ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Строение битумов из "Битумные материалы" Ранние исследования строения битумов показали, что они проявляют ряд свойств, характерных для коллоидных систем. Неллен-штейн [11] судил о коллоидной природе битумов на том основании, что в их бензольных растворах обнаруживается эффект Тиндаля и что суспендированные в них частицы совершают ощутимое броуновское движение.. Он предложил теорию коллоидного строения битумов, основанную на наличии в них трех компонентов лиофобной части, лиофильных частиц, окружающих лиофобные частицы и защищающие их от слияния и, наконец, масляной фазы, в которой суспензированы мицеллы. Стабильность этой системы зависит от межфазных сил, возникающих на поверхности раздела мицелл с масляной средой. Поэтому, когда в битуме происходит флокуляция частиц, например при добавлении некоторых растворителей, новая фаза не образуется, а лиофобные частицы агрегируются в более крупные в результате растворения защитного вещества и изменения сил межфазного натяжения. [c.11] В свете сказанного в предыдущем разделе коллоидные свойства битумных растворов определяются растворимостью их компонентов. Поскольку растворы битумов образуют системы, отличающиеся от самих исходных битумов, правильность экстраполяции свойств растворов к системам без растворителя сомнительна. [c.11] Тот же метод был использован Свэнсоном [15]. Он установил, что для образования гомогенной пленки асфальтенов и смол необходимо на каждую часть асфальтенов добавить не менее трех частей смол. Если же пленка битума для электронного микроскопирова-ния получалась путем сдувания капли битума и исследовался наиболее тонкий участок пленки, какие-либо частицы обнаружить не удавалось. Это указывает на отсутствие в битумах в их натуральном виде частиц коллоидных размеров, что согласуется с результатами исследований Макка [12]. [c.12] Результаты исследования битумов в электронном микроскопе позволяют установить скорее отсутствие,, а не наличие реальной коллоидной структуры. Чтобы определить структуру битумов Фрейнд и Вайта [16] напыляли пленку сплава золота с алюминием на поверхность ряда венгерских битумов. Затем битум удаляли растворителем, а металлическую реплику исследовали в электронном микроскопе. Исследование показало, что остаточный битум имеет грубую структуру с нечеткими контурами структурных элементов по мере окисления битума его структура становится все более тонкой и четкой. Проведенные наблюдения указывают на то, что структурные элементы битума состоят из скоплений, образованных различными компонентами. Размеры этих скоплений зависят от способа приготсвления битума и, следовательно, от его, химического состава. Эти наблюдения касаются поверхностной структуры, которая может отличаться от структуры в сбъеме системы. Обычно спонтанные изменения в системе происходят с уменьшением свободной энергии, которое сопрсвождается уменьшением площади поверхности. Поэтому можно ожидать, что указанные скопления имеют сферическую или близкую к ней форму. [c.12] Из трех основных компонентов битумов асфальтены являются твердыми при комнатной температуре и обнаруживают некоторую кристалличность, о чем можно судить по дифракционной картине рентгеновских лучей [17]. Смолы являются твердыми аморфными веществами. Масляный компонент представляет собой высоковязкую жидкость и может содержать твердые ароматические углеводороды. В связи с этим концентрация твердой фазы в битумах довольно высокая. Молекулярные веса перечисленных компонентов так же, как и плотность, снижаются соответственно таким образом, что их мольные объемы мало отличаются друг от друга. С этой точки зрения битумы можно рассматривать как высококонцентрированные растворы большого числа твердых веществ в масляной среде, мольный объем которой мало отличается от мольного объема растворенных твердых компонентов. [c.13] При высокой температуре молекулы твердых веществ распределены равномерно. Даже при охлаждении до низкой температуры растворенные вещества не кристаллизуются в системе (в отсутствие парафинов), и раствор становится пересыщенным. О таких растворах говорят, что они находятся в метастабильном состоянии [18]. [c.13] В битумах, содержащих достаточное количество парафина, последний кристаллизуется значительно быстрее. Это видно по потере битумом блеска и потускнению его поверхности при охлаждении. Можно было ожидать, что вследствие плохой растворимости асфальтены вначале будут образовывать более крупные агрегаты, а затем высадятся, переходя при этом из метастабильного состояния в стабильное. Трекслер и Швайер [19], работавшие в этом направлении, нашли, что вязкость битума при комнатной температуре со временем возрастает, асимптотически приближаясь к какому-то постоянному значению. При повторном нагревании подвергшегося старению битума его первоначальная вязкость при комнатной температуре восстанавливается. [c.13] Известно, что суспендированные твердые частицы при относительно низкой их коцентрации мало влияют на вязкость системы. Следовательно, если в процессе старения битума будут образовываться агрегаты асфальтенов, то в результате уменьшения концентрации растворенных асфальтенов вязкость битума будет со временем снижаться. [c.13] Следует полагать, что энергетический барьер зародышеобразо-вания в битумах должен отличаться от энергетического барьера в более простых метастабильных системах, и можно считать, что силы взаимного притяжения между молекулами разного типа в битумах настолько велики, что они образуют совместно более крупные относительно стабильные структурные элементы. Эти силы могут быть трех типов. [c.13] Дисперсионное взаимодействие является наиболее общим видом взаимодействия между компонентами, входящими в состав битума. Сила его зависит от расстояния между центрами взаимодействующих частиц. Поэтому взаимодействие будет наибольшим между теми частицами, которые способны к наибольшему взаимному сближению. Подобный характер взаимодействия вызывает стремление молекул ориентироваться таким образом, чтобы во взаимный контакт с другими молекулами вступало наибольшее число атомов. Это выражается в стремлении углеводородных цепей взаимодействующих соседних молекул располагаться параллельно, а ароматических колец — в параллельных плоскостях. [c.14] Экспериментальные исследования битумов. Как уже указывалось, основными элементами, входящими в состав битума, являются углерод и водород, которые и обусловливают дисперсионные силы притяжения. В то же время, наличие полярных атомов, таких, как азот, сера и кислород, приводит к образованию более прочных связей. [c.14] Результаты исследования структуры асфальтенов при помощи электронного микроскопа также указывают на существование в битумах значительных сил притяжения, что позволяет судить о структуре битумов по их физическим свойствам. Поскольку указанные силы способствуют ориентации молекул, процесс формирования структурных единиц в битумах в какой-то степени похож на обыч- ную кристаллизацию. Устойчивость кристалла обусловлена способностью образующих его молекул ориептироваться, окружая себя другими молекулами в таком порядке, который обеспечивает максимальное притяжение между ними. [c.14] Молекулы, наиболее склонные к образованию комплексов, содержат, как правило, ароматические кольца. Наличие боковых групп способствует возникновению полостей в структуре, в которые могут быть захвачены другие молекулы с аналогичной структурой. Неспособность к образованию совместных пространственных структур с ароматическими молекулами может,-по-видимому, объяснить быструю кристаллизацию парафиновых углеводородов в битумах. [c.15] Тип образованной структуры зависит от количества асфальтенов и характера остальных компонентов. Структурные образования, построенные по принципу пространственной агрегации близких по форме молекул, превалируют в большинстве остаточных битумов, в которых содержание асфальтенов невелико. Каменноугольные смолы относятся к этой же категории структур, с той лишь оговоркой, что частью этих структур являются также суспензированные углеводородистые частицы, содержащиеся в этих продуктах. Как указывалось, эти образования имеют сферическую форму, по крайней мере, с термодинамической точки зрения. [c.15] При окислении битума содержание парафиновых и циклопарафиновых углеводородов остается практически постоянным, содержание ароматических углеводородов снижается, а содержание асфальтенов возрастает. Если степень окисления относительно мала, структура такого битума по существу аналогична структуре остаточного битума. [c.15] Примером более. глубокоокисленного битума может служить так называемый изоляционный битум, используемый при производстве кровельных материалов. Его обычно готовят из остаточного битума невысокой плотности. Изоляционный битум содержит определенное количество циклопарафиновых и парафиновых углеводородов и примерно 30% йсфальтенов. Соотношение углерода и водорода в нем также повышенное вследствие этого растворяющая способность таких битумов снижается и взаимное притяжение асфальтенов возрастает. Асфальтены притягивают также тяжелые ароматические компоненты, вероятность же соединения других компонентов с этими агрегатами очень мала. Такая система может при высокой температуре рассматриваться как концентрированный раствор твердого вещества в масляной среде. При охлаждении асфальтены высаживаются и образуют комплексы, которые напоминают кристаллиты. Такой процесс идет настолько быстро, что агрегаты получаются крайне малого размера это соответствует общему закону, согласно которому отношение поверхности кристалла к его объему при высокой скорости роста является наибольшим. [c.15] При образсвании комплексов отдельные сегменты асфальтенов и высокоароматизированных компонентов могут взаимно располагаться таким образом, что они образуют пространственную структурную сетку эластичного геля, отдельные элементы которого окру-. [c.15] В битумах со структурой геля имеются две фазы — каркас и механически захваченное масло. Масляная фаза может быть выжата механическими силами. Если же такой битум покрыть тонким порошком неорганического вещества, масляная фаза проникнет в порошок под действием капиллярных сил. Из порошка масло может быть извлечено экстракцией. Степень адсорбции масла порошком для ряда глубоко окисленных битумов при различных температурах изучена Эйлерсом [211. [c.16] Вернуться к основной статье