Մակերևութային ակտիվ նյութերի կիրառումը ճանապարհաշինարարության մեջ

Մակերևութային ակտիվ նյութերը (հայտնի են նաև որպես մակերևութային ակտիվ նյութեր) անփոխարինելի քիմիական օժանդակ նյութեր են արդյունաբերության և գյուղատնտեսության զարգացման գործում՝ փոքր դեղաչափերով նշանակալի արդյունքների հասնելու առավելությամբ: Հատկապես Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո, նավթաքիմիական արդյունաբերության զարգացման հետ մեկտեղ, արագ զարգացող սինթետիկ մակերևութային ակտիվ նյութերի արդյունաբերությունը հետագայում խթանեց մակերևութային ակտիվ նյութերի կիրառումը տարբեր ոլորտներում, ինչպիսիք են նավթը, տեքստիլը, թունաքիմիկատները, բժշկական բուժումը, մետալուրգիան, հանքարդյունաբերությունը, մեքենաշինությունը, շինարարությունը, ճանապարհաշինությունը, ավիացիան, սնունդը, շրջակա միջավայրի պաշտպանությունը, լվացումը և ներկումը և այլն: Այս հոդվածը կանդրադառնա մակերևութային ակտիվ նյութերի՝ որպես ասֆալտային էմուլգատորների կիրառմանը մայրուղիների ճարտարագիտության մեջ:

1. ՍահմանումՄակերևութային ակտիվ նյութեր

Երկարատև արտադրական պրակտիկայում մարդիկ պարզել են, որ որոշ նյութերի լուծույթները կարող են զգալիորեն փոխել լուծիչների մակերևութային հատկությունները նույնիսկ շատ ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում, ինչը դրանք հարմար է դարձնում որոշակի արտադրական պահանջների համար, ինչպիսիք են լուծիչի մակերևութային կամ միջերեսային լարվածության նվազեցումը, թրջվելու ունակությունը, լվացողունակությունը, էմուլգացնող և փրփրացնող հատկությունների բարձրացումը և այլն: Օճառը, որը հաճախ օգտագործվում է առօրյա կյանքում, այդպիսի նյութերից մեկն է: Օճառի նման նյութերի նշանակալի առանձնահատկությունն այն է, որ ջրին փոքր քանակությամբ ավելացնելը կարող է զգալիորեն նվազեցնել ջրի մակերևութային լարվածությունը:

Գիտության և տեխնոլոգիայի զարգացման, ինչպես նաև արտադրության զարգացման հետ մեկտեղ, մարդիկ խորը հետազոտություններ են անցկացրել նման նյութերի հատկությունների և գործառույթների վերաբերյալ և տվել են մակերևութային ակտիվ նյութերի համեմատաբար ճշգրիտ սահմանում: Այսինքն՝ մակերևութային ակտիվ նյութը քիմիական նյութ է, որը կարող է զգալիորեն նվազեցնել լուծիչի (սովորաբար ջրի) մակերեսային լարվածությունը (կամ հեղուկ-հեղուկ միջմակերեսային լարվածությունը) շատ ցածր կոնցենտրացիաների դեպքում, փոխել համակարգի մակերեսային վիճակը, դրանով իսկ առաջացնելով մի շարք ազդեցություններ, ինչպիսիք են թրջումը և հակաթրջումը, էմուլգացումը և դեմուլգացումը, դիսպերսիան և կոագուլյացիան, փրփրացումը և փրփրազերծումը, ինչպես նաև լուծելիացումը:

2. Մակերևութային ակտիվ նյութերի կառուցվածքային բնութագրերը

Մակերևութային ակտիվ նյութերի մոլեկուլները բաղկացած են երկու մասից՝ բոլորովին տարբեր հատկություններով. մի մասը լիպոֆիլ խումբն է (հայտնի է նաև որպես հիդրոֆոբ խումբ), որը զգայուն է յուղի նկատմամբ, իսկ մյուս մասը՝ հիդրոֆիլ խումբը (հայտնի է նաև որպես օլեոֆոբ խումբ), որը զգայուն է ջրի նկատմամբ: Մակերևութային ակտիվ նյութերի այս կառուցվածքային առանձնահատկությունը, երբ դրանք լուծվում են ջրում, առաջացնում է հիդրոֆիլ խմբերի ձգում ջրի մոլեկուլներով, մինչդեռ լիպոֆիլ խմբերի դեմ պայքարը ջրի մոլեկուլների կողմից: Այս անկայուն վիճակը հաղթահարելու համար դրանք պետք է զբաղեցնեն հեղուկի մակերեսը, լիպոֆիլ խմբերի միջոցով տարածվելով մթնոլորտ, իսկ հիդրոֆիլ խմբերի միջոցով՝ ջուր:

Չնայած մակերևութային ակտիվ նյութերի մոլեկուլների կառուցվածքային բնութագիրն այն է, որ դրանք ամֆիֆիլ մոլեկուլներ են, ոչ բոլոր ամֆիֆիլ մոլեկուլներն են մակերևութային ակտիվ նյութեր: Միայն բավականաչափ երկար լիպոֆիլ մաս ունեցող ամֆիֆիլ նյութերն են մակերևութային ակտիվ նյութեր:

Օրինակ՝ ճարպաթթուների նատրիումի աղերի շարքում, փոքր թվով ածխածնի ատոմներ ունեցող միացությունները (օրինակ՝ նատրիումի ֆորմատ, նատրիումի ացետատ, նատրիումի պրոպիոնատ, նատրիումի բուտիրատ և այլն) բոլորն ունեն լիպոֆիլ և հիդրոֆիլ խմբեր և ունեն մակերեսային ակտիվություն, բայց դրանք չեն գործում որպես օճառ և, հետևաբար, չեն կարող կոչվել մակերևութային ակտիվ նյութեր: Միայն այն դեպքում, երբ ածխածնի ատոմների քանակը որոշակի չափով աճում է, նատրիումի ճարպաթթուները ցուցաբերում են ակնհայտ մակերեսային ակտիվություն և ունեն օճառի ընդհանուր հատկություններ: Բնական կենդանական և բուսական յուղերի և ճարպերի մեծ մասը ճարպաթթուների էսթերներ են, որոնք պարունակում են 10-ից 18 ածխածնի ատոմ: Եթե այս թթուները միացվեն հիդրոֆիլ խմբի հետ, դրանք կդառնան որոշակի աստիճանի լիպոֆիլիկ և հիդրոֆիլիկ մակերևութային ակտիվ նյութեր և կունենան լավ լուծելիություն:

3. Մակերևութային ակտիվ նյութերի կիրառումըՃանապարհային ճարտարագիտություն

3.1.Մակերևութային ակտիվ նյութեր ևասֆալտի էմուլգատորներ

Ասֆալտային էմուլգատորը մակերևութային ակտիվ նյութի տեսակ է: Էմուլգատորներն ու լվացող միջոցները ունեն ընդհանուր հատկություններ, ինչպիսիք են կլանողականությունը, կողմնորոշումը, կոլոիդային իոններ առաջացնելու ունակությունը և միջմակերեսային լարվածությունը նվազեցնելու ունակությունը: Այնուամենայնիվ, որպես էմուլգատոր, այն պետք է ունենա նաև թաղանթ առաջացնող հատկություններ: Հատկապես ասֆալտային էմուլգատորների համար, դրանք պետք է ունենան համապատասխան ածխածնային շղթայով ալկաններ՝ ասֆալտի հետ ավելի լավ էմուլգացնելու համար:

3.2.Ասֆալտային էմուլգատորների դասակարգում

Էմուլգատորները դասակարգվում են իոնային և ոչ իոնային տեսակների՝ կախված նրանից, թե արդյոք էմուլգատորի մոլեկուլների հիդրոֆիլ խմբերը կրում են լիցքեր, երբ էմուլգատորները լուծվում են ջրում: Իոնային էմուլգատորները բաժանվում են կատիոնային, անիոնային և ամֆոտերային իոնային տեսակների՝ ջրում իոնացումից հետո դրանց հիդրոֆիլ խմբերի կրած լիցքերի տարբերությունների պատճառով:

Անիոնային ասֆալտի էմուլգատորի հումքը էժան է և հեշտությամբ հասանելի, իսկ արտադրության գործընթացը պարզ է։ Հետևաբար, ամենավաղ արտադրված էմուլգացված ասֆալտը անիոնային էմուլգացված ասֆալտն էր, որը, որպես կանոն, միջին կարծրացման տեսակի է, և կան նաև որոշ դանդաղ կարծրացման տեսակներ։ Այն կարող է օգտագործվել շաղախի կնքման, ներթափանցման, մակերեսային մշակման և այլնի համար։ Չնայած անիոնային էմուլգատորներն ունեն գնային առավելություններ, դրանք մեծ ազդեցություն ունեն ասֆալտի սկզբնական հատկությունների վրա, և շինարարության ընթացքում առաջանում են բազմաթիվ խնդիրներ։ Հետևաբար, դրանք կիրառելիս անհրաժեշտ է հաշվի առնել արժեքի, շինարարության ազդեցության և շինարարության որակի համապարփակ ազդեցությունը։

Cատիոնային էմուլգատորaՉնայած այն զարգացել է համեմատաբար ուշ, պրակտիկան ցույց է տվել, որ այն ավելի լավ է կպչում տարբեր հանքային նյութերին՝ արագ ձևավորման արագությամբ, բարձր վաղ ամրությամբ և ցածր դեղաչափով: Այն ոչ միայն ընդգծում է անիոնային էմուլգատորների առավելությունները, այլև լրացնում է դրանց թերությունները, այդպիսով մեծ ուշադրություն գրավելով իր մշակման պահից ի վեր: Կատիոնային ասֆալտային էմուլգատորներն ունեն լայն տեսականի և տարբեր դասակարգման մեթոդներ: Դրանք սովորաբար դասակարգվում են իրենց քիմիական կառուցվածքների համաձայն, և տարածվածները հիմնականում ներառում են ալկիլ ամիններ, քառորդական երկաթի աղեր, լիգնին ամիններ, իմիդազոլիններ և այլն:

Ցվիտերիոնային էմուլգատորի մոլեկուլները պարունակում են ինչպես թթվային, այնպես էլ հիմնային խմբեր և հեշտությամբ առաջացնում են «ներքին աղեր»։ Ցվիտերիոնային էմուլգատորների ջրային լուծույթների առանձնահատկությունն այն է, որ դրանց էլեկտրական լիցքը փոխվում է pH-ի արժեքի տատանումների հետ։ Դրանք ունեն կալցիումի դիսպերսիայի ուժեղ ունակություն կոշտ ջրում և լավ համատեղելիություն էմուլգատորների այլ տեսակների հետ, սակայն դրանց գինը համեմատաբար բարձր է։

Ոչ իոնային էմուլգատորների մեծ մասը ստացվում է էթիլենօքսիդի և ակտիվ ջրածին պարունակող միացությունների (օրինակ՝ ֆենոլներ, սպիրտներ, կարբօքսիլաթթուներ, ամիններ և այլն) փոխազդեցության միջոցով: Դրանց ակտիվությունը կապված է ոչ միայն հիդրոֆոբ ալկիլային խմբերի, այլև պոլիօքսիէթիլենային շղթաների երկարության հետ: Դրանք ունեն բարձր մակերևութային ակտիվություն, կայունություն և լավ էմուլգացնող ունակություն, ցուցաբերում են լավ համատեղելիություն այլ էմուլգատորների և դրանց հավելումների հետ, ինչպես նաև ունեն որոշակի քելացնող ազդեցություն մետաղական իոնների վրա: Դրանց ակտիվությունը անկախ է լուծույթի pH արժեքից, և փուլային ինվերսիայի ջերմաստիճանում (PIT) առաջացած էմուլսիան ամենակայունն է:

3.3.Ասֆալտային էմուլգատորների գործողության սկզբունքը

Երբ էմուլգատորի կոնցենտրացիան չափազանց ցածր է, էմուլգատորի մոլեկուլները շատ քիչ են։ Օդի և ջրի միջև ընկած միջերեսում անհնար է կուտակել էմուլգատորի մոլեկուլների մեծ քանակություն։ Մակերեսին այն գրեթե անմիջական շփման մեջ է օդի և ջրի հետ, և մակերեսային լարվածությունը մնում է գրեթե անփոփոխ՝ դեռևս մոտ մաքուր ջրի մակերեսային լարվածությանը։

Երբ էմուլգատորի կոնցենտրացիան համապատասխանաբար մեծանում է, էմուլգատորի մոլեկուլները արագորեն հավաքվում են ջրի մակերեսին՝ նվազեցնելով օդի և ջրի միջև շփման մակերեսը, դրանով իսկ առաջացնելով մակերեսային լարվածության արագ անկում։

Երբ էմուլգատորի կոնցենտրացիան ավելի է մեծանում և հասնում որոշակի արժեքի, ջրային լուծույթի մակերեսին կուտակվում են էմուլգատորի մոլեկուլների մեծ քանակություն՝ առաջացնելով լուծույթի մակերեսը ծածկող մոնոմոլեկուլային թաղանթ, որն ամբողջությամբ մեկուսացնում է ջրային լուծույթը օդից և կայունացնում մակերեսային լարվածությունը: Եթե էմուլգատորի կոնցենտրացիան մի փոքր էլ ավելանում է, էմուլգատորի մոլեկուլները այլևս չեն կարող կուտակվել ջրի մակերեսին, այլ ինքնահավաքվում են միցելների կամ միցելային ագրեգատների մեջ՝ լիպոֆիլ խմբերը ուղղված դեպի ներս, իսկ հիդրոֆիլ խմբերը՝ դեպի դուրս: Միցելները կամ միցելային ագրեգատները սկսելու համար նախատեսված նվազագույն կոնցենտրացիան սովորաբար կոչվում է կրիտիկական միցելային կոնցենտրացիա (ԿՄԿ):

Միցելի կրիտիկական կոնցենտրացիային հասնելուց հետո, եթե էմուլգատորի կոնցենտրացիան շարունակի աճել, մակերեսային լարվածությունը այլևս չի նվազի: Քանի որ մակերեսին արդեն ձևավորվել է մոնոմոլեկուլային թաղանթ, էմուլգատորի մոլեկուլները հակված են միաձուլվել և մոտենալ միմյանց՝ շարունակելով ագրեգացվել միցելների մեջ, այդպիսով առաջացնելով էմուլսիայում միցելների քանակի անընդհատ աճ:

Ասֆալտի էմուլգացումը էմուլգացնող գործողության կարևոր կողմ է: Յուղ-ջուր լուծույթին էմուլգատոր ավելացնելուց հետո, էմուլգատորի երկու խմբերը դասավորվում են ուղղորդված ձևով՝ միացնելով յուղի և ջրի երկու միջերեսները, այդպիսով կանխելով դրանց միմյանց վանելը: Խառնելուց և ցրելուց հետո ասֆալտը կարող է կայունորեն ցրվել ջրի մեջ մանր մասնիկների տեսքով:

Եզրակացություն

Ասֆալտային էմուլգատորների օրինակով, այս հոդվածը ներկայացնում է մակերևութային ակտիվ նյութերի կառուցվածքային բնութագրերի, աշխատանքային սկզբունքների և կիրառման վիճակի համապարփակ ներածություն և վերլուծություն: Մակերևութային ակտիվ նյութերը կարող են արդյունավետորեն նվազեցնել ջրի մակերեսային լարվածությունը, ուժեղորեն կլանել մակերևութային ակտիվ նյութերի մոլեկուլները տարբեր այլ միջերեսների վրա և հաճախ ունենալ որոշակի աստիճանի ուղղորդված կլանում: Հենց այս ուղղորդված կլանումն է, որը թույլ է տալիս մակերևութային ակտիվ նյութերին ունենալ բազմաթիվ գործառույթներ, ինչպիսիք են էմուլգացումը, դեմուլգացումը, փրփրացումը, դիսպերսիան, կոագուլյացիան և թրջումը: Ասֆալտային էմուլգատորները գործում են՝ օգտագործելով մակերևութային ակտիվ նյութերի էմուլգացնող ազդեցությունը: Անկախ նրանից, թե տնտեսական կատարողականի, թե շրջակա միջավայրի պաշտպանության տեսանկյունից, սառը շինարարությունը պետք է լինի 21-րդ դարի ճանապարհաշինության զարգացման կարևոր միտում, և էմուլգատորները այս տեխնոլոգիայի միջուկն են: Էմուլգատորների աշխատանքի հետազոտությունը և կատարելագործումը, անշուշտ, խորը ազդեցություն կունենան սառը շինարարության վրա: