Курсовая работа (т): Приготовление эмульсий

2)      Динамическое (колебательное) определение

В вязкостно-эластичных системах, таких как большинство эмульсий, напряжение колебания изменяется с той же частотой, что и напряжение сдвига, но вне фазы, следовательно, можно наблюдать сдвиг фазы. Изучение реологического поведения эмульсии в динамическом измерении было рассмотрено с помощью исследования эластичного и вязкостного модулей. Эластичный модуль определяется как энергия запаса в цикле колебания, в то время как вязкостный модуль характеризуется энергией рассеивания как вязкого течения в цикле колебания.

Динамическое определение - это наиболее широко используемый метод для исследования процессов флокуляции. Во многих эмульсионных системах модули вязкости связаны с гидродинамическими взаимодействиями, и эластичный модуль указывает на межмолекулярные силы притяжения между частицами дисперсной фазы.

В работе также указывается, что значения эластичного модуля оказались выше значений вязкостного. Это говорит о том, что восковые эмульсии в большей степени имеют поведение эластичных жидкостей при температурах 20-50ºС. С другой стороны, превышение значений эластичного модуля над значениями вязкостного указывает на преобладание в системе сил поверхностных взаимодействий между частицами над гидродинамическими взаимодействиями, типичными для разбавленных стабильных эмульсий.

Таким образом, одной из основных целей исследования реологических свойств восковых эмульсии является установление оптимальных условий транспортировки и режимов работы насосов, используемых при применении эмульсий, обеспечивающих сохранение стабильности и других свойств.

Эксплуатационные свойства восковых эмульсий

восковый эмульсия нефтяной добавка

Водоотталкивающие свойства (гидрофобизирующая способность) - один из основных эксплуатационных показателей восковых эмульсий. В работах для изучения водоотталкивающих свойств в качестве исследуемого материала была выбрана древесина, как наиболее распространенная область применения восковых эмульсии. Древесина состоит из целлюлозных волокон, скрученных вместе, делая структуру, похожую на железобетонные конструкции, и имеет шероховатую поверхность, которая может исказить данные о способности восковых эмульсий к водоотталкиванию. Для того чтобы избежать этих различий, в указанной работе были взяты образцы древесины из молодых сосновых пород со шлифованной поверхностью.

Водопоглощение через волокна древесины является одной из основных причин ухудшения древесно-стружечных плит. Покрытие поверхности дерева эмульсией и испарение воды при 180ºC, приводит к тому, что частицы нефтяного воска плавятся и равномерно распространяются по поверхности, изменяя угол смачивания поверхности. Методом ассисимметричного анализа формы капли на поверхности древесины (ADSA) было установлено, что использование восковых эмульсий приводит к увеличению угла смачивания и, соответственно, водоотталкивающих свойств поверхности материала.

Водоотталкивающая способность восковых эмульсий зависит от стереохимической конфигурации углеводородов, входящих в состав нефтяных восков дисперсной фазы. Линейные углеводороды (н-алканы) имеют довольно плоскую структуру и поэтому обладают сильным гидрофобизирующим действием. Кроме того, при увеличении длины цепи углеводородов, увеличивается их способность к водонепроницаемости. Разветвленная структура углеводородов (изоалканы) имеют меньшую гидрофобизирующую способность. Исследования, проведенные в указанных работах, показывают, что эмульсии, полученные на основе нефтяных восков, имеющих содержание н-алканов с углеродными атомами в цепи в интервале C26 - C31, обладают наилучшими водоотталкивающими свойствами.

Другим важным показателем нефтяных восков, оказывающим влияние на степень водоотталкивающих свойств, является содержание масла. Отмечается, что эмульсии на основе нефтяных восков парафинов с высоким содержанием изопарафинов, то есть с высоким содержанием масла, обладают значительно худшими водоотталкивающими свойствами. При этом, если рассматривать зоны хроматографического распределения н-алканов в области C26-C31, то наблюдается наибольшая устойчивость восков к потере водоотталкивающих свойств, независимо от содержания в них изопарафинов (масла). Это объясняется тем, что потеря водоотталкивающей способности эмульсий также связана молекулярным весом нефтяных восков и со стереохимической структурой алканов, входящих в их состав.

Исследование свойств восковых эмульсий имеет большое значение, как с теоретической, так и с практической точки зрения, поскольку позволяет не только определить факторы, влияющие на их качественные характеристики, но и смоделировать поведение эмульсий в реальных условиях хранения и применения.

Использование восковых эмульсий в производстве различных материалов

Восковые эмульсии - это продукты, применение которых позволяет придать защитные свойства простым экономичным способом. Легкость нанесения эмульсии воска без необходимости использования тепла и процессов расплавления парафина приводит к все более широкому спектру применения в промышленности и в быту. Эмульсии в основном используются для:

-           придания водонепроницаемости древесно-стружечным плитам;

-           пропитки бумаги и картона;

-           придания водонепроницаемости волокнам тканей;

-           защиты полов, кузовов автомобилей и мебели;

-           покрытия фруктов и овощей.

Восковые эмульсии находят наибольшее применение в производстве древесно-стружечных плит и панелей. Восковые эмульсии добавляют к суспензии древесных волокон в воде. Для эффективного использования восковой эмульсии при покрытии различных древесных материалов необходимо предварительно подготовить поверхность, путем нанесения на нее квасцов (Al2(SO4)3.18H2O) и/или канифоли, которые будут выполнять сцепляющие функции. При этом присутствие канифоли или квасцов не будет обеспечивать нейтральную систему на поверхности. Важность обеспечения нейтральной системы при нанесении частиц восковой эмульсии на поверхность, например при покрытии целлюлозно-бумажных материалов, исходит из факта, что нейтральная система позволяет избежать негативного коррозионного влияния на шлифовальную ленту. Поэтому необходимо часть указанных квасцов и канифоли заменить на катионный агент, содержащий сложную соль амина, для обеспечения максимальной эффективности использования эмульсии при покрытии поверхности. Нанесение восковой эмульсии на поверхность следует за применением катионного агента. Было установлено, что если предварительно смешать эмульсию и катионный агент, и потом смесь наносить на поверхность, то, во-первых, в эмульсии сразу же образуются нежелательные глобулы, а во-вторых, поверхность после нанесения неровная и негладкая, что говорит о неравномерном распределении частиц парафина на поверхности. Таким образом, сначала наносится незначительное количество катионного агента, затем поверхность покрывается эмульсией, и после этого наносится оставшееся количество агента. Такая процедура может быть использована для облегчения сцепления восковой эмульсии с поверхностью. Проведение нанесения покрытия эмульсией поверхности обеспечивает также равномерное распределение частиц парафина.

После осаждения частиц парафиновой эмульсий и смолы, вода высушивается прессованием при нагревании для образования конечной древесной плиты.

При производстве восковых эмульсий для применения в производстве древесно-стружечных плит, можно использовать низкосортные восковые компоненты, такие как нефтяные гачи и петролатумы. Эти продукты гораздо дешевле, чем высокоочищенный воск, но содержат большое количество масла [до 30% масс.]. Использование таких восковых продуктов может снижать водоотталкивающие свойства эмульсии.

Для придания пожаробезопасных (противопожарных) свойств древесным плитам, а также защиты от насекомых в восковые эмульсии могут быть добавлены соединения меди или хрома. В производстве древесно-стружечных плит используют 30-40% эмульсию.

Восковые эмульсии, используемые в текстильной промышленности для придания водоотталкивающих свойств волокнам, должны содержать не менее 50% по массе воскового компонента.

В производстве фармацевтических препаратов и косметики, а также для покрытия фруктов и овощей используют эмульсии на основе только высоко рафинированных восков, которые соответствуют санитарно-гигиеническим требованиям в отношении содержания полиароматических углеводородов.

В работе изучена возможность использования восковых эмульсий в качестве добавки к бетонам. Указывается, что восковая эмульсия содержит 20 - 30% парафина с температурой плавления 57-60ºС и размером частиц до 1 мкм. При введении восковых эмульсий происходит осаждение частиц парафина на поверхности пор и капилляров, образуя их гидрофобное покрытие. Оптимальная концентрация добавки составляет 0,1 - 0,5% от массы цемента, так как при ее увеличения происходит снижение прочности цемента. Низкая концентрация частиц дисперсной фазы, а также малая дозировка эмульсии ограничивает содержание гидрофобизирующего агента, парафина, и поэтому не способствует эффективной гидрофобизации порового пространства бетона. Кроме того, отмечается быстрая потеря стабильности эмульсий при хранении.

Таким образом, несмотря на значительный объем исследований в области изучения процессов приготовления восковых эмульсий, их свойств и особенностей применения, их практическая значимость снижается из-за ряда факторов, к важнейшим из которых следует отнести следующие.

.        Большинство восковых эмульсий были приготовлены с использованием высокоочищенных парафинов, содержащих до 95% масс. н-алканов. Такие эмульсии играют огромною роль в теоретических исследованиях, но с практической точки зрения они не находят широкого применения из-за высокой стоимости основного компонента и трудностей его выделения из нефтяного сырья.

.        При приготовлении восковых эмульсий в качестве дисперсионной среды использовали дистиллированную и деионизированную воду, что не позволяет в полной мере смоделировать промышленный процесс приготовления.

.        Значительная часть восковых эмульсий была приготовлена с использованием дефицитных и дорогостоящих эмульгаторов и добавок, что с экономической точки зрения не всегда эффективно и может ограничить их промышленное применение.

.        При изучении областей применения восковых эмульсий и их влияния на свойства конечных материалов, наибольшее внимание уделено деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленностям. Возможность использования восковых эмульсий в качестве добавки к другим материалам, таким как цементные растворы и бетоны, практически не проводились, или не дали значимых результатов.

Исходя из изложенного выше, определены следующие задачи диссертации:

)        на основе различных промышленных нефтяных восков, получить эмульсии, которые оставались бы стабильными во времени, при разбавлении и под влиянием различных внешних воздействий;

)        подобрать эффективный, недорогой и недефицитный эмульгатор (или их смесь), обеспечивающий сохранение основных свойств восковой эмульсии под влиянием различных факторов;

)        исследовать основные физико-химические свойства полученных эмульсий и оценить факторы, оказывающие влияние на их свойства;

)        предложить способ приготовления восковых эмульсий на основе нефтяных восков различных типов и изучить влияние основных параметров технологического режима на свойства полученных эмульсий;

)        исследовать возможность использования одной из полученных восковых эмульсий в качестве гидрофобно-пластифицирующей добавки к бетонным смесям и проанализировать изменение основных свойств бетонов, в частности, прочность и водонепроницаемость.

Парафины

При производстве восковых эмульсий используются нефтяные воски (ВН), выпускаемые основными производителями России и стран СНГ. Основные физико-химические свойства и групповой химический состав нефтяных восков представлены в табл. 1

Таблица 1. Основные показатели качества нефтяных восков различного происхождения (ВН1 - ВН18)

** - прекращен выпуск в 2008 г.

здесь: ВН1, ВН2 - парафин пищевой марки П2, производства ОАО «Славнефть-ЯНОС» (ОАО «Газпром нефть») и ООО Лукойл-Нижегородоргсинтез <http://energokaskad.ru/kstovskii_/> (НК «ЛУКОЙЛ») соответственно; ВН3-ВН6 - парафин нефтяной спичечный марки НС, производства ООО «Новокуйбышевский ЗМП» (ОАО НК «Роснефть»), ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» (НК «ЛУКОЙЛ»), ОАО «Славнефть-ЯНОС» (ОАО «Газпром нефть»), ОАО Ангарская НХК (ОАО НК «Роснефть»); ВН7-ВН14 - гач, производства ОАО Ангарская НХК (ОАО НК «Роснефть»); ООО «Новокуйбышевский ЗМП» (ОАО НК «Роснефть»), УДП Ферганский НПЗ (АК «Узнефтмахсулот», Узбекистан), ОАО Орский НПЗ (ЗАО «ФортеИнвест»), ООО «Лукойл-Волгограднефтепереработка» (НК «ЛУКОЙЛ»); ВН15-ВН18 - петролатум, производства ООО «Омский НПЗ» (ОАО «Газпром нефть»); ООО «Новокуйбышевский ЗМП» (ОАО НК «Роснефть»), Ангарская НХК (ОАО НК «Роснефть»), ООО «Лукойл-Волгограднефтепереработка» (НК «ЛУКОЙЛ»)

Выбор типа нефтяного воска определялся основными свойствами, наиболее типичными для указанного продукта у каждого производителя.

Гомогенизаторы. Ультразвуковые гомогенизаторы

Нефтехимическая промышленность внедряет в настоящее время энергию ультразвуковых колебаний как более эффективное средство создания стабильных эмульсий, эмульсий с желаемыми размером частиц и тщательным распределением твердых частиц в жидкости.

В настоящее время ульзвуковые гомогенизаторы используются изготовления лекарств и косметики, с их помощью производятся эмульсии с требуемыми характеристиками. Они имеют низкую цену и большое оборудование. Такие гомогенизаторы производятся компинями «Sonic Engineering», «Norwalk».

Как работает ультразвуковой гомогенизатор.

Жидкость прокачивают через специально профилированноt соплj при давлении 150-350 фунтов на квадратный дюйм при высокой линейной скорости против лезвия из нержавеющей стали в струйном потоке. Размеры лопасти, вместе с другими параметрами системы, таковы, что система работает в ультразвуковом диапазоне. Поток жидкости проходит через лопасти и вызывает вибрацию для производства ультразвкуковых колебаний. Когда система достигает устойчивого состояния, создается кавитационное поле. Кавита́ция процесс парообразования и последующей конденсации пузырьков пара в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром самой жидкости, в которой возникает. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении акустической волны <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BA%D1%83%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0> большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырёк схлопывается, излучая при этом ударную волну <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B4%D0%B0%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B0>.