امولسیون های قیری ترکیبی ناهمگن هستند و معمولا از دو سیستم فازی مایع تشکیل شده که این دو مایع غیرقابل امتزاج هستند.این مایعات قیر و آب بوده که توسط یک امولسیفایر پایدار میگردند. قیر در سراسر فاز آبی پیوسته به شکل ذرات گسسته، معمولاً با قطر 1.0 تا 10 میکرون که با امولسیفایر پایدار شده پخش میگردد. قیر معمولاً در این سوسپانسیون توسط بارهای الکترواستاتیک که توسط یک امولسیفایر به ذرات قیر منتقل می شود پراکنده می شود.
قیرهای امولسیونی را می توان به چهار دسته تقسیم کرد:
• امولسیون های آنیونی
• امولسیون های غیر یونی
• امولسیون های پایدار شده با رس
دو مورد اول تقریباً بیشترین کاربرد را دارند. اصطلاحات آنیونی و کاتیونی ناشی از بار الکتریکی موجود در گلبول های قیر است. این سیستم نامگذاری از یکی از قوانین اساسی الکتریسیته ناشی می شود. مانند دفع بارهای الکتریکی هم نام و جذب بارهای مخالف.
اگر پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود غوطه ور در امولسیون حاوی ذرات با قیر منفی باشد، آنها به سمت الکترود آند میروند. در این حالت به عنوان "آنیونی" توصیف می شود.
برعکس اگر در سیستم حاوی ذرات مثبت قیر باشد، آنها به سمت کاتد منتقل می شوند و امولسیون به عنوان "کاتیونیک" توصیف می شود. ذرات قیر موجود در یک امولسیون غیر یونی خنثی هستند و بنابراین به هیچ یک از قطب ها حرکت نخواهند کرد. این نوع امولسیون به ندرت در راهسازی مورد استفاده قرار می گیرد.
امولسیون های پایدار رس به جای کاربردهای جاده ای برای کاربردهای صنعتی استفاده می شوند. در این مواد امولسیفایرها پودرهای ریزی هستند که غالباً طبیعی بوده یا خاک رس فرآوری شده و بنتونیت ها با اندازه ذرات بسیار کمتر از ذرات قیر موجود در امولسیون هستند. اگر چه ذرات قیر ممکن است بار الکتریکی ضعیفی داشته باشند، اما ساز و کار اصلی که مانع از تجمع آنها می شود محافظت مکانیکی از سطح قیر توسط پودر به همراه ساختار تیکسوتروپیک امولسیون است که مانع حرکت ذرات قیر می شود.
عملکردهای امولسیون ها
امولسیفایرها چندین عملكرد درون امولسیون قیری را انجام می دهند. آنها تهیه امولسیون را با کاهش کشش واسط بین قیر و آب آسانتر می کنند.
تعیین کننده اینکه امولسیون تشکیل شده نوع آب در روغن است یا روغن در آب.
تثبیت امولسیون با جلوگیری از انعقاد ذرات.
ویژگی های عملکرد امولسیون مانند زمان شکست و چسبندگی را مشخص میکند.
امولسیفایر مهمترین ماده تشکیل دهنده هر امولسیون قیری است. برای مؤثر بودن امولسیفایر باید در آب محلول باشد و تعادل صحیحی بین آبدوست(داشتن میل به آب) و لیپوفیلیک(داشتن میل به لیپیدها) (ترکیبات ارگانیکی که در آب نامحلول هستند اما در حلال های ارگانیک یا چربی ها محلول هستند، داشته باشد.) از امولسیفایرها به صورت جداگانه یا ترکیبی برای تهیه خصوصیت های خاصی استفاده می شود.
در امولسیون قسمت یونی امولسیفایر در سطح ذرات قیر قرار دارد در حالی که زنجیره هیدروکربن خود را بر روی سطح قیر هدایت می کند و محکم به آن وصل می شود. این در شکل نشان داده شده است.
در قیرهای امولسیونی همچنین ممکن است به امولسیفایر وابسته نباشد که می تواند بر خصوصیات نهایی امولسیون، خصوصاً عملکرد شکست و چسبندگی آنها تأثیر بگذارد. قسمت یونی امولسیفایر بار خود را به ذرات منتقل می کند و یون های متضاد مانند سدیم یا کلرید در فاز آبی پخش می شوند.
عوامل امولسیون کننده مولکول های بزرگ آلی هستند که دو قسمت مجزا از آنها دارند. به این قسمت ها "سر" و "دم" گفته می شود. قسمت سر شامل گروهی از اتم ها است که از نظر شیمیایی دارای مناطق بار مثبت و منفی هستند. این دو ناحیه شارژ باعث می شوند که سر قطبی شود(مانند قطب های آهنربا).
به دلیل این قطبی بودن و ماهیت برخی اتم های موجود در این سر قطبی، سر در آب محلول است. دم از یک گروه آلی با زنجیره بلند تشکیل شده است که در آب محلول نیست اما در سایر مواد آلی مانند روغن(قیر) محلول است. بنابراین یک ماده امولسیون کننده مولکولی با بخش های محلول در آب و محلول در روغن است. این ویژگی منحصر به فرد توانایی امولسیون کننده مواد شیمیایی را به آن می بخشد.
نمای شماتیک بارهای الکتریکی روی ذرات قیر
در یک امولسیون آنیونی میلیاردها ذره قیر با ماده امولسیفایر در اتصال آب و قیر وجود دارد. قسمت دم عامل امولسیون کننده خود را در سمت قیر تراز می کند در حالی که قسمت مثبت سر در آب می چرخد و بقیه سر را با بار منفی و در سطح قطره می گذارد. این بار منفی را به همه ذرات منتقل می کند. نمونه ای را می توان با آن بیان کرد.
R – COONa +
عملکرد عامل امولسیون کننده کاتیونی شبیه به عامل امولسیون کننده آنیونی است:
قسمت منفی سر در داخل آب شناور می شود و یک سر با بار مثبت می گذارد.
این بار مثبت به همه ذرات منتقل می شود. از آنجا که مثبت ها یکدیگر را دفع می کنند، همه ذرات یکدیگر را دفع می کنند و به عنوان ذره قیر مشخص در حالت تعلیق باقی می مانند . نمونه ای را می توان با نمونه ذیل بیان کرد:
R–NH+ Cl−
در امولسیفایرهای غیر یونی، گروه سر آبدوست کووالانسی(نشانگر پیوند شیمیایی است که شامل تقسیم جفت های الکترونی بین اتم ها)، قطبی و حل شده بدون یونیزاسیون(فرآیندی است که توسط آن یک اتم یا یک مولکول بار منفی یا مثبت را بدست می آورد) کسب یا از دست دادن الکترون) هر گونه باری الکتریکی روی قطرات امولسیون قیر از گونه های یونی در خود قیر حاصل می شود. یک نمونه را می توان با نمونه ذیل ارائه نمود:
R–COO(CH2CH2O)xH
در امولسیفایرهای ساده با ساختارهای شیمیایی فوق:
R نمایانگر بخش آبگریز (یعنی با دفع آب) از امولسیفایر است و معمولاً یک هیدروکربن با زنجیره طولانی متشکل از 8-22 اتم کربن است که از چربی های طبیعی و روغن هایی مانند چربی حیوانی یا از مواد نفتی مانند آلکیل بنزن تشکیل شده است.
گروه سر آبدوست می تواند انواع مختلفی شامل آمین ها، سولفونات ها، کربوکسیلات ها، اتر و الکل باشد. امولسیفایرها با گروه های سر چند منظوره که حاوی بیش از یکی از این نوع ها است بطور گسترده استفاده می شود.
امولسیفایرهای مشتق شده از چوب پیچیده شامل رزین وینسول، تانن ها و لیگنوسولفونات ها هستند که شامل بخش های آبگریز چند حلقه ای و چندین مرکز آبدوست هستند. مواد پروتئینی مانند خون و کازئین نیز در امولسیفایر قیر استفاده شده است. به طور کلی ساختار این مولکول ها پیچیده است. همانطور که توسط ساختار لیگنوزولفونات نشان داده شده در شکل مشاهده می شود.
امولسیون های کاتیونی بیشترین حجم امولسیون های تولید شده در سراسر جهان را تشکیل می دهند. آنها از بین انواع یا مخلوط های زیر تولید می شوند: مونو آمین ها، دی آمین ها، ترکیبات آمونیوم کواترنر، آمین های و آمیدو آمین ها، آمین های آلکوکسیله و می توانند از لحاظ ساختاری همانطور که در جدول نشان داده شده است استفاده گردند.
بیشتر این مواد به شکل ابتدایی بصورت خنثی تهیه می شوند و برای تبدیل شدن به محلول در آب و کاتیونی در طبیعت نیاز به واکنش با اسید دارند.
بنابراین ، امولسیون های کاتیونی عموماً دارای PH=7 اسیدی هستند. از اسید هیدروکلریک به طور معمول استفاده می شود که با تشکیل اتم نیتروژن برای تشکیل یون آمونیوم واکنش نشان می دهد. این واکنش را می توان به شرح زیر نشان داد:
R−NH2 + HCl −−−" R−NH+Cl−
ساختار لینگوسولفونات
خاصیت شیمیایی امولسیون های کاتیونی (R=C8–22)
ترکیبات آمونیوم کواترنر نیازی به استفاده از اسیدها ندارند زیرا در حال حاضر نمک و محلول در آب هستند اما pH فاز آب را میتوان در صورت لزوم با اسید تنظیم کرد تا عملکرد امولسیون را تغییر دهد. امولسیفایرهای آنیونی دومین امولسیون تولید شده از نظر حجمی در سراسر جهان هستند و معمولاً با اسیدهای چرب یا امولسیفایرهای سولفونات تثبیت می شوند.
اسیدهای چرب در آب غیر محلول هستند و با واکنش با یک باز بطور معمول سدیم یا هیدروکسید پتاسیم محلول می شوند، بطوری که امولسیون های آنیونی قلیایی با pH دارند. 7. (امولسیون های کاتیونی معمولاً دارای pH در محدوده 2–3 هستند، امولسیون های آنیونی دارای pH در محدوده 10–11 هستند.
مایع با pH برابر 7 خنثی است ، نه اسیدی است و نه قلیایی.
سولفونات ها معمولاً به عنوان نمک سدیم محلول در آب تهیه می شوند. خنثی سازی بیشتر لازم نیست ، اما مقدار زیادی هیدروکسید سدیم به منظور حفظ pH امولسیون بالاتر از 7 و همچنین برای خنثی کردن اسیدهای طبیعی موجود در قیر استفاده می شود.
امولسیفایرهای غیر یونی در مقادیر قابل توجهی تولید نمی شوند و معمولاً فقط برای اصلاح هر دو امولسیون آنیونی و کاتیونی مورد استفاده قرار می گیرند. امولسیفایرهای غیر یونی معمولی شامل غیر نونیل فنول اتوکسیلات ها و اسیدهای چرب اتوکسیله شده است.
ساخت قیر امولسیونی
بیشتر امولسیون های قیر با یک فرآیند مداوم با استفاده از آسیاب کلوئیدی تولید می شوند (ماشینی که برای کاهش اندازه ذرات یک ماده جامد در سیستم سوسپانسیون در یک مایع یا کاهش اندازه قطرات یک مایع معلق در مایع دیگر استفاده می شود).
این تجهیزات از یک روتور با سرعت بالا تشکیل شده است که در یک استاتور با 1000 تا 6000 چرخش در دقیقه می چرخد. فاصله بین روتور و استاتور معمولاً 0.25-0.50 میلی متر است و معمولاً قابل تنظیم است.
محلول های قیر گرم و امولسیفایر به طور جداگانه اما همزمان در آسیاب کلوئیدی تغذیه می شوند که دمای این دو جزء برای فرآیند حیاتی است. ویسکوزیته قیر که وارد آسیاب کلوئیدی می شود نباید بیش از (پوآز) PA.S بیش از 0.2
برای دستیابی به این ویسکوزیته با قیر با درجه نفوذ که معمولاً دمای قیر در محدوده 100-140 در امولسیون ها استفاده می شود، استفاده می شود. برای جلوگیری از جوشاندن آب، دمای فاز آب به گونه ای تنظیم می شود که دمای امولسیون حاصل از آن از کمتر از 908 درجه سانتیگراد باشد. از آنجا که محلول های قیر و امولسیفایر وارد آسیاب کلوئیدی می شوند، آنها در معرض نیروهای برشی شدید قرار می گیرند که باعث می شود قیر در گلبول های کوچک شکسته شود. گلبول های جداگانه با امولسیفایر پوشش داده می شوند که به سطح قطرات بار الکتریکی می دهد. نیروهای الکترواستاتیکی حاصل از جمع شدن گلبول ها جلوگیری می کنند.
بیشتر بخوانید در:
امولسیون های قیری