قیر اصلاح شده با پلیمر

تعریف پلیمر

قبل از توضیح درباره ی قیر پلیمری، لازم است ابتدا بدانیم پلیمر چیست. پلیمر یک کلمه ی یونانی است که از دو بخش پلی و مر تشکیل شده است. بخش پلی به معنای بسیار و بخش مر به معنای پاره یا جزء می باشد و معنای فارسی آن، بسپار می باشد.پلیمر درواقع یک درشت مولکول است که از به هم پیوستن هزاران مونومر( واحد تکرار شونده) تشکیل می شود. پایه ی بسیاری از پلیمرها کربن و هیدروژن است که از به هم پیوستن این کربن ها به یکدیگر زنجیره بلند پلیمری ایجاد می شود

 

 

 

پلیمرها از نظر طبیعی یا مصنوعی بودن، نوع چیدمان مونومرها، آرایش یافتگی زنجیره ها ونحوه ی پلیمرزاسیون به دسته های مختلفی تقسیم می شوند اما از نظر علمی مفید ترین تقسیم بندی پلیمر ها از نظر کاربرد و رفتار حرارتی آن ها است که به سه دسته تقسیم می شوند:

 

• ترموپلاستیک
• ترموست
• الاستومر

 

ترموپلاستیک ها: این نوع از پلیمرها در اثر حرارت و گرما ذوب شده، نرم می شوند و میتوانند شکل قالب را به خود بگیرند و با حذف گرما سرد شده، به حالت جامد تبدیل میشوند و این چرخه می تواند بدون تغییر در خواص پلیمر چندین بار تکرار شود. پلیمر پلی پروپیلن (PP)، پلی اتین (PE) و پلی استایرن (PS) جزء این دسته حساب می شوند.

 

 

 

 

ترموست ها: این دسته از پلیمرها به صورت نیمه جامد هستند که در اثر اعمال گرما و حرارت سخت می شوند و دیگر نرم و ذوب نمی شوند و درصورت حرارت دهی مداوم تخریب می شوند و خواص خود را از دست می دهند. درواقع اگر از دیدگاه نیروی بین مولکولی این دو گروه از پلیمرها را بررسی کنیم، ترموپلاستیک ها نیروی بین مولکولی ضعیفی دارند که با حرارت دادن می توان باعث تغییر شکل پلیمر شد ولی پلیمر های ترموست از اتصالات عرضی محکمی برخوردارند که امکان شکل دهی و فرایند مجدد آن ها وجود ندارد. پلی استر، پلی یورتان، رزین ها و سیلیکون ها مثال هایی از این گروه هستند.

الاستومرها: نام الاستومر از ترکیب دو کلمه ی پلیمر الاستیک بدست آمده است. الاستیک به معنای ارتجاعی بودن است یعنی هنگامی که نیرو یا تنشی به الاستومرها وارد شود ابتدا تغییر شکل می دهند و با حذف تنش، دوباره زنجیره ی خود را بازآرایی کرده و به حالت اولیه ی خود برمی گردند. از ویژگی های اصلی این مواد، داشتن دمای انتقال شیشه ای بسیار پایین است. یعنی در دماهای پایین این مواد نرم هستند.( لازم به ذکر است، پلیمر ها در زیر دمای انتقال شیشه ای خود بسیار سخت و شکننده اند). انواع رابرها از جمله بوتادین رابر، نچرال رابر از اعضای این گروه به حساب می آیند. در الاستومر ها اولین لاتکس مورد استفاده لاتکس طبیعی است که از شیره درخت هوا بدست می آید.

 

 

گروه دیگری از پلیمرها وجود دارد که به آنها ترموپلاستیک الاستومر می گویند که از ترکیب دو پلیمر از گروه های ترموپلاستیک و الاستومر تشکیل می شوند. دلیل این امر ترکیب خواص خوب هردو گروه است و اینگونه، کوپلیمری تشکیل می شود که می توان از ویژگی های اصلی و کاربردی هر دو گروه استفاده کرد. برای مثال الاستومر ها قابلیت ذوب شدن ندارند و درصورت اعمال مداوم حرارت تخریب می شوند درحالی که ترموپلاستیک ها خاصیت ذوب شدن و شکل پذیری را دارند. چهار گروه اصلی از ترموپلاستیک الاستومرها شامل پلی یورتان ، کوپلیمر پلی اتر-پلی استر، کوپلیمر اولفینی و کوپلیمر های بلوکی استایرن دار می شوند. گروه اخر بهترین نتیجه را در ترکیب با قیر به وجود آورده است. به طور خلاصه طبیعت ترموپلاست بودن پلیمر های TPE و پایین بودن گرانروی آنها در دمای بالا و قابلیت باز شدنشان در قیر و بسیاری از ویژگی های مهم دیگر سبب شده تا از این پلیمر به عنوان بهترین اصلاح کننده خواص قیر یاد شود. برای مثال درپلیمر SBS که کوپلیمر بلوکی استایرن-بوتادین-استایرن است و یک ترموپلاستیک الاستومر است، بخش استایرن، ترموپلاستیک است و بخش بوتادین، الاستومر است. دمای انتقال شیشه ای بوتادین رابر (PB)، ۷۰- درجه است درحالی که دمای انتقال شیشه ای یا دمای نرم شدگی پلی استایرن ۱۰۰ درجه است. ترکیب این دو پلیمر باعث میشود بازه ای که این ماده می تواند پایداری حرارتی داشته باشد.خیلی گسترده شود. پلیمر SBS یکی ازبهترین و شاید برترین پلیمرهایی است که در صنعت قیر و آسفالت، برای تولید قیر اصلاح شده پلیمری استفاده می شود و کارایی خود را ثابت کرده است. زیرا بخشی از آن از رابر ها تشکیل شده است که به دلیل داشتن دمای انتقال شیشه ای بسیار پایین، باعث بهبود کارایی قیر در دمای پایین و زمستان میشود.

ازآنجایی که دمای شکست قیر حدودا ۱۰- تا ۱۲- درجه است، استفاده ازآن در مناطق سردسیر و جاهایی که زمستان، دما به زیر ۱۲- درجه می رسد، باعث شکست قیر و ایجاد ترک بر روی سطح آسفالت میشود که دلیل آن هم سخت و شکننده بودن قیر است. استفاده از رابر ها باعث میشود تا نقطه شکست آسفالت به حدود ۳۰- درجه یا حتی پایین تر برسد که در این صورت مانع از ایجاد ترک و ضعف در آسفالت در زمستان میشود. از طرفی ترکیب این پلیمر با قیر باعث افزایش ویسکوزیته قیر و بالابردن دمای نرم شدگی آن در دماهای بالا و محیط های گرم میشود که همین امر مانع از شل شدن قیر و شیارشدگی در آسفالت می شود. درواقع یکی از دلایل اصلاح قیر و آسفالت با پلیمرها، مقاوم کردن روکش خیابان ها در آب و هوای مختلف است. همینطور در مسیر هایی که بار ترافیک بالایی دارند قیر های معمولی در مدت زمان کوتاهی دچار ترک های ناشی از خستگی می شوند در صورتی که استفاده از قیر و آسفالت اصلاح شده با پلیمر، این اجازه را به ما می دهد که در مدت زمان طولانی تری آسفالت و روکش سالم و بدون ترک خوردگی داشته باشیم. همین امر باعث می شود نیاز به استفاده از آسفالت های محافظتی برای لگه گیری و درزگیری سطح آسفالت هم نباشد و باعث صرفه جویی در هزینه ها و انرژی شود.

استفاده از ترموپلاستیک هایی مانند پلی اتیلن یا پلی پروپیلن در قیر باعث بهبود خواصی مثل افزایش نقطه نرمی و کاهش درجه نفوذ قیر میشود. همینطوراین ماده باعث افزایش دمای بالای قیرهای عملکردی یا PG میشود که عملکرد بهتر قیر در مناطق گرمسیری را شامل می شود. اما نتایج و تحقیقات نشان داده است که استفاده از پلی اتیلن ها باعث شکننده تر شدن قیر در دماهای پایین می شود. پس باید این نکته را در نظر گرفت استفاده از پلیمر پلی اتیلن در مناطق سردسیر، نه تنها باعث بهبود قیر نمی شود بلکه باعث تضعیف خواص آن هم میشود.

به طور کلی پلیمرها با توجه به نوعشان میتوانند خواص متفاوتی به قیر بدهند که تعدادی از آن هارا نام می بریم:

1. افزایش نقطه نرمی قیر که مانع از شیار شدگی آسفالت در تابستان و گرما می شود.
2. کاهش درجه نفوذ قیر که مانع از ورود رطوبت در اثر بارندگی به زیر ساخت های آسفالت می شود.
3. افزایش خاصیت الاستیسیته یا بازگشت پذیری قیر که باعث افزایش مقاومت قیر در برابر تغییر شکل های دائمی می شود و از همه مهم تر موجب کاهش ترک خوردگی های ناشی از سرما در فصل زمستان می شود.  

 

 

نکته ی بسیار مهمی که درباره ی تقریبا تمامی پلیمرها صادق است، ناسازگاری ساختار آن ها با ساختار شیمیایی قیر است و هنگامی که با قیر ترکیب میشوند پس از مدتی یک فاز جدا تشکیل می دهند ویا به اصطلاح جدایی فازی رخ می دهد. همین امر باعث می شود قسمتی از قیر نرم و خاصیت الاستیسیته داشته باشد و قسمتی دیگر سخت و شکننده باشد.درنتیجه در انتخاب نوع پلیمر و گرید مصرفی، میزان مصرف، نحوه ی تولید واختلاط آن با قیر یا آسفالت باید کاملا دقت شود. ( در صورت نیاز به مشاوره در امر تولید قیر پلیمری، شرکت تدبیر تجارت آرمان پویا آماده ی ارائه ی دانش فنی در این زمینه است).  از آنجایی که پلیمرها خواص بسیار خوبی به قیر می دهند، برای رفع مشکل جدایی فازی پلیمر و قیر، افزودنی های مختلفی تولید شده است. یکی از این افزودنی ها، وستنامر، محصول شرکت ایوانیک آلمان است که باعث اختلاط آسان پودرلاستیک با قیر شده و مانع از دو فاز شدن پودرلاستیک و قیر می شود. وستنامر درواقع یک نوع پپتایزر است که حتی در صنعت لاستیک و تایر نیز از آن استفاده میشود که نقش سازگار کننده را ایفا میکند و فرآیند اختلاط را بسیار آسان میکند به گونه ای که برای استفاده از پودرلاستیک دیگر نیاز به همزن دوربالا نیست.

در تهیه این نوع قیر اختلاط یک ترکیب پلیمری با قیر می تواند با نیروی برشی کم و یا نیروی برشی زیاد انجام شود. در ترکیب با نیروی برشی کم، از یک مخزن و یک میکسر با سرعت پایین استفاده می شود. پلیمر که به شکل قرص (گرانول) و یا پودر می باشد به آرامی به قیر موجود در مخزن اختلاط اضافه شده و عمل اختلاط تا حصول یک ترکیب یکنواخت ادامه می یابد. در اختلاط با نیروی برشی زیاد، ذرات پلیمر ترموپلاستیک از لحاظ اندازه فیزیکی کوچک می شوند که این عمل توسط نیروی برشی زیادی که توسط میکسر وارد می شود انجام گردیده و ترکیب قیر پلیمری در داخل مخزن اختلاط، صورت می پذیرد. در همین زمان پلیمر در داخل قیر پخش و پراکنده می شود.

برای تسهیل ترکیب قیر و پلیمر در تهیه آسفالت، گرما باید در محدوده ۱۷۰ تا ۱۹۰ درجه سانتیگراد باشد. در حین اضافه شدن ترموپلاستیک ، پلیمر به اندازه ۶ تات ۹ درصد حجمی متورم می شود. این تورم حاصل جذب بخشی از مالتین های موجود  توسط پلیمر می باشد. تجهیزات نیروی برشی بالا سبب پراکندگی سریع تر پلیمر در قیر می شوند و معمولا هنگام تولید قیر پلیمری، انتخاب تولیدکنندگان این روش می باشد.

یک نکته ی مهم در ترکیب قیر با پلیمر وجود دارد، آن هم نوع قیر مصرفی است. از آنجایی که قیر از هزاران هیدروکربن تشکیل شده است و شناسایی همه ی این هیدروکربن ها و نقش آن ها برروی کارایی قیر بسیار دشوار است، هیدروکربن های موجود در قیر را به چهر دسته ی آروماتیک ها، روغن های اشباع شده، آسفالتن و رزین تقسیم کرده اند. هنگامی که پلیمر با قیر ترکیب می شود، پلیمر ها تمایل به جذب بخش روغن های آروماتیک قیر دارند و درواقع رقابتی بین آسفالتن و پلیمر بر سر جذب روغن های آروماتیک ایجاد می شود. در نتیجه قیری که میزان بیشتری روغن آروماتیک داشته باشد، با پلیمر سازگاری بیشتری دارد. همین امر مانع از ناپیوستگی قیر و پلیمر میشود و ترکیب با خواص یکدستی بدست می آید. البته باید در نظر گرفت زیاد بودن بیش از حد آروماتیک ها هم باعث کاهش ویسکوزیته ی قیر و افزایش درجه نفوذ و کاهش دمای نرم شدگی قیر می شود . در نتیجه مقادیر بین اجزا باید به یک تعادلی برسند تا بهترین اتصال میان قیر و پلیمر برقرار شود.

یکی از پلیمر هایی که امروزه در صنعت قیر و آسفالت مورد توجه قرار گرفته است، پلی فسفریک اسید است. تحقیقات زیادی برروی ترکیب پلی فسفریک اسید با قیر انجام شده است و نتایج نشان داده است، مقدار کمی از این پلیمر می تواند نقطه نرمی قیر را تا ده درجه افزایش و درجه نفوذ را تا ۵ درجه کاهش دهد. همینطور می توان از پلی فسفریک اسید به عنوان سازگار کننده قیر با دیگر پلیمرها همانند پودر لاستیک نیز استفاده کرد اما این نکنته را باید در نظر گرفت که نیاز به همزن با دور بالا است.

رزین ها نیز گزینه های دیگری هستند که در صنعت قیر و آسفالت بر روی آن ها تحقیقاتی انجام شده است. رزین ها از نوع پلیمر ترموست هستند. تحقیقات نشان داده است، افزودن رزین اپوکسی می تواند تاثیرات مثبتی برروی رفتار و عملکرد قیر داشته باشد.

وستاپلاست در تولید قیر پلیمری

پلیمر وستاپلاست α-اولفین تریپلیمر ساخته شده از اتان، پروپن و ۱-بوتن می باشد، این ترکیب به شکل آمورف می باشد و انواع مختلف با خواص فیزیکی متفاوت برای کاربردهای فراوان دارد.

وستاپلاست خواص مطلوبی را به آسفالت پلیمری می بخشد از جمله: نقطه نرمی، ویسکوزیته، پایداری حرارتی خوب، سهولت اختلاط، انعطاف پذیری در دماهای پایین و پایداری مکانیکی مناسب، بهبود سیالیت ( کاهش چسبندگی گرانول ها) و سهولت اجرا، سختی بالا، انعطاف مناسب در هوای سرد، پخش سریع و آسان بدون نیاز به همزن با دور بالا.

این پلیمر در مقایسه با انواع دیگر پلیمرها ویسکوزیته کمتر و حالت بلوری بیشترداشته و همین امر فرایند اختلاط را تسهیل می نماید. بدین طریق که نیروی برشی و دمای اختلاط کمتری مورد نیاز می باشد که صرفه جویی در هزینه، انرژی و تجهیزات را در بردارد. دمای عملکرد پایین موجب کاهش هزینه انرژی و آلایندگی می گردد، بهبود سیالیت گرانول ها نیز سهولت اجرا را فراهم می کند.

آسفالت اصلاح شده با  وستاپلاست ویژگی های متعددی از جمله:

1. عایق رطوبتی
2. اختلاط ساده (بدون نیاز به همزن دور بالا)
3. دمای تولید پایین (آلایندگی کمتر)
4. قابلیت ذخیره سازی خوب
5. پایداری حرارتی بسیار عالی برای سطوح جاده ها
6. بدون مشکل تراکم در آسفالت
7. سختی بالا
8. محصولی پلاستومر با رفتارهای الاستومری

استفاده از پلیمر های ضایعاتی جهت تولید قیر پلیمری

به منظور دستیابی به خواص مکانیکی مناسب، قیرها عمدتا بوسیله ی پلیمر های دست نخورده اصلاح شده تا خواص رئولوژیکی طبیعی آنان تغییر یابد. در این صورت استفاده گسترده از پلاستیک ها و لاستیک ها در بخش های مختلفی از قبیل صنعت، کشاورزی و حتی در زندگی روزمره منجر به بوجود آمدن پسماند های زیاد پلیمری و مشکلات مهم زیست محیطی می شود.

بازیافت محصولات پلیمری که دیگر قابل استفاده نیستند و استفاده مجدد از آنها یک راه حل مناسب جهت پاسخگویی به نگرانی های در مورد محیط زیست است. بنابراین از نقطه نظر اقتصادی و زیست محیطی به صرفه است که از پلیمرهای ضایعاتی برای اصلاح قیر بهره جست، به گونه ای که خواص قیر اصلاح شده با پلیمر های ضایعاتی مشابه خواص قیر اصلاح شده با پلیمر های دست اول باشد.

 

افزودنی آنتی استریپر ایوانیک آلمان با نام تجاری TEGO Addibit L300 برای تامین دوام رطوبتی آسفالت استفاده می شود.

پلیمر وستنامر شرکت ایوانیک آلمان در ترکیب با پودر لاستیک استفاده می شود.

پلیمر وستاپلاست شرکت ایوانیک آلمان دامنه عملکردی قیر را در دماهای بالا و پایین افزایش می دهد.

امولسی فایر PKF برای تهیه قیر امولسیونی عملکردی بسیار عالی دارد.

غلیظ کننده قیر امولسیونی (تیکنر) شرکت ایوانیک آلمان برای بهبود غلظت قیر امولسیونی بسیار پرکاربرد می باشد.

وستاوکس بهبود دهنده ی PG قیر با کارایی بهتر از ساسوبیت.