Система. Коллоидно-химические свойства битума

Нелленштейн еще в 1923 году предложил следующую теорию строения битумов: лиофобные части окружены лиофильными частицами, что защищает их от слияния друг с другом, от масляной фазы или среды, в которой суспендированы данные коллоидные образования, названные мицеллами [30].

Полагают, что компоненты с наиболее четко выраженными ароматическими свойствами и с наибольшей молекулярной массой ближе примыкают к ядру коллоидной мицеллы. Вокруг ядра располагаются последовательно слои компонентов все более низкой молекулярной массы и с постепенно снижающейся ароматичностью, переходящей в интермицеллярную жидкость.

Объяснение коллоидной структуры битумов по Тракслеру [8] заключается в следующем: вокруг ядра коллоидной мицеллы последовательно располагаются компоненты все более низкой молекулярной массой со снижающейся ароматичностью, переходящие в межмолекулярную среду с отсутствием границы раздела фаз.

Ряд отечественных и зарубежных ученых, таких как Р.С. Сергиенко, А.С Колбановская, И.М. Руденская, В.В. Михайлов, А.И. Лысихина, И.Пфейффер, Л. Корбет. Г. Олиензис, Р. Тракслер, и др., проводили исследования структуры и свойств битумов. В их работах была установлена роль отдельных компонентов: асфальтенов, смол и масел в формировании структуры. Представление о структуре битумов, определяемой соотношением и взаимодействием асфальтенов, смол и масел, сводится к следующему:

- битумы - дисперсная система, которая в зависимости от условий может быть в состоянии коллоидных растворов или суспензий;

- битумы - раствор высокомолекулярных соединений, который в зависимости от тех или иных условий может быть коллоидным или истинным[30].

По модели, предложенной З.И. Сюняевым, нефть, нефтяные остатки, в том числе и битумы, состоят из сложных структурных единиц -надмолекулярных структур (ассоциатов) различной толщины сольватной оболочки, прочности связей и упорядоченности [8,31]. Особенностью последних, в отличие от классических дисперсных систем, является то, что они формируются в системе, состоящей из большого числа компонентов, в том числе, относящихся к различным классам органических соединений с мало различающимися потенциалами межмолекулярного взаимодействия.

Таким образом, общепринято [24,32] считать битумы специфическими нефтяными дисперсными системами, состоящими из дисперсной фазы, представляющей собой ассоциаты асфальтенов и смол, и сплошной фазы (матрицы) - раствора н- и изоалканов и ароматических (алкилароматических) углеводородов или спиртобензольных смол. Дисперсная фаза обеспечивает прочностные свойства битума, а углеводородная матрица придает ему вязкость и пластичность. Большую роль в дисперсных системах играют поверхностные явления.

В битумах дисперсионной средой являются мальтены (сумма масел и смол), дисперсной фазой - асфальтены. Устойчивость системы зависит от степени родства мальтенов и асфальтенов которое с определенным приближением можно расценить как разность между степенью ароматичности (отношение числа атомов углерода, входящих в ароматические структуры, к общему числу углеродных атомов в молекуле) асфальтенов и мальтенов. Чем меньше эта разность отличается от значения 0,13, тем более устойчива система битума, тем медленнее он стареет. Таким образом, для долговечности битума (устойчивости его коллоидной структуры) необходимо наличие ароматических масел и смол. Поэтому лучшим сырьем для получения окисленных битумов являются гудроны, содержащие небольшое количество парафино-нафтеновых углеводородов [33].

Битумы принято делить на 3 типа:

1. К первому типу относят битумы, течение которых под действием постоянного напряжения сдвига подчиняется закону Ньютона[34]. Для таких битумов с момента наступления деформации скорость течения постоянна и пропорциональна напряжению сдвига. Когда напряжение снимают, наступает состояние неэластичной упругости. Битумы этого типа представляют собой золи.

2. Битумы второго типа - это вещества, у которых при постоянном напряжении сдвига скорость течения после начала деформации снижается и через некоторое время становится практически постоянной. Когда напряжение снимают, эластичность частично восстанавливается. Коллоидное состояние битумов этого типа - золь-гель.

3. У битумов третьего типа при постоянном напряжении сдвига в начале деформации скорость течения снижается до минимума, а затем повышается. После снятия напряжения, упругость восстанавливается. Битумы этого типа имеют коллоидную структуру геля [1,35].

Коллоидная структура битумов зависит от содержания и природы асфатьтенов и мальтенов.

Структура битума (золь или гель) определяется степенью пептизации асфальтенов и зависит от относительного содержания в битуме ароматических углеводородов с алифатическими цепями различной длины [33].

Высокое содержание ароматических соединений в мальтеновой части битумов противодействует стремлению молекул асфальтенов к ассоциации в более крупные агрегаты, что приводит к образованию небольших мицелл, и битум в результате находится в состоянии золя (рис. 1.3).

Наоборот, низкое содержание ароматических соединений ведет к образованию крупных агрегатов и битум находится в состоянии геля [36] (рис. 1.3).

Рис. 3. Структура битум - золь

По классическим представлениям мицелла имеет строение концентрически расположенных сферических слоев. В центре находятся полярные молекулы асфальтенов, сольватированные смолами. Внешние оболочки составляют ароматические соединения с уменьшающейся степенью полярности.

Существует и другое представление о строении мицеллы, согласно которому конденсированные ароматические структуры стремятся собираться в «пачки» - листы (гроздья), входящие в состав молекул асфальтенов. Такие гроздья могут входить и в состав молекул смол и масел. Участие в образовании «пачек» молекул смол и ароматической части масел обусловливает образование мицелл.

Механизм стабилизации битумной коллоидной системы можно объяснить тремя факторами:

1. Образование на поверхности частиц двойного электрического слоя, обусловливающего возникновение энергетического барьера, который препятствует сближению частиц на расстояние, где действуют интенсивные молекулярные силы притяжения - теория устойчивости коллоидных растворов Б. В. Дерягина и Л. Д. Ландау.

2. Образование на поверхности частиц достаточно мощного сольватного слоя из молекул среды; эта сольватная оболочка исключает слипание частиц при соударении, как в результате своих упругих свойств, как и вследствие того, что на границе сольватного слоя и свободной среды отсутствует сколько-нибудь заметное поверхностное натяжение.

3 Образование на поверхности частиц адсорбционной оболочки, обладающей структурной вязкостью при малых градиентах скорости и представляющей собой структурно-механический барьер (положение, разработанное А. А. Ребиндером) [37,38].

Для характеристики степени коллоидности битума используют показатель - индекс пенетрации. По индексу пенетрации битумы подразделяют на три группы:

1. Битумы с индексом пенетрации менее -2, не имеющие дисперсной фазы или содержащие сильно пептизированные асфальтены. Это битумы типа «золь».

2. Битумы с индексом пенетрации от -2 до +2, битумы типа «золь-гель». Это остаточные и мало окисленные битумы.

3. Битумы с индексом пенетрации более +2 имеют выраженные коллоидные свойства «гелей». Чаще всего это окисленные битумы [1].