استفاده از پلیمر SBS برای اصلاح خصوصیات قیر-بخش چهارم

Share

استفاده از پلیمر SBS برای اصلاح خصوصیات قیر-بخش چهارم

روش آزمون

1 آزمون‌های متداول بایندر

قیر پایه و قیر اصلاح‌شده با استایرن بوتا دی ان استایرن (SBS PMBs) تحت آزمون‌های متداول بایندر ازجمله، نفوذپذیری، نقطه نرمی، نقطه شکست فراس، شکل‌پذیری (10 درجه سانتی‌گراد، ASTM D113)، بازیابی الاستیک و ویسکوزیته چرخشی قرار گرفت. آزمون بازیابی الاستیک بر روی قیر اصلاح‌شده با پلیمر استایرن بوتا دی ان استایرن به‌منظور اندازه‌گیری قابلیت ارتجاعی بایندر (توانایی بایندر درکشش و برگشت‌پذیری به‌طور الاستیک بعد از 1 ساعت) انجام گرفت. علاوه بر این، مقادیر نفوذپذیری و نقطه نرمی به‌دست‌آمده نیز برای محاسبه حساسیت دمایی بایندر ازلحاظ شاخص نفوذپذیری (PI) آن مورداستفاده قرار گرفت.

2 آنالیز مکانیکی پویا

آنالیز مکانیکی پویا (DMA) بر روی قیر پایه و SBS PMBs با استفاده از یک رئومتر تنش کنترل‌شده انجام گرفت. روش آزمون و آماده‌سازی نمونه‌هایی که توسط DSR مورداستفاده قرار گرفت قبلاً توضیح داده‌شده است. آزمون DSR ارائه‌شده در این مقاله تحت شرایط بارگذاری فشار کنترل‌شده با استفاده از فرکانس روبشی بین 0/01 تا 15 هرتز و در دمای بین 10 تا 75 درجه سانتی‌گراد انجام گرفت. دامنه کرنش برای تمام آزمون‌ها در داخل پاسخ ویسکوالاستیک خطی بایندر محدودشده است.

پارامترهای ویسکوالاستیک اصلی به‌دست‌آمده از DSR شامل مدول برشی پیچیده ( * G) و زاویه فازی (δ) بود. مدول برشی پیچیده به‌صورت نسبت فشار (برشی) بیشینه به کرنش بیشینه تعریف و یک مقیاسی از مقاومت کل در برابر تغییر شکل را هنگامی‌که قیر در معرض بارگذاری برشی قرار می‌گیرد را ارائه می‌کند. مدول برشی ترکیبی است ازمدول ذخیره‌سازی G و مدول اتلاف G′′                                                    

این دو مؤلفه از طریق زاویه فازی به یکدیگر مرتبط هستند که یک تغییر فاز بین تنش برشی اعمالی و پاسخ کرنش برشی در طول آزمون است. زاویه فازی مقیاسی است از تعادل ویسکوالاستیک رفتار مواد و به‌صورت ′′δ=G/G تعریف می‌شود. اگر میزان زاویه فازی معادل 90 درجه باشد آن‌وقت رفتار مواد قیری به‌صورت کاملاً ویسکوز در نظر گرفته می‌شود. درصورتی‌که زاویه فازی معادل 0 درجه باشد با رفتار کاملاً الاستیک مطابقت دارد. بین این دو درجه، رفتار مواد می‌تواند به‌صورت ویسکوالاستیک با ترکیبی از رفتارهای ویسکوز و الاستیک در نظر گرفته شود.

3 روش پیرشدگی

پیرشدگی آزمایشگاهی کوتاه‌مدت و بلندمدت قیر پایه و قیر اصلاح‌شده با استایرن بوتا دی ان استایرن (SBS PMBs) به ترتیب با استفاده از آزمون RTFOT و PAV انجام گرفت. روش استاندارد پیرشدگی 163 درجه سانتی‌گراد و 75 دقیقه برای RTFOT و روش استاندارد 100 درجه سانتی‌گراد، 2/1 MPa و 20 ساعت برای PAV مورداستفاده قرار گرفت و پس‌ازآن بایندر پیر شده به‌منظور اندازه‌گیری تغییرات خواص رئولوژیکی تحت آنالیز مکانیکی پویا قرار گرفت.


برای مشاهده اولین مطلب برروی لینک زیر کلیک کنید:

خواص مهندسی مخلوط‌های SMA حاوی پلیمر و RGP-بخش اول

Share

خواص مهندسی مخلوط‌های SMA حاوی پلیمر و RGP-بخش اول

مقدمه

مواد قیری پالایش‌شده برای چندین دهه است که به‌طور موفقیت‌آمیزی در بسیاری از بزرگراه‌ها و باند فرودگاه‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند. در سال‌های اخیر، افزایش تعداد بارهای ترافیکی و وزن کشنده‌های سنگین و افزایش فشار تایر خودروها باعث افزایش خسارات وارده بر آسفالت و روسازی‌ها شده است. درنتیجه، به موادی با خواص بهتر برای کاهش مشکلات آسفالت نیاز داریم. اصلاح پلیمری توانایی غلبه بر ضعف‌های قیر و بهبود عملکرد مخلوط آسفالت را دارد. افزودنی‌های اصلاح‌کننده مختلف وجود دارند که در حال حاضر در زمینه اصلاح قیر کاربرد دارند. این اصلاح‌کننده‌ها شامل خرده تایرها (CR)، استایرن بوتادین استایرن (SBS) و استایرن بوتادین رابر (SBR) هستند (Ahmadzade،Tigdemir و 2007Kalyoncuoglu). خرده تایرها (CR) که از تایرهای ضایعاتی به دست می‌آیند برای چهار دهه است که به‌طور گسترده در ساخت‌وسازهای صنعتی و به‌خصوص در صنعت آسفالت به‌کاربرده می‌شوند (Xiao و 2009Amirkhanian). به‌طور مثال خرده تایرها (CR) می‌تواند به‌عنوان اصلاح‌کننده قیر برای کاهش هزینه‌های ساخت و هم‌چنین کاهش مصرف انرژی مورداستفاده قرار گیرد. هم‌چنین این روش باعث کاهش آلودگی‌های زیست‌محیطی به علت بازیافت و استفاده از لاستیک‌های ضایعاتی می‌شود. علاوه بر این، ترکیب خرده تایر (CR) و قیر می‌تواند باعث افزایش عملکرد و خواص مهندسی مخلوط آسفالت شود (Chiu و 2007Lu). به دلیل تمامی موارد ذکرشده در بالا، امروزه اصلاح قیر با استفاده از خرده تایر (CR)، یک روش معمول در ساخت‌وسازهای صنعتی است. به‌هرحال، استفاده از ترکیب کردن خرده تایر و دیگر مواد بازیافتی با قیر برای افزایش کارایی قیر اصلاح‌شده و مخلوط آسفالت در نظر گرفته می‌شود.

استایرن بوتادین استایرن (SBS) یک گروه از الاستومرها ست که خواص الاستیک قیر را بهبود داده و احتمالاً بهترین پلیمر موجود برای اصلاح قیر است. اگرچه با استفاده از آن انعطاف‌پذیری قیر در دمایی پایین افزایش می‌یابد، اما برخی از محققین به کاهش مقاومت قیر در برابر نفوذ در دماهای بالا، هنگام استفاده از این پلیمر اشاره‌کرده‌اند (Gorkem و 2009Sengoz). علاوه بر آن به نظر می‌رسد که مخلوط آسفالت اصلاح‌شده با استفاده از پلیمر بیش‌ترین پتانسیل را برای کاربرد موفقیت‌آمیز در طراحی آسفالت‌های انعطاف‌پذیر دارد. این مزایا باعث افزایش طول عمر مفید و کاهش ضخامت لایه‌های آسفالت و به‌تبع آن کاهش هزینه‌های ساخت و نگهداری آسفالت می‌شود (Al-Hadidy و 2009Tan).


برای مشاهده ادامه مطالب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

خواص مهندسی مخلوط‌های SMA حاوی پلیمر و RGP-بخش دوم


برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: 

خواص مهندسی مخلوط‌های SMA حاوی پلیمر و RGP

خواص قیر اصلاحی تولیدشده از وکیوم باتوم به‌وسیله افزودن پلیمرهای ضایعاتی بازیافتی و قیر طبیعی-بخش اول

Share

خواص قیر اصلاحی تولیدشده از وکیوم باتوم به‌وسیله افزودن پلیمرهای ضایعاتی بازیافتی و قیر طبیعی-بخش اول

مقدمه

وکیوم باتوم (VB) سنگین‌ترین بخش نفت خام بوده که در قسمت پایینی ستون تقطیر در خلأ پالایشگاه‌های نفت باقیمانده و ماده اصلی برای تولید قیر است. بسته به منبع نفت خام و فرآیند پالایش، ترکیب‌بندی وکیوم باتوم گسترده متنوعی داشته و این ترکیب‌بندی اثر مهمی بر خصوصیات مکانیکی و ریزساختارهای قیر دارد. شایع‌ترین روش جداسازی، تقسیم‌بندی ترکیب‌بندی قیر به چهار گروه اصلی شامل اشباع‌ها، آروماتیک‌ها، رزین‌ها (که بخش مالتن را تشکیل می‌دهند) و آسفالتن ها است. این چهار گروه را به ترتیب و به‌اختصار SARAs می‌نامند. هریک از اجزاء SARAs یک مخلوط پیچیده بوده که آروماتیسیته، محتوای هتر اتم و وزن مولکولی آن‌ها به ترتیب زیر افزایش می‌یابد:

S<A<R<As

در برخی از پالایشگاه‌ها که نفت خام سنگین مورداستفاده قرارگرفته و فشار و درجه حرارت در ستون تقطیر در خلأ کنترل می‌شود، قیر می‌تواند به‌طور مستقیم و به‌صورت قیر نفوذی مناسب برای آسفالت به دست آید. نفوذپذیری وکیوم باتوم تولیدشده در پالایشگاه‌های ایران در دمای 25 درجه سانتی‌گراد بیش از 300dmm  بوده و η آن بیش از 600Cs  است که آن را برای کاربرد در آسفالت نامناسب می‌سازد (به‌جز پالایشگاه شیراز که به‌طور مستقیم قیر گرید 60/70 را تولید می‌کند). دمیدن هوای گرم به وکیوم باتوم یک فرآیند گسترده برای به دست آوردن قیر نفوذی است.

متأسفانه به علت افزایش بار ترافیک، قیر بکر و دست‌نخورده تولیدشده در پالایشگاه‌ها (به‌صورت مستقیم و یا با دمیدن هوا) توانایی مقاومت در برابر فشار مکانیکی دینامیک ترافیک را ندارد. درنتیجه منجر به ایجاد تغییر شکل دائمی (شیار شدگی) تحت بارگذاری طولانی‌مدت در دماهای بالا، خستگی و ترک‌خوردگی تحت بارگذاری طولانی‌مدت در دماهای حد واسط و پایین ناشی از تنش گرمایی، پیرشدگی و … در آسفالت می‌شود.

به دلیل این ضعف‌های ذاتی قیر، مطالعات زیادی در جهت اصلاح قیر به‌وسیله افزودنی‌های مختلف انجام‌گرفته است. درنتیجه صنعت اصلاح قیر و بهبود خصوصیات آن گسترش‌یافته است. اکثر این پژوهش‌ها بر روی اصلاح پلیمری تمرکز کرده‌اند؛ زیرا افزودن پلیمرها به قیر بهبود در درجه عملکرد (افزایش نقطه نرمی، کاهش نفوذپذیری و نقطه شکست فراس) را نشان می‌داد. آسفالت‌های ساخته‌شده با استفاده از این قیرهای اصلاح‌شده پلیمری مقاومت بیش‌تری در برابر شیار شدگی و شکست حرارتی، کاهش آسیب خستگی و حساسیت دمایی کم‌تر را از خود نشان می‌دهد.

در بسیاری از این مطالعات از پلیمرهای دست‌نخورده و مصرف نشده مانند پلی‌اتیلن (PE)، اتیلن ونیل استات (EVA)، استایرن بوتادین استایرن (SBS) و استایرن بوتادین رابر (SBR) استفاده‌شده است. استفاده از این پلیمرهای بکر منجر به افزایش هزینه‌های تولید می‌شود. در همین حال، پلیمرهای ضایعاتی فراوانی از فرآیندهای صنعت پتروشیمی و کالای ضایعاتی مصرف‌شده مانند تایرهای مستعمل، قطعات پلی‌اتیلن ساخته‌شده، دستکش‌های لاتکس مصرف‌شده و غیره وجود دارد که از عوامل ایجادکننده معضلات زیست‌محیطی است. این‌گونه مواد ارزان، قیمت بوده و برای اصلاح قیر مناسب می‌باشند.

هرساله نزدیک به 200000 تن تایر و 5000 تن دستکش لاتکس در ایران مورداستفاده قرارگرفته و برنامه ملی برای بازیافت و یا استفاده مجدد از آن‌ها وجود ندارد. همچنین استفاده دوباره از این مواد ثانویه به‌جای مواد اولیه و بکر به کاهش دفن زباله‌ها، کاهش نیاز به استخراج، حفظ محیط‌زیست و به حداقل رساندن مصرف منابع اصلی کمک می‌کند. اثرات خرده تایرهای اصلاح‌کننده (CRM) در چندین پژوهش موردبررسی قرارگرفته است. افزودن خرده تایرهای بازیافتی در مخلوط آسفالت با استفاده از روش خشک می‌تواند خصوصیات مهندسی مخلوط آسفالت را بهبود بخشیده و تأثیر چشمگیری در عملکرد مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی در دماهای بالا و شکستگی در درجه حرارت‌های پایین داشته باشد.

قیر طبیعی یک ماده طبیعتاً سیاه‌رنگ است. تبخیر ترکیبات آلی فرار و مقدار زیاد آسفالتن موجود در آن، این ماده را سخت و شکننده کرده و می‌توان از آن به‌عنوان یک سخت‌کننده برای افزایش نقطه نرمی قیر نفتی استفاده کرد. منابع قابل‌دسترس قیر طبیعی در چندین ناحیه از ایران مانند کرمانشاه، بهبهان، مغان و … وجود دارد. از این منابع طبیعی به‌عنوان سوخت در کوره‌ها استفاده‌شده و یا صادر می‌گردد.

از قیر طبیعی می‌توان به‌عنوان یک افزودنی مطلوب برای قیر استفاده کرد. پلیمرهای مختلفی برای بهبود شکل‌پذیری قیر اصلاح‌شده استفاده می‌شود. لاتکس استایرن بوتادین رابر (SBR) به‌صورت یک پلیمر بکر و دست‌نخورده به‌طور موفقیت‌آمیزی برای اصلاح قیر مورداستفاده قرارگرفته است. لاتکس یک لاستیک طبیعی است که در اصل از درختان وحشی در جنگل‌های برزیل به‌دست‌آمده که در مواد الاستیک مختلف مانند دستکش لاتکس و تایر کاربرد دارد.

بنابراین، دستکش‌های لاتکس ممکن است یک ماده بازیافتی مفید به‌منظور افزایش شکل‌پذیری قیر اصلاح‌شده باشد. ازاین‌رو، هدف پژوهش ما بررسی امکان به دست آوردن قیر اصلاح‌شده نفوذی به‌طور مستقیم از وکیوم باتوم با استفاده از افزودن پلیمرهای بازیافتی و قیر طبیعی است. در این مقاله برخی از خصوصیات مکانیکی قیر اصلاح‌شده حاصله نیز ارائه‌شده است. به‌منظور تبیین این مشخصات، نقطه نرمی، نفوذپذیری، شکل‌پذیری و نقطه شکست فراس ترکیبات موردبررسی قرارگرفته است. هم‌چنین، مورفولوژی قیر اصلاح‌شده حاصله که نمادی از حالت پراکندگی اصلاح‌کننده در ماتریکس قیری بوده و یک عامل مؤثر بر کارایی و خواص مهندسی قیر اصلاح‌شده است، موردمطالعه قرارگرفته است.

طبق اطلاعات عمومی ما، در مطالعات انجام‌گرفته پیشین، اغلب از خود قیر برای اصلاح استفاده‌شده است و محققین اندکی بر روی وکیوم باتوم متمرکزشده‌اند. در این پژوهش، برای اولین بار از ضایعات پلیمرهای مصرف‌شده و قیر طبیعی برای به دست آوردن قیر نفوذی اصلاح‌شده به‌طور مستقیم از وکیوم باتوم (VB) استفاده‌شده است.


برای مشاهده ادامه مطالب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

خواص قیر اصلاحی تولیدشده از وکیوم باتوم به‌وسیله افزودن پلیمرهای ضایعاتی بازیافتی و قیر طبیعی-بخش دوم


برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: 

خواص قیر اصلاحی تولیدشده از وکیوم باتوم به‌وسیله افزودن پلیمرهای ضایعاتی بازیافتی و قیر طبیعی

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش نهم

Share

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش نهم

استفاده از آنتی اکسیدان ها در قیرهای اصلاح شده پلیمری

همان‌طور که پیش‌ازاین به آن اشاره شد، برخی از قیرهای اصلاح‌شده پلیمری (PMB) به اکسیداسیون حساس هستند. ازجمله این قیرهای اصلاح‌شده پلیمری می‌توان به قیر اصلاح‌شده با پلیمر استایرن بوتادین استایرن (SBS) اشاره کرد. در این‌گونه موارد، استفاده از آنتی‌اکسیدان‌ها می‌تواند در به تأخیر انداختن اکسیداسیون قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) مثمر ثمر باشد.

اکسیداسیون چیست؟

همانند بسیاری از مواد آلی، قیر وقتی در تماس با اکسیژن اتمسفر قرار می گیرد به آهستگی اکسید می شود. گروه های قطبی محتوی اکسیژن تشکیل می شوند و اینها تمایل به اجتماع در مایسل های با وزن مایسلی بالاتر دارند، درنتیجه ویسکوزیته قیر افزایش می یابد. گروه های قطبی هیدروکسیل، کربونیل و کربوکسیل تشکیل می شوند و منجر به مولکول‌های پیچیده تر و بزرگتر می شوند که قیر را سخت تر می کنند و انعطاف پذیری آن را کاهش می دهند. مقدار اکسیداسیون به شدت به دما، زمان و ضخامت لایه قیر بستگی دارد. در دمای بالای صد درجه سانتی گراد به ازای هر ده درجه افزایش دما سرعت اکسیداسیون دو برابر می شود. سخت شدگی به دلیل اکسیداسیون برای مدت زمان طولانی است که به عنوان عامل اصلی پیرشدگی قیر در نظر گرفته شده به طوری که عوامل دیگر کمتر در نظر گرفته شده است. به هرحال نشان داده شده است که اگرچه سایر فاکتورها اهمیت کمتری از اکسیداسیون دارند ولی قابل اندازه گیری می باشند.

آنتی‌اکسیدان‌های مختلی شامل، فنول مانع کننده، فسفیت ها و ترکیبات روی آلی در آزمایشگاه به قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) اضافه‌شده است. عقیده دانشمندان در افزودن آنتی‌اکسیدان برای جلوگیری از اکسیداسیون قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) در مهار رادیکال‌های آزاد و یا تجزیه هیدروکسیدهایی تولیدشده در طول فرآیند اکسیداسیون است. این واسطه‌ها بسیار واکنش‌پذیر بوده و مشارکت زیادی در فرآیند اکسیداسیون دارند. با استفاده از کنترل آن‌ها در آزمایشگاه، ثابت شد که آنتی‌اکسیدان‌ها باعث به تأخیر انداختن اکسیداسیون قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) می‌شوند. اما شرایط واقعی سرویس در جاده‌ها با شرایط آزمایشگاهی کاملاً متفاوت است. درنتیجه آنتی‌اکسیدان‌ها ممکن است با مسائل و مشکلات بیش‌تری در شرایط واقعی سرویس مواجه شوند.

ازجمله این مشکلات می‌توان به عدم تحرک کافی آن‌ها در ویسکوزیته متوسط طی دمای سرویس اشاره کرد. متأسفانه نویسنده این مقاله گزارش‌های دیگری درزمینه آزمون آنتی‌اکسیدان‌ها در قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) یافت نکرده است. علاوه بر این، هزینه بالای افزودن و استفاده از آنتی‌اکسیدان‌ها نیز یک عامل محدودکننده در به‌کارگیری آن‌ها برای به تأخیر انداختن و غلبه بر فرآیند اکسیداسیون در قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) است.

 


برای مشاهده ادامه مطالب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: 

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش دهم


برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: 

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش ششم

Share

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش ششم

الاستومرهای ترموپلاستیک (گرمانرم)

الاستومرهای ترموپلاستیک معمولاً نسبت به پلاستومر ها برای اصلاح پلیمری قیر مؤثرتر هستند. رایج‌ترین الاستومرهای ترموپلاستیک که به‌عنوان اصلاح‌کننده قیر کاربرد دارند، کوپلیمرهای استایرن بوتادین استایرن (SBS) و استایرن ایزوپرن استایرن (SIS) هستند. با توجه به ساختار شیمیایی مشابه آن‌ها، در این مقاله در مورد کوپلیمر استایرن بوتادین استایرن (SBS) به‌عنوان نمونه‌ای از الاستومرهای ترموپلاستیک بحث خواهد شد. کوپلیمر استایرن بوتادین استایرن (SBS) از زنجیره سه بلوکی استایرن-بوتادین-استایرن با یک مورفولوژی دوفازی شامل دامنه پلی استایرن (PS) سفت و محکم (فاز پراکنده) در ماتریکس پلی بوتادین (PB) انعطاف‌پذیر (فاز پیوسته) تشکیل‌شده است (مشاهده شکل شماره A6). دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) بلوک‌های پلی استایرن در حدود 95 درجه سانتی گراد و دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) بلوک‌های پلی بوتادین در حدود 80- درجه سانتی گراد است. تحت دمای معمول سرویس آسفالت قیری، بلوک‌های پلی استایرن شیشه‌ای شده و به استحکام استایرن بوتادین استایرن (SBS) در هنگامی‌که بلوک‌های پلی بوتادین انعطاف‌پذیر هستند کمک می‌کند. علاوه بر این، ناسازگاری بین کوپلیمرهای پلی استایرن و پلی بوتادین ممکن است منجر به ایجاد اتصالات عرضی فیزیکی بلوک‌های پلی استایرن در درجه حرارت محیط شود. این تجمع بلوک‌های پلی استایرن در درجه حرارت بالا و هنگامی‌که انرژی جنبشی ترمودینامیک مولکولی نسبت به انرژی نیروهای بین‌مولکولی بزرگ‌تر شود، از بین می‌رود.

به‌هرحال، همان‌طور که در شکل شماره 6 نشان داده‌شده، اتصالات عرضی فیزیکی در میان بلوک‌های پلی استایرن ممکن است دوباره تشکیل‌شده و الاستیسیته استایرن بوتادین استایرن (SBS) می‌تواند بعد از خنک شدن ترمیم شود که این خاصیت برای استایرن بوتادین استایرن برای آنکه یک اصلاح‌کننده قیر محبوب و کاربردی باشد بسیار مهم است.

الاستومرهای ترموپلاستیک

شکل 6   ساختار استایرن بوتادین استایرن (SBS) و تصویر شماتیک اتصالات عرضی برگشت‌پذیر در آن‌ها

پس از اضافه شدن کوپلیمر استایرن بوتادین استایرن (SBS) به قیر، برخی از واکنش‌های بین قیر و SBS رخ می‌دهد. Masson و همکاران گزارش کردند که واکنش بین‌مولکولی، بین قیر و بلوک‌های پلی بوتادین (PB) نسبت به واکنش‌های بین‌مولکولی، بین قیر و بلوک‌های پلی استایرن (PS) قوی‌تر است. آن‌ها بر این باور بودند که بلوک‌های پلی بوتادین (PB) با گروه‌ها با بار مثبت در قیر از طریق الکترون‌هایπشان تعامل برقرار می‌کند، درحالی‌که بلوک‌های پلی استایرن با گروه‌های غنی از الکترون در قیر از طریق پروتون‌های آروماتیک شان تعامل برقرار می‌کند. در هنگام اختلاط با قیر، بلوک‌های پلی استایرن در کوپلیمر استایرن بوتادین استایرن (SBS) جذب برخی از شاخه‌های اشباع و چند حلقه در ترکیبات سبک قیر شده که منجر به تورم بلوک‌های پلی استایرن و سختی قیر می‌شود. هنگامی‌که مقدار پلیمر کم باشد، استایرن بوتادین استایرن (SBS) به‌عنوان یک‌فاز مجزا در قیر پراکنده می‌شود. در صورت افزایش غلظت استایرن بوتادین استایرن (SBS)، وارونگی فازی در قیر اصلاح‌شده آغاز می‌شود. فرآیند وارونگی فازی در قیر اصلاح‌شده با SBS با استفاده از تصاویر فلورسنت در شکل شماره 7 ارائه‌شده است.

فرآیند ایدئال تشکیل دو فاز پیوسته درهم‌تنیده شامل فاز غنی از قیر و فاز غنی از استایرن بوتادین استایرن (SBS) است. در داخل فاز غنی از SBS، دو زیر فاز وجود دارد که شامل ماتریکس متورم پلی بوتادین (PB) و دامنه‌های پلی استایرن (PS) خالص است. از زمانی که فاز غنی از SBS تشکیل می‌شود، یک شبکه حامی لاستیکی درون قیر اصلاح‌شده به وجود می‌آید که نتیجه آن به‌صورت افزایش مدول ترکیب و ویسکوزیته قیر، بهبود پاسخ الاستیک و ارتقاء مقاومت در برابر شکستگی در دمای پایین قیر اصلاح‌شده با SBS نمایان می‌شود.

الاستومرهای ترموپلاستیک

شکل 7   تصاویر فلورسنت قیر اصلاح‌شده با SBS در مقادیر مختلف از آن (برحسب درصد وزنی)

خواص بسیار عالی که به‌صورت مکرر گزارش‌شده است و هم‌چنین پراکندگی نسبتاً مناسب (و یا حلالیت مناسب) در قیر و هزینه قابل‌قبول، استایرن بوتادین استایرن (SBS) را به‌عنوان یک اصلاح‌کننده مناسب و محبوب برای قیر مطرح کرده است. به‌هرحال، کوپلیمر استایرن بوتادین استایرن (SBS)، به‌طور کامل بی‌عیب و نقص نیست. به‌طور مثال، سازگاری بین قیر و کوپلیمر SBS خیلی خوب نیست. پایداری ذخیره‌سازی قیر اصلاح‌شده با SBS در شکل شماره 8 نشان داده‌شده است.

 Airey ادعا کرد که الاستومرهای ترموپلاستیک و آسفالتن ها در جذب ترکیبات سبک قیر در پیوندهای قیر-استایرن بوتادین استایرن باهم رقابت می‌کنند. درصورتی‌که مقدار این ترکیبات سبک ناکافی باشد، احتمال بروز جدایش فازی در قیر اصلاح‌شده وجود دارد. باید توجه داشت که قیر با مقدار آروماتیک زیاد می‌تواند در تولید قیر اصلاح‌شده با SBS پایدار و سازگار، مفید باشد. افزودن روغن‌های آروماتیک می‌تواند سازگاری بین SBS و برخی از قیرها حاوی مقدار آروماتیک کم را بهبود بخشد. وجود مقدار آروماتیک بیش‌ازحد بالا در اصلاح قیر ممکن است منجر به تورم و Anti-plasticizasion برخی از بلوک‌های پلی استایرن (PS) شود که این امر برای خواص نهایی قیر اصلاح‌شده مناسب نیست.

الاستومرهای ترموپلاستیک

شکل 8   توسعه مورفولوژی بازمان ذخیره‌سازی قیر اصلاح‌شده با SBS در 160 درجه سانتی گراد


برای مشاهده ادامه مطالب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش هفتم


برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: 

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش سوم

Share

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش سوم

دورنمای تاریخی

اصلاح پلیمری سابقه تاریخی طولانی‌مدتی دارد. قبل از تولید قیر پالایش‌شده، انسان‌ها شروع به اصلاح قیر طبیعی کرده و برخی از ایده‌ها در جهت به‌کارگیری لاستیک طبیعی اصلاح‌کننده ارائه شد. به‌هرحال، پلیمرهای مصنوعی تا بعد از پایان جنگ جهانی دوم به‌طور گسترده مورداستفاده قرار نگرفت. یکی از نخستین مثال‌های شناخته‌شده، لاتکس نئوپرن بوده که برای اصلاح قیر در آمریکای شمالی از سال 1950 میلادی به‌طور فزاینده‌ای مورداستفاده قرار گرفت.

پلاستومرها تاریخچه قدیمی‌تری از ترکیب مصنوعی نسبت به الاستومرهای ترموپلاستیک دارند. تولید تجاری اغلب پلاستومرهایی که در حال حاضر مرسوم می‌باشند، قبل از سال 1960 میلادی شروع‌شده است. نخستین محصول تجاری قابل‌قبول الاستومرهای ترموپلاستیک، استایرن بوتادین استایرن (SBS) بوده که در ایالات‌متحده آمریکا از سال 1965 میلادی به بعد توسعه‌یافته است. نخستین محصول اشباع با هیدروژنه، استایرن-اتیلن/بوتیلن-استایرن (SEBS) بوده که تولید آن در سال 1972 میلادی اعلام‌شده است. در سال‌های اخیر این پلیمرهای اقتصادی به‌طور عمده در صنایع بسته‌بندی، تایرسازی، تولید کفش و یا صنایع چسب سازی مورداستفاده قرارگرفته است.

قیر پلیمری اصلاح‌شده نخستین بار در صنعت عایق‌کاری پشت‌بام و سپس در قسمت ساخت آسفالت و روسازی مورداستفاده قرار گرفت. در سال 1965 میلادی، آتاکتیک پلی‌پروپیلن (APP) که یک محصول فرعی از تولید ایزو تاکتیک پلی‌پروپیلن (IPP) می‌باشد، نخستین بار برای اصلاح قیر جهت عایق‌کاری پشت‌بام در ایتالیا مورداستفاده قرار گرفت. نخستین محصول تجاری آن در سال 1967 میلادی به بازار عرضه گردید. به‌هرحال از استایرن بوتادین استایرن (SBS) به‌طور گسترده در اروپا تا اوایل سال 1970 میلادی استفاده نشد. همان‌طور که در ایالات‌متحده آمریکا نیز، شروع به‌کارگیری آن از سال 1978 میلادی بوده است. در این سال آمریکایی‌ها به‌طور گسترده از قیر اصلاح‌شده در عایق‌کاری پشت‌بام‌ها استفاده کردند. در حدود سال 1980 میلادی تولید نخستین قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) در آمریکا آغاز شد.

قیر اصلاح‌شده پلیمری دارای حوزه وسیع و گسترده‌ای است. اولین ایده در این زمینه مربوط به  ساخت ترکیب قیری با استفاده از قیر پایه و ایزوبوتیلن بوده که در اوایل سال 1940 میلادی ارائه‌شده است. بعدازآن، به‌خصوص پس از معرفی استایرن بوتادین استایرن (SBS) به‌عنوان یک اصلاح‌کننده قیر، تعداد زیادی از این قبیل ایده‌ها در سراسر جهان به‌کاررفته شد. با توجه به بحران نفتی از سال 1973 تا 1979 میلادی و از حدود چهل سال پیش، تلاش در جهت به‌کارگیری قیر اصلاح‌شده پلیمری برای ساخت جاده‌ها شروع به افزایش کرد. در طول سال 1970 میلادی، دانشمندان ثابت کردند که افزودن پلیمرها، شامل پلاستومرها و الاستومرهای ترموپلاستیک، می‌توانند برخی خصوصیات آسفالت‌های قیری، مانند کاهش حساسیت دمایی و افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل دائمی را بهبود بخشند. در سال 1978 میلادی، Chaffin و همکاران، اشکال در توانایی پایداری ذخیره‌سازی قیر اصلاح‌شده با الاستومرها را گزارش کردند.

در طول سال 1980 میلادی، تحقیقات بر روی قیر اصلاح‌شده پلیمری به علت افزایش تقاضا برای به‌کارگیری لایه‌های نازک جهت ساخت آسفالت متمرکز شد. به‌طور مثال در سال 1980 میلادی، تحقیقاتی توسط Piazza و همکاران انجام گرفت که به ترتیب ویژگی‌های قیر اصلاح‌شده با پلاستومر ها و الاستومرهای ترموپلاستیک را شرح دادند. در سال 1982 میلادی، Kraus مورفولوژی قیر اصلاح‌شده با الاستومر را مطالعه کرده و گزارشی از تورم پلیمرها در قیر ارائه کرد. در سال 1983 میلادی، یک نوع بایندر که شامل پلی‌اتیلن (PE) اصلاح‌کننده قیر بود توسط Denning و همکاران گزارش شد. این بایندر منجر به بروز مشکل جدایش فازی و افزایش دمای تولید و فشرده‌سازی می‌شد. در طول چند سال بعد، تحقیقات بیش‌تر در مورد پلی‌اتیلن (PE) اصلاح‌کننده قیر منتشر شد. Bowering، ضرورت اصلاح قیر با پلیمر را در سال 1984 بازنگری کرد و ادعا نمود که هزینه نسبتاً بالای قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) را می‌توان باصرفه جویی هزینه‌ای ناشی از کاهش ضخامت لایه‌ها و افزایش طول عمر آسفالت ساخته‌شده با PMB جبران نمود. در سال 1987 میلادی، کنگره آمریکا برنامه تحقیقاتی بزرگراه‌های استراتژیک (SHRP) را تصویب کرد و شهرت قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) را با گسترش مشخصات مبتنی بر عملکرد برای قیرهای مرسوم و قیر اصلاح‌شده با تأکید بر رئولوژی را ترویج نمود. در سال 1989 میلادی، Resse و همکاران مقاومت خوب قیر اصلاح‌شده پلیمری در برابر پیرشدگی و شکستگی را بعد از دو سال تحقیقات میدانی در کالیفرنیا گزارش کردند. اگرچه آن‌ها اشاره کردند که ارزیابی بیش‌تر برای اثبات قطعی موفقیت‌آمیز بودن این اصلاحات موردنیاز است.

در اوایل سال 1990 میلادی، افزایش علاقه در پژوهشگرانی که بر روی اصلاح پلیمری قیر فعالیت می‌کردند در بیش‌تر کشورها مشاهده شد. دانشمندان به‌صورت سامانمند خصوصیات مکانیکی، رئولوژیکی، حساسیت دمایی، مورفولوژی، رفتار حرارتی، پایداری ذخیره‌سازی و پیرشدگی قیرهای اصلاح‌شده پلیمری مختلفی را موردبررسی قراردادند. مزایا و معایب قیرهای اصلاح‌شده پلیمری (PMBs) که به‌طور گسترده مورداستفاده قرارگرفته بود به‌تدریج پیدا شدند. ازیک‌طرف، به این نتیجه رسیدند که نتیجه اصلاح پلیمری با استفاده از استایرن بوتادین استایرن (SBS) اصلاح‌کننده قیر در بهبود برخی از خصوصیات قیر است. ازجمله بهبود خاصیت کشسانی الاستیک، افزایش مقاومت در برابر شکست در دمای پایین و افزایش مقاومت در برابر شیار شدگی در دماهای بالا . از طرفی دیگر، برخی از اشکالات مانند حساسیت دمایی برخی پلیمرهای اصلاح‌کننده و مشکل جدایش فازی برخی از قیرهای اصلاح‌شده پلیمری به اثبات رسید. در ژوئن 1998 میلادی، سمپوزیوم بین‌المللی انجمن جهانی جاده (PIARC) یک بازنگری از وضعیت موجود در آن زمان انجام داده که گزارش آن در سال 1999 میلادی منتشر شد. علاوه بر این، تلاش در جهت حذف اشکالات قیرهای اصلاح‌شده پلیمری از سال 1990 میلادی آغاز شد. در سال 1996 میلادی، Giavarini و همکاران اثبات کردند که پلی‌پروپیلن (PP) اصلاح‌کننده قیر می‌تواند به‌وسیله افزودن پلی فسفریک اسید (PPA) پایدار می شود.  سپس به این باور رسیدند که PPA می‌تواند در بهبود پایداری ذخیره‌سازی قیر اصلاح‌شده پلیمر به‌وسیله تغییرات در ساختار قیر از حالت sol به gel مؤثر باشد.

بعد از سال 2000 میلادی تحقیقات راجع به قیر اصلاح‌شده پلیمری بر دو زمینه کلی تقسیم‌شده است:

  1. تحقیقات عمیق در مورد مکانیسم اصلاح پلیمری قیر و شکست آن

  2. تلاش در جهت غلبه بر برخی از معایب قیرهای اصلاح‌شده پلیمری

زمینه نخست بیش‌تر بر روی ریزساختارها، تغییر شکل، شکستگی، پیرشدگی و خستگی قیر اصلاح‌شده پلیمری متمرکزشده است. حتی در حال حاضر هم برخی از مباحث دانشگاهی در این زمینه وجود دارد. به‌طور مثال، برخی از دانشمندان بر این باورند که قیر دارای یک ساختار کلوئیدی ناهمگن است. در نتیجه قیر اصلاح‌شده پلیمری همان‌طور که در شکل شماره 1 نشان داده‌شده، باید به‌عنوان یک امولسیون ویسکوالاستیک چند فازی (پلیمرها/آسفالتن ها/مالتن ها) موردبررسی قرار گیرد. درحالی‌که برخی دیگر از دانشمندان ادعا می‌کنند که قیر یک محلول مولکولی پیوسته همگن است. آن ها بر این باورند که بر اساس حلالیت متقابل، پلیمرها تأثیرات خوبی بر قیر اصلاح‌شده پلیمری به‌وسیله حلالیت نسبی‌شان در قیر دارند (مشاهده شکل شماره 2). مثال‌های دیگر این است که برخی از پژوهشگران عقیده دارند که آسفالتن ها ترکیبات به‌شدت قطبی در قیر بوده و قطبیت پلیمرهای اصلاح‌کننده، تأثیر چشم‌گیری در سازگاری آن‌ها با قیر و پایداری ذخیره‌سازی نهایی قیر اصلاح‌شده پلیمری دارد. اما برخی دیگر بر این عقیده هستند که آسفالتن ها ازنظر شیمیایی مولکول‌های غیر قطبی معمولی هستند.

به‌عنوان تلاش‌هایی در جهت غلبه بر این معایب در سال 2000 میلادی، راه‌حل‌های مختلفی برای حذف اشکالات قیر اصلاح‌شده پلیمری (PMB) ارائه شد. این تلاش ها شامل ولکانیزاسیون سولفور، افزودن آنتی‌اکسیدان‌ها، استفاده از رس‌های معدنی آب‌گریز و عامل دار شدن (ازجمله به‌کارگیری پلیمرهای واکنشی) بود. تمامی این راه‌حل‌ها در این مقاله موردبحث و بررسی قرار می گیرد.

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها

شکل 1   تصویر شماتیک از ساختار کلوئیدی قیر و تأثیر پلیمر اصلاح‌کننده. (A) قیر پایه، (B) قیر اصلاح‌شده پلیمری متناظر با افزایش مقدار آسفالتن ها در ماتریکس و (C) میسل های آسفالتن

 

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها

شکل 2   (A) حوزه حلالیت مالتن ها و آسفالتن های جدا شده از قیر ونزوئلا. (B) پارامتر حلالیت Hansen استایرن بوتادین استایرن و قیر ونزوئلا


برای مشاهده ادامه مطالب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید:

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها-بخش چهارم


برای مشاهده اولین مطلب درباره این موضوع برروی لینک زیر کلیک کنید: 

پلیمرهای اصلاح‌کننده قیر، پیشرفت‌ها و چالش‌ها