Skonštruované nanokompozity v asfaltových spojivách 2

Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPre viac informácií

3.2 Dynamické viskoelastické vlastnosti

Viskoelastické vlastnosti spojív boli analyzované DSR testom. Fázový uhol（δ） a zodpovedajúci komplexný modul šmyku (G*) sa merali vo frekvenčnom rozsahu (10 rad/s) a vysokej teplote (od 20 do 9{{17 }} stupeň). Odolnosť spojiva proti deformácii (vyjazdeniu) trvalé (plast) sa skúmala podľa parametra G*/sinδ parametra【38】. Výsledky sú znázornené na obrázku 4a-c. Odolnosť asfaltového spojiva proti deformácii sa posudzuje s fázovým uhlom a komplexným modulom, ktorých frekvencia zaťaženia a teplotné parametre majú hlavný vplyv na G* a δ【8】. Vzorka s CSNP v množstve 0,2 % hmotn. vykazuje najvyššiu odolnosť proti deformácii pred starnutím. Starnutie vedie k zvýšeniu tuhosti. Maximálna úroveň tuhosti je vždy pozorovaná pre staršie základné vzorky, čo súvisí so zvýšením elastického správania [39] a nevýhodne so zvýšením krehkosti [40]. Podmienky komplexného modulu sa menia po pridaní NP do asfaltového spojiva. V prípade vzoriek modifikovaných CSNP je zvýšenie tuhosti pri starnutí menej výrazné v dôsledku zosilňujúceho účinku NP. Na základe výsledkov tejto štúdie, pridanie 0,2 a 0,3 % hmotn

NPS k asfaltovému spojivu vykazuje najvyššiu odolnosť proti trvalej deformácii po krátkodobom, resp. dlhodobom starnutí. Optimálny obsah CSNP v asfaltovom spojive možno určiť na získanie CSNP modifikovaných spojív s najvyššou odolnosťou proti starnutiu.cistanche wirkungPo starnutí PAV bol fázový uhol a komplexný modul klasifikácia 3.{1}}hmotnosť 9 percent NP<1.0wt%><2.0><0.0 wt9="" nps,="" and="" 0.0wt%="" nps="">2.0wt% NPs>1.0 wt% NPs>3.0 % hm. NP.

Na obrázku 4d-g sú zobrazené parametre koľaje pred a po starnutí (pri 30 a 70 °C). Vzorky 6 a 12 preukázali najvýraznejšie zlepšenie po krátkodobom a dlhodobom starnutí. Výsledky ukazujú odolnosť voči trvalej deformácii, ktorá sa zlepšila po pridaní CSNP.

Ak chcete vedieť viac, kliknite sem

V tomto skúmaní sa účinnosť odolnosti proti vyjazdeniu koľaje zvažuje s prahovou teplotou faktora vyjazdenia koľají. Tabuľka 1 uvádza prahovú teplotu 1.0 pred starnutím a 2,2 kPa po starnutí (na základe normy SHRP-A-369 [38]). Výsledky ukazujú, že CSNP znižujú odolnosť voči vyjazdeným koľajam pred starnutím. Po starnutí sa prahová teplota a tvrdnutie základných vzoriek zvyšuje, zatiaľ čo u vzoriek modifikovaných CSNP sa meria opak. Tieto pozorovania potvrdzujú, že CSNP znižujú tuhosť a tvrdnutie v dôsledku starnutia.citrusové bioflavonoidyOkrem toho výsledky ukázali, že {{0}},1 % hmotn. CSNP má vyššiu výkonnosť v porovnaní s 0,2 % hmotn.

3.3 Termálna a spektroskopická analýza Termogravimetrická/diferenčná termická analýza (TG/DTA) bola vykonaná na skúmanie tepelnej stability a vzoru tepelného rozkladu. Obrázok 5 ukazuje výsledky termogravimetrickej analýzy (TGA), kde sa meria strata hmotnosti vzoriek so zvyšujúcou sa teplotou až do 900 stupňov.

Pri tepelnom rozklade sú znázornené tri hlavné rozsahy straty hmoty: teplotné rozsahy 200-360, 370-490 a 540 stupňov . V teplotnom rozsahu 480-580 stupňa C sa heteroatómové väzby základných vzoriek rozkladajú a živice sa oxidujú a dehydrogenujú. V ďalšom štádiu polymerizačný/krakovací proces produkuje asfaltény, ktoré zvyšujú stratu hmotnosti spojiva [41,42].

Cistanche môže proti starnutiu

Vzorky spojiva modifikované CSNP majú zvýšenú tepelnú stabilitu.výhody cynomoriumKonečný rozklad v spojivách modifikovaných CSNP nastal skôr v porovnaní so základnými vzorkami, že tento subjekt môže súvisieť s NP z pyrogénneho oxidu kremičitého (obrázok S4). Uhlíkový zvyšok základných vzoriek dosiahne nulu pri 800 stupňoch (maximálna strata hmotnosti); avšak v CSNP-modifikovanom spojive je 20-43 % uhlíkového zvyšku. Spojivá modifikované CSNP s nižšou stratou hmotnosti majú vyššiu tepelnú stabilitu a nižšie odparovanie [43]. Väčšina úbytku hmotnosti vzoriek spojiva CSNP nastáva pri teplotách nad 200 stupňov, čo je oveľa viac ako prevádzková teplota požadovaná pre asfaltové zmesi; preto má tento nanokompozit prijateľný tepelný výkon v asfaltových spojivách.

Rozloženie teploty na povrchu vzorky počas 120 s v rôznych časoch (pomocou infračervených termosnímok) – vždy vypočítané výberom troch bodov na povrchu [44,45] – je znázornené na obrázku 6. Zmeny teploty sú znázornené zmenou farby vo vzorkách asfaltového spojiva.púštny hyacintPri nízkej teplote (obrázok 6a, e, i a m) je rozloženie tepla rovnomerné; teplota sa však zvýši zo 44,6 na 136, 34,8 na 95 a 33,7 na 95 stupňov pre vzorku bez prísady WMA, s prísadou WMA a s prísadou WMA plus CSNP po 120 s, v tomto poradí. Obrázok 6 ukazuje, že bez WMA majú aditívne vzorky lineárne rýchlosti zahrievania a rastúci trend povrchovej teploty. Obrázok 6h a p ukazujú, že vzorky WMA môžu uvoľňovať rovnomerne teplo; základné vzorky však vytvárajú akumuláciu tepla. Vzorky WMA majú navyše vhodnejšie rozloženie teploty ako základné vzorky pri a

nižšia úroveň tepla. Obrázky 6a-d a il ukazujú rýchlosť uvoľneného tepla vzoriek bez as CSNP, ktoré sú 0,63 a 0,62 stupňa/s, v tomto poradí. Tieto čísla naznačujú, že prísady WMA s CSNP a bez nich majú podobné tepelné mechanizmy.

Porovnanie teplotných distribúcií vzoriek modifikovaných CSNP a NP z pyrogénneho oxidu kremičitého (obrázok 6 a obrázok S5) ukazuje, že účinok CSNP na WMA je účinnejší ako NP z pyrogénneho oxidu kremičitého. Okrem toho dostatočný výkon (distribúcia teplôt) vzoriek modifikovaných oxidom kremičitým NP a ílovým NPS naznačuje samoliečiaci jav v asfaltovom spojive [46,47].

3.4 Kontaktné uhly asfaltových spojív

Obrázok 7 znázorňuje kontaktné uhly (CA; medzi vodou a povrchom asfaltového spojiva) pre rôzne asfaltové spojivá pred a po starnutí. Hodnoty CA vyššie alebo nižšie ako 90 stupňov ukazujú hydrofóbnosť alebo hydrofilnosť vzoriek. Vzorky modifikované CSNP sú hydrofóbnejšie, a preto sa na povrchu spojiva zachytí menej molekúl vody. Inak povedané, CSNP výrazne znižujú zvyškové molekuly vody v asfaltovej zmesi a menia zmáčavosť asfaltových spojív. Tento jav naznačuje, že spojivá modifikované CSNP majú oveľa vyššiu citlivosť na vlhkosť v porovnaní so základnými vzorkami spojiva. Videá 4-6(pozri Doplnkové materiály) porovnávajú CA upravených vzoriek pred a po starnutí.

Na obrázku 7 je znázornené zvýšenie CA z 91 na 97 stupňov CSNP-modifikovanej vzorky. Toto pozorovanie by mohlo súvisieť s hydrofóbnou povahou NP z pyrogénneho oxidu kremičitého. Pomer NP pyrogénneho oxidu kremičitého v asfaltovom spojive by mohol hrať kľúčovú úlohu pri zmáčavosti spojiva (CA NP sublimovaného oxidu kremičitého sú zobrazené na obrázku S6). Okrem toho zobrazovanie CA ukázalo, že pri zvýšenej úrovni starnutia došlo k miernemu zvýšeniu (zo 6 na 79) v CA pozoruje sa dlhodobé starnutie.

3.5 Mechanizmus CSNP a bitúmenu

Niekoľko mechanizmov ovplyvňuje proces proti starnutiu asfaltového spojiva modifikovaného CSNP. V tejto interakcii zvýšenie povrchovej energie spôsobuje zvýšenie väzieb hydroxylových skupín medzi kremičitými NP a bitúmenom [8,48]. Okrem toho sa vysoký pomer povrchovej plochy k objemu ílových nanovrstiev zvyšuje, aby sa spojili molekuly asfaltového spojiva s ílovými vrstvami [49]. Molekuly bitúmenu by mohli byť vytvorené chemickými väzbami s kremičitými NP a tiež NPS podporuje zložky bitúmenu fyzikálnymi reakciami (van der Waalsova sila)[50]. Asfaltén hrá kľúčovú úlohu v reologických vlastnostiach bitúmenu.metóda extrakcie flavonoidov pdfNa základe koloidnej štruktúry bitúmenu (obrázok 8) sú olej a asfaltén dispergované vo fáze rozpúšťadla. Ako je znázornené na obrázku 8, v dôsledku vhodnej veľkosti CSNP (priemerná veľkosť častíc oxidu kremičitého a ílových vrstiev je približne 33 a 12 nm, v tomto poradí), sa ľahko rozptýlia medzi tieto koloidné rozmery a pokrývajú molekuly asfalténu (priemerný priemer, 0.5-40 nm [51);

teda mechanické a tepelné vlastnosti môžu byť modifikované týmto molekulárno-chemickým zlepšením. Okrem toho majú nanovrstvy ílu vynikajúce schopnosti meniť vlastnosti na bitúmenovom povrchu. Ílové nanovrstvy sú rozptýlené v koloidnej štruktúre bitúmenu a zabraňujú prenikaniu kyslíka do matrice bitúmenu v nanoúrovni [52]. Ďalšie fyzikálne a chemické vlastnosti CSNP, ako je zmena zmáčavosti [53] a iónomeničové reakcie, zvyšujú stabilitu modifikovaného bitúmenu a zabraňujú rozkladu chemickej štruktúry bitúmenu.

3.6 Fourierova transformácia infračervená a analýza Ramanovou spektroskopiou

Na štúdium chemických väzieb asfaltového spojiva sa použila FTIR spektroskopia v rozsahu 650-4,000/cm (obrázok 9a). Obrázok 9 ukazuje rýchlosť zmeny (CR) sulfoxidového a karbonylového indexu pre krátkodobé a dlhodobé starnutie. Čo sa týka vzoriek starnutých UV žiarením, karbonylový index sa zvýšil viac ako u základného spojiva. Sulfoxidový a karbonylový index sa znížili pre CSNP-modifikované asfaltové spojivá. Navyše, predĺženie doby starnutia zvyšuje sulfoxidový a karbonylový index.

Rovnice v doplnkových materiáloch (pozri tabuľku S4) sa použili na skúmanie chemických väzieb – aromatické (C=C), etylén (CH=CH), karbonylové (C=}O ), alifatické (CH z CHz), alifatické (CH z -(CH)n-) a sulfoxidové (S=}O) indexy [54,55].

Zmena v pomere pásov je znázornená na obrázku 9b pre všetky vzorky spojiva. Počas krátkodobého a dlhodobého procesu starnutia sa zvýšili karbonylové, sulfoxidové a aromatické indexy; po starnutí však výsledky ukazujú, že sulfoxidové a karbonylové indexy sa pre CSNP-modifikované spojivá znížili. V dôsledku procesu starnutia sa asfaltén hydrogeneruje na polycyklické aromatické alebo hydroaromatické uhľovodíky a vedie k zvýšeniu aromatických zlúčenín. Naopak, po starnutí, v dôsledku protikladu medzi zlúčeninami alifatických a aromatických, došlo k poklesu alifatických molekúl. Okrem toho v CSNP-modifikovanom spojive sa index etylénu (CH=CH) po starnutí zvýšil, čo naznačuje, že CSNP je vhodným ochranným štítom na zníženie oxidačných a tepelných reakcií [54,56]. Inými slovami, častice s nanopriemerom majú vynikajúcu schopnosť byť použité ako štít proti starnutiu [57].

Priemerná veľkosť aromatickej vrstvy bitúmenu bola stanovená Ramanovou spektroskopiou (obrázok 10). Ramanove spektrá každej vzorky sú zložené z D a G pásov, s výnimkou čerstvého bitúmenu [58,59]. Pásy G a D znázorňujú sp² naťahovaciu vibráciu atómov uhlíka v aromatickej vrstve šesťuholníka a hranicu usporiadanej štruktúry asfalténu, v danom poradí [58]. Poloha píku pásma G a D(Ic a I) na obrázku 10 je 1,585-1,599 a 1,264-1,377/cm, v tomto poradí (obrázok S7)[59].

Hoci medzi Ramanovými spektrami medzi bitúmenovými vzorkami existujú veľké podobnosti, existuje niekoľko hlavných variácií. Napríklad relatívny podiel aromatických kruhov bol značne vyšší vo vzorke dlhodobého starnutia v porovnaní s nižšími aromatickými kondenzovanými kruhmi v základných vzorkách. V prítomnosti NPS možno zmenu vrcholov G a D pásov pripísať schopnosti samotnej nanočastice meniť interakcie aromatických kruhov v bitúmenovom roztoku.

Pri bližšom preskúmaní obrázku 10 pridanie NP do vzoriek bitúmenu mení intenzitu asfalténových vrstiev. Je to spôsobené interakciami medzi NP a aromatickými kondenzovanými kruhmi. Najintenzívnejší vrchol v pásme D je vo vzorke dlhodobého starnutia, ktorá je založená na vibračnom režime neusporiadanej grafitickej mriežky s Ag symetriou [60]. Naopak, základný bitúmen ukazuje, že molekuly obsadených aromatických látok sú extrémne nízke v porovnaní s inými vzorkami v dôsledku nízkej veľkosti asfalténových aromatických vrstiev [61].

3.7 Výkon pri nízkych teplotách a starnutie viskozity

Skúška BBR bola použitá na výpočet rýchlosti tečenia (m-hodnota) a tuhosti tečenia (S) asfaltových spojív vo funkcii doby zaťaženia pri nízkoteplotných podmienkach [62]. Hodnota S a m sú kľúčové parametre pre nízkoteplotné praskanie asfaltových materiálov [63].

V tejto štúdii boli hodnoty S a m určené pre asfaltové spojivá modifikované NP pri troch rôznych teplotách (obrázok 1la a b). Pozorované hodnoty creepovej tuhosti asfaltových spojív modifikovaných NP sa výrazne znížili. Preto CSNP zlepšujú odolnosť proti praskaniu pri nízkej teplote. Vzorky 7 a 11 s 0,2 % hmotn. CSNP vykazovali najvýznamnejšie zlepšenia po krátkodobom/dlhodobom starnutí. Rýchlosť tečenia (po procese starnutia) klesala so stupňom starnutia; avšak nanočasticové prísady výrazne zvýšili rýchlosť tečenia. NP z pyrogénneho oxidu kremičitého zlepšili odolnosť asfaltu proti praskaniu. Je to spôsobené tým, že NPS podporuje povrchy a molekuly asfaltového spojiva, čím sa znižuje starnutie a vzorky modifikovaného asfaltového spojiva získavajú dostatočnú elasticitu pri nízkych teplotách [16,64].

Obrázok 11c ukazuje index viskozitného starnutia (IVA) vzoriek asfaltového spojiva po krátkodobom a dlhodobom starnutí. IVA sa používa na štúdium vlastností starnutia (tabuľka S4 v doplnkových materiáloch).

IVA v NP-modifikovaných vzorkách po krátkodobom starnutí je menšia ako IVA základných vzoriek. Odolnosť asfaltového spojiva proti starnutiu sa teda zvyšuje s modifikáciou NPS. Podľa výsledkov znázornených na obrázku 11c IVA priamo súvisí so starnutím a zvyšuje sa s trvaním starnutia. Vzorka asfaltového spojiva modifikovaná o 0,2 % hmotn. NPS má po krátkodobom starnutí primeranú hodnotu ⅣA a vzorka modifikovaná o 0,3 % hmotn. NPS má najmenšiu úroveň IVA po dlhej dobe - dlhodobé starnutie. Výsledky naznačujú, že IVA sa znižuje so zvyšujúcou sa koncentráciou NP.

4. Záver

Modifikácia asfaltových spojív prostredníctvom NPS môže ponúknuť nové perspektívy v technológii asfaltových spojív a môže byť veľmi užitočná pri vývoji ďalšej generácie cestných asfaltových vozoviek. Nové typy nanokompozitov by mohli výrazne zvýšiť technickú odolnosť a udržateľnosť, pričom by zostali ekologické a nákladovo efektívne.

Tento výskum predstavuje najnovšie poznatky o novom nano-kompozitnom asfaltovom spojive upravenom CSNP. Tento nový typ spojiva predstavuje výrazne zlepšené tepelné, chemické a mechanické vlastnosti v porovnaní s konvenčnými asfaltovými spojivami. Zaujímavé výhody sú preukázané v zlepšenej odolnosti proti starnutiu a vlhkosti, znížení teploty výroby asfaltovej zmesi a zlepšení dlhodobej výkonnosti.

Experimentálne výsledky prezentované v tomto výskume ukazujú, že modifikácia spojiva použitím CSNP výhodne mení zmáčavosť a zvyšuje hydrofóbne vlastnosti konvenčných asfaltových spojív. Naše zistenia ukazujú veľký potenciál na vyriešenie jedného z najnáročnejších problémov technológie WMA, ktorým je náchylnosť na vlhkosť. Okrem toho podrobné chemické a reologické štúdie naznačujú významné zlepšenie odolnosti asfaltových spojív modifikovaných CSNP proti starnutiu.

Modifikácia asfaltového spojiva prostredníctvom CSNP a technológie WMA sa môže považovať za zaujímavú nízkonákladovú a ekologickú techniku ​​v inžinierstve asfaltových vozoviek, ktorá poskytuje nové perspektívy pri zvyšovaní odolnosti asfaltových materiálov. Zo širšej perspektívy naše zistenia o molekulárnych interakciách medzi NP a asfaltovým spojivom otvoria novú cestu, ktorá bude inšpiráciou pre nanotechnologický koncept v asfalte.

Tento článok je prevzatý z Nanotechnology Reviews 2022; 11: 1047-1067