢裂,表面活性,抗菌性

来源: 江南大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 有机化工

单位: 江南大学

分类号: TQ423.92

总页数: 80

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