قیر امولسيون سيستمی دو فازي شامل قير، آب و يك يا چند ماده افزودني است. قير در سرتاسر فاز آب به شكل ذرات مجزا با قطر 1/0 تا 50 ميكرومتر پخش شده و به صورت پايدار باقی می ماند. به طور طبیعی قیر قابلیت انحلال و پایداری در آب را نداردبه همین منظور از ماده ای به نام امولسیفایر استفاده می شود که وظیفه انحلال قیر در آب و جلوگیری از به هم چسبیدن ذرات قیر را به عهده دارد.
بسته به نوع قیر امولسیون و کاربرد آن، نوع و میزان مصرف امولسیفایر در فرایند تولید متفاوت خواهد بود.
1- امولسیفایرهای کاتیونیک:
با استفاده از این نوع امولسیفایرها ذرات قیر دارای بار مثبت شده و در اثر دافعه بارهای مثبت این ذرات به صورت معلق در آب باقی می مانند. اين نوع امولسيفایر ها مشتمل بر سه گروه ذيل است:
- امولسیفایرهای تندشکن (Rapid setting):
این گروه برای تولید امولسیون هایی با مصرف اندود سطحی(تک کت)، چیپ سیل، ماکادام نفوذی و ... با میزان مصرف 0.15 تا 0.25 درصد وزنی امولسيون معادل 1.5 تا 2.5 کیلو در هر تن امولسیون مورد استفاده قرار می گیرند
- امولسیفایرهای کندشکن (Medium Setting):
این نوع امولسیفایرها برای تولید چیپ سیل، آسفالت سرد با دانه بندی باز، اندود حفاظتی به میزان 0.4 تا 0.6 درصد وزنی امولسيون معادل 4 تا 6 کیلو در هر تن امولسیون مورد استفاده قرار می گیرند،
- امولسیفایرهای دیرشکن (Slow Setting):
امولسیفایرهای این گروه برای تولید اندود نفوذی، مالچ امولسیونی، آسفالت سرد و میکروسورفسینگ به میزان 0.8 تا 1.2 معادل 8 تا 12 کیلو در هر تن امولسیون درصد وزنی امولسيون مورد استفاده قرار می گیرند.
2- امولسیفایرهای آنیونیک:
در امولسیون تولیدی با این امولسیفایرها ذرات قیر دارای بار منفی می شوند. به دلیل طولانی بودن فرایند شکست در امولسیونهای آنیونیك این نوع امولسیون در موارد خاصی از جمله آسفالت بازیافتی و اسلاری سیل کاربرد ویژه ای دارند. میزان استفاده از امولسیفایرهای آنیونیك از 0.5 درصد در نوع زود شکن تا 2 درصد در نوع دیرشکن یا بطور معادل آن 5 تا 20 کیلو در هر تن امولسیون متغیر است.
عملکرد امولسیفایرها
امولسیفایر در امولسیون قیر باعث خواصی به شرح زیر می گردد:
· با کاهش کشش سطحی بین آب و قیر باعث آسان شدن تشکیل امولسیون می گردد.
· تعیین می کند امولسیون تشکیل شده از نوع آب در روغن و یا روغن در آب باشد.
· به وسیله جلوگیری از انعقاد قطره ها باعث پایداری امولسیون می شود.
· تعیین خواص کارایی امولسیون مانند نرخ تنظیم (setting rate) و چسبندگی بر عهده امولسیفایر است.
امولسیفایر تنها جزء تشکیل دهنده پراهمیت در انواع امولسیون های قیر در آب است. برای اینکه این ماده مؤثر باشد باید در آب حل بشود و بین خواص آب دوستی (hydrophilic) و چربی دوستی (lipophilic) آن تعادل برقرار باشد. می توان از یک امولسیفایر یا ترکیبی از امولسیفایرها برای بدست آوردن خواص ویژه استفاده کرد.
در امولسیون، قسمت یونی امولسیفایر روی سطح قطره های قیر قرار می گیرد در صورتی که زنجیرهای هیدروکربنی خود را به سطح قیر می پیچانند و با آن پیوند برقرار می کنند (مطابق شکل )
امولسیون ها ممکن است محتوی امولسیفایرهای آزاد باشند که این امر می تواند بر خواص نهایی تأثیرگذار باشد. قسمت یونی امولسیفایر به قطرات خودشان یک بار وارد می کنند و یون های مخالف مثل سدیم و کلرید به داخل فاز آب نفوذ می کنند.
در اینجا سه نوع سورفاکتانت را بررسی می کنیم:
در سورفاکتانت های آنیونی گروه های قطبی و الکتروظرفیتی (electrovalent) در سرها دارای بار منفی هستند و یک بار منفی را به سطح قطرهای قیر وارد می کنند.
R-COO–Na+
در سورفاکتانت های کاتیونی گروه های قطبی و الکتروظرفیتی (electrovalent) در سرها دارای بار مثبت هستند و یک بار مثبت را به سطح قطرهای قیر وارد می کنند.
R-NH3+Cl–
در امولسیفایر های غیر یونی، گروه های آب دوست در سرها بدون یونی شدن کوالانس و قطبی هستند و حل می شوند؛ و هر باری که در قیر باشد ناشی از گونه های یونی موجود در خود قیر است.
R-COO(CH2CH2O)xH
در امولسیفایرهای ساده با ساختار ذکرشده در بالا R نشان دهنده قسمت آب دوست است و معمولاً یک زنجیر هیدروکربن بلند شامل ۸ تا ۲۲ کربن است که از چربی های طبیعی و روغن ها مانند پیه (tallow) و یا مانند آلکیل بنزن از نفت مشتق شده است. قسمت آب دوست یا سر آب دوست می تواند شامل آمین ها، سولفونات ها، کربوکسیلات ها، گروه های اتری و الکلی باشد. از امولسیفایرهای دارای یک سر با گروه های چندعاملی شامل یک یا چند نوع از عوامل ذکرشده در بالا به شکل گسترده ای استفاده می شوند.
پروسه شكست قير امولسيون
همانطور كه قبلا نيز ذكر گرديد از قير امولسيون به منظور پوشش هاي حفاظتي و به عنوان عامل چسباننده مصالح در راهسازي استفاده مي‌گردد لذا لازمه اين عملكرد به هم پيوستن مجدد ذرات قير و عملكرد پيوسته مي باشد . سرعت شكست و فرآيند عمل آمدن قير وابسته به ميزان واكنش پذيري امولسيون و مصالح دانه‌اي و شرايط محيطي از قبيل درجه حرارت و درصد رطوبت مي باشد. قيرهاي امولسيوني كه در راهسازي مورد استفاده قرار مي گيرند بر اساس ميزان واكنش پذيري آنها طبقه بندي مي گردد . قيرهاي امولسيون زود شكن در تماس با مصالح دانه اي تميز كه داراي سطح كم مي باشند بسيار سريع مي شكنند .ماسه هاي شكسته كه در پوشش هاي سطحي به كار برده مي شوند از اين نوع مصالح به شمار مي‌آيند. سرعت شكست امولسيونهاي كند شكن به ميزان قابل ملاحظه اي كمتر بوده و اين نوع قيرهاي امولسيون همراه با مصالح داراي سطح كم بكار گرفته مي شوند . يك نمونه از كاربرد آنها در تهيه مخلوط هاي با دانه‌بندي باز مي باشد . از امولسيون هاي دير شكن نيز در كار با مصالح داراي سطح تماس زياد استفاده مي گردد.
البته در آئين نامه هاي برخي از كشورها نيز به نوعي از امولسيون فوق پايدار نيز اشاره شده كه خواص آن متناسب با سرعت شكست بسيار پائين مي‌باشد. در رابطه با طبقه بندي قيرهاي امولسيون كليه جنبه هاي فرمولي آنها ار قبيل امولسيفاير و ميزان غلظت آن، اسيدي يا بازي بودن امولسيون و ميزان PH وابسته به هر دو عامل اسيدي يا بازي، نوع و درجه قير استفاده شده مد نظر قرار مي گيرد.
جدول (1) – درصد استفاده از امولسيفايرهاي پايه
|
نوع امولسيون |
درصد امولسيفاير |
PH امولسيون |
پايه امولسيفاير |
|
كاتيونيك تند شكن |
0/15-0/25 |
4-2 |
پيه دي آمينه |
|
كاتيونيك كند شكن |
0/3-0/6 |
4-5/1 |
پيه دي آمينه |
|
كاتيونيك ديرشكن |
8/0 -0/2 |
5-2 |
آمينه 4 جزئي |
|
آنيونيك تند شكن |
4/0-2/0 |
12- 5/10 |
اسيد بلند |
|
آنيونيك كند شكن |
8/0 -4/0 |
12-5/10 |
اسيد بلند |
|
آنيون دير شكن |
5/2-4/1 |
12-5/7 |
ليگنوسولفونات نانيونيك |
مصالح بسته به خواص خود درون آب بار سطحي پيدا مي نمايد، كه اين نوع بار وابسته به PH و طبيعت كاني هاي معدني مصالح مي باشد . مصالحي كه داراي كاني هاي سيليكاته فراوان مي باشند خاصيت اسيدي نشان داده و بار منفي به خود مي گيرند و در مقابل مصالح مهمي همچون سنگهاي آهكي بار مثبت به خود مي گيرد . با افزايشPH تمايل به جذب بار منفي در مصالح افزايش مي يابد و از طرف ديگر حضور نمك هاي كلسيم با ساير كاتيونها در آب از شدت بار منفي مي كاهد . به طور كلي امولسيونهاي كاتيونيك در تركيب با مصالح داراي بار سطحي منفي سريعتر واكنش مي دهند.
عوامل موثر بر شكست قير امولسيون
پروسه شكست قير امولسيون روندي پيچيده بوده كه كاملا شناحته شده نمي باشد و فاكتورهاي متعددي بر روي شكست آن اثر مي گذارند . در اينجا به برخي از مراحل احتمالي شكست اشاره مي گردد .
جذب امولسيفاير بر روي سطح مصالح
در حاليكه امولسيفايرهاي آزاد در قير امولسيون بلافاصله بر روي سطح مصالح جذب مي گردد اما جذب امولسيفاير از فاز آبي درگير با قير در امولسيون بسيار طولاني تر مي باشند . (شكل (حذف ذخيره امولسيفاير تثبيت كننده از قير امولسيون سبب مي گردد تا قير امولسيون تمايل به لخته شدن و به هم پيوستن پيدا نمايد . از سوي ديگر جذب امولسيفاير بر روي سطح مصالح باعث كاستن از شدت بار مصالح شده كه سرعت شكستن قير امولسيون را به ميزان قابل توجهي كاهش مي دهد .
حركت ذرات قير به سطح مصالح
ذرات قير معلق در امولسيون داراي يك بار كوچك بوده كه سبب حركت آنها به سمت مصالح با بار مخالف مي گردد (نيروي جاذبه الكتروفورز). افزايش غلظت ذرات قير در اطراف مصالح دانه‌اي تمايل به تجميع و لختگي را در ذرات معلق قير امولسيون افزوده و در نهايت باعث پخش يك فيلم پيوسته از قير بر روي سطح مصالح مي گردد .(شكل (
تغييرات در PH
برخي از مصالح همچون مصالح آهكي، فيلرهايي مثل آهك يا سيمان ممكن است در عمل به هنگام تركيب با قيرهاي امولسيون كاتيوني سبب خنثي شدن اسيد و افزايش PH گردند كه اين مسئله منجر به نا پايداري قيرهاي امولسيون مي گردد . در ساير موارد ممكن است مصالح با جذب يون هيدروژن ميزان PH مخلوط را افزايش دهد . اگر چه اين ميزان تغييرات در PH به اندازه مورد فوق الذكر نمي باشد اما براي ناپايدار نمودن قير امولسيون كافيست برخي مصالح ديگر كه قابليت انحلال دارند (مثل مصالح آهكي ) باعث افزايش يون هاي كلسيم و منيزيم محلول گرديده كه تمايل به خنثي نمودن باز در قيرهاي امولسيون آنيوني را شدت مي بخشد .
تبخير آب
همزمان با تبخير آب از سيستم بر غلظت و تمايل ذرات قير به انعقاد افزوده مي شود . شايد بتوان از تبخير به عنوان مهمترين عامل شكست در قيرهاي امولسيون دير شكن نام برد .
عملكرد امولسيفاير
سطوح داخلي ميان فازهاي سيال در امولسيون به شدت افزايش مي‌يابد. بطوريكه يك مقدار بسيار كم از امولسيون قير ممكن است داراي بيش از 5000 مترمربع از سطوح داخلي باشد. مسلماً لازمه ايجاد چنين سطوحي صرف انرژي است، ليكن مي‌توان با افزودن مقداري امولسيفاير به سيستم به ميزان قابل توجهي از انرژي مصرفي كاست. عامل امولسيفاير بر اندازه ذرات توليدي نيز اثر گذاشته و مي‌توان با تعيين ميزان استفاده از آن قطر ذرات توليدي را كنترل نمود.
هنگاميكه ذرات معلق امولسيون شكل گرفتند مي‌بايستي پايداري اين ذرات در برابر انعقاد در آسياب‌هاي كلوئيدي افزايش يافته و پس از آن تثبيت شود. انعقاد ذرات مستلزم نزديكي آنها به يكديگر است.
امولسيفاير با پوشش سطح ذرات معلق، باعث بوجود آمدن نيروي دافعه الكتريكي (شكل) بين ذرات و مانع نزديك شدن آنها به يكديگر مي‌گردد. همچنين اگر انرژي مقاوم باعث چسبيدن ذرات به يكديگر شود باز هم به علت وجود يك فيلم نازك از امولسيفاير بر روي سطح ذرات امكان بهم پيوستن مجدد آنها از بين مي‌رود. تجمع و انعقاد ذرات عموماً ناشي از نشست امولسيون، وارد شدن نيروي برشي، به جوش آمدن و يا يخ‌زدن امولسيون است. همچنين بهم پيوستن ذرات معلق امولسيون ممكن است در اثر تماس با مواد معدني، در اثر شكستن قير امولسيون و يا عمل آمدن آن صورت پذيرد.
به منظور تثبيت و كارآيي بهتر مي‌توان درصد امولسيفاير مصرفي را افزايش داد. بنابراين در قير امولسيون مقداري امولسيفاير آزاد در محلول (فاز آبي) موجود مي‌باشد كه به عنوان يك ذخيره امولسيفاير، از تجمع ذرات و لخته شدن آنها در حين توليد، ذخيره و حمل امولسيون جلوگيري به عمل مي‌آورد.
طبيعت شيميايي امولسيفايرها
ميزان غلظت امولسيفاير جذب شده بر روي سطح ذرات معلق (جذب سطحي امولسيفاير ) وابسته به خاصيت هيدروفيليك (آب دوستي ) و ليپوفيليك (چربي دوستي ) مولكول امولسيفاير مي باشد . يك مولكول امولسيفاير بطور معمول بايستي داراي يك سر متشكل از گروه هيدروفيليك (آب دوست ) و دم هيدروفوييك يا همان ليپوفيليك (چربي دوست ) باشد .(شكل) . دم ليپوفيليك مشتق شده از مصالح تجديد پذير از قبيل چربيها روغنها ي گياهي و چوب است . امولسيفايرهايي از قبيل پروتئين ها ماده چرب پليمرها و مواد معدني ممكن است داراي يك يا چند اتصال هيدروفوبيك و هيدروفيليك باشند . امولسيفاير بوسيله دم هيدروفوبيك به سمت فاز قيري امولسيون هدايت شده و در آن نفوذ مي نمايد. در مقابل گروه انتهايي مخالف آن در فاز آبي باقي مي ماند .
مولكول امولسيفاير بسيار كوچكتر از يك ذره قير بوده و هر ذره قير با هزاران مولكول امولسيفاير پوشش داده و تثبيت مي شود . چنانچه هر ذره غير معلق در امولسيون را به اندازه كره زمين تصور نمائيم (شكل) آنگاه هر مجموعه تشكيل دهنده سر امولسيفاير 10 كيلومتر مربع از سطح آن را پوشش داده و دم آن نيز در حدود 8 كيلومتر درون سطح آن نفوذ مي‌نمايد.
بسياري از امولسيفايرهاي كاتيونيك در حالت خنثي به صورت غير محلول در آب بوده و بايستي قبل از ايجاد يون كاتيوني توسط يك نوع اسيد از قبيل اسيد هيدروكلريك، اسيد فسفريك، اسيد استيك يا اسيد سولفوريك خنثي گردند . بطور مشابه برخي امولسيفايرهاي آنيونيك نيز بايستي با سديم، آمونيم و يا هيدروكسيد پتاسيم خنثي گردند. حتي در زمان استفاده از امولسيفايرهاي حلال در آب نيز ميزان بار سطحي ذرات وابسته به PH مي باشد. عموماً امولسيونهاي اسيدي با استفاده از امولسيفايرهاي كاتيوني و امولسيون هاي بازي نيز با امولسيفايرهاي آنيوني توليد مي گردد . (شكل
تثبيت امولسيونها
عامل حاكم بر مكانيزم تثبيت نسبت درصد سر هيدروفيليك امولسيفاير به كل آن مي باشد . امولسيفايرهايي كه بخش عمده آنها را قسمت هيدروفيليك تشكيل مي دهد با پر نمودن فضاي ميان ذرات معلق قير در امولسيون براحتي از نزديكي و نهايتا بهم پيوستن ذرات ممانعت به عمل مي‌آورند. همجنين ممكن است گروه هاي هيدروفيليك در آب باردار شده كه منجر به ايجاد نيروي دافعه الكترواستاتيك بين ذرات قير مي گردد. امولسيفايرها را مي‌توان بر اساس نوع باري را كه سر هيدروفيليك آنها تمايل به جذب دارد .(شكل) به چهار دسته آنيونيك، كاتيونيك، آمفوتريك و نانيونيك تقسيم‌بندي نمود. روش تشخيص بار غالب امولسيون از طريق مقايسه PH بوده كه مشخصاً نوع بار جذب شده بر روي سطح ذرات معلق قير را بيان مي‌نمايد. البته بايد در نظر داشت كه قير خود داراي گروه هاي شيميايي است كه قابليت يونيزه شدن دارد و در تعيين بار ذرات معلق سهيم مي باشد.