En el proceso de emulsificación, la dispersión (trituración) del betún se produce en partículas microscópicas. Este proceso es contrarrestado por la cohesión interna y la viscosidad del betún, así como por la fuerza de la tensión superficial, que resiste la formación de una nueva interfaz.
Para obtener una emulsión, es necesario no solo aplicar energía mecánica correctamente para obtener partículas bituminosas de pequeño tamaño, sino también para evitar que se fusionen después de formarse. El tamaño de partícula en la emulsión resultante puede depender de las características de diseño del molino, la velocidad de rotación de su rotor, el espacio entre el rotor y el estator, el tiempo pasado de los componentes en el molino, la concentración y el tipo de emulsionante, así como la temperatura de emulsión.
La viscosidad del betún durante el Proceso de emulsificación no debe exceder los 500 St. Para reducir la viscosidad del betún antes de suministro a un molino coloidal, se calienta a una temperatura de 110 ° C-160 ° C.
Para mejorar la disolución de los emulsionantes, la fase acuosa se calienta a 30 ° C-70 ° C. En instalaciones de emulsión que no implican la creación de una sobrepresión, esta temperatura se limita a 100 ° C, pero en los equipos donde se proporciona esta posibilidad, la temperatura puede alcanzar los 120 ° C o más. Se necesitan sistemas con exceso de presión cuando se trabaja con betún sólido o betún con un alto grado de modificación con polímeros.
Naturaleza química de los emulsionantes
El proceso de concentración (adsorción) del emulsionante en la interfaz (es decir, la manifestación de la actividad superficial) se explica por la estructura de su molécula, que contiene un grupo funcional hidrofílico y un radical lipofílico derivado de materiales recuperables como grasas, aceites vegetales y madera. Las moléculas emulsionantes basadas en sustancias como proteínas, ligninas, polímeros y minerales pueden tener una o más «secciones» hidrófobas e hidrófilas. En la interfaz, la molécula emulsionante está ubicada con la orientación de la parte lipofílica en la dirección de la fase bituminosa oleosa, y el grupo funcional y los contraiones están en la dirección de la fase acuosa.
Para evitar la coalescencia, las partículas bituminosas no deben estar en contacto unas con otras. Hay dos maneras diferentes de lograr este objetivo. Los emulsionantes iónicos cargan la superficie de las partículas bituminosas, y en el caso de aproximación de estas partículas entre sí, las cargas que reciben conducen a la aparición de fuerza repulsiva. Dado que la carga de algunos emulsionantes aniónicos y catiónicos depende del valor del pH, este estado de equilibrio puede alterarse cambiando el valor del indicador mencionado. Otro mecanismo de estabilización es la creación de un obstáculo físico para la convergencia de partículas. Al mismo tiempo, se pueden usar sustancias como polvo emulsionante (por ejemplo, arcillas). En este caso, no se trata de emulsiones, sino de pastas.
Una molécula emulsionante es mucho más pequeña que una partícula bituminosa, y cada gota está estabilizada por miles de moléculas emulsionantes.
Si imaginar una partícula bituminosa del tamaño del globo, entonces cada uno de los grupos funcionales de la molécula emulsionante ocuparía un área de 10 km2, y el radical lipofílico («cola») de la molécula penetraria 8 km de profundidad en la superficie de la tierra. Muchos de los emulsionantes catiónicos se suministran en forma neutra, insoluble en agua. En este caso, para obtener la forma catiónica del emulsionante, es necesario neutralizarlo con un ácido (por ejemplo, clorhídrico, fosfórico, acético o sulfúrico). Algunos emulsionantes aniónicos requieren neutralización con hidróxido de sodio, amonio o potasio. Incluso en el caso de usar emulsionantes solubles en agua, su actividad también depende del pH. En este caso, las emulsiones ácidas son catiónicas y las emulsiones alcalinas son aniónicas.
Proceso de emulsificación y estabilización de emulsión
El mecanismo de estabilización de la emulsión depende de la naturaleza del grupo funcional hidrófilo del emulsionante. Cuando se usan emulsionantes con grandes grupos hidrofílicos, es posible prevenir la convergencia de las partículas bituminosa debido al efecto de la repulsión espacial. Sin embargo, lo principal es que los grupos hidrófilos del emulsionante forman las mismas capas de adsorción en la superficie de las partículas bituminosa, lo que conduce a la repulsión electrostática de dichas partículas en el agua.
Dependiendo de la carga,y el proceso de emulsificación, los emulsionantes se dividen en aniónicos, catiónicos, anfóteros y no iónicos. La magnitud y el signo de la carga en las partículas bituminosas se pueden medir y expresar como su potencial electrocinético. Los valores de estos potenciales dependen del pH del medio, y las emulsiones que contienen partículas con valores bajos del potencial electrocinético (positivo o negativo) tienen, como regla general, una menor reactividad.