گروه فیدار

نقش ماهیت ذرات کلوئیدی قیر

نقش ماهیت ذرات کلوئیدی قیر

نقش ماهیت ذرات کلوئیدی قیر

نقش ماهیت ذرات کلوئیدی قیر

تاثیرات ماهیت ذرات کلوئیدی قیر در کوتاه‌مدت(در طول فرایند) و بلندمدت (در طول پخت)اصلاح قیر با پلیمرهای واکنشی مبتنی بر ایزوسیانات باید در نظر گرفته شود.قیر یک پراکندگی کلوئیدی از آسفالتن ها در ماتریکس روغنی تشکیل‌شده از اشباع‌ها،آسفالتن ها و رزین‌هاست.این ترکیبات معمولاً به‌عنوان بخش SARA شناخته می‌شوند(Lesueur 2009).ترکیبات شیمیایی قیر به منبع نفت خام اولیه و فرایند تولید بستگی دارد.رفتار فیزیکی و شیمیایی قیر به غلظت نسبی بخش‌های تشکیل‌دهنده آن وابسته است.بر این اساس،تغییر در ترکیبات آن ممکن است تأثیرات بزرگی در خصوصیات مکانیکی و واکنش‌پذیری شیمیایی آن داشته باشد(Beacker و همکاران 2003،Iqbal و همکاران 2006).با توجه به این نگرانی،انتخاب قیر با مدنظر داشتن رفتار واکنشی اصلاح‌شده یک عامل اساسی در دستیابی موفقیت‌آمیز به بایندر اصلاح‌شده می‌باشد.این واقعیت در شکل 4-3 مشخص‌شده است که نشان‌دهنده تفاوت در درجات اصلاح‌کننده‌های واکنشی است که توسط افزودن MDI-PPG به قیر دست‌نخورده با درجه نفوذ مشابه به دست می‌آید.

در اصلاح قیر به‌وسیله پیش پلیمرها انتظار می‌رود که واکنش بین گروه‌های ایزوسیانات پلیمر با برخی از ترکیبات قیر شامل گروه‌های قطبی رخ دهد.در ابتدا واکنش گروه ایزوسیانات(NCO_)با آن دسته از ترکیبات قیر،به دنبال یک فرایند اصلاح طولانی‌مدت با توجه به واکنش‌های شیمیایی در طول پخت در دمای اتاق رخ می‌دهد.درنتیجه قیر اصلاح‌شده با توسعه ریزساختارهای پیچیده خود توانایی افزایش گرانروی و قابلیت ارتجاعی(الاستیسیته) بایندر را در دمای سرویس بالا به دست می‌آورد.به نظر می‌رسد که چنین مجموعه‌ای از واکنش‌ها به‌شدت تحت تأثیر نوع و منبع قیر قرار دارند.جدول 1-3 نشان‌دهنده سیر تکاملی بخش‌های SARA،تعیین‌شده به‌وسیله کروماتوگرافی لایه‌نازک با یک آشکارساز یونیزاسیون شعله(TLC/FID) برای دو نوع قیر دست‌نخورده و بایندر اصلاح‌شده با 4 درصد وزنی MDI-PPG می‌باشد.

شكل شماره 4-3      منحنی جریان ویسکوز در 60 درجه سانتی گراد برای قیر دست‌نخورده 200/150 و 3 درصد SBS و بایندر اصلاح‌شده با 4 درصد MDI-PPG از قیرهای A و B .اقتباس‌شده از Carrera و همکاران 2009

همان‌طور که مشاهده می‌شود،اجزاء آسفالتن قیر در طول فرایند تولید بایندر افزایش‌یافته است.در درجه اول این افزایش باید به پلیمرهای واکنش‌دهنده با اجزاء آسفالتن قیر نسبت داده شود.پلیمرهای غیر واکنشی باقیمانده که توسط هر یک از حلال‌ها شسته نمی‌شوند درروش کروماتوگرافی مورداستفاده قرار می‌گیرند.

نتایج یافت شده برای قیر A نشان‌دهنده افزایش نزدیک به 4 درصد وزنی برای اجزاء آسفالتن بعد از فرایند است(جدول 1-3).در مقابل قیر اصلاح‌شده B نشان‌دهنده افزایش غلظت آسفالتن نزدیک به 7 درصد در مقایسه با قیر دست‌نخورده است که مربوط به‌اضافه کردن MDI-PPG می‌باشد.این افزایش نتیجه واکنش بین برخی ترکیبات قیر با قطبیت کم‌تر از آسفالتن(به‌طور مثال آروماتیک‌ها و رزین‌ها) با گروه‌های NCO در طول فرایند است.

جدول شماره 1-3      بخش‌های SARA برای قیر دست‌نخورده،پخت نشده و بایندر اصلاح‌شده.اقتباس‌شده از Carrera و همکاران 2009

علاوه بر آن،به نظر می‌رسد که پخت واکنشی بلندمدت باعث افزایش غلظت گروه‌های قطبی(رزین و آسفالتن)و تغییرات جزئی در بخش اشباع شود.

این مسئله می‌تواند بیشتر توسط شاخص اصلاح کلوئیدی Gaestel موردبررسی قرار گیرد(Gaestel و همکاران 1971). IcR مقدار تغییرات ترکیبات شیمیایی را در طول اصلاح واکنشی به‌وسیله MDI-PPG محاسبه کرده و به‌صورت فرمول زیر بیان می‌کند:

شکل 5-3 سیر تکاملی شاخص کلوئیدی اصلاح‌شده برای نمونه قیرهای مختلف موردمطالعه قرار داده‌شده را قبل و بعد از اصلاح واکنشی نشان می‌دهد.طبق فرمول IcR که در بالا تعریف‌شده،یک شاخص کلوئیدی اصلاح‌شده بالا به معنای خوشه آسفالتن بزرگ‌تر و تولید مواد با ریزساختارهای توسعه‌یافته‌تر است(به‌طور مثال با ویسکوزیته و الاستیسیته بالاتر).این‌طور که نشان می‌دهد نمونه قیر B مقدار شاخص کلوئیدی بالاتری دارد و به‌تبع آن ویسکوزیته بالاتری را در دمای سرویس بالا(60 درجه سانتی گراد)نشان می‌دهد(شکل4-3).

به‌هرحال شاخص کلوئیدی اصلاح به‌خودی‌خود یک‌راه مناسب برای پیش‌بینی دقیق درجه اصلاح مورد انتظار برای بایندر باقیمانده نیست.علاوه بر این،ریزساختارهای قیر نیز باید در نظر گرفته شود.در حقیقت،درجه نهایی اصلاح قیر از ترکیب دو عامل نشات می‌گیرد.نخست واکنش قیر با پلیمرهای مبتنی بر ایزوسیانات و دوم توانایی ریزساختارهای قیر برای تشکیل شبکه سه‌بعدی قیر-پلیمر که در طول پخت بایندر توسعه بیشتری پیدا می‌کند(Carrera و همکاران 2009).

طبق مدل کلوئیدی قیر،دانه‌ها و مصالح به‌وسیله ارتباط چند ذره آسفالتن که توسط پوسته‌ای از رزین پوشش داده‌شده و با افزایش دما نازک‌تر می‌شوند شکل داده می‌شوند(Lesueur و همکاران 1996).مولکول‌های رزین باقیمانده و همچنین مولکول‌های اشباع و آروماتیک‌ها ماتریکس پراکنده را به وجود می‌آورند.این مدل قابلیت توصیف کامل بیشتر ابهامات و سؤالاتی که در رابطه با ریزساختارهای قیر به وجود می‌آید را دارد.مشاهدات AFM در حالت فازی به‌راحتی این مدل را تأیید کرده و کمک می‌کند تا نرم شدن قیر که در دمای سرویس بالا مشاهده می‌شود را توصیف کنیم.شکل شماره 6-3 در دمای 50 و 75 درجه سانتی گراد از نمونه قیر 70/60 دست‌نخورده گرفته‌شده است.دو منطقه سیاه و روشن را به‌وضوح می‌توان از هم متمایز کرد.حضور هریک از آن‌ها دلایل مکانیکی خیلی متفاوتی داشته و به ترتیب مربوط به فازهای مالتنیک و آسفالتنیک می‌باشند.بدین ترتیب،میسل های آسفالتن_رزین (منطقه روشن)یک سطح بالاتری از الاستیسیته را از ماتریکس مالتنی که در آن میسل ها پراکنده هستند(منطقه سیاه)ارائه داده است.در این مورد نمونه قیر از ساختارهای زنبور مانند تشکیل‌شده که به دامنه آسفالتن های بزرگ نسبت داده می‌شوند(از تجمع ذرات آسفالتن گرد با قطر حدود 100 تا 200 نانومتر تشکیل می‌شوند).

می‌توان مشاهده کرد که افزایش دمای آزمایش منجر به افزایش وسعت مناطق سیاه می‌شود زیرا بر اساس توضیحات مدل کلوئیدی مقدار بیش‌تری از رزین‌ها،میسل های آسفالتن را پوشش داده که به‌صورت محلول باقی خواهند ماند.درنتیجه دامنه آسفالتن_رزین کوچک‌تر منجر به کاهش اثر متقابل آن‌ها با دامنه مجاور در دمای سرویس بالا شده و به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای خواص الاستیک و گرانروی قیر را کاهش می‌دهد.

شکل شماره 6-3      تصویر مربوط به نمونه قیر 70/60 دست‌نخورده در 50 درجه سانتی گراد و 75 درجه سانتی گراد.      ابعاد 25*25 میکرومتر.اقتباس از Martin-Alfonso و همکاران 2009

به‌هرحال،علاوه بر توضیحات ارائه‌شده در مورد ساختارهای زنبوری،دیگر ساختارهای قیری ممکن شناسایی‌شده است(مشاهده شکل 7-3).به‌عنوان‌مثال،نمونه قیر(a) نشان داده‌شده در شکل 7-3 به پراکندگی فلس مانند(Flake-like) اشاره‌کرده و نمونه قیر (b) در این شکل به‌اصطلاح پراکندگی خوب نامیده می‌شود( Massonو همکاران 2006).

شکل شماره 7-3      میکروگراف در دمای 30 درجه سانتی گراد برای دو نوع قیر دست‌نخورده با ساختار متفاوت.

نمونه (a) پراکندگی فلس مانند و نمونه (b) با پراکندگی خوب.ابعاد 25*25 میکرومتر.اقتباس‌شده از Carrora و همکاران 2009

این رفتار از مکانیسم اصلاحی یافت شده برای پلیمرهای مبتنی بر ایزوسیانات ناشی می‌شود.افزودن MDI-PEG ممکن است به توسعه شبکه ریزساختارهای شکل‌گرفته توسط واکنش بین پلیمر و برخی از اجزاء ناحیه غنی از آسفالتن(به‌طور مثال رزین‌های قطبی و آسفالتن های حاوی OH– و گروه‌های NH< )کمک کند.

این فرضیه توسط تصویر AFM  در شکل 8-3 که در دمای 50 درجه سانتی گراد برای قیر دست‌نخورده و بایندر 30 روزه اصلاح‌شده با MDI-PPG مربوط به قیر A (به ترتیب شکل A1 و A2) و قیر B (به ترتیب شکل B1 و B2) تهیه شده نشان داده‌شده است.به‌طورکلی اضافه کردن 4 درصد وزنی MDI-PPG منجر به ایجاد مناطق روشن بزرگ‌تر در هر دو بایندر می‌شود.به‌هرحال ریزساختارهایی کاملاً متفاوت در این بایندرهای اصلاح‌شده مشاهده‌شده است : شبکه سه‌بعدی به‌خوبی توسعه‌یافته برای بایندر B و ساختارهای میسل بسیار پراکنده برای بایندر A .افزودن پلیمر باعث افزایش اصلاح ساختارهای بایندر با حساسیت دمایی کمتر می‌شود.این امر بهبود گرانروی قیر اصلاح‌شده با MDI-PPG یافت شده در مناطق با درجه حرارت بالا را توضیح می‌دهد(شکل4-3).علاوه بر این،چنین اصلاحاتی منجر به ایجاد مواد همگن ماکروسکوپی شده که جداییش فازی را به هنگام ذخیره‌سازی در دمای بالا نشان نمی‌دهد(Navarro و همکاران 2007).

به‌عنوان یک نتیجه،ترکیبات شیمیایی و ریزساختارهای قیر دست‌نخورده،نقش مرتبطی را در اصلاح قیر به‌وسیله پلیمرهای واکنشی با وزن مولکولی کم بازی می‌کنند.بالاترین اصلاح ممکن برای قیر دست‌نخورده که در آن‌هم ترکیبات ساختاری به‌خوبی توسعه‌یافته و هم بیش‌ترین واکنش شیمیایی با گروه ایزوسیانات رخ‌داده است مشاهده می‌شود.بر این اساس بیش‌ترین اصلاح قیر برای نمونه قیر دست‌نخورده با بیش‌ترین غلظت ترکیبات قطبی (آروماتیک‌های قطبی،رزین‌ها و آسفالتن ها)که توانایی واکنش با پیش پلیمرهای گروه NCO– و توسعه‌یافتگی خوب ریزساختارهای کلوئیدی غنی از آسفالتن(معمولاً قیر دست‌نخورده شاخص کلوئیدی بالا و ساختار زنبوری دارد) رادارند مشاهده‌شده است.

شکل شماره 8-3      میکروگراف (25*25 میکرومتر) در دمای 50 درجه سانتی گراد برای نمونه دست‌نخورده A1 و نمونه A2 اصلاح‌شده با MDI-PPG مربوط به قیر A و نمونه دست‌نخورده B1 و نمونه B2 اصلاح‌شده با MDI-PPG مربوط به قیر B

برای مشاهده ادامه مطالب این فصل برروی لینک زیر کلیک کنید: 

قیر اصلاح‌شده بر پایه پلی اورتان/اوره

5/5 - (13 امتیاز)
Share

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

Share