مواد تشکیل دهنده قیر
ترکیبات مختلف قیر تا کنون به خوبی شناخته نشده اند ولی عمده این ترکیبات که بوسیله حلال های مختلف از قیر جدا گردیده، عبارتند از مواد آسفالتین، رزین و روغنهای سنگین که گاهی با مقدار کمی مواد معدنی همراه بوده و در محیط کلوئیدی روغنی مجاور یکدیگر قرار گرفته اند. خاصیت قابلیت انعطاف و چسبندگی قیر به رزین مربوط می باشد از طرفی هر چه آسفالتین زیادتر باشد قیر سخت تر است ولی با ازدیاد روغن قیر نرمتر می گردد. با حرارت دادن قیر مواد روغنی تبدیل به رزین و همچنین رزین ها تبدیل به آسفالتین شده و در حرارت بیش از حد قیر تبدیل به ذغال و بخار آب می گردد.
آسفالتن
آسفالتن ماده جامد شکننده ای است که در هپتان نرمال نامحلول و به رنگ سیاه تا قهوه ای می باشد. علاوه بر کربن و هیدروژن، مقداری نیتروژن، گوگرد و اکسیژن دارد. آسفالتن معمولا ترکیبی بسیار قطبی محسوب می شود و شامل مواد آروماتیکی پیچیده با وزن ملکولی بسیار زیاد است. نقطه ذوب مشخصی ندارد و زمانیکه حرارت داده می شود ابتدا متورم و سپس تجزیه و سرانجام مواد کربنی زیادی به جا می گذارد. آسفالتن بین 5 تا 25 درصد قیر را تشکیل می دهد. هر چه مقدار آسفالتن در قیر بیشتر باشد، قیر سخت تر و نفوذپذیری کمتری خواهد داشت، علاوه بر اینکه نقطه نرمی بیشتر و سرانجام گرانروی بالاتری دارد. وزن ملکولی این ماده در یک گستره عریض از 600 تا 300000 است و بستگی به روش جداسازی اعمال شده دارد.
مالتن ها
مالتن ها جزء محلول در حلالهای سبک مانند هپتان نرمال می باشند. مالتن ها در قیر مخلوطی از دو بخش رزین ها و روغن ها هستند و وزن ملکولی اجزاء مالتن در بین 250 تا 1250 گرم بر مول قرار دارد.
رزین ها
رزین ها در هپتان نرمال محلول هستند. قسمت اعظم این ترکیبات مانند آسفالتن از کربن و هیدروژن تشکیل شده و نیز حاوی مقدار کمی اکسیژن، گوگرد و نیتروژن می باشند. این ماده به رنگ قهوه ای تیره جامد و نیمه جامد بوده و بسیار قطبی می باشد. خاصیت ویزه رزین ها در این است که بسیار چسبنده اند. رزین ها مواد ضد انعقاد برای آسفالتن محسوب می شوند و نسبت رزین به آسفالتن ممکن است تا حدی که به قیر حالت سل (Sol) یا ژل (Gel) بدهد.
آروماتیک ها
آروماتیک ها ترکیبات حلقوی با کمترین وزن ملکولی هستند و شامل زنجیرهای جانبی آروماتیکی و یا نفتنیکی هستند و محیط ضد انعقاد بسیار مناسبی برای آسفالتن به شمار می روند. این جزء بین 40 تا 60 درصد کل قیر را تشکیل داده و مایعی ویسکوز ( گرانرو ) به رنگ قهوه ای تیره که میانگین وزن ملکولی آنها بین 300 تا 2000 در نوسان است. آروماتیک ها حاوی زنجیره های کربنی غیر قطبی بوده که در آن ها حلقه های اشباع ارجحیت داشته و توانایی انحلال پذیری زیادی را برای سایر هیدورکربن های سنگین دارد.
ترکیبات اشباع
ترکیبات اشباع از هیدروکربن های آلیفاتیک زنجیری مستقیم و شاخه دار همراه با الکیل نفتن ها و مقداری آلکیل آروماتیک ها تشکیل شده است . این ترکیبات اغلب به شکل روغنهای گرانرو، غیر قطبی بوده و بی رنگ هستند. میانگین وزن ملکولی آن ها عینا شبیه آروماتیکی بوده و اجزاء تشکیل دهنده آن ها شامل مواد مومی و غیر مومی اشباع می باشد. این جزء 5 تا 20 درصد قیر را تشکیل می دهد.
بطور کلی آسفالتن ها اسکلت ساختمانی قیرها را تشکیل میدهند و رزینها در میزان چسبندگی و قابلیت شکل پذیری قیرها موثرند و روغنها بر مسئله روانی قیر اثر می گذارند . اصولا خواص فیزیکی قیر تابعی از ساختمان شیمیایی، کمیت و کیفیت هیدروکربنهای متشکله است.
مشخصات عمومی قیر
قیر ماده ایست که در سالیان دراز تغییر شکل پیدا نکرده و پایدار می ماند. این پایداری مربوط به خواصی است که قیر خالص دارا می باشد به این معنی که هرچه پایه نفتی آن مناسب تر باشد پایدارتر خواهد بود.
مشخصات عمومی قابل توجه قیر عبارتند از:
1- غیر قابل نفوذ بودن در مقابل آب و رطوبت
2- مقاومت در مقابل اسیدها – بازها و نمک ها
3- قابلیت ارتجاع
4- چسبندگی
5- محلول بودن در برخی از حلالها ( بدون از دست دادن خواص خود )
6- عایق بودن در مقابل جریانهای الکتریکی
7- تشکیل دادن فیلم پایدار بروی اجسام مختلف
8- داشتن رنگ ثابت
در بعضی موارد قیر خاصیت اصلی خود را از دست میدهد بطوریکه نمی توان از آن به خوبی استفاده نمود .
این موارد شامل موارد زیر می باشد:
1- تجزیه شدن در حرارت زیاد و تبدیل آن به ذغال توام با اشتعال
2- نداشتن خاصیت چسبندگی در محیط مرطوب و آلوده بخاک نرم
3- تغییر شکل پذیرفتن در مقابل فشار و حلالها [3]
ساختمان شیمیایی قیر
خواص فیزیکی قیر در واقع تابعی است از اجزاء متشکله یا ساختمان شیمیایی آن. شیمی قیر را میتوان در دو سطح ملکولی و بین ملکولی (ریز ساختار) بررسی نمود.
1- سطح ملکولی
قیر مخلوط پیچیده ای از هیدروکربنهای با نقطه جوش بالا می باشد . بطور کلی قیر را میتوان شامل اجزاء آلیفاتیک ها (واکسها)، آروماتیک ها و ملکولهایی که مخلوطی از هر دو می باشند، دانست.
گروه دیگری از ملکولها از واکنشهای نظیر اکسیداسیون و یا غیره در قیر بوجود می آیند. بطور مثال، انواع مشخصی از کربنهای قیری مستعد اکسیداسیون هستند که کربنهای آلیفاتیک کنار یک حلقه آروماتیکی تحت عنوان بنزیل کربن مثال خوبی برای ملکولهای مستعد اکسیداسیون می باشند . این موقعیت ها پس از اکسیداسیون به یک کتون تبدیل شده و در اثر اکسیداسیون بیشتر تبدیل به یک اسید کربوکسیلیک شده و قسمتی از ملکول جدا می شود. اسید کربوکسیلیک موجود در نفت خام یا اسیدی که بدین طریق بدست می آید ممکن است به نمک های سدیم یا کلسیم تبدیل شوند .
گروه مهم دیگری که در پیر شدن قیر مهم می باشند، کینولین ها، ترکیبات سولفوردار می باشند.
مواد دیگری که در قیر یافت می شوند ارگانومتال ها (Organometallic materials) هستند که شامل فلزاتی نظیر وانادیم، نیکل، آهن و غیره می باشند.
2- سطح بین ملکولی
مهمترین عامل در برهمکنش بین ملکولها، قطبیت ملکول ها می باشد. همه هترواتم ها سبب بوجود آمدن ملکولهای قطبی می شوند. همچنین محصولات حاصل از اکسیداسیون نیز همگی قطبی هستند . قطبیت از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا سبب می شود که ملکول ها به سمت آرایشات خاصی سازماندهی شوند. تشکیل مایسلها، کلوئیدها و بسیاری موارد دیگر از این نوع هستند. جذب یک ملکول قطبی به دیگری سبب جدایش بار آنها و آرایش یافتگی مولکولی می شود که از لحاظ ترمودینامیکی پایدارتر است. بدین ترتیب، تعدادی از این ملکولها، ساختارهای سه بعدیی را که دارای پیوندهای بین ملکولی هستند تشکیل می دهند که به آنها مایسل یا کلوئید گفته می شود. در حالیکه اینها یک مایسل حقیقی نبوده و مجموعه ای از ملکول های سازمان یافته می باشد. این ساختارهای بوسیله نیروی الکترواستاتیکی و دیگر نیروهایی که نسبت به نیروهای کووالانسی بسیار ضعیف تر هستند، نگه داشته می شوند. این ساختارها باعث تغییراتی در خواص فیزیکی قیر می شوند بطوریکه وقتی ملکولها به صورت اتفاقی باشند به آسانی در اطراف یکدیگر حرکت می کنند . ولی وقتی ملکولها آرایش یافته باشند ملکول ها در برابر حرکت و تغییر شکل مقاومت از خود نشان می دهند. بعبارتی ساختار قیر سفتتر و ویسکوزتر می شود. توانایی تشکیل این نوع ساختارها به استحکام پیوند، نوع، تعداد و موقعیت گروههای قطبی دارد.
ساختمان کلوئیدی قیر
معمولا قیر از یک سیستم کلوئیدی، شامل میسل ها معلق آسفالتن با وزن ملکولی زیاد در یک محیط روغنی شکل مالتن با وزن ملکولی کمتر، تشکیل شده است. در حضور مقدار کافی رزین ها و آروماتیک ها، قدرت آسفالتن از نقطه نظر تحرک در قیر بیشتر شده که در این حالت به قیر نوع سل یا محلول گفته می شود. اگر نسبت جزء رزین / آروماتیک در قیر به اندازه کافی نباشد، میسل ها به اندازه کافی در قیر محلول نیستند که در این صورت این قیرها به نام ژل یا قیرهای نوع ژلاتینی معروف هستند. از جمله قیرهای اکسید شده که برای سقف بام مورد استفاده قرار می گیرند از این جمله اند.
رفتار کلوئیدی قیرها به مقدار آسفالتن و درجه حرارت بستگی دارد که این امر در گرانروی سیستم اثرات زیادی دارد و زمانیکه درجه حرارت قیر را بالا می بریم، این اثرات با افزایش درجه حرارت کاهش می یابد و ژل از بین می رود.