Главная → Статьи

Cостав и структура битумов

По своему химическому составу битум представляет собой вещество, состоящее из смеси различных углеводородов. Часть этих углеводородов растворима, ненасыщена и способна к конденсации и полимеризации (мальтены); другая часть нерастворима в низко-молекулярных, алифатических углеводородах и при нагревании не размягчается, а разлагается, набухает и спекается (асфальтены).

При обыкновенной температуре масла представляют собой жидкую часть битума — минеральные масла с удельным весом меньше единицы. Они понижают твердость и температуру размягчения битумов, увеличивают их текучесть и испаряемость.

Смолы при обыкновенной температуре — это твердая масса красновато-бурой окраски; смолы тяжелее масел, но их удельный вес также меньше единицы; температура размягчения — ниже 100°. Смолы повышают твердость битумов и увеличивают их пластичность и растяжимость.

Асфальтены — твердые, хрупкие и неплавкие вещества, которые при нагревании до 300° и выше не размягчаются, а разлагаются с выделением газов и образованием кокса. Асфальтены являются продуктом полимеризации, конденсации и дегидрогенизации смол и вообще ароматических нафтеновых углеводородов с более низким молекулярным весом. Удельный вес асфальтенов больше единицы; они черного цвета с характерным блеском и сильной окрашивающей способностью.

Асфальтены, так же как и смолы, состоят из высокомолекулярных, но еще более полимеризованных углеводородов, являются наиболее уплотненной частью битумов и придают последним твердость, тугоплавкость и хрупкость.

Характерными особенностями асфальтенов являются: полная нерастворимость их в петролейном эфире и легкая растворимость в ароматических углеводородах, хлороформе, четыреххлористом углероде, сероуглероде и т. п. растворителях. Эти особенности, вероятно, объясняются ароматическим характером углеводородов, входящих в состав’ асфальтенов. Таким образом, с помощью петро-лейного эфира асфальтены легко и полностью осаждаются из указанных растворов, на чем и основано выделение асфальтенов из битума.

Выделение из битумов масел и смол основано также на степени их растворимости в соответствующих растворителях. Так например, масла и смолы легко растворяются в петролейном эфире, а асфальтены, как указывалось выше, в петролейном эфире не растворяются.

Отделение смолот масел, как известно, основано на способности смол адсорбироваться различными адсорбентами, из которых лучшим является силикагель.

Кроме масел, смол и асфальтенов, в битумах содержатся в значительно меньших количествах более сложные вещества — карбе-ны, карбоиды, асфальтогеновые кислоты и их ангидриды.

Капбены и карбоиды по внешнему виду похожи на асфальтены, 0 обладают более черным цветом и, вероятно, являются продуктом полимеризации и конденсации последних, так как ближе стоят к элементарному углероду. Карбены не растворимы в четырех-хлористом углероде, но растворимы в сероуглероде.

Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды обладают коричнево-серым цветом и имеют густую смолистую консистенцию. Они легко растворяются в спирте или хлороформе и трудно — в бензине. Удельный вес больше единицы. Роль асфальтогенных кислот и их ангидридов в битуме сводится к защите коллоидной структуры битума.

По своей структуре нефтяной битум представляет собой ясно выраженную коллоидную систему из битумных мицелл, смешанных с тяжелыми, истинно вязкими, маслами. Эти мицеллы могут быть в различной степени, агрегированы (объединены) и пептизи—рованы (расщеплены) и в зависимости от этого образуют системы с разными физическими свойствами (золи, золи-гели, гели). Предполагается, что центрами мицелл являются асфальтены, состоящие, как указывалось выше, из высокомолекулярных углеводородов преимущественно ароматического характера.

Весьма важным фактором является то обстоятельство, что большинство асфальтенов имеет ясно выраженную тенденцию к адсорбции ароматических углеводородов и эта способность тем больше, чем меньше была горячая обработка битума. Благодаря этой тенденции битумная мицелла образуется путем адсорбции части мальтенов на поверхности асфальтеновых частиц. Эта часть адсорбируемых мальтенов состоит главным образом из ароматических или смешанных ароматическо-нафтеновых и алифатических углеводородов, являющихся по сути дела смолами; другая часть мальтенов, часто называемая петроленами, является маслянистой частью битумов и составляет среду для битумной мицеллы.

Структура самой мицеллы такова, что вещества с наибольшим молекулярным весом и с наиболее резко выраженным ароматическим характером сгруппированы наиболее близко к ядру — к центру мицеллы. Эти вещества, в свою очередь, окружены более легкими компонентами менее ароматического характера, и тяжая группировка компонентов продолжается до постепенного, почти без перерыва, перехода к межмицеллярной фазе — к маслам.

Таким образом, в структуре мицеллы нет ясной поверхности раздела. Ни снаружи мицеллы, ни вокруг ее ядра нет соприкосновения веществ с ясно выраженным различием в свойствах — например, в поверхностном натяжении. Вследствие этого невозможно провести четкую границу между так называемыми смолами и маслами.

Если вся система содержит достаточное количество компонентов для образования наружных оболочек мицелл, то асфальтены полностью пептизированы (расщеплены) и могут двигаться в битуме настолько свободно, насколько это позволяет вязкость межмицеллярной фазы, т. е. образуется структура «золь» (рис. 1 а).

При недостаточном количестве смол часть сил, приводящих к образованию мицеллы, не компенсируется адсорбцией этих смол. Мицеллы будут взаимно притягиваться (рис. 1,6), образуя род

связи в местах, где они случайно настолько сближаются, что попадают в область минимальной потенциальной энергии, образованной при уравновешивании сил взаимного притяжения и отталкивания. После этого сближения, для удаления мицелда из области минимальной потенциальной энергии, требуется затрата некоторой силы; этим ,и объясняется большая устойчивость такой промежуточной структуры по сравнению со структурой «золь».

Таким же образом образуется и структура «гель», которую можно рассматривать как неправильной формы пространственную структурную решетку из агрегатов мицелл, пронизывающих весь объем битума, причем пространства между агрегатами оказываются заполненными м ежм и цел ля р ной жидкостью (рис. 1,в). Такая структура может проявить эластичность и тиксотропию, чем фактически и характерен битум при нормальных температурах.

Битумы могут иметь и указанную выше промежуточную структуру «золь-гель» (рис. 1,6), в которой часть мицелл будет объединена в агрегаты, а часть свободно диспергирована в межмицеллярной фазе. По изложенной выше теории о строении битумов пептизирующая (расщепляющая) сила мальтенов зависит главным

образом от содержания в них ароматических колец и от молекулярного веса ароматических фракций.

Установлено, что битумы, имеющие структуру геля (вообще продутые битумы), содержат только небольшие количества высокомолекулярных жидких ароматических соединений (или смол), а также мальтены, которые сравнительно бедны ароматикой. Битумы, имеющие структуру золя, содержат значительно больше ароматических соединений.

Исследованиями реологических, т. е. структурно-механических свойств синтетических битумов при помощи коаксиального вискозиметра установлено, что природа мальтенов заметно влияет на тенденцию асфальтовых битумов к образованию структуры геля. Для определенного содержания асфальтенов эта тенденция отсутствует при наличии избытка ароматики и увеличивается, когда содержание ароматики в мальтенах понижается.

Асфальтены, имеющие сравнительно низкое отношение С: Н (углерода к водороду), легко растворяются и прочно удерживают оболочки растворителя; но если мальтены содержат ароматики меньше, чем это необходимо для создания оболочки, то асфальтены образуют гель.

Асфальтены, имеющие высокое отношение С : Н, требуют мальтенов с высоким содержанием ароматики для того, чтобы образовать стабильный золь.

Ваш отзыв