Skonštruované nanokompozity v asfaltových spojivách

Prosím kontaktujteoscar.xiao@wecistanche.comPre viac informácií

Abstrakt:V poslednej dobe sa nanotechnológia efektívne využíva v oblasti vozovky. Oxidácia a starnutie asfaltu spôsobujú poškodenie vozovky a zvyšujú emisie súvisiace s asfaltom. Navrhujeme stratégiu proti starnutiu na prerušenie zhoršovania kvality asfaltu pomocou nanokompozitov umelej hliny/pyrenej oxidu kremičitého. V tomto výskume sa dôkladne analyzujú morfologické, chemické, tepelné, mechanické a reologické vlastnosti nano-modifikovaných asfaltových spojív za rôznych podmienok. Výsledky experimentu preukázali, že tento kompozit účinne narúša chemickú oxidáciu a rozklad v zmesi a znižuje rýchlosť starnutia. Je pozoruhodné, že reologické experimenty s asfaltovým spojivom odhalili, že pridanie 0.2-0.3 % hmotn. nano-vystužených materiálov maximalizovalo ich reologickú odolnosť po krátkodobom a dlhodobom starnutí. Okrem toho nanočastice zlepšujú účinnosť odolnosti voči vlhkosti a na druhej strane prekonávajú kritický problém vlhkosti pri nízkych výrobných teplotách

Kľúčové slová:nano íl, modifikovaný bitúmen, tepelné oxidačné starnutie, nano-modifikácia, nanokompozity

1. Úvod

Bitúmen sa vo všeobecnosti používa ako lepidlo v cestných asfaltových zmesiach kvôli svojim vhodným reologickým vlastnostiam [1-3]. Modifikácia bitúmenu však vytvorila novovznikajúcu oblasť v technológii cestných materiálov, najmä v súvislosti s opätovným použitím recyklovaných asfaltových dlažieb, s nízkoenergetickými koncepciami výroby asfaltových zmesí a so vzrastajúcou túžbou aspoň čiastočne nahradiť bitúmen udržateľné spojivá na biologickej báze. Dôležitým problémom pri identifikácii najvhodnejších modifikátorov bitúmenu je skúmanie ich odolnosti proti starnutiu. Keďže cestné asfaltové materiály sú počas výroby zmesi vystavené nielen vysokým teplotám, ale aj silnému slnečnému žiareniu a kyslíku a iným radikálom, ktoré podporujú starnutie spojiva počas celej ich životnosti [4-7], trvácnosť asfaltových spojív z hľadiska odolnosti proti starnutiu je dôležitou vlastnosťou materiálu. Starnutie spojiva zahŕňa ultrafialové, tepelné dlhodobé starnutie a termooxidačné krátkodobé starnutie. Na ovplyvnenie výkonu asfaltového spojiva je možné do bitúmenu pridať veľké množstvo rôznych typov prísad, ako sú polyméry, vlákna, recyklované materiály a nanomateriály [8,9]. Táto štúdia sa zameriava na nanomateriály. Medzi týmito materiálmi zvyčajne nanomateriály výrazne menia vlastnosti chemických spojív a v dôsledku toho mechanické reologické vlastnosti. Medzi najdôležitejšie parametre popisujúce nanočastice (NPS), ktoré spôsobujú, že fyzikálne vlastnosti nanokompozitov sú jedinečné a odlišné od konvenčných materiálov, sú pomer plochy povrchu k objemu, tvar, chemické zloženie a ich schopnosť zvyšovať interakcie na fázových rozhraniach [10 ,11]. Oxid kovov, anorganické látky, nanovlákna a nanokompozity sú hlavnou triedou nanomateriálov používaných najmä v asfaltových zmesiach na modifikáciu asfalténových spojív [12,13]. Uvádza sa, že NP oxidov kovov vrátane oxidu zinočnatého (ZnO) a oxidu titaničitého (TiO) zvyšujú odolnosť asfaltovej zmesi voči vyjazdeným koľajam a praskaniu [13,14].cistanche stonkaAnorganické NP, ako je oxid kremičitý (SiO), uhlíkové nanorúrky (CNT) a nano-íl, majú vynikajúci potenciál pri vystužovaní asfaltových materiálov a zlepšovaní ich trvanlivosti [15,16]. Reologický výkon bitúmenu - a následne výkon zodpovedajúcej asfaltovej zmesi - sa úspešne zlepšil pridaním SiO2 a NP. Tepelná a mechanická stabilita asfaltovej zmesi sa zlepšila aj začlenením ílových NP [17,18]. Podľa našich najlepších vedomostí sú rodiny ílu a oxidu kremičitého najpoužívanejšími anorganickými NPS na zlepšenie odolnosti spojiva voči starnutiu [{{ 7}}]. Uvádza sa, že rodiny ílu a oxidu kremičitého majú vynikajúce anorganické NP pri zlepšovaní vlastností spojiva pri starnutí. Na základe výsledkov rôznych správ asfaltové spojivá modifikované nano-oxidom kremičitým mierne znížili viskozitu a komplexný modul, pričom zlepšili odolnosť proti únave a vyjazdeniu koľají po krátkodobom starnutí [19-21]. Okrem toho niektoré výskumy ukázali, že nano -silikou modifikované spojivo má vyššiu odolnosť proti tepelnému starnutiu, čo v konečnom dôsledku vedie k zvýšenej trvanlivosti asfaltových vozoviek [21,22]. SiO a NP majú výhody ako nefotokatalytické, anorganické tienenie a netoxické, ktoré majú zásadný význam pre použitie v asfaltových zmesiach [23,24]. Avšak dymový SiO a NP sú jednou triedou syntetických nanomateriálov, ktoré majú ekologické a ekonomické opodstatnenie na použitie vo veľkom meradle. Mikronizovaný oxid kremičitý je syntetický nanomateriál s amorfnou štruktúrou s veľkým povrchom a mierkou nano veľkosti [25]. Preto sa táto štúdia zameriava na nanočastice ílu / pyrogénneho oxidu kremičitého (CSNP).

Ak chcete vedieť viac, kliknite sem

V porovnaní s konvenčným spôsobom funguje technológia teplého asfaltu (WMA) efektívnym a ekologickým spôsobom. V tomto prípade sa asfalt vyrába pri teplote približne 30-60 stupňa C, ktorá je nižšia ako zvyčajne. Táto technológia znižuje emisie škodlivých výparov a vedie k 20-35 a o 35 percent nižším emisiám skleníkových plynov a spotrebe energie [13,26]. Častou nevýhodou technológie WMA je však náchylnosť na vlhkosť, ktorá vedie k zníženiu jej výkonu [27,28].

Cieľom tohto výskumu je identifikovať potenciálne vplyvy CSNP na odolnosť cestných asfaltových spojív proti starnutiu, ktoré sa používajú pre cestné asfaltové zmesi vyrábané technológiou WMA. Detailne sú podrobne analyzované morfologické, chemické, tepelné, reologické a mechanické vlastnosti asfaltových spojív modifikovaných CSNP v rôznych podmienkach. Sú prezentované nové poznatky smerom k ďalšiemu pochopeniu potenciálnych zmien mechanických a reologických vlastností spojiva v dôsledku tepelného starnutia. Obrázok 1 schematicky znázorňuje experimentálne techniky použité v tejto štúdii.

2. Materiály a metódy

2.1 Materiály

Proces syntézy CSNP bol vybraný podľa predchádzajúceho výskumu autora (ako je znázornené na obrázku S1)[29]. V tento výskum. Analýza veľkosti častíc materiálov sa uskutočňovala pomocou dynamického rozptylu svetla (DLS) (Malvern ZEN 3600, UK), zatiaľ čo rôntgenová difrakčná (XRD) analýza sa uskutočňovala pomocou rôntgenovej práškovej difrakcie (Philips PW 1730, Holandsko; obrázok S2). Na prípravu zmesi WMA sa v tomto výskume syntetizovala nová formulácia Fischer-Tropsch (FT) vosku (Sasol, Južná Afrika; Evonik, Nemecko; Sigma-Aldrich, Nemecko). Pred použitím sa nanokompozity sušili v sušiarni pri teplote 110 °C počas 3 hodín. V prvom kroku boli vzorky pripravené v súlade s predchádzajúcimi pracovnými postupmi [18]. Následne boli do bitúmenu pridané nanokompozity v rôznych množstvách (0,1, 2 a 3 % hmotn.). V tejto štúdii bol bitúmen modifikovaný pomocou 3 % WMA aditíva.výhody a vedľajšie účinky cistanche tubulosaTáto hodnota bola zvolená na základe bežne používaného obsahu vosku používaného v zmesiach WMA uvádzaných v predchádzajúcej štúdii [13].

2.2 Proces starnutia

Pre test valcovania tenkého filmu v peci (RTFOT) podľa ASTM D1754 sa vzorky uchovávali pri teplote 163 °C v peci na valcovanie tenkého filmu (RTFOT8, model ISL, Francúzsko). Na základe štandardného postupu tlakovej nádoby na starnutie (PAV) boli vzorky skúmané v PAV po dlhodobom starnutí (s 300 psi a 100 stupňov počas 20 hodín). Vzorky sme pripravili v troch podmienkach: S1-S4: nestarnuté vzorky, S5-S8:krátkodobo starnuté vzorky a S9-S12: dlhodobo starnuté vzorky. Všetky vzorky sú uvedené v tabuľke S2 ​​(doplnkové materiály).

2.3 Charakterizačné metódy

Zariadenie dynamického šmykového reometra (DSR) (Malvern Kinexus Pro plus, UK) sa použilo na vyhodnotenie reologických vlastností pri frekvencii 10 rad/sa teplote medzi 20 a 70 °C. Fázový uhol a komplexný šmykový modul (G* ) základného asfaltu, spojiva a vzorky starnutia boli merané podľa normy AASHTO T 315. Táto metóda sa všeobecne používa na charakterizáciu vlastností asfaltového spojiva v lineárnom viskoelastickom rozsahu. Chemické vlastnosti sa testovali pomocou infračerveného žiarenia s Fourierovou transformáciou (FTIR; Thermo science Nicolet iS10, USA) a TG/DTA (SDT Q600, TA Ins., USA). Konfokálny Ramanov mikroskop Renishaw inViatM (Renishaw plc, Miskin, Pontyclun, Veľká Británia) s argónovým laserovým zdrojom (633 nm) sa použil na štúdium chemickej väzby a veľkosti aromatickej fólie, ktorý bol vybavený detektorom zariadenia s nábojovou väzbou (4/cm). spektrálne rozlíšenie, 90 stupňová geometria rozptylu). Prieskumné spektrá boli zaznamenané v rozsahu od 500 do 3,000/cm pri izbovej teplote (objektív na 50-násobok dlhej pracovnej vzdialenosti). Použil sa mikroskop atómovej sily (AFM; Nanowizard, JPK Ins., Nemecko) s konzolami v režime poklepania (RTESP, Bruker, USA) a skenovacím elektrónovým mikroskopom s emisiou poľa (FE-SEM; TE-SCAN, MIRA II, Česká republika). študovať morfológiu a štruktúru vzoriek spojiva v mikro a nanoúrovni. Snímky mapy drsnosti a hrúbky pri 1-2 snímkach/sa nastavenej hodnote z boli analyzované a výsledky boli vyhodnotené pomocou open-source softvéru Gwyddion [30]. Morfológie boli charakterizované zaostrením elektrónového lúča na povrch vzoriek spojiva. Tepelná infračervená kamera (FLIR-T440, USA) zaznamenávala termografické snímky v špecifických časových krokoch zo vzoriek spojiva. Vlastnosti ohybového tečenia pri nízkych teplotách sa analyzovali pomocou termoelektrického reometra s ohybovým lúčom (TE-BBR; Cannon Ins., USA). V tejto štúdii sme použili Petrotest pre bod mäknutia (PKA5, Nemecko), automatický penetrometer (PNR 12, Nemecko) a test ťažnosti (infračervené,20-2356, Nemecko). Súhrn

fyzikálne vlastnosti asfaltového spojiva použitého v tejto štúdii sú uvedené v tabuľke S3 (doplnkové materiály).

3. Výsledky a diskusia

3.1 Morfológia povrchu

FE-SEM sa uskutočnil na pozorovanie povrchovej morfológie vzoriek asfaltového spojiva modifikovaného CSNP v matrici asfaltového spojiva (obrázok 2a). Obrázky FE-SEM zobrazujú rovnomernú disperziu CSNP (priemerná veľkosť častíc ~ 45 nm) v matrici asfaltového spojiva. Jedinečné tvary nanovrstvy CSNP v matrici asfaltového spojiva významne ovplyvňujú proces starnutia: ako štít. V tomto prípade CSNP zabraňujú zničeniu hornej konštrukcie žiarením [8] a súčasne zachytávajú prchavé zlúčeniny a zabraňujú odparovaniu z asfaltového spojiva.

Cistanche môže proti starnutiu

Ílové nanovrstvy a NP z pyrogénneho oxidu kremičitého pokrývajú vďaka svojej veľkej ploche veľkú plochu. Na využitie tejto vlastnosti je nevyhnutná vhodná disperzia CSNP v asfaltovom spojive. Distribúciu možno analyzovať (pozri obrázok S3) pomocou energeticky disperznej spektroskopie (EDS). Prvky hliník, oxid kremičitý, železo a titán možno detegovať a použiť na identifikáciu distribúcie CSNP v základných spojivách. Ílové vrstvy na povrchu spojív sa zvyčajne detegujú pomocou oxidu titaničitého (s priemernou veľkosťou častíc 1 μm). Mapa titánových prvkov ukazuje, že distribúcia častíc v bitúmene je rovnomerná.

Nanoštruktúra tvorená CSNP pôsobí ako nanoštít proti oxidácii a tepelnej deštrukcii. Ílové vrstvy majú vysokú tepelnú odolnosť a zabraňujú rozkladu chemických väzieb a tým spomaľujú starnutie spojiva [8]. Obrázok 2b a c znázorňujú čiastočne rovnomerné pokrytie CSNP na asfaltových spojivách (zelená farba) a husté objemy CSNP (červená farba). Polarita a chemická väzba [31,32] sú dôležité parametre, ktoré spôsobujú, že sa nanovrstvy spolu adsorbujú a vytvárajú tieto objemné zložky v asfaltových spojivách.

Na ďalšie pochopenie účinku CSNP na spojivo sa morfologické vlastnosti analyzovali pomocou testu AFM. Identifikácia zmeny mikroštruktúry spojiva v dôsledku starnutia je zaujímavá, pretože ukazuje meniace sa molekulárne interakcie a chemické zlúčeniny [33,34].extrakt z cistanche tubulosaMikroštruktúry vzoriek spojiva modifikovaných CSNP sú znázornené na obrázku 3.

Na obrázku 3 sú znázornené tri fázy Catana, Peri a Para, ktoré označujú štruktúry podobné včelám, disperznú fázu a fázu hladkej matrice. Catana a matricová fáza sa považujú za mikroštruktúrne charakteristiky spojiva [35]. Štruktúry podobné včelám sa pripisujú dlhým alkylovým reťazcom v mikrokryštalických voskoch, aromatických štruktúrach a asfalténoch, ktoré kryštalizujú počas chladenia [36].cistanche tubulosa recenzieŠtruktúry podobné včelám na obrázkoch AFM naznačujú možnú prítomnosť asfaltových zložiek (obrázok 3b-d).cistanche UKMnožstvo asfalténov a koloidov priamo súvisí s veľkosťou včelej štruktúry v

asfaltové spojivo; čím väčšia štruktúra, tým vyšší počet asfalténov a koloidov [37]. Morfológiu mikroštruktúry a jednotlivé fázy vzoriek spojiva s krátkodobým a dlhodobým starnutím prezentuje obrázok 3e-g. Porovnanie AFM snímok dlhodobo starých a panenských vzoriek ilustruje miznúcu nanoštruktúru a zvyšujúcu sa tvorbu štruktúr podobných včelám. Rovnaký proces možno pozorovať vo videách 1-3 (pozri doplnkové materiály), zaznamenaných počas meraní AFM, ktoré ukazujú následnú štrukturálnu zmenu starnutia spojiva. Pridanie CSNP do asfaltového spojiva vedie k významným zmenám v morfológii a mikroštruktúre spojiva. Tieto zmeny vysvetľujú úlohu CSNP ako štítu proti starnutiu spojiva.

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