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沥青分子间的相互作用力

类别:新闻动态 文章出处:未知发布时间:2021-11-24 11:17 浏览人次:

沥青是一种黑色的粘弹性材料,由原油加工制备而成。早在原油加工利用之前,人们在世界各地的许多地方就发现了“天然沥青”的存在。沥青的广泛使用满足了日益增长的汽车使用对于较高路面质量的要求。

自从人们从石油蒸馏残渣中提炼生产沥青以来,就一直试图弄清楚沥青真正的化学组成。通常认为,只有弄清楚沥青的分子组成,才可以准确预测沥青的建筑材料性能。但是,现在的分析技术也只能提供沥青组成的平均结果,对于探知沥青的分子组成是非常有限的,也不能准确关联其物理性能。

 

沥青中所有的分子都是碳氢化合物,含有少量的杂原子(包括硫、氮和氧)以及微量的金属(如钒、镍和铁)。碳氢化合物是以多芳环为核心,含有不同链长和不同取代模式的饱和烃侧链。可能存在的同分异构体的数量几乎是无限的。这就是为什么沥青由数百万种不同的分子组成,但几乎没有一种分子的数量足够大,以至于无法分离和表征它们。我们只能根据平均分析数据,得出平均“沥青分子”结构。







     典型沥青分
子结构

 

理解沥青的化学组成和物理性能间的关联最重要的因素是分子间的相互作用。沥青分子间的相互作用有多种类型,除了非极性烃分子间的伦敦色散力,还有电负性较强元素间的极性作用和氢键作用。对于非极性分子,还存在π-π相互作用,被认为是色散作用的一种特殊情况。沥青的物理特性和性能是沥青各分子间相互作用的结果,不同类型的相互作用是共同存在的,如色散力,极性,氢键或π-π相互作用。

 

 色散作用  

分子间的色散相互作用也称为伦敦力。伦敦力是由分子周围电子波动引起的瞬时偶极引起的。这些波动将作为分子之间在各个方向的吸引力,这将影响物理性质,如沸点升高,粘度增大,蒸发热增加等。虽然分散相互作用被认为是分子间非常弱的相互作用,但它无疑是非极性烃中最重要的相互作用,也是沥青分子间最重要的相互作用。色散相互作用可以用下面的方程从电子极化率和折射率推导出来:

其中NA为阿伏伽德罗常数,M为分子量,d为密度,n为折射率。该方程主要用于估计纯化合物的极化度,但也可用于估算原油或沥青混合物中的色散相互作用。在计算摩尔折射率时,并没有考虑分子的不同形状或π-π相互作用,这可能会影响真正的色散相互作用,因为相互作用的强度是由分子的表面积决定的。 

  极性和氢键  

极性和氢键的相互作用是由于分子中被共价键连接的不同电负性原子间的电子分布的不平衡导致。这种分子也称为永久偶极子。对于小分子而言,极性和氢键作用比色散力更强。对于极性基团较少的大型碳氢化合物,如沥青中的分子,色散作用占主导地位。沥青元素分析结果表明,沥青中负电元素氮(0.3 ~ 0.8%)和氧(0.5 ~ 1.1%)的含量相对较少。通常认为氮元素和氧元素在沥青分子中分布比较均匀,所以我们可以得出结论沥青中不存在强极性分子。色散力是沥青分子间的主要作用力,但同时存在极性相互作用,并且极性作用已被证明与沥青的弹性模量有关。众所周知,沥青的硫含量要高于氮和氧,硫的电负性非常接近碳和氢,因此对极性没有很大的贡献。

  π—π相互作用  

沥青分子间的另外一种相互作用就是离域π电子间的π-π相互作用。其中一种π-π相互作用是电荷转移配合物,它要求两个相互作用的分子中至少有一个在芳香核上具有强给电子或吸引电子的取代基,从而使两个重叠的电子云产生强烈的差异。对于含有四个或更多聚合芳香环的较大分子,π-π相互作用贡献显著,且随着环数的增加而增加。如果芳香环的氢原子被电负性更强的元素(氮或氧)取代,π-π相互作用就会增强。

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