استفاده از کو پلیمر SBS برای اصلاح خواص قیر

کوپلیمر استیرن بوتادی ان استیرن

استفاده از پلیمرها برای افزایش کارایی قیرهای گرید جاده‌ای از سال 1970 شروع شده است. حساسیت دمایی قیرهای اصلاح شده کمتر است و ویژگی های رئولوژیکی آن ها بهبود یافته است. به طور کلی تقریباً 75 در صد از بایندرهای اصلاح شده در دسته الاستومرها، 15 در صد پلاستیک ها و 10 درصد لاستیک و اصلاح کننده های گوناگون هستند.

در میان مواد الاستومریک بلوک های کوپلیمر استیرن بیشترین پتانسیل را برای اختلاط با قیر از خود نشان داده اند. مثال های دیگر از مواد الاستومریک که به منظور اصلاح خواص قیر استفاده شده است لاستیک طبیعی، پلی کلروپرن و لاستیک استیرن بوتادی ان است.

کوپلیمرهای استیرن معمولاً به عنوان لاستیک ترموپلاستیک دسته بندی می شوند، زیرا آن ها توانایی ترکیب خواص الاستیک و ترموپلاستیک را با هم دارند و می توانند به وسیله پلیمریزاسیون پی در پی استیرن بوتادی ان استیرن تولید شوند. در روش دیگر یک پیش ماده دو بلوکی بوسیله پلیمریزاسیون پی در پی استیرن با مونومر بوتادی ان به همراه واکنش با یک عامل پیوند دهنده بدست می آید. بنابراین علاوه بر پلیمرهای خطی می توان پلیمرهای شاخه دار را هم تولید کرد. بنابر ساختار کوپلیمر SBS  شامل زنجیر سه بلوکی SBS دارای مورفولوژی دو فازی تشکیل شده از بلوک های کروی پلی استیرن در ماتریکس بوتادی ان است.

کوپلیمرهای SBS قدرت و الاستیسیتی خود را از پیوندهای عرضی فیزیکی در شبکه سه بعدی بدست آورده اند. در این کوپلیمر پلی استیرن در ایجاد قدرت و پلی بوتادی ان در ایجاد الاستیسیتی نقش دارد. تأثیر این پیوندها در دمای بالاتر از دمای انتقال شیشه ای پلی استیرن ( 100 درجه سانتی گراد) به سرعت کاهش می یابد و هنگامی که سرد شود مجدد خواص قدرت و الاستیسیته خود را خواهد داشت.

وقتی SBS با قیر مخلوط می شود فاز الاستومریک SBS مالتن ها را جذب می کند و حجمش 9 برابر مقدار اولیه می شود. با مقادیر مناسب از SBS حدود ( 5 تا 7 درصد وزنی ) یک فاز پیوسته از پلیمر داخل قیر اصلاح شده ایجاد می شود و خواص قیر را به شکل عمده اصلاح می کند. از آنجایی که لاستیک های ترموپلاستیک دارای وزن مولکولی مشابه و یا بیشتر از آسفالتن ها هستند آن ها برای حل شدن در مالتن ها رقابت می کنند و اگر مقدار مالتن کافی نباشد قیر دوفاز می شود. دو فاز شدن قیر نشان می دهد که قیر پایه با پلیمر استفاده شده سازگاری ندارد و باید در هنگام اختلاط لاستیک های ترموپلاستیک با قیر دقت داشت. سازگاری SBS  با قیر پایه بوسیله استفاده از روغن های آروماتیک افزایش می یابد. ولی استفاده از مقادیر زیاد روغن باعث تخریب خواص SBS خواهد شد.

قیرهای تهیه شده از نفت خام بدست آمده از منابع مختلف دارای خواص متفاوتی هستند. به این صورت که نقطه نرمی، درجه نفوذ و ترکیبات شیمیایی آن ها یکسان نیست و این به دلیل ماهیت نفت خام استفاده شده است. برای بررسی ترکیب شیمایی قیر چهار ترکیب اصلی یعنی ترکیبات اشباع، آروماتیک ها، رزین ها و آسفالتن ها (SARA)را بررسی می کنند.

برای بررسی سازگاری قیر با پلیمر  (Colloidal Index) به اختصار CI را تعریف کرده اند.

اگرچه عدد دقیقی برای سازگاری یا ناسازگاری قیر با پلیمر نمی توان تعریف کرد ولی به هرحال تفاوت در درصد SARA باعث می شود قیرهای منابع مختلف، متفاوت از یکدیگر باشند و CI آنها متفاوت شده  و در نتیجه سازگاری آن ها با پلیمر یکسان نباشد.

به طور کلی مقدار CI کمتر ( مقدار بیشتر آروماتیک) باعث سازگاری بیشتر قیر و در نتیجه انحلال بهتر SBS در قیر می شود.

واکس و تأثیر آن بر خواص قیر چیست؟

در ابتدا کلمه انگلیسی واکس (wax) در اصل برای موم بکار بده شده است. اکنون کلمه واکس کاربرد کلی تری پیداکرده و برای جامدات واکس مانند، مایعاتی که در طبیعت یافت می شوند به علاوه ترکیباتی که در این مواد یافت می شوند مانند هیدروکربن های دارای خاصیت واکسی استفاده می شود. همچنین مواد سنتزی که در اصل واکس نیست ولی دارای خواص فیزیکی مانند واکس است در این دسته قرار می گیرد. در حقیقت واکس در آب نامحلول بوده، به سختی در الکل حل می شود و اگر گرم شود با نفت مخلوط می گردد.

واکس در صنایع زیادی کاربرد دارد مانند شمع سازی، جلا دهنده ها، مدادهای رنگی شمعی و … . بیشتر واکس مصرفی در جهان از طریق پالایش نفت خام به دست می آید. در اصل واکس یک محصول جانبی است. به عنوان مثال برای تولید روغن های روانکار با کارایی مناسب در دمای پایین واکس را از روغن حذف می کنند.

نفت خام غنی از پارافین برای تهیه قیر مناسب نیست، اما فقدان نفت های خام غنی از آسفالتن باعث استفاده از نفت خام های پارافین نفتنیک (Paraffin Naphthenic) به عنوان مواد پایه برای تولید قیر می شود. به هر حال وجود واکس به عنوان معیاری برای تولید قیر حساب نمی شود. انتخاب مواد پایه برای تولید قیر بر اساس مقدار واکس موجود در مواد سنگین باقی مانده تقطیر انجام می شود؛ و مقدار واکس در قیر نباید بیش از 3 درصد باشد. جداسازی واکس از قیر دارای فرآیندی است که تحت تأثیر چند متغیر قرار دارد که همه متغیرها به خوبی شناخته نشده و به علاوه در حال حاضر تعریف دقیقی برای واکس های مختلف وجود ندارد.

تأثیر منفی واکس بر خواص قیر مربوط می شود به کریستالیزاسیون و خواص ذوب واکس و همچنین واکس های متفاوت تأثیرات متفاوتی بر کارایی قیر دارند.

تاثیر تابش ماوراء بنفش بر کارآیی قیر چیست؟

قیر در محیط به راحتی دچار پیرشدگی می شود. پیرشدگی قیر براثر تابش ماوراء بنفش و دما دو نوع متفاوت از پیرشدگی هستند. پیرشدگی باعث تغییر در کارآیی قیر می شود. تحقیقات نشان داده است که حساسیت قیر به دما و اشعه ماوراء بنفش متفاوت است. و مقدار نفوذ، نقطه نرم شدگی و تست کشش برای قیر پیرشده در اثر اشعه ماوراء بنفش با قیر پیر شده در اثر حرارت تفاوت دارد. و تخریب خواص قیر در دمای پایین مربوط می شود به اثرات اشعه ماوراء بنفش. وجود رزین ها و آروماتیک ها در قیر برای ایجاد خاصیت ضد اشعه مارواء بنفش ضروری است.

به منظور مطالعه تاثیر اشعه ماوراء بنفش بر روی خواص قیر و مقایسه نمونه های پیر شده متفاوت سه نوع قیر از سه منبع متفاوت با درجه نفوذ یکسان و دو نوع بایندر آسفالت اصلاح شده پلیمری مطالعه شده است ، مشخصات پایه آن ها در جدول زیر آمده .

مشخصات شیمی فیزیکی قیرهای پایه

فرآیند پیرشدگی با اشعه ماوراء بنفش

یک آون RTFO برای پیرشدگی حرارتی استفاده شده است. قیر در دمای 73 درجه سانتی گراد به مدت 9 ساعت در معرض تابش اشعه ماوراء بنفش قرار گرفته. مشخصات فیزیکی قیرهای اصلی و پیر شده در جدول زیر آمده است. همان طور که مشاهده می کنید درجه نفوذ و مقدار کشش کاهش یافته، در صورتی که نقطه نرم شدگی افزایش یافته است.

مشخصات فیزیکی قیرهای پیرشده با اشعه ماوراءبنفش و حرارت

رابطه بین پیرشدگی ماوراء بنفش و ترکیبات شیمیایی قیر

برای بررسی تغییرات فیزیکی و رئولوژیکی قیر بر اثر اشعه ماوراء بنفش ترکیبات شیمایی سه نوع قیر پایه بررسی شد‌ه است.

پیرشدگی یک سری از واکنش های مرتبط پیچیده و دوطرفه بین ترکیبات قیر است . تمایل به انتقال بین ترکیبات قیر به صورت زیر اتفاق می‌افتد: آروماتیک ها به رزین تبدیل می شوند و هم زمان رزین ها به آسفالتن تبدیل می شود. در نتیجه آسفالتن نتیجه واکنش پیرشدگی است. بنابراین با اندازه گیری تغییرات آسفالتن می توان پیرشدگی قیر را بررسی نمود.

ترکیبات شیمایی قیر اصلی و قیر پیرشده

اثر مشتقات نفتی بر آسفالت

انحلال قیر در مشتقات نفتی

انحلال بایندرهای قیر در مشتقات نفتی یکی از دلایل آسیب دیدن آسفالت بکار رفته در باند فرودگاه ها، ایستگاه های سوخت، بسیاری از پارکینگ ها و کارخانه های صنعتی و جاهایی است که امکان نشت سوخت وجود دارد.

واضح است که کارایی مکانیکی و مقاومت و حالت خرابی قیر کف خیابان ها به شدت به ترکیب شیمایی و منبع قیر استفاده شده بستگی دارد. به طور ویژه انحلال قیر در مشتقات نفتی باعث محدود شدن استفاده از این ماده در ساخت آسفالت می شود. در مکان هایی که نشتی مشتقات نفتی زیاد اتفاق می افتد و یا آسفالت به مدت طولانی با مشتقات تماس دارد باعث از بین رفتن چسبندگی بین قیر و ذرات معدنی می شود و درنتیجه روکش آسفالت دچار آسیب دیدگی سطحی و یا عمقی می گردد.

روش هایی قدیمی مورداستفاده برای مقابله با این مشکل:

روشی که در گذشته در فرودگاه ها برای مقابله با این مشکل استفاده می کردند استفاده از پوشش های بتنی مقاوم در برابر مشتقات نفتی بود. به هرحال حتی در فرودگاه استفاده از بتن بجای آسفالت بخاطر داشتن هزینه زیاد به صرفه نیست.

رزین قطران زغال سنگ ماده دیگری بود که استفاده شد ولی استفاده از این رزین هم بخاطر آسیب رساندن به سلامت و محیط زیست محدود شد؛ بنابراین انتخاب یا جایگزینی مواد مناسب و سازگار با محیط زیست بسیار موردتوجه است.

روش دیگری که برای رهایی از انحلال آسفالت در مشتقات نفتی استفاده شده ایجاد یک لایه محافظ از جنس پلیمر یا رزین بر روی سطح مورد نظر است که این لایه در برابر انحلال مقاوم باشد. این روش نیز دارای معایبی ازجمله هزینه مواد زیاد است و به علاوه سطح بعد از مدتی در اثر شرایط آب و هوایی و همچنین آسیب دیدن خواص خود را از دست می دهد.

امروزه به اصلاح خواص قیر با استفاده از مواد پلیمری روی آورده اند. به این صورت که با استفاده از اصلاح کننده مناسب خواص قیر را بهبود می بخشند و انحلال آن را در مشتقات نفتی کاهش میدهند.