قیر اصلاح شده پلیمری

دسته: مقالات منتشر شده در 11 مهر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 81

روابط رئولوژی-مورفولوژی قیر اصلاح شده پلیمری جدید بر پایه پلی یورتان ترموپلاستیک (TPU)

این مطالعه به بررسی نوع جدیدی از قیر اصلاح شده با پلیمر (PMB) می پردازد که استفاده از پلی یورتان ترموپلاستیک (TPU) را بعنوان جایگزینی برای الاستومرهای ترموپلاستیک معمولی مانند کوپلیمرهای بلوک پلی (استایرن-ب-بوتادین-ب-استایرن) در نظر می گیرد. در مورد سایر کوپلیمرهای بلوکی، ساختار TPU از دو بخش ساخته شده است که می تواند به صورت میکروفاز جدا شده و به تورم انتخابی با کسر روغن در قیر منجر شود. سازگاری ضعیف بخش های سخت (HS) با قیر عامل این تورم جزئی TPU با کسر مالتن است. با تغییر محتوای TPU در ترکیب قیر-TPU، با ظاهر شدن در دمای بالای پاسخ الاستیک به دلیل نفوذ فاز غنی از TPU، تغییر چشمگیری در خواص ویسکو الاستیک این محتوا نزدیک به 11 درصد وزنی ایجاد می شود. این پدیده با کمک خواص مورفولوژی چند مقیاسی و یک مدل معمولی از نفوذ مکانیکی تفسیر شده است. ساختارهای مختلف TPU، از نرم تا سخت، مورد بررسی قرار گرفته اند. بهترین سازش در ترکیب حاوی TPU با 13 درصد وزنی HS مشاهده شد چون که تورم مطلوب فاز غنی از TPU نشان دهنده نفوذپذیری است، در حالی که رفتار ویسکوالاستیک خود را نیز حفظ می کند.

 

قیر به دلیل کاربردهایی که در روسازی جاده ها و سقف ها دارد، شناخته شده است. بسیاری از مقالات ترکیب قیر و خواص رئولوژیکی آن را بیان می کنند که عبارتند از خواصی که به انعطاف پذیری خوب در حرارت پایین نیاز دارند، مقاومت خزشی خوب در دما و حرارت بالا. ترکیب شیمیایی قیر معمولا با اصل چهارگانۀ کسر SARA یعنی اشباع، آروماتیک، رزین و آسفالتین توصیف می شود. این چهار کسر از نظر قطبیت و جرم مولی متفاوت هستند و اشباع نیز قطبیت و جرم مولی کمتری دارد. از طرفی، رزین ها و آسفالتین بیشترین کسر قطبی و جرم مولی را دارند. آسفالتین ها بعنوان مواد غیرمحلول در هپتان رسوب کرده و به پودر سیاه تبدیل می کنند. سه کسر دیگر (اشباع، آروماتیک و رزین ها) از کسر روغنی به خوبی با نام کسر مالتن شناخته شده اند. تکنیک های کروماتوگرافی کمک می کنند تا محتوای وزنی متوسط در چهار کسر SARA در قیر را به دست آوریم. قیر همچنین اغلب بعنوان یک ساختار کلوئیدی بیان می شود که در آن، رزین ها با آسفالتن برای اطمینان از پراکندگی در کسرهای روغنی در تعامل هستند. در نتیجه، ساختار قیر به شدت به محتوای ذرات آسفالتین پراکنده در کسر مالتن وابسته است. با این حال، براساس مدل کلوئیدی می توان وابستگی خواص رئولوژیکی قیر با ترکیب شیمیایی آن را تفسیر کرد. قیر رفتار نیوتنی را در دمای بالا نشان می دهد که ویسکوزیته آن در محتوای کسر SARA کنترل می شود. بنابراین، بالاترین ویسکوزیته در آسفالتین بالا و محتوای آروماتیک کم مشاهده شد. خواص مکانیکی قیر همچنین به میزان دما بستگی دارد. قیر در دمای بسیار پایین شکننده می شود و با کاهش مقاومت مکانیکی قیر به کار رفته در روسازی جاده، منجر به ترک خوردگی مواد می شود. اما در دمای بالا، روتینگ اتفاق می افتد. برای جلوگیری از ترک خوردگی در دمای پایین و شیارافتادگی در دمای بالا، قیر را می توان با پلیمر یا مواد افزودنی مانند اسیدها و ترکیبات جرم مولی کم یا ترکیبی از هر دو اصلاح کرد. فاز پلیمری می تواند با کسرهای مولی کم متورم شود تا ترک خوردگی (در دمای پایین) را متوقف کرده و انتقال شیشه (Tg) در فاز قیر (بهبود رفتار خزشی در دمای بالا) را افزایش دهد.

 

پلی اولفین ها و الاستومرهای ترموپلاستیک (TPE) پلیمرهای مورد استفاده برای اصلاح قیر هستند. در دهه های گذشته از کوپلیمرهای بلوکی TPE استایرن-ب-بوتادین-ب-استایرن (SBS) برای اصلاح قیر استفاده شده که امروزه در روسازی آسفالت جاده ها کاربرد صنعتی پیدا کرده است. کوپلیمرهای بلوکی SBS نشان دهنده یک میکروساختار ترکیب شده با فاز پلی بوتادین نرم و نانو دامنه های پلی استایرن سخت هستند. همان طور که با همپوشانی جزئی کرّه های حلالیت SBS و قیر در هنگام استفاده از پارامترهای حلالیت هانسن سه بعدی نشان داده شده است، کوپلیمرهای بلوک خطی SBS به دلیل سازگاری نسبی پلیمر با کسر SARA قیر بیشترین استفاده را در اصلاح قیر دارند. قیر سازگاری ترجیحی با بلوک نرم پلی بوتادین از خود نشان داده است که با کاهش تورم و پراکندگی پلیمر در مخلوط، با افزایش محتوای استایرن تعیین می شود. این سازگاری نسبی باعث تورم جزئی کوپلیمر بلوک SBS توسط برخی از کسرهای قیر با جرم مولی کم می شود که تخلیه نسبی فاز قیر و افزایش مدول و Tg را در پی دارد. قیر اصلاح شده SBS مواد دو فازی است که مورفولوژی آنها معمولا با کمک میکروسکوپ فلورسانس تعیین می شود که در آن، فاز غنی از پلیمر به دلیل متورم شدن توسط ترکیبات آروماتیک در فاز تیرۀ غنی از آسفالتین قیر مشخص می شود. مورفولوژی به دست آمده و خواص ویسکو الاستیک مخلوط ها نه تنها به مقدار پلیمر افزوده شده بستگی دارد؛ بلکه چندین پارامتر کوپلیمر بلوکی SBS همچون معماری ماکرومولکولی آن، ماهیت آن (خطی یا ستاره ای بودن)، نسبت بوتادین-استایرن وغیره در این کار دخالت دارند. برای کوپلیمرهای بلوک خطی SBS با محتوای 31 درصد وزنی استایرن، قیر اصلاح شده با 3 درصد وزنی پلیمر منعکس کننده مورفولوژی فاز غنی از پلیمر پراکنده است، در حالی که می توان در محتوای بالاتر از 6 درصد وزنی، فاز غنی از SBS پیوسته را مشاهده کرد. لو و ایساسون گزارش کردند که رفتار مکانیکی در مخلوط پلیمر-قیر در محتوای کم پلیمر آسفالت مانند باقی مانده و خواص ظاهری فاز غنی از پلیمر پیوسته را افزایش می دهد که با تغییر در خواص ویسکو الاستیک را به سمت یک رفتار پلیمر مانند بیان می کند.

 

در این مقاله چالش پیشرو در طراحی پلی یورتان ترموپلاستیک با هدف اصلاح قیر بیان شده است. در واقع، با توجه به ضرورت برخی زمینه ها برای داشتن قیر با کارایی بالا، بایستی بین سازگاری مواد تهیه شده و خواص مکانیکی آنها ارتباط خوبی ایجاد کرد که عمدتا با تنظیم معماری پلیمر حاصل می شود. دو عامل را بایستی در نظر گرفت:

1. محتوای TPU در مخلوط که سازگاری خوبی با قیر دارند و به اندازه کافی برای القای تورم TPU و وارونگی فاز، یعنی نفوذ فاز غنی از TPU، بالا باشند.

2. محتوای HS در مخلوط (که باید با قیر سازگار باشد) در فاز متورم TPU که رفتار حرارتی-مکانیکی مخلوط را هدایت می کند، باید به منظور حفظ رفتار الاستومری فاز غنی از TPU در محدوده دمایی بین انتقال شیشه فاز نرم و نقطه ذوب HS بیشتر از ارزش بحرانی باشد (در اینجا حدود 13 درصد وزنی مدنظر است).

 

با این حال، کاملا واضح است که تورم جزئی TPU توسط کسرهای SARA در قیر نقش اساسی در بهینه سازی رفتار مکانیکی مخلوط ها دارد. برای درک بهتر این پدیده و افزایش کارایی مخلوط قیر-TPU، سازگاری بین TPU و کسرهای SARA در قیر بیشتر مورد بررسی قرار گیرد.