قیر اصلاح شده پلیمری
قیر اصلاح شده پلیمری
مقدمه
قیر یک محصول فرعی تقطیر جز به‌جز نفت خام است ولی به‌صورت انباشت‌های طبیعی هم یافت می‌شود.قیر ترکیب منحصربه‌فردی از ترکیبات آلی آب‌گریز با خصوصیات چسبندگی است که بیش از ۵۰۰۰ سال است که به‌طور مؤثر مورداستفاده بشریت قرارگرفته است.قیر یک ماده گرمانرم(ترموپلاستیک)ارزان‌قیمت بوده که به‌طور گسترده در عایق سازی پشت‌بام‌ها و ساخت جاده‌ها و پیاده‌روها کاربرد دارد.به‌هرحال قیر در محیط‌های سرد حالت شکننده و در محیط‌های گرم به‌آسانی نرم می‌شود.یکی از چندین روش مؤثر برای بهبود خواص قیر،استفاده از پلیمر در ترکیب آن و تولید قیر اصلاح‌شده پلیمری(PmB) است.
در این فصل به معرفی ساختار و خصوصیات قیر پرداخته و یک مرور کوتاهی بر مقالات منتشرشده در مورد PmB خواهیم کرد.
قیر
بر اساس تعریف موسسه استاندارد انگلیس؛قیر یک مایع ویسکوز و یا یک ماده جامد است که اساساً شامل هیدروکربن‌ها و مشتقات آن بوده که درتری کلرواتیلین محلول و به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای غیر فرار است،در صورت افزایش دما به‌تدریج نرم شده،به رنگ تیره یا قهوه‌ای بوده و دارای خواص چسبندگی و ضدآبی است،هم از پالایش نفت خام به دست می‌آید و هم به‌صورت انباشت‌های طبیعی یافت می‌شود.
بشریت برای هزاران سال است که از قیر استفاده می‌کند.در کتاب‌های مقدس اشارات زیادی در مورد قیر وجود دارد(مانند استفاده حضرت نوح از این ماده برای عایق سازی کشتی خود در برابر آب).نام دیگر قیر Pitch است که معادل لاتین واژه Gwitu-men بوده که به‌مرورزمان کوتاه و به واژه Bitumen تبدیل‌شده و سپس از واژگان زبان فرانسوی وارد واژگان انگلیسی شده است.همچنین در این کتاب‌ها به این موضوع اشاره‌شده که برای ساخت برج‌های بابل از آجر با ملات قیر استفاده‌شده است(Whiteoak,1990).
برای بیش از ۵۰۰۰ سال از قیر به‌عنوان ماده‌ای برای عایق‌کاری و ضدآب کردن و عامل چسباننده استفاده‌شده است(Abraham,1945).اولین استفاده ثبت‌شده از قیر در عهد باستان توسط سومری‌ها در ۳۸۰۰ سال قبل از میلاد و همچنین استفاده مصریان از آن در طول مراحل مومیایی کردن اجساد بوده است.
(Volke,1993-Chirife et al,1991).
همان‌طور که اشاره شد،قیر هم به‌صورت طبیعی یافت شده و هم ماده اولیه تولید آن پس از مراحل پالایش نفت خام در ته برج‌های تقطیر باقی می‌ماند.از قرن بیستم تقاضا برای استفاده از قیر افزایش یافت که این مقدار تقاضا بیشتر از منابع قیر طبیعی زمین بود.قیر طبیعی ممکن است در مجاورت ذخایر زیرزمینی نفت خام حضورداشته باشد و در مناطقی که گسل‌های زمین‌شناسی رخ‌داده باشد امکان نشت آن در سطح وجود دارد.مقدار و ماهیت این مواد طبیعی به تعداد و نوع فرایندهای طبیعی که منجر به اصلاح خصوصیات این مواد شده است بستگی دارد.
نفت خام از بقایای اجساد موجودات ارگانیک دریایی و گیاهان نباتی که به‌وسیله گل‌ولای و قطعات سنگی در کف بستر اقیانوس دفن شده‌اند تشکیل‌شده است.بعد از میلیون‌ها سال مواد ارگانیک و گل‌ولای دارای صدها متر ضخامت شده و وزن زیاد لایه‌های بالایی لایه‌های زیرین را تحت‌فشار قرار داده و باعث ایجاد سنگ رسوبی می‌شود.تبدیل مواد ارگانیک و بقایای گیاهان نباتی به هیدروکربن‌های نفت خام درنتیجه اثر توأمان حرارت پوسته زمین و فشار وارده براثر وزن لایه‌های رسوبی بالایی و با کمک فعالیت‌های باکتریایی و بمباران‌های رادیواکتیو انجام می‌پذیرد.
به‌طورکلی چهار منطقه اصلی تولیدکننده نفت در کره زمین وجود دارد:
ایالات‌متحده آمریکا،روسیه،خاورمیانه و کشورهای اطراف دریای کارائیب.
قیر از تقطیر جز به‌جز نفت خام در دمای ۳۰۰ الی ۳۵۰ درجه سانتی گراد به دست می‌آید.شکل ۱-۱ یک نمونه شماتیک از مراحل تقطیر را نشان می‌دهد.در ابتدا بخش‌های بزرگ‌تر مانند پروپان و بوتان و پس‌ازآن نفتا،نفت سفید و گازوئیل جداسازی می‌شود.ته‌نشین باقیمانده در برج ماده ایست بنام وکیوم باتوم که برای تولیدگرید های مختلف قیر مورداستفاده قرار می‌گیرد.اضافه شدن اکسیژن و استفاده از حرارت و فشار و اینکه چه مقدار اکسیژن به سیستم دمیده شود باعث تولید گریدهای مختلف قیر می‌شود.در انگلستان قیر معمولاً در چهار رده دسته‌بندی می‌شود:
-
قیرهای Penetration Grade : بر اساس نتیجه آزمایش درجه نفوذ و نقطه نرمی دسته‌بندی می‌شوند.
-
قیرهای Cutback Grade : بر اساس ویسکوزیته دسته‌بندی می‌شوند.
-
قیرهای Hard Grade : بر اساس آزمایش میزان نفوذ و نقطه نرمی دسته‌بندی می‌شوند.
-
قیرهای Oxidised Grade : بر اساس آزمایش میزان نفوذ و نقطه نرمی و بر اساس معیارهای حلالیت دسته‌بندی می‌شوند.
شکل شماره ۱-۱ نمودار شماتیک تقطیر جز به‌جز نفت خام به خوراک اولیه تولید قیر
قیر یک مخلوط پیچیده‌ای از مولکول‌های سنگین هیدروکربنی و غیر هیدروکربنی است که می‌تواند به بخش‌هایی شامل آسفالتن ها،زرین‌ها،آروماتیک‌ها و پارافین‌ها تفکیک شود(Tranler,1936).
سه دسته از هیدروکربن‌ها در قیر وجود دارند،پارافینیک ها،نفتینیک ها و آروماتیک ها.مواد غیر هیدروکربن موجود در قیر دارای اتم‌های هتروسیلیک شامل سولفور،نیتروژن و اکسیژن هستند.
آنالیز عنصری قیر تولیدشده از منابع مختلف نفت خام نشان می‌دهد که بیشتر قیرها شامل عناصر زیر است :
-
کربن ۸۵-۸۲ درصد
-
هیدروژن ۱۱-۸ درصد
-
سولفور ۶-۰ درصد
-
اکسیژن ۱/۵-۰ درصد
-
نیتروژن ۱-۰ درصد
اثر مقادیری از فلزات و عناصر دیگر شامل نیکل،آهن،وانادیوم،کلسیم،منیزیم و کروم نیز در قیر یافت شده است.مولکول‌های آسفالتین شامل ورقه مسطح از سیستم‌های آروماتیک غلیظ شده است که به‌وسیله سولفور،اتر،زنجیره‌های آلیفاتیک و یا حلقه‌های نفتیک به‌هم‌پیوسته می‌باشند.شکاف‌ها و حفره‌ها در سیستم‌های آروماتیک با اتم‌های هیدروسیلیک به‌وسیله فلزات واسطه مانند وانادیوم،نیکل و آهن که به‌احتمال‌زیاد ناشی از هجوم ردیکال های آزاد است هماهنگ می‌شوند.
شکل شماره ۲-۱ مشاهده مقطعی مولکول آسفالتن.خطوط مستقیم نشان‌دهنده لبه‌های ورق مسطح حلقه‌های آروماتیک اشباع‌شده است.
شکل شماره ۳-۱ مولکول فرضی آسفالتن
در مقایسه با آسفالتن ها،رزین‌ها کوچک‌تر و با وزن مولکولی بسیار کمتر در نظر گرفته‌شده‌اند. رزین‌ها شامل ترکیبات آروماتیک هستند که جایگزین آلکیل های دیگر شده و توسط تعداد بیشتری از زنجیره‌های جانبی به حلقه آسفالتن ها متصل می‌شوند ترکیبات اشباع و خصوصیات آروماتیک رزین‌ها باعث تثبیت ساختار کلوئیدی آسفالتن ها می‌شود. و درواقع رزین‌ها باعث بهبود عملکرد آسفالتن ها هستند.
ازلحاظ ساختاری آروماتیک‌ها شامل هسته بزرگ‌تری از نفتنیک-آروماتیک ها با سهم بیشتری از زنجیره‌های جانبی نسبت به رزین‌ها است. آلکیل نفتین ها غالب بوده و زنجیره‌های مستقیم آلکان ها به‌ندرت وجود دارد.
پارافین‌ها شامل هیدروکربن‌های آلیفاتیک مستقیم و شاخه‌ای است.میانگین وزن مولکولی پارافین‌ها شبیه به آروماتیک‌هاست و ترکیبات مومی (WAX) و غیر مومی در ساختار آن مشاهده می‌شود.
همان‌طور که در بالا اشاره شد قیر یک سیستم کلوئیدی است که از چهار جزء اصلی تشکیلی شده است.مشخصات فیزیکی قیر مستقیماً به مقدار آسفالتن ها و اندازه ساختارهای میسل که به‌نوبه خود وابسته به درجه جذب رزین‌ها است، مربوط می‌شود.
شکل ۴-۱ یک نمودار شماتیک از ساختار بزرگ‌شده قیر است که نشان‌دهنده خصوصیات متفاوت فیزیکی و شیمیایی است که ممکن است در قیر وجود داشته باشد.
شکل شماره ۴-۱ ساختار بزرگ‌شده مولکول آسفالتن.
خطوط مستقیم نشان‌دهنده اجزای آروماتیک و خطوط زیگزاگ نشان‌دهنده اجزای اشباع می‌باشد.
| G: Intra-cluster | A: Crystallite |
| H: Inter-cluster | B: Chain bundle |
| I: Resin | C: Particle |
| J: Single Layer | D: Micelle |
| K: Petroporphyrin | E: Week link |
| L: Metal | F: Gap & hole |
مواد طبیعی دیگری مانند نمک‌های معدنی از زنجیره طولانی کربوکسیلیک اسیدها ، آلکن ها ، مرکاپتن ها و دیگر ترکیبات مانند پورفین ها به مقدار بسیار کم در اجزای آسفالتن ها و رزین‌ها وجود دارد. این مواد نقش تأثیرگذاری بر خصوصیات قیر دارند. این مسئله اثبات‌شده است که رئولوژی قیر رابطه مستقیمی با مقدار چهار بخش اصلی تشکیل‌دهنده قیر به‌ویژه مقدار آسفالتن ها دارد (سیمپسون و همکاران ۱۹۶۱).نئومن و رحیمیان در سال ۱۹۹۲ رئولوژی ساختارهای کلوئیدی قیر را موردمطالعه قرار داده و به این نتیجه رسیدند که خصوصیات رئولوژی به غلظت بستگی دارد.
همان‌طور که گفته شد،دو خصوصیت سودمند قیر ویژگی چسبندگی و ضد آب بودن آن است.Khudyakova و همکاران ماهیت شیمیایی خصوصیت چسبندگی قیر را موردبررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که چسبندگی بین قیر و مواد معدنی در درجه اول به ترکیبات شیمیایی رزین‌ها،آروماتیک‌ها و ترکیبات اشباع و در درجه دوم به غلظت ترکیبات قطبی که قابلیت پیوند با مواد معدنی اسیدی که توسط آب از بین نمی‌روند،بستگی دارد.
عوامل چسبندگی مانند آلکیل پروپیلین دی آمیدها به مخلوط قیر-مواد معدنی اضافه‌شده تا از گسستگی بین مواد جلوگیری کنند(مخصوصاً در شرایط مرطوب)Donbavand . در سال ۱۹۸۴ از آزمایش وزن سنجی حرارتی(Thermogravimetry) برای تشخیص و شناسایی عوامل چسبندگی در مخلوط قیر استفاده کرد.جزئیات بیشتر و گسترده‌تری از ساختار کلوئیدی و خصوصیات قیر را می‌توان از بررسی‌ها و مطالعات به‌عمل‌آمده توسط Lesueur به دست آورد.
برای مشاهده ادامه مطالب این فصل برروی لینک زیر کلیک کنید:
