阳离子沥青乳化剂的合成及性能

刘 群， 刘海容

(山西省化工研究所(有限公司)，山西 太原 030001)

阳离子沥青乳化剂的合成及性能

刘 群， 刘海容

(山西省化工研究所(有限公司)，山西 太原 030001)

介绍了近年来国内主要路用慢裂、中裂、慢裂快凝阳离子沥青乳化剂的结构、合成方法、性能。产品先后经交通运输部相关部门检测，沥青乳液质量均符合交通部公布的JTJ052-93标准。

阳离子沥青乳化剂；结构；合成方法；性能

1 概述

阳离子沥青乳化剂是表面活性剂的一种，主要用于道路沥青的乳化。在一定的配比和温度下，将水、沥青和乳化剂水溶液通过胶体磨形成稳定的水包油型(O/W)乳状液。用阳离子沥青乳化剂制备的阳离子乳化沥青，沥青微粒带正电荷，与带负电荷的骨料接触时，和骨料表面的负电荷异性相吸，乳化沥青中沥青微粒能牢固、均匀地吸附到骨料表面，即使骨料表面处于潮湿状态，仍可吸附结合，增强了沥青和骨料间的黏结力，导致乳液很快破乳，缩短了开放交通时间。相反，使用阴离子乳化沥青，沥青微粒带负电荷，与潮湿骨料拌和时，骨料表面的负电荷与沥青微粒的负电荷同性相斥，导致沥青微粒不能尽快地黏附到骨料表面，破乳固化依靠乳液水分的蒸发来完成。特别是在低温、潮湿的天气时施工，影响施工质量，开放交通时间长。由此，使阴离子乳化沥青的使用和发展受到限制，形成了乳化沥青的发展，经历了从阴离子乳化沥青到阳离子乳化沥青的发展过程。

阳离子乳化沥青代替热沥青施工，具有节约能源、节省沥青、提高工效、延长施工季节、减少环境污染众多长处，普遍受到人们的重视。特别是近30年来，阳离子沥青乳化剂发展非常迅速，品种、产量与日俱增，并已取得显著的经济效益、社会效益和环境效益，有着广泛的应用前景。

2 国内主要阳离子沥青乳化剂的合成及性能

2.1 木质胺类阳离子沥青乳化剂

木质素是植物中与纤维素伴生的主要成分，广泛存在于树木及禾本植物中，是造纸蒸煮制浆过程中排出废液中的一种主要成分。木质素是由苯基丙烷单元通过醚键和碳碳键连接而成的复杂天然高分子化合物。不同的植物和制浆工艺分离的木质素结构和相对分子质量分布有很大的差别。含有大量木质素造纸废液的排放，不仅严重污染了环境，而且浪费了大量的物质资源。鉴于我国的木质素资源丰富，来源较广，我国于20世纪80年代初首先确定开展以取之不尽、用之不竭的这种天然再生资源为基本原料合成木质胺类阳离子沥青乳化剂，经过多年不懈的努力，终于研制出一系列木质胺类阳离子沥青乳化剂。

木质胺类沥青乳化剂是一类常用的慢裂型阳离子沥青乳化剂，可单独使用，使沥青乳液具有慢裂特性；也可与其他阳离子型或非离子型乳化剂复合使用，达到能随意调整破乳速度的目的，用于制备快、中、慢各种不同技术性能的阳离子乳化沥青。

木质胺类阳离子沥青乳化剂产品有两种类型，即，季铵盐型和叔胺型。

2.1.1 季铵盐型木质胺沥青乳化剂(代号RH—CO1乳化剂)的合成及性能

合成方法：于30 ℃～40 ℃下，三甲胺盐酸盐与环氧氯丙烷先发生式(1)反应，后与氢氧化钠反应，由氯醇形式的化合物生成环氧形式的化合物，见式(2)，接着，该化合物与木质素在碱催化剂作用下，于40 ℃～45 ℃反应，制得产物为棕色黏稠均相流动态RH—CO1乳化剂，见式(3)。RH—CO1乳化剂制得胜利100#沥青乳液性能试验报告见表1，RH—CO1乳化剂制得胜利100#沥青乳液蒸发残留物试验报告见表2。

表1 RH—CO1乳化剂制得胜利100#沥青乳液性能试验报告

表2 RH—CO1乳化剂制得胜利100#沥青乳液蒸发残留物试验报告

2.1.2 叔胺型木质胺沥青乳化剂(代号RH—CO2乳化剂)的合成及性能

RH—CO2乳化剂是继RH—CO1乳化剂之后开发的新一代木质胺沥青乳化剂，它仍以原料成本低廉、来源丰富的木质素为主要原料，具有合成工艺简单，设备投资少，产品成本低等优点。

RH—CO2乳化剂是我国目前普遍采用的慢裂型沥青乳化剂，适用于慢裂型沥青乳液的制备，主要用于稀浆封层、下封层、透层油、冷拌冷铺、冷再生、修补坑槽等。

合成方法：由木质素、甲醛和二甲胺在催化剂的作用下，于90 ℃发生Mannich反应，制得产物为棕色黏稠均相流动液态RH—CO2乳化剂，其反应式如式(4)。RH—CO2乳化剂制得胜利100#沥青乳液性能试验报告见表3。

+(CH3)2NH+HCHOCH2N(CH3)2+H2O (4)

表3 RH—CO2乳化剂制得胜利100#沥青乳液性能试验报告

2.2 季铵盐阳离子沥青乳化剂

由于乳化剂分子结构中引入活性基团—OH，并含有2个季铵基团，其水溶液表面张力有显著降低，亲水性能增加，对于水具有良好的溶解性。

RH—CO3乳化剂是我国目前应用量最大的中裂型乳化剂，适用于喷洒型沥青乳液的制备，主要用于黏层油、碎石封层等。

合成方法：首先，三甲胺盐酸盐与环氧氯丙烷在水介质中于30 ℃～40 ℃反应，生成中间体，见式(5)，然后，于70 ℃下，中间体和脂肪伯胺进行亲核取代反应，制得产物为白色或淡黄色膏状RH—CO3乳化剂，见式(6)。RH—CO3乳化剂制得滨洲AH-90#沥青乳液性能试验报告见表4。

(5)

(6)

式中：R为C16～C18。

表4 RH—CO3乳化剂制得滨州AH-90#沥青乳液性能试验报告

2.3 脂肪酰胺基多胺类阳离子沥青乳化剂

上述2种木质胺类阳离子沥青乳化剂具有价廉高效，乳化能力强，能将多种沥青乳化，制得的沥青乳液贮存稳定，性能良好的优势。在推广稀浆封层初期乃至现在和未来的沥青路面维修与维护中仍占据重要的地位。但由于这类乳化剂制备的沥青乳液，沥青微粒所带的正电荷比较弱，破乳固化成型在一定程度靠水分蒸发，封层后开放交通时间长达2 h～3 h，甚至更长，影响到在交通干线和高等级公路上的推广。为了配合稀浆封层、微表处理技术在全国大力推广应用，确立进一步研发多品种、高效的慢裂快凝阳离子沥青乳化剂作为研制目标。最近几年，对合成原料通过选择及改性后，已研制出一系列脂肪酰胺基多胺沥青乳化剂产品。其中，有的品种解决了在配制乳化剂水溶液时，不需加酸调pH值，避免了加酸造成对设备的腐蚀及环境污染；有的品种针对高温季节施工时，沥青乳液与骨料拌和、摊铺困难而开发的；有的品种适用于隧道、夜间低温环境下施工，具有改善、缩短稀浆封层、微表处低温下的养生速度。

脂肪酰胺基多胺类沥青乳化剂，适用于慢裂快凝沥青乳液的制备，主要用于稀浆封层、微层处。

MK系列乳化剂是一类具有特殊结构和性能的脂肪酰胺基多胺化合物。该系列乳化剂由于分子结构中带有多个胺基基团，这些胺基基团能起到暂时性空间阻碍及缓冲作用，有助于沥青与骨料的黏附，达到慢裂快凝快开放交通的效果。

合成方法：首先，在催化剂作用下，将不饱和脂肪酸与富马酸，于200 ℃左右通过Diels-Alder环加成后、分离制得C22-三羧酸，见式(7)。然后，C22-三羧酸与乙撑胺(或改性的乙撑胺)在催化剂作用下，于210 ℃～220 ℃，缩合制得棕色黏稠均相流动液态MK系列乳化剂，见式(8)。其中，代号MK-3型、MK-4型乳化剂的沥青乳液性能试验报告分别见表5、表6。

(7)

式中，X和Y为3～9的整数，X与Y之和等于12。

(8)

式中，R=—(CH2CH2NH)ZH，Z=2，3。

表5 MK-3型乳化剂制得滨州AH-90#沥青乳液性能试验报告

3 结语

结合我国目前阳离子沥青乳化剂发展现状，应进行以下的研究开发：

1) 目前，仍将慢裂快凝型阳离子沥青乳化剂和聚合物改性沥青乳液稀浆封层、微表处理技术作为本行业的研究开发的重点。

表6 MK-4型乳化剂制得滨州AH-90#沥青乳液性能试验报告

2) 按分子设计思路和科学程序从乳化剂分子结构和理论上加强稀浆封层、微表处用阳离子乳化沥青破乳过快或过慢及对不同沥青、骨料适应差方面存在的问题与乳化剂分子结构关系的研究，用以指导我国稀浆封层、微表处用阳离子沥青乳化剂的研究、生产和应用。

3) 拓宽阳离子乳化沥青的应用领域，大力推广阳离子乳化沥青在高等级路面及高速公路养护和建设方面的应用。

Synthesisandpropertiesofcationicasphaltemulsifier

LiuQun,LiuHairong

(ShanxiChemicalResearchInstituteCo.,Ltd.,TaiyuanShanxi030001,China)

The structure, synthesis methods, properties of slow-cracking, middle-cracking, slow-cracking and quick-curing cationic asphalt emulsifier mainly used for domestic road in recent years are introduced. The products are successively detected by related department of transportation inspection. And the quality of asphalt emulsion is in line with the JTJ052 93 standard released by Ministry of Transportation.

cationic asphalt emulsifier; structure; synthesis method; performance

2017-03-20

刘 群，男，1937年出生，1964年毕业于西安石油学院，本科，高级工程师，从事精细化工研究工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.09

TQ423.92；TE624.8+5

A

1004-7050(2017)03-0028-05

综述与论坛