مقاله بررسی ساختار مولکولی وشیمیایی قیر و اثر آن بر رفتار رئولوژی و فیزیکی قیرها

word قابل ویرایش
13 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

بررسی ساختار مولکولی وشیمیایی قیر و اثر آن بر رفتار رئولوژی و فیزیکی قیرها
چکیده :
استفاده از قیر به عنوان مصالح ساختمانی به دوران باستان برمیگردد، در آن دوران جهت تهیه قیر از منابع طبیعی استفاده میشد، اما اکنون با روش های نوین ، قیر به صورت مصنوعی (پالایشگاه ) تولید میشود. این مقاله با تأکید بر روی خواص رئولوژیکی قیر به بیان درک فعلی از ساختار قیر پرداخته است . ارتباط بین شیمی، ساختار و خصوصیات مکانیکی در چارچوب یک تصویر کلوئیدی از قیر بیان شده است . که این شناخت باعث درک پدیده های پیچیده تری مانند پیری قیر میشود. در این تحقیق به بررسی دقیق ساختار شیمیایی و فیزیکی قیر که توسط محققان مختلف انجام شده است پرداخته می شود. زیرا همواره برای مهندسان عمران و به خصوص متخخصان راه و ترابری، اجزاء قیر به طور کامل شناخته شده نبوده و به همین دلیل برخی از رفتارهای قیر و پلیمر، به سختی قابل درک بوده است و به همین دلیل در این مقاله سعی شده این موارد به صورت ساده ارائه و جمع آوری گردد.
کلمات کلیدی: قیر، اصلاح قیر، پلیمر، ساختار شیمیایی

١ – مقدمه
تاریخچه استفاده از قیر به ١٨٠.٠٠٠ سال قبل در سوریه بر می گردد [١]. در ابتدا هدف ، استفاده از خصوصیت چسپندگی و ضد آب بودن قیر بوده است . علاوه بر آن برای مصارف پزشکی، در درمان بیماریها، به عنوان یک ضدعفونی کننده و جهت مومیایی کردن اجساد، استفاده شده است [۴-١].
قیر طبیعی، ماده چسبنده ای است که ممکن است به صورت دریاچه یا باقیمانده نفوذ در سنگ ها در سطح زمین باقی بماند.
در سال ١٩١٠ با ظهور تکنولوژی تقطیر در خلا، این امکان برای تهیه قیر مصنوعی پیدا شد[۵]. در حال حاضر ٩۵ درصد از قیر تولید شده در جهان در صنعت روسازی جاده ها استفاده میشود، که در آن ها قیر به عنوان ماده چسباننده استفاده می – شود[۶]. به منظور مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی و همچنین عملکرد مناسب در شرایط ترافیکی سنگین لازم است مشخصات قیر و آسفالت بهبود یابد.
خصوصیاتی یک قیر مناسب باید به صورتی باشد که بتواند قیر طبیعی در دمای بالا (حدود C١۶٠) به صورت کاملا همگن باشد. از طرفی در بالاترین درجه حرارتی که آسفالت تجربه میکند با توجه به نوع منطقه (حدود C۶٠) همچنان سفت باقی بماند و در پایین ترین درجه حرارات با توجه به نوع منطقه (پایین تر از C٢٠-) همچنان نرم باقی بماند که بتواند در برابر ترک خوردگی آسفالت مقاومت کافی را داشته باشد.
جمع کردن تمام این ویژگیها در قیر که در تناقض با هم هستند کاری دشوار است . بنابراین لازم است که با توجه به نوع آب و هوا، بهینه ترین نوع قیر انتخاب شود. با توجه به آنچه گفته شد انواع مختلف قیر در درجه های مختلف وجود دارد. به منظور گسترش محدوده دمایی برای مناطق مختلف با شرایط آب و هوایی مختلف ، مواد افزودنی مختلف پلیمری و غیرپلیمری مورد استفاده قرار میگیرد [٧]. در این مقاله به بررسی ساختار دقیق تر قیر از نظر فیزیکی و شیمیایی پرداخته خواهد شد.

٢- شیمی قیر و ساختار آن
٢-١- فرآیند تولید قیر
تا قرن ٢٠ تنها منبع طبیعی تولید قیر از منابع نفـت و قیـر طبیعی بوده است . در حال حاضر، بخش عمـده قیـر مصـرفی در صنایع مختلف ، از تقطیر نفت خام به دست میآید [٧]. بـه ایـن صورت که مواد به دست آمده از تقطیر نفت خام در دمای بـالا (۴۲۵C تا ٣۵٠) و تحت فشار بالا تصفیه میشـود [٨ و ٩]. بـه طور کلی پالایشگاهها به تولید دو نوع قیر، یکی نـرم و دیگـری سخت و در طبقه بندی های مختلف میپردازند [٧]. جهت تهیه قیر، روش های دیگـری نیـز وجـود دارد کـه از اهمیـت تجـاری پایینی برخوردار است [٧]. در شکل ١ روش تقطیـر نفـت خـام جهت تولید قیر را نشان میدهد. در اواخر قرن ١٩ روش دمیدن هوا (هوادهی قیر) ایجاد شد که اولین بار، تولید قیر از نفت خام مایع به دست آمد [۵ و ٨]، اصول این روش به صـورت اکسـید کردن قیر در هوا در دمای ۲۷۵C تا ٢٠٠ در مدت زمان کمـی مـیباشـد کـه گـاهی اوقـات در حضـور یـک کاتـالیزور ماننـد سولفات مس ، روی، آهن ، آلومینیوم ، کلراید، اسـید بوریـک و یا پنتا اکسید فسفر انجام میشود. مواد حاصل قیر دمیده شده یـا قیر اکسید شده نامیده میشود که بـه منبـع نفـت خـام و شـرایط عملیاتی و مخصوصا دمـای دمیـدن بسـتگی دارد[٧]. بـا وجـود ویژگیهای خوب قیر دمیده ، این نوع قیر به علـت اینکـه بسـیار مستعد ترکخوردگی است ، به تدریج از صنعت راهسازی کنار گذاشته شد [١٠].
به طور کلی می توان گفت کـه قیـر بـه دسـت آمـده از نفت خام ، ماده هیدروکربنی است که از ٨٨%-٨٢ کـربن ، ١١%- ٨ هیدروژن ، ۶%-٠ گوگرد، ١,۵%-٠ اکسـیژن و ١%-٠ نیتـروژن تشکیل شده است [٨، ٩ ، ١۴ و ١٢]. این عناصر از هر چهار جزء قیر بـه دسـت مـی آیـد. معمـولا بـرای جداسـازی اجـزاء قیـر از روشهای زیر میتوان استفاده کرد:
١. استخراج با حلال
٢. جذب سـطحی بر روی ذرات جامـد ریـز و صاف کردن بخش های جذب سطحی نشده
٣. کروماتوگرافی
۴. تقطیر مولکولی به همراه یکی از روشهای پیش گفته شـد

شکل ١ تقطیر قیر طبیعی [٨]
٢-٢ اجزاء قیر
١. از آنجا که قیر، پسـمانده نفـت خـام مـیباشـد اجـزاء سازنده آن نیز همانند نفت خام میباشد. تنها تفـاوت ، درصد این ترکیبات یا اجزاء در قیر در مقایسه با نفت خام میباشد. در نفت خام سه دسته از مواد بطور کلی وجود دارند:
٢. پارافین ها: هیدروکربنهای اشـباع خطـی یـا شـاخه ای بدون ساختار حلقه ای
٣. نفتن ها: هیدروکربنهای اشباع یک یا چند حلقه ای بـا یک یا چند شاخه فرعی پارافینی کـه هیـدروکربنهای آلیسیکلیک نیز نامیده میشوند.
۴. آروماتیـک هـا: هیـدروکربنهای دارای یـک یـا چنـد حلقه آروماتیک بنزنی، نفتالنی و فنانترونی که توسط حلقه های نفتنی یـا شـاخه هـای پـارافینی بـه یکـدیگر متصل شده اند.
در مورد نفت خام اینگونه مواد موجود در آن به صورت چهار جزء ترکیبات اشباع هـا، آروماتیکهـا، رزیـن هـا و آسـفالتن هـا Saturates, Armatics, Resins and) (Asphaltenes, SARA تعریف مـیشـوند. همانطورکـه از نام این مواد انتظار میرود اشباع هـا شـامل هیـدروکربنهای سـیر شده میباشند، و آروماتیکها دارای حلقه های ساده میباشند. در مورد رزینها و آسفالتنها شرایط تا اندازه ای متفـاوت مـیباشـد.
این دو دسته از مواد دارای سـاختارهای شـیمیایی مشـابه بـوده و رزینها قابل تبدیل به آسفالتن میباشند. در واقع ، رزینهـا قابلیـت تبدیل به منومرهای آسفالتنی میباشند و منومرهای آسفالتنی نیز قادر به تجمع با یکدیگر و تشکیل خوشه های آسفالتنی میباشند. بسته به اینکه درصد مواد در نفت خـام چگونـه باشـد نوع نفت خام تعریف میشود و بطور مسلم نوع قیر مربوطـه نیـز متفاوت خواهـد بـود (جـدول ١). ایـن ترکیـب درصـدها از آن جهت اهمیت دارد که بر چسبندگی مواد قیر به مصالح سنگی و خواص آسفالت نهایی اثر شایانی دارد[٨ و ٩].

ترکیبات اشباع از نظر شـیمیایی همانطورکـه گفتـه شـد زنجیرهای هیدروکربنی خطی و شاخه ای و حتی حلقوی بـدون هیچ پیوند دوگانه یا ساختار آروماتیـک مـیباشـند. در شـکل ٢ برخی از این ساختارهای شیمیایی نشان داده شده است .
همانطور که در جدول ٢ ملاحظه میشود ترکیبات اشباع عمدتا از کربن و هیدروژن تشکیل شده اند و نسبت H.C برابر بـا ١,٨ دارند. از آنجه که ترکیبـات اشـباع معمـولا از طریـق انحـلال و جذب انتخابی جدا سازی میشوند با برخی ترکیبات الکیل نفتن و الکیل آروماتیکها نیز همراه هستند. به همین دلیل مقدار هتـرو اتمهـا در آنهـا بسـیار جزئـی مـیباشـد. اشـباع هـا ٢٠%-۵ قیـر را تشکیل میدهند، از نظر فیزیکی روغنهای گرانرو سـفید تـا زرد کمرنگ بوده و وزن مولکولی آنها در حدود ٨٠٠ گرم بر مـول می باشد[٨ و ٩].

ترکیبات آروماتیـک دارای سـاختارهای شـیمیایی غیـر اشباع و هسته ها یا حلقه های آروماتیک میباشند. آروماتیک هـا همیشه درصد نسبتا بالایی را در مقایسه با ترکیبات اشباع در قیر تشکیل می دهند (۶۵%-۴٠) و سیال هـای گرانـرو قهـوه ای تیـره میباشند. وزن مولکولی این مواد بین ٣٠٠ تا ٢٠٠٠ گرم بر مول و نسبت H.C آنها ١,۵ میباشد. آروماتیکها از اتصال حلقه های آروماتیک توسط زنجیرهای کربنی غیـر قطبـی و اشـباع ایجـاد شده اند و بعنوان حلال ترکیبات سـنگین موجـود در قیـر عمـل میکنند (شکل ٣).

رزین ها نیـز ترکیبـاتی هسـتند کـه در n-هپتـان محلـول هستند و سـاختار شـیمیایی مشـابه آسـفالتن هـا دارنـد ولـی وزن مولکولی آنها پایین تر بوده و H.C آنها برابر ١,۴ میباشـد کـه از آسفالتن ها بیشتر میباشد. رزنینها حاوی ترکیبـات اکسـیژن و نیتروژن دار نیز میباشند. اینها ترکیباتی به رنـگ قهـوه ای تیـره اند، جامد تا نیمـه جامـد هسـتند، ماهیـت قطبـی دارنـد و بسـیار چسبناک میباشند. به دلیل شباهت ساختاری عامل پراکنده ساز آسفالتنها در قیر میباشند. درصد آسفالتنها تعیین کننده سـاختار سل یا ژل قیر میباشد. این خـانواده از ترکیبـات وزن مولکـولی نسبتا بالا و اندازه ذرات بـین ١ تـا ۵ نـانومتر دارنـد (جـدول ٢). طرح ساده ای از این ترکیبات و چگونگی انحلال آسـفالتنها در شکل ۴ نشان داده شده است [٨ و ٩].

شکل ۴: طرح ساده مولکول رزین در مجاورت مولکولهای آسفالتن [۵].
آسفالتنها ترکیباتی هستند که از حلقـه هـای آروماتیـک جوش خورده به یکدیگر ساخته شده اند. بعلاوه ، این ساختارهای چند حلقـه ای مسـطح توسـط پلهـای آلیفاتیـک بـه یکدیگر متصل شده اند . با پیشرفت روشهای شناسـایی سـاختار شـیمیایی اختلافـات جـدیی در مـورد وزن مولکـولی آسـفالتنها بوجود آمده است . در گذشته وزن مولکولی آسفالتنها در گستره ١٠٠٠ تا ١٠٠٠٠ گرم بـر مـول بـرآورده شـده بـود ولـی امروزه این مقدار به بین ١٠٠٠ تا ٢٠٠٠ کاهش داده شده اسـت .
در شکل ٧ یک نمای سه بعدی از سـاختار آسـفالتن نشـان داده شده است . این ساختار گرافیت مانند و مسـطح قـادر بـه مجتمـع شـدن و برقـراری پیونـدهای هیـدروژنی و یـا واندوالسـی قـوی می باشد[٨ و ٩].

شکل ۵: نمایش یک منومر آسفالتن و تجمع آنها [۵].

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 13 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد