تاریخچه قیر

سومري‌ها، آشوري‌ها و بسياري از تمدن‌هاي پيشين از قير بطوروسيعي استفاده مي‌كردند. از اين ماده بعنوان مادة ضد رطوبت و نيز محافظ براي چوب و براي موارد مختلفي نظير موميايي كردن، مجسمه سازي و تزيينات استفاده مي‌شد.
همچنين قير موجود در بسترهاي طبيعي به همراه آجرهاي پخته شده بصورت ماستيك در ساختمان معابد، پاية پل‌ها، خيابان‌ها و خانه‌ها بكار برده شده است. در حدود چهار الي پنج قرن پيش از ميلاد مسيح، هخامنشيان نيز از قير براي آب‌بندي در كاخ با عظمت تخت جمشيد استفاده كرده‌اند كه هنوز آثار آن در اين مجموعه قابل يافت مي‌باشد.

معادل انگليسي قير Bitumen مي‌باشد كه اولين كاربرد اين كلمه در زبان لاتين و در حدود سال‌هاي 1460ميلادي بوده است. در انگليسي امريكايي آنرا Asphalt مي‌نامند كه در كشور ما معادل "مخلوط آسفالتي" بكار برده مي‌شود.

آغاز صنعت مدرن قير را مي‌توان به 1712ميلادي نسبت داد كه سنگ‌هاي قيرطبيعي در فرانسه كشف شدند. در آن هنگام مواد قيري را بطور ساده‌اي بصورت كلوخه روي سطح جاده‌هاي محلي پخش مي‌كردند و مي‌گذاشتند كه ترافيك به تدريج آنها را ساييده و متراكم نمايد. اين تكنيك كاملاً موفقيت‌آميز بود و در مدت كوتاهي پيشرفت‌هايي در اين زمينه حاصل شد كه من جمله پورد كردن و گرم كردن مواد قبل ازاستفاده بود. سپس آسفالت‌ها را با كوبيدن و مسطح كردن توسط آهن داغ (اتو) متراكم و محكم مي‌نمودند. اين ماده كه عموماً به نام سنگ آسفالت متراكم (Compressed Rock Asphalt ) شناخته مي‌شد، با موفقيت بسياري در خيابان‌هاي اروپا بكار گرفته شد که تا به امروز به همه جا رسیده است .

شیمی قیر

ترکیبی هیدروکربنی است با رنگ قهوه‌اي تيره- سياه، به اَشكال جامد، نيمه‌جامه يا ويسكوز، با خاصيت چسبندگي كه با منشاء طبيعي يا پالایشگاهی، عمدتاً حاوي هيدروكربن‌هايي با وزن ملكولي بالا مي‌باشند. اين مواد بطور كامل در دي‌سولفيد كربن(CS2  ) ، تري‌كلرو اتيلن (C2HCl3  ) و زايلن (C6H4(CH3)2  ) قابل انحلال می باشند . فشاربخار آن در دماي محيط قابل اغماض و در اين حالت تقريباً بدون بو است.

فراوان‌ترين و پركاربردترين نوع قير، قير نفتي است كه از نظر فيزيكي يك مادة همگن (Homogeneous  ) و از نظر شيميايي يك مخلوط ناهمگن (Heterogeneous  ) از تركيبات شيميايي مختلف مي‌باشد. اين مخلوط هيدروكربني ، عموماً شامل 90% اتم‌هاي كربن و هيدروژن و الباقي ، نیتروژن، گوگرد و اكسيژن  و مقادیرکمی از فلزات نیکل، آهن ، منیزیوم و..... است،
قیر از لحاظ رفتاری ماده ای است که در دمای محیط نه رفتار یک ماده الاستیک را دارد و نه یک ماده ویسکوز ، بلکه رفتار قیر شامل ترکیبی از این دو حالت یعنی ویسکوالاستیک می باشد .

بدون شک واژه قیر ( Bitumen ) نزد توده مردم واژه ای آشناست اما شاید این ماده به آن اندازه که در عرف عامیانه ماده ای شناخته شده و مشخص است، برای متخصصین فن معروف و مشخص نباشد. در برداشت عامیانه " قیر ماده ای سیاه، بد بو و گاهی ناخوشایند است که دو خاصیت مشخص دارد: چسبندگی و آب بندی. منشا آن از نفت می باشد و در تهیه آسفالت یا قیرگونی بام به کار می رود." البته این نگاهی از دور به قیر است که تنها مشخصات ظاهری آن را در بر دارد.
 از دیدگاه صاحب نظران، قیر نه یک ماده معین با خواص مشخص بلکه آمیزه ای از طیف وسیع هیدروکربن هاست که به صورت جامد و مایع با هم ممزوج شده اند. بر این اساس، تجزیه مولکولی و قیر تقریبا امری ناممکن است و تنها می توان با استفاده از روش های خاص جداسازی با حلال، گروه های مشابه هیدروکربنی آن را جداسازی، دسته بندی و خواص عمومی هر یک را( با استفاده از NMRIR, GPC  و ... ) مشخص نمود.
 بدیهی است که نتیجه چنین آنالیزی بسیار وابسته به روش جداسازی بسیار وابسته به روش جداسازی و نوع حلال های به کار رفته می باشد. وجود تعاریف متعدد و استفاده بی قید و شرط  از واژه قیر، یافتن تعریف دقیقی را برای این ماده امکان پذیر ساخته است.
ASTM : American Society for Testing and Material قیر را به صورت زیر تعریف می کند: “دسته ای از مواد دارای خاصیت چسبندگی به رنگ سیاه یا تیره (جامد، نیمه جامد یا ویسکوز) با منشاء طبیعی یا تولیدی که عمده اجزای سازنده آنها را هیدروکبنهای با وزن مولکولی بالا تشکیل می دهند و در دی سولفید کربن (CS2) محلول می باشند.”
مفهوم واژه آسفالت نیز ابهاماتی را در بر دارد. این واژه در ایالات متحده آمریکا معادل واژه قیر بکار برده می شود، اما در ایران بیشتر به معنی مخلوط آسفالتی به کار رفته در راهسازی می باشد.

قير يك سيستم شيميايي بر پايه كربن است كه در حدود 95-90 درصد آن از كربن و هيدروژن ساخته شده و لذا هيدروكربن ناميده مي شود .

بقيه آن شامل دو نوع از اتمهاست: هترواتمها( نيتروژن، اكسيژن وگوگرد) و فلزات (واناديم ،نيكل و آهن) كه همه اين اتمها بصورت تركيب در قير در طيف وسيعي از مولكولهاي گوناگون وجود دارند.
هيدروكربنها : آلفاتيك ها (آلكانها)، سيكليكها (نفتن آروماتيكها) و حلقه هاي آروماتيك(آرنها)
هترواتمها : (O,N,S)
فلزات : (V,Ni,Fe)

الف- هيدروكربنها
اين مواد به آليفاتيكها ، سيكليكها و آروماتيكها با پيوند كووالانسي قوي دسته بندي مي شوند.
آليفاتيك ها : مولكولهاي خطي يا زنجيري شكل،بطوريكه اتمهاي هر كربن به كربن بعدي بصورت زنجيري متصل است. (مانند هگزان)
سيكليك ها : يا نفتن آروماتيكها مانند سيكلوهگزان كه مثل هگزان، همان شش كربن داشته ولي با از دست دادن دو اتم هيدروژن، يك حلقه را تشكيل مي دهند. از دست دادن دو اتم هيدروژن تاثير زيادي بر خواص شيميايي مولكول مي گذارد و علت اين امر نيز هم به سبب تغيير شكل مولكول و هم به خاطر بر همكنش تك تك اتمهاي مولكول بر يكديگر مي باشد.
آروماتيك ها : حلقه هاي آروماتيكي ، حلقه هاي مسطح و پايدار اتمهاي كربن هستند كه به آساني با يكديگر توده و انباشته مي شوند (پيوندهايπ- πآنها بسيار قطبي است).
مقايسه نقطه جوش و انجماد اين سه مولكول مشابه، بيانگر تغييرات خواص فيزيكي زياد آنهاست كه علت آن، تغيير ساختمان شيميايي اندك آنهاست:

 ب- هترواتمها
هترواتمها مي توانند جايگزين اتمهاي كربن در ساختمان مولكولي قير شوندو هر جند شيمي آنها با كربن متفاوت است ولي چون پيوندهاي هيدروژني بيشتري مي پذيرد لذا با تشكيل تجمع هاي بين مولكولها،خواص شيميايي وفيزيكي خاصي ايجاد مي نمايند. اين پيوندها به خاطر قطبي شدن مولكولهاست كه هترواتمها در مولكول ايجاد مي نمايند. نوع و مقدار هترواتمهادر قير بستگي به نفت خام و ميزانپيرشدگي آن دارد. مخصوصا گوگرد نقش مهمتري در پيرشدگي قير دارد زيرا در مقايسهبا كربن و هيدروژن تمايل بيشتري به واكنش داشته و راحت تر از هيدروكربنها اكسيد مي شود. لذا هترو اتمها تاثير مهمي بر رفتار مكانيكي قير بجا مي گذارند.

ج- فلزات
هر چند ميزان فلزات در قير بسيار ناچيز بوده ( كمتر از يك درصد) با اين حال نقش مهمي در فرآيند پيرشدگي قير بازي مي كنند. از فلزات موجود در قير مي توان رد پاي منشاء نفت خامي را كه قير از آن توليد شده، پيدا نمود.مجموعه هيدروكربنها،هترواتمها و فلزات در ميليونها مولكول تركيب شده و قير را ايجاد مي نمايند. هر قير ، مجموعه و ترتيبي منحصر به فرد از اين مولكولها را دارد كه اين مولكولها به طريق مختلف برهم كنشهايي با يكديگر دارند كه در نتيجه بر رفتار شيميايي و تجمع يافتگي آنها موثر است

ساختار قیر
قیرها از نظر فیزیکی یک ماده هموژن می باشند با این حال این مواد از نظر شیمیایی یک مخلوط ناهمگن ( هتروژن ) از ترکیبات شیمیایی مختلف می باشند. علی رغم این مسأله همه قیرها دارای یک سری خصوصیات و خواص مشترک می باشند. ساختار اتمی قیرها که به روش تجزیه شعله یا سایر روش ها به دست آمده حاکی از آن است که حدود 90% قیر را از اتمهای کربن و هیدروژن تشکیل می دهند و همچنین اغلب قیرها دارای نیتروژن، گوگرد و اکسیژن به نسبت های مختلف ولی کم می باشند.
مقادیر ناچیز از سایر اتمهای فلزی مختلف نیز معمولا یافت می شوند ولی روشن است که تاثیری بر خواص قیر ندارند. قیر، یا به بیان بهتر مواد قیری مخلوط بسیار متنوعی از طیف وسیع هیدروکربونها می باسند که در انواع دسته بندی های اشباع و غیر اشباع، حلقوی و غیر حلقوی، قطبی و غیر قطبی قرار می گیرند. ضمنا پاره ای از هیدروکربنها علاوه بر کربن و هیدروژن دارای عناصر دیگر ( Hetero Atoms ) در ساختار خود می باشند.
با این مقدمه آشکار است که هر گونه تلاشی برای تجزیه مولکولی قیرها بی حاصل خواهد بود و نیز به همین دلیل است که اطلاعات مندرج در منابع و استانداردهای قیر جملگی به روش های تفکیک توسط حلالهای آلی و کروماتیکی برای جداسازی گروه هایی از اجزا با خواص مشابه تاکید دارند. از سلسله مراحلی که در تفکیک اجزای قیر ها کاربرد فراوان داشته و امروزه نیز مورد پذیرش و تایید اغلب متخصصین می باشد عبارت است از تفکیک قیر به مؤلفه های نسبتا مشخص به نام آسفالتن Asphaltene  و مالتن Maltene و همچنین تقسیم مالتن به مؤلفه های نسبتا ابهام آمیز به نام رزین ها Resins و روغن ها Oils.
روش معتبر ASTM یا روش Corbett برای تفکیک قیر به چهار فراکنش نیز بر پایه تقسیم بندی فوق استوار می باشد .
 
 روش تفكيك شيميايي گروه هاي سازنده قير

 ابتدا قیر را با یک حلال پارافینی خالص ( نظیر نرمال هپتان ) مجاور می نمایند و لذا آسفالتن ته نشین شده و پی از فیلتراسیون و خشک کردن پودری با رنگ قهوه ای تیره تا سیاه به دست می آید که در بنزن تتراکلرید کربن و دی سولفید کربن محلول است. اما در هیدروکربن های پارافینی خالص نامحلول است. آسفالتن از درجه آروماتیسیته بالایی برخوردار بوده و دارای گروه های حلقوی متراکم و در هم رفته است.
 
ساختمان شيميايي آسفالتن ها
مطالعات طیف نگاری روی گروه های سازنده قیر دو پارامتر مهم یعنی جرم مولکولی M و نسبت هیدروژن به کربن H/C را به دست می دهد. از این پارامترها می توان برای مقایسه میزان پیچیدگی و تراکم مولکولهای هر دو گروه استفاده کرد. فاز محلول باقی مانده را مالتن Maltene می نامند.
پس از جداسازی آسفالتن قیر برای جدا کردن سایر اجزا از مالتن از خاصیت کروماتوگرافی بهره می گیرند. بدین ترتیب که یک بستر و حلال های مناسب را انتخاب می کنند. معمولا خاک رس، اکسید آلومینیم فعال شده و یا سییکاژن به عنوان بستر به کار می روند. برای جداسازی رزین ها ابتدا بستر را توسط مالتن شارژ می نمایند و سپس از حلال های مناسب نظیر بنزن، مخلوط بنزن – متانول و تری کلرواتیلن استفاده می کنند.
رزین ها جامدات بی شکلی با رنگ متمایل به قرمز تا قهوه ای تیره هستند که در هیروکربن های نفتی سبک محلول می باشند. انتخاب نام رزین برای این گروه از این جهت است که تبخیر محلول های آنها همچون رزین های طبیعی و سنتزی، فیلم پیوسته ای بر جای می گذارد. ساختار این گروه در شکل زير نشان داده شده است.روغن ها اجزای باقی مانده نامحلول پس از جداسازی رزین ها می باشند که شامل انواع مختلف هیدروکربن ها بوده و می توانند به اجزای آروماتیک، سیکوپارافینیک و آلیافاتیک نیز تفکیک شوند. 
 

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: