4.10. Магнитные свойства битумов

Спектры ядерного магнитного резонанса (ЯРМ) применяют для исследования водородных, ионных и молекулярных реакций при оценке молекулярного строения и изменения конфигураций молекул. Это новый и перспективный метод магнетохимии применяется для изучения фракций битумов – определения структуры их соединений.

Вращающееся ядро молекулы ведет себя как магнит и ориентируется в магнитном поле. Эти ориентации соответствуют различным квантовым уровням энергии, между которыми могут быть переходы. Для магнитного поля в 10⁴ Гс абсорбционная частота находится в области радиочастот. Энергетические уровни выражаются магнитными квантовыми числами, и энергетические изменения аналогичны тем, которые определяются в других видах спектроскопии.

Атомы, имеющие ядерный спин и обычно входящие в состав органических соединений – это атомы водорода и азота. Большинство измерений ЯМР проведено на атомах водорода, поэтому этот метод иногда называют протонной магнитной резонансной спектроскопией.

Спектрометр, служащий для определения ЯМР, состоит по существу из магнита, радиочастотного осциллятора и радиочастотного детектора. Подвергающийся анализу продукт, растворенный в соответствующем растворителе (выбирается такой растворитель, который не поглощает или дает только одну линию поглощения), помещается в магнитное поле и подвергается действию радиочастотного поля осциллятора. Энергия радиочастотного поля, поглощается только при определенной комбинации частоты осциллятора и напряженности магнитного поля. При поглощении на детектор поступает сигнал. Пики на спектре соответствуют протонам с различными частотами, которые приходят в резонанс с частотой осциллятора при различной напряженности магнитного поля, обусловленной различной окружающей средой у разных атомов водорода. Площадь под пиком в спектре вещества пропорциональна количеству данных атомов. Этим методом можно определить водородные атомы, входящие в состав гидроксильных, метиленовых, метильных, фенильных групп.

В ДорТрансНИИ РГСУ при Ростовском Государственном университете, методом ЯМР, проводились исследования по изучению влияния полимерной добавки (синтетического высокомолекулярного каучука СВБ-М) на показатели свойств вязких нефтяных дорожных битумов, на замедление процессов их старения.

Спектры ядерно-магнитного резонанса измерялись на спектрометре фирмы Karian – 300 мгц – Uniti, в растворе дейтеротолуола. В представленных на исследования снимках четко прослеживаются сигналы от групп: СН в интервале от 2,2 до 3,6 ррт; СН₂ в интервале от 1,15 до 2,15 ррт; СН₃ в интервале от 0,80 до 1,15 ррт.

Кроме того, в спектре модифицирующей добавки СВБ-М наблюдаются два сигнала в интервале от 4,7 до 6,3 ррт, отвечающие группе с двойной связью –СН=СН–. Однако, в спектре модифицированного вяжущего эти сигналы отсутствуют, что видимо, может указывать на взаимодействие активных групп асфальтенов исходного битума с полимерной добавкой, в результате чего сигналы наиболее активной группы –СН=СН– не наблюдаются. Следует отметить, что в спектре вяжущего с добавкой СВБ-М сигнал от метиленовых групп–СН₂– проявляется в большей степени, чем у исходного битума. Увеличение количества групп –СН₂– в полимербитумной композиции объясняет ее большую пластичность, особенно при 0⁰С, большую пенетрацию при низких температурах и более низкую температуру хрупкости вяжущего.