1- مدل های کلوئیدی ساده
قیر را به طور سنتی یک سیستم کلوئیدی در نظر می گیرند که شامل میسل های آسفالتین با وزن مولکولی بالا، پخش شده یا حل شده در یک محیط روغنی با وزن مولکولی پایین تر (مالتین ها) می باشد. در ساختار کلوئیدی قیر، میسل ها را مولکول های آسفالتن احاطه شده به وسیله رزین های آروماتیک در نظر می گیرند، که این پوشش به عنوان لایه حل کننده و تثبیت کننده ساختار کلوئیدی عمل می کند.
در صورت وجود مقادیر کافی رزین ها و آروماتیک های با قدرت حل کنندگی مناسب، آسفالتن ها به طور کامل به حالت کلوئیدی در می آیند و میسل های حاصل توانایی حرکت خوبی را درون قیر خواهند داشت. به این حالت «سل» گفته می شود، که در شکل 1 نشان داده شده است.
اگر نسبت آروماتیک/رزین، برای کلوئیدی کردن میسل ها کافی نباشد یا قدرت حل کنندگی کافی نداشته باشند، اتصال و بهم پیوستگی آسفالتن ها افزایش خواهد یافت. این امر می تواند یک ساختار متراکم منظم و باز از میسل های متصل به هم را ایجاد کند، که در آن حفره های داخلی با یک سیال میان میسلی مربوط به به ساختار مخلوط پر شده اند. در این حالت، قیرها از نوع ژله ای می باشند، که در شکل 2 نشان داده شده است. بهترین مثال برای این نوع قیرها، قیرهای اکسید شده است که برای عایقکاری و پوشش بام ها مورد استفاده قرار می گیرند. در عمل بیشتر قیرها دارای ویژگی های میانی و متوسط هستند.
رفتار کلوئیدی آسفالتن ها در قیر ناشی از تجمع و حلال پوشی آنها می باشد. میزان تمایل کلوئیدی شدن آسفالتن ها، اثر قابل توجهی بر روی ویسکوزیته نهایی سیستم دارد. این اثرات با افزایش دما، کاهش می یابد و خاصیت ژلی قیرهای مشخص ممکن است هنگامی که تا دماهای بالا حرارت داده می شوند، از بین برود. ویسکوزیته رزین ها، آروماتیک ها و اشباع شده ها به توزیع وزن مولکولی و برهمکنش بین مولکول ها بستگی دارد. هر اندازه وزن مولکولی بالاتر و میزان برهمکنش بیشتر باشد، مقدار ویسکوزیته بالاتر خواهد بود. ویسکوزیته فاز پیوسته (یعنی مالتن ها) یک ویسکوزیته ذاتی و طبیعی به قیر می دهد که با حضور فاز پراکنده (یعنی آسفالتن ها) افزایش می یابد. بخش اشباع توانایی مالتن ها را در حلال پوشی آسفالتن ها کاهش می دهد، زیرا مقدار بالای اشباع می تواند منجر به تراکم و انباشتگی قابل توجه آسفالتن ها شود. بر این اساس، افزایش خاصیت ژلی و وابستگی دمایی کمتر برای قیر، نه تنها از میزان آسفالتن ناشی می شود، بلکه به مقدار اشباع شده ها نیز بستگی دارد.
شکل 1- تصویر شماتیک قیر نوع «سل»
شکل 2- تصوسر شماتیک قیر نوع «ژل»
2- مدل های پیچیده تر
در سال 1967 Dickie و Yen مدلی را برای یک سیستم کلوئیدی، متشکل از توده های آسفالتن قرار گرفته بر روی هم، پیشنهاد کردند. در این مدل، آسفالتن ها با ساختاری که تحت عنوان «جزیره» شناخته می شود، مطابقت دارند (در واقع جایی که شامل هسته پلی آروماتیک مرکزی با زنجیرهای جانبی آلیفاتیک است). هسته های پلی آرماتیک آسفالتن منجر به رفتار توده ای ارائه شده می شوند. مطالعات بیشتر و بهسازی مدل توسط Mullins (2010) نشان داد که توده های آسفالتن، ساختاری را ایجاد می کنند که به اصطلاح «نانو توده ها» نامیده می شود. این نانو توده ها، خوشه ها را تشکیل می دهند (شکل 3).
مطالعات نشان می دهد که نانو توده ها متشکل از تقریباً شش مولکول آسفالتن می باشند. هسته پلی آروماتیک آسفالتن ها به طور متوسط شامل هفت حلقه آروماتیکی جوش خورده می باشد. خوشه های آسفالتن نانو توده ها، قسمت کلوئیدی قیر را تشکیل می دهند.
یک طرح ساختاری جایگزین مربوط به نانو توده آسفالتن توسط Gray و همکاران در سال 2005 ارائه شد. آسفالتن ها با پیکربندی جزیره ای مولکول آسفالتن نیز مطابقت دارند. در اینجا، نانو توده وابسته به پیوند هیدروژنی، برهمکنش اسید – باز برونستد، ساختار فلزی پیچیده و برهمکنش های گروه آبگریز و همچنین توده هسته آروماتیکی می باشد. ساختار نانو توده ای آسفالتن که توسط Gray و همکاران ارائه شده، توزیع تصادفی تر مولکول ها را در مقایسه با ساختار نانو توده ارائه شده به وسیله Dickie و Yen-Mullins نشان می دهد.
مطالعات دیگر نشان داده اند علاوه بر آسفالتن های نوع «جزیره ای»، آسفالتن های نوع «مجمع الجزیره ای» نیز وجود دارند. در واقع این مطالعات، وجود آسفالتن به دو نوع اشاره شده را تایید می کنند. نوع «مجمع الجزیره ای» آسفالتن شامل چند گروه آروماتیکی جوش خورده می باشد که توسط زنجیرهای آلیفاتیک به هم متصل هستند. در مقابل آسفالتن های نوع «جزیره ای» شامل هسته جوش خورده بزرگ مرکزی با زنجیرهای آلیفاتیک متصل به آن می باشند.
صرف نظر از ساختار داخلی نانو توده های آسفالتن، پراکندگی کلوئیدی متشکل از آسفالتن ها به عنوان ذرات کلوئیدی پراکنده شده در فاز مالتن می باشد.
شکل 3- تصویر شماتیک خوشه ها و نانو توده های آسفالتن