Projekteeritud nanokomposiidid asfaldisideainetes

Palun võtke ühendustoscar.xiao@wecistanche.comrohkem informatsiooni

Abstraktne:Viimasel ajal on nanotehnoloogiat tõhusalt kasutatud teekatete valdkonnas. Asfaldi oksüdeerumine ja vananemine põhjustavad teekatete halvenemist ja suurendavad asfaldiga seotud heitkoguseid. Pakume välja vananemisvastase strateegia asfaldi riknemise katkestamiseks, kasutades konstrueeritud savi / suitsutatud ränidioksiidi nanokomposiite. Selles uuringus analüüsitakse nano-modifitseeritud asfaltsideainete morfoloogilisi, keemilisi, termilisi, mehaanilisi ja reoloogilisi omadusi erinevates tingimustes. Katsetulemused näitasid, et see komposiit häirib tõhusalt segu keemilist oksüdatsiooni ja lagunemist ning vähendab vananemiskiirust. Tähelepanuväärselt näitasid asfaldi sideaine reoloogilised katsed, et nanotugevdatud materjalide lisamine 0.2-0,3 massiprotsenti maksimeeris nende reoloogilise vastupidavuse pärast lühi- ja pikaajalist vananemist. Lisaks parandavad nanoosakesed niiskuskindluse efektiivsust ja saavad omakorda üle kriitilisest niiskuse probleemist madalatel tootmistemperatuuridel.

Märksõnad:nanosavi, modifitseeritud bituumen, termiline oksüdatsioon vanandamine, nanomodifikatsioon, nanokomposiidid

1. Sissejuhatus

Bituumenit kasutatakse selle sobivate reoloogiliste omaduste tõttu üldiselt teeasfaldisegude liimina [1-3]. Bituumeni modifitseerimine on aga arendanud esilekerkivat valdkonda teematerjalide tehnoloogias, peamiselt seoses taaskasutatud asfaltkatte taaskasutamisega, madala energiatarbega asfaldisegude tootmise kontseptsioonidega ja kasvava sooviga bituumenit vähemalt osaliselt asendada rohkem säästvad ja biopõhised sideained. Oluliseks probleemiks kõige sobivamate bituumeni modifikaatorite väljaselgitamisel on uurida nende vananemiskindlust. Kuna teeasfaldimaterjalid puutuvad segu valmistamise ajal kokku mitte ainult kuuma temperatuuriga, vaid ka tugeva päikesekiirguse ning hapniku ja muude radikaalidega, mis soodustavad sideaine vananemist kogu nende kasutusaja jooksul [4-7], on asfaldisideainete vastupidavus. vananemiskindluse seisukohalt on oluline materjali omadus. Sideaine vananemine hõlmab ultraviolettkiirgust, termilist pikaajalist vananemist ja termooksüdatiivset lühiajalist vananemist. Asfaldisideaine toimivuse mõjutamiseks saab bituumenile lisada tohutul hulgal erinevaid lisandeid, nagu polümeerid, kiud, ringlussevõetud materjalid ja nanomaterjalid [8,9]. See uuring keskendub nanomaterjalidele. Nende materjalide hulgas muudavad nanomaterjalid märkimisväärselt keemilise sideaine omadusi ja sellest tulenevalt mehaanilisi reoloogilisi omadusi. Kõige olulisemate nanoosakesi (NPS) kirjeldavate parameetrite hulgas, mis põhjustavad nanokomposiitide unikaalseid ja tavapärastest materjalidest erinevaid füüsikalisi omadusi, on nende pindala ja ruumala suhe, kuju, keemiline koostis ja võime suurendada interaktsioone faasiliidestel [10]. ,11]. Metalloksiid, anorgaanilised, nanokiud ja nanokomposiidid on peamine nanomaterjalide klass, mida kasutatakse eriti asfaltsegudes asfalteeni sideainete modifitseerimiseks [12,13]. Väidetavalt suurendavad metalloksiidi NP-d, sealhulgas tsinkoksiid (ZnO) ja titaandioksiid (TiO), asfaldisegu vastupidavust roopade ja pragude tekkele [13, 14].cistanche varsAnorgaanilistel NP-del, nagu ränidioksiid (SiO), süsinik-nanotorud (CNT) ja nanosavi, peetakse suurepärast potentsiaali asfaltmaterjalide tugevdamisel ja nende vastupidavuse parandamisel [15, 16]. Bituumeni reoloogilisi omadusi – ja järelikult ka vastava asfaldisegu toimivust – parandati edukalt SiO ja NP-de lisamisega. Asfaldisegu termilist ja mehaanilist stabiilsust parandati ka savi NP-de lisamisega [17,18]. Meie teadmiste kohaselt on savi ja ränidioksiidi perekonnad enimkasutatavad anorgaanilised NPS-id, et parandada sideaine vastupidavust vananemisele [{{ 7}}]. Teatati, et savi ja ränidioksiidi perekonnad omavad suurepäraseid anorgaanilisi NP-sid sideaine vananemisomaduste parandamisel. Erinevate aruannete tulemuste põhjal vähendasid nano-ränidioksiidiga modifitseeritud asfaldisideained veidi viskoossust ja kompleksmoodulit, parandades samal ajal väsimus- ja roopamiskindlust pärast lühiajalist vananemist [19-21]. Lisaks on mõned uuringud näidanud, et nano - ränidioksiidiga modifitseeritud sideainel on suurem vastupidavus termilisele vananemisele, mis lõppkokkuvõttes suurendab asfaltkatete vastupidavust [21,22]. SiO ja NP-del on eelised, nagu mittefotokatalüütiline, anorgaaniline varjestus ja mittetoksilisus, mis on asfaldisegudes kasutamiseks üliolulised [23, 24]. Aurutatud SiO ja NP-d on aga üks sünteetiliste nanomaterjalide klass, mille laiaulatuslik kasutamine on keskkonnasõbralik ja majanduslik õigustus. Aurustunud ränidioksiid on sünteetiline amorfse struktuuriga nanomaterjal, millel on suur pindala ja nanosuuruses skaala [25]. Seetõttu keskendub see uuring savi / suitsutatud ränidioksiidi nanoosakestele (CSNP).

Lisateabe saamiseks klõpsake siin

Võrreldes tavapärase meetodiga töötab sooja asfaldi (WMA) tehnoloogia tõhusalt ja keskkonnasõbralikult. Sel juhul toodetakse asfalti temperatuuril ligikaudu 30-60 kraadi C, mis on tavapärasest madalam. See tehnoloogia vähendab kahjulike aurude emissiooni ja vähendab vastavalt 20-35 kasvuhoonegaaside heitkoguseid ja energiatarbimist 35 protsenti [13,26]. Kuid niiskustundlikkus on WMA-tehnoloogia tavaline puudus, mis viib selle jõudluse vähenemiseni [27, 28].

Käesoleva uurimistöö eesmärk on välja selgitada CSNP-de võimalikud mõjud WMA-tehnoloogia abil toodetud teeasfaldisegude jaoks kasutatavate teeasfaldisideainete vananemiskindlusele. Üksikasjalikult analüüsitakse CSNP-ga modifitseeritud asfaldisideainete morfoloogilisi, keemilisi, termilisi, reoloogilisi ja mehaanilisi omadusi erinevates tingimustes. Esitatakse uusi teadmisi termilise vananemise tõttu tekkivate mehaaniliste ja reoloogiliste sideaine omaduste võimalike muutuste täiendavaks mõistmiseks. Joonis 1 illustreerib skemaatiliselt selles uuringus kasutatud eksperimentaalseid meetodeid.

2. Materjalid ja meetodid

2.1 Materjalid

CSNP-de sünteesiprotsess valiti vastavalt autori varasematele uuringutele (nagu on näidatud joonisel S1)[29]. Kasutati nanosuitsutatud ränidioksiidi (Aerosil A300, Degussa Co, Saksamaa), naatriumbentoniiti (Sigma Aldrich Ltd., Saksamaa; vt tabelit S1) ja Bitumen 50/70 (Total Co., Prantsusmaa). seda uuringut. Materjalide osakeste suuruse analüüs viidi läbi dünaamilise valguse hajumise (DLS) abil (Malvern ZEN 3600, UK), röntgendifraktsiooni (XRD) analüüsiks aga pulberröntgendifraktsiooni (Philips PW 1730, Holland; joonis). S2).WMA segu valmistamiseks sünteesiti selle uurimise käigus uus Fischer-Tropsch (FT) vaha koostis (Sasol, Lõuna-Aafrika Vabariik; Evonik, Saksamaa; Sigma-Aldrich, Saksamaa). Enne kasutamist kuivatati nanokomposiite ahjus 110 kraadi juures 3 tundi. Esimeses etapis valmistati proovid ette vastavalt eelnevatele tööprotseduuridele [18]. Seejärel lisati bituumenile nanokomposiite erinevates kogustes (0,1, 2 ja 3 massiprotsenti). Selles uuringus modifitseeriti bituumenit 3-protsendilise WMA lisandiga.cistanche tubulosa eelised ja kõrvaltoimedSee väärtus valiti eelmises uuringus kirjeldatud WMA segudes kasutatud tavaliselt kasutatava vahasisalduse põhjal [13].

2.2 Vananemisprotsess

Rulli õhukese kilega ahju testi (RTFOT) jaoks hoiti proove vastavalt ASTM D1754-le temperatuuril 163 °C rullimisõhukese kilega ahjus (RTFOT8, ISL, Prantsusmaa mudel). Survevanandamise anuma (PAV) standardprotseduuri alusel uuriti proove PAV-s pärast pikaajalist vanandamist (300 psi ja 100 kraadi juures 20 tundi). Valmistasime proovid ette kolmel tingimusel: S1-S4: vanandatud proovid, S5-S8: lühiajaliselt vananenud proovid ja S9-S12: pikaajaliselt vanandatud proovid. Kõik proovid on esitatud tabelis S2 (täiendavad materjalid).

2.3 Iseloomustusmeetodid

Dünaamilise nihkereomeetri (DSR) seadet (Malvern Kinexus Pro plus, UK) kasutati reoloogiliste omaduste hindamiseks sagedusel 10 rad/s ja temperatuuril vahemikus 20–70 °C. Faasinurk ja kompleksne nihkemoodul (G*) ) alusasfaldi, sideaine ja vananenud proovide mõõdeti vastavalt standardile AASHTO T 315. Seda meetodit kasutatakse tavaliselt asfaldi sideaine omaduste iseloomustamiseks lineaarses viskoelastsuse vahemikus. Keemilisi omadusi testiti Fourier' transformatsiooni infrapuna (FTIR; Thermo science Nicolet iS10, USA) ja TG/DTA (SDT Q600, TA Ins., USA) abil. Keemilise sideme ja aromaatse lehe suuruse uurimiseks kasutati Renishaw inViatM konfokaalset Ramani mikroskoopi (Renishaw plc, Miskin, Pontyclun, UK) argoonlaseri allikaga (633 nm), mis oli varustatud laenguga sidestatud seadmedetektoriga (4/cm). spektraalne eraldusvõime, 90 kraadi hajumise geomeetria). Uuringuspektrid registreeriti vahemikus 500 kuni 3 000/cm toatemperatuuril (50 × pika töökauguse objektiiv). Kasutati koputusrežiimis konsoolidega aatomjõumikroskoopi (AFM; Nanowizard, JPK Ins., Saksamaa) (RTESP, Bruker, USA) ja väljaemissiooni skaneerivat elektronmikroskoopi (FE-SEM; TE-SCAN, MIRA II, Tšehhi Vabariik). uurida sideaineproovide morfoloogiat ja struktuure mikro- ja nanomõõtkavades. Analüüsiti kareduse ja paksuse kaardi pilte 1-2 kaadrit sekundis ja sättepunkti z ning tulemusi hinnati avatud lähtekoodiga tarkvara Gwyddion [30] abil. Morfoloogiaid iseloomustati elektronkiire fokuseerimisega sideaineproovide pinnale. Termo-infrapunakaamera (FLIR-T440, USA) salvestas sideaineproovidest teatud ajasammudega termograafilisi pilte. Paindelibisemise omadusi madalatel temperatuuridel analüüsiti termoelektrilise painutustala reomeetriga (TE-BBR; Cannon Ins., USA). Selles uuringus kasutasime Petrotesti pehmenemispunkti (PKA5, Saksamaa), automaatse penetromeetri (PNR 12, Saksamaa) ja elastsuse testi (infrapuna, 20-2356, Saksamaa) jaoks. Kokkuvõte

Selles uuringus kasutatud asfaldi sideaine füüsikalised omadused on esitatud tabelis S3 (täiendavad materjalid).

3. Tulemused ja arutelu

3.1 Pinna morfoloogia

FE-SEM viidi läbi, et jälgida CSNP-ga modifitseeritud asfaldi sideaine proovide pinna morfoloogiat asfaldi sideaine maatriksis (joonis 2a). FE-SEM-kujutised näitavad CSNP-de (osakeste keskmine suurus ~ 45 nm) ühtlast dispersiooni asfaldi sideaine maatriksis. CSNP-de ainulaadsed nanokihi kujud asfaldi sideaine maatriksis mõjutavad oluliselt vananemisprotsessi: nagu kilp. Sel juhul takistavad CSNP-d ülemise struktuuri hävimist kiirguse kaudu [8] ja püüavad samal ajal lenduvaid ühendeid ning takistavad asfaldi sideainest aurustumist.

Cistanche on vananemisvastane toime

Oma suure pindala tõttu katavad savi nanokihid ja aurustunud ränidioksiidi NP-d laialdaselt. Selle funktsiooni kasutamiseks on oluline CSNP-de sobiv dispergeerimine asfaldi sideaines. Jaotust saab analüüsida (vt joonis S3), kasutades energia-dispersiivset spektroskoopiat (EDS). Alumiiniumi, ränidioksiidi, raua ja titaani elemente saab tuvastada ja kasutada CSNP-de jaotumise tuvastamiseks alussideainetes. Savikihid sideainete pindadel tuvastatakse tavaliselt titaandioksiidi abil (keskmise osakese suurusega 1 μm). Titaanelementide kaart näitab, et bituumenis olevate osakeste jaotus on ühtlane.

CSNP-de moodustatud nanostruktuur toimib nano-kilbina oksüdatsiooni ja termilise hävitamise vastu. Savikihid on kõrge kuumatakistusega ja väldivad keemiliste sidemete lagunemist ning seega aeglustavad sideaine vananemist [8]. Joonistel 2b ja c on näidatud vastavalt CSNP-de osaliselt ühtlane kate asfaldi sideainetel (roheline värv) ja CSNP-de tihe kogus (punane värv). Polaarsus ja keemiline sidumine [31, 32] on olulised parameetrid, mis panevad nanokihid kokku adsorbeeruma ja tekitavad need mahukad komponendid asfaldi sideainetes.

CSNP-de mõju paremaks mõistmiseks sideainele analüüsiti morfoloogilisi omadusi AFM-testi abil. Vananemisest tingitud sideaine mikrostruktuuri muutuse tuvastamine pakub huvi, kuna see näitab muutuvaid molekulaarseid interaktsioone ja keemilisi ühendeid [33, 34].cistanche tubulosa ekstraktCSNP-de poolt modifitseeritud sideaineproovide mikrostruktuurid on näidatud joonisel 3.

Joonisel 3 on näidatud kolm faasi Catana, Peri ja Para, mis näitavad vastavalt mesilaselaadseid struktuure, hajutatud faasi ja sileda maatriksi faasi. Catana ja maatriksi faasi peetakse sideaine mikrostruktuuri omadusteks [35]. Mesilaselaadsed struktuurid omistatakse pikkadele alküülahelatele mikrokristallilistes vahades, aromaatsetes struktuurides ja asfalteenides, mis kristalliseeruvad jahutamisel [36].cistanche tubulosa ülevaatedMesilaselaadsed struktuurid AFM-piltidel näitavad asfaltiliste komponentide võimalikku olemasolu (joonis 3b-d).cistanche UKAsfalteenide ja kolloidide hulk on otseselt seotud mesilaselaadse struktuuri suurusega

asfaldi sideaine; mida suurem on struktuur, seda suurem on asfalteenide ja kolloidide arv [37]. Lühi- ja pikaajalise vananemise sideaine proovide mikrostruktuuri morfoloogia ja üksikud faasid on toodud joonisel 3e-g. Pikaajaliselt vananenud ja kasutamata proovide AFM-piltide võrdlus illustreerib nanostruktuuri kadumist ja mesilaselaadsete struktuuride suurenemist. Sama protsessi saab jälgida AFM-i mõõtmiste käigus salvestatud videotes 1-3 (vt täiendavaid materjale), mis näitavad sideaine vananemisest tulenevat struktuurimuutust. CSNP-de lisamine asfaldi sideainele toob kaasa olulisi muutusi sideaine morfoloogias ja mikrostruktuuris. Need muutused selgitavad CSNP-de rolli sideaine vananemise kaitsekilbina.

See artikkel on välja võetud ajakirjast Nanotechnology Reviews 2022; 11: 1047–1067