Effect van grafeen op gemodificeerde asfaltmicrostructuren op basis van atoomkrachtmicroscopie

Abstract:Atoomkrachtmicroscopie (AFM) werd gebruikt om de effecten van grafeenmodificatoren op de microstructuur van asfalt te onderzoeken. De morfologieën van basisasfalt voor en na veroudering en gemodificeerd asfalt werden uitgevoerd en vergeleken met analyse. Het vormingsmechanisme van asfaltachtige "bijenstructuren" en het invloedsmechanisme van grafeen op asfalt werden besproken vanuit de klassieke theorie van de materiaalwetenschap (fasetransformatietheorie en diffusietheorie). De resultaten laten zien dat grafeen de nucleatie van "bijenstructuren" vergemakkelijkt, wat resulteert in een toenemend aantal en afnemend volume van "bijenstructuren" in gemodificeerd asfalt. Bovendien, deanti-aging prestatiesvan het gemodificeerde asfalt aanzienlijk verbeterd door opname van grafeen.

Trefwoorden:AFM; grafeen; bijenstructuren; fase transformatie theorie;anti-aging prestaties 

Chinese Kruiden Voor Anti-Aging Supplementen

1. Inleiding

Asfalt is een gecompliceerd mengsel van verschillende koolwaterstoffen en hun niet-metallische derivaten (zuurstof, zwavel en stikstof). De componenten van asfalt omvatten alkanen, cycloalkanen, arenen en zwavelhoudende derivaten, polycyclische aromatische koolwaterstoffen, gefuseerde polycyclische arenen en niet-metallische derivaten. Bovendien zijn sporenelementen van metalen (vanadium, nikkel, magnesium, ijzer en calcium) aanwezig in asfalt [1,2]. Hoewel de componenten en microstructuur van asfalt cruciaal zijn en de prestatie van het wegdek beïnvloeden, zijn microscopische studies met betrekking tot asfalt schaars vanwege de complexe chemische samenstelling en onvoldoende onderzoeksmiddelen. De afgelopen jaren heeft de relatie tussen bitumencomponenten, microstructuur en bestratingsprestaties steeds meer aandacht gekregen. Onderzoekers richten zich met name op atoomkrachtmicroscopie (AFM), waarmee de microscopische structuur en het mechanisme van asfalt worden onderzocht.

In 1996 hebben Loeber et al. observeerde voor het eerst de microstructuur van asfalt via AFM en noemde de microscopische topografie van asfalt 'bijenstructuur'. Door het vormingsproces te analyseren, werd voorlopig ontdekt dat de "bijenstructuur" te wijten was aan asfalteen [3]. Pauli et al. toonden aan dat de microstructuren voornamelijk het gevolg zijn van de interactie tussen de kristalliserende paraffinewassen en de resterende niet-wasasfaltcomponenten [4]. Evenzo Jäger A. et al. meldde dat de "bijenstructuur" te wijten was aan asfalteen [5]. De Moraes et al. speculeerde dat de eigenschap van de "bijenstructuur" vergelijkbaar is met die van microkristallijne was [6]. Masson et al. onderzocht de microscopische topografieën van 13 soorten asfalt en ontdekte dat de vorming van "bijenstructuren" werd toegeschreven aan het gehalte aan vanadium en nikkel in asfalt [7].

Ondertussen werd gemeld dat de toevoeging van Trinidad Lake-asfalt en SBS-modificatoren een significante invloed had op de korrelgrootte en de verdeling van "bijenstructuren" [8,9]. Sommige onderzoekers meldden dat de "bijenstructuur" te wijten was aan het rimpelen van dunne films van ongeveer 10 nm dik [2,10]. Ji et al. gebruikte AFM om de microstructuur van asfalt kwantitatief te evalueren via ruwheidstheorie [11]. Hung onderzocht de evolutie van de microstructuur van asfalt na blootstelling aan water [12]. Hoewel er, zoals blijkt uit AFM, successen zijn geboekt bij de microscopische toepassing van asfalt, blijven de vormingsomstandigheden, het mechanisme, de evolutiewet en de beïnvloedende factoren van asfaltachtige "bijenstructuren" onduidelijk. Daarom proberen we het effect van additieven op de microstructuur van asfalt te onderzoeken en verwachten we iets zinvols te bereiken.

'Small size effect' nanomaterialen hebben van nature een grenseffect en een hoog specifiek oppervlak, wat direct of indirect kan leiden tot een bijzonder oppervlakte-effect. bitumen Sommige nanomaterialen zoals titaandioxide (TiO2) [13], zinkoxide (ZnO) [14], grafeenoxide (GO) [15], siliciumdioxide (SiO2) [16] en montmorilloniet [17] zijn geselecteerd als modifiers om de wegprestaties te verbeteren en de duurzaamheid van asfalt te verlengen. Er zijn enkele zeer belangrijke resultaten bereikt. Cheraghian et al. bestudeerden bijvoorbeeld deultraviolette verouderingweerstand van pyrogene silica nanodeeltjes gemodificeerd bitumen en de resultaten laten zien dat deanti-ultraviolet veroudering eigendomvan gemodificeerd asfalt wordt verbeterd met de toename van het gehalte aan nanosilica [18]. Zhang et al. ontdekte dat de vermindering van de ZnO-deeltjesgrootte de prestaties van asfaltbindmiddel en asfaltmengsel kan verbeteren door de invloed van de ZnO-deeltjesgrootte op de fysische eigenschappen van asfalt te analyseren [19].

In onze studie werd grafeen geselecteerd als asfaltmodificator. Dit komt vooral omdat grafeen een nieuw quasi-tweedimensionaal (2D) op koolstof gebaseerd nanomateriaal is met koolstofatomen gerangschikt in een honingraatrooster, en is onderzocht als een asfaltmodificator vanwege zijn compatibiliteit met asfalt. Wu et al. ontdekte dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid grafeenoxide (GO) deanti-aging eigenschapvan asfalt [20–22]. Shi et al. onderzocht de eigenschappen en het modificatiemechanisme van GO-gemodificeerd asfalt. Ze ontdekten dat een spoor van GO de beweging van asfaltmoleculen beperkte en hun prestaties bij hoge temperaturen verbeterde [23-25]. Moreno-Navarro et al. ontdekte dat de aanwezigheid van grafeen resulteerde in een significantere elastische respons en verminderde de thermische gevoeligheid van het asfaltbindmiddel [26].

Daarom werden in deze studie de topografieën van basis A-70 asfalt en grafeen-gemodificeerd asfalt onderzocht via AFM. Een uitgebreidere analyse en discussie zou de redenen voor de vorming en de effecten van grafeen op asfaltachtige "bijenstructuren" verduidelijken. Basismateriaalregels, fasetransformatietheorie en diffusietheorie werden geïntroduceerd om het mechanisme van grafeen op de microscopische "bijenstructuren" van asfalt te interpreteren.

2. experimenteel

In dit onderzoek werd een-70 asfalt van Shandong Hi-speed Construction Materials, Jinan, China, gebruikt als basisasfalt. Met grafeen gemodificeerd asfalt was zelfgemaakt en de dosering van grafeen was 1 procent in gewicht, wat eerder het optimale grafeengehalte bleek te zijn [27]. 2.1. Voorbereiding van AFM-monsters De korte- enlangdurige verouderingasfalt werd gesimuleerd met behulp van een roterende filmoven verwarmingsapparaat (James Cox & Sons CS325B, Colfax, CA, VS) en eendruk verouderingsapparatuur(Prentex PR9300, Sunnyvale, TX, VS), respectievelijk. Niet-verouderd, kort verouderd en langdurig verouderd asfalt werd apart bereid. AFM-specimens werden als volgt bereid via de verhittingsvormmethode: eerst werd gesmolten asfalt op een glasplaatje (10 mm x 10 mm x 1 mm) afgezet met behulp van een glazen staaf. Vervolgens werd de druppel in een oven geplaatst en 30◦ boven de horizontaal gekanteld. Het werd gedurende 15 minuten verwarmd tot 150 ◦C en een dunne laag asfalt bedekte het oppervlak van de glijbaan door de zwaartekracht. Ten slotte werd het met asfalt beklede glasplaatje aan de lucht afgekoeld tot kamertemperatuur. De asfaltfilm die via deze methode werd vervaardigd, had een dikte van enkele microns, wat vergelijkbaar is met de werkelijke dikte van asfaltfilms op wegen [28].

2.2. Atomic Force Microscope-test

AFM (Bruker Multimode 8, Santa Barbara, CA, VS) werd uitgevoerd om de microstructuren van de basis en met grafeen gemodificeerd asfalt voor en na veroudering te karakteriseren. Een schematisch diagram van de uitgevoerde AFM wordt weergegeven in figuur 1. De vier kerncomponenten die in de AFM werden gebruikt, waren een sondetip, cantilever, laser en positiegevoelige fotodiode (PSPD). Tijdens het scannen zal de hoogtevariatie van het micro-oppervlak van het monster een lichte kracht veroorzaken, dwz een aantrekkende of afstotende kracht tussen de sondetip en het monsteroppervlak. In dit geval wijkt de cantilever af op basis van "de wet van Hooke", wat resulteert in een verandering in het reflectiesignaal van de laser die op de achterkant van de cantilever wordt verlicht. De verandering in de laserreflectiesignalen kan worden waargenomen door de PSPD en de oppervlaktetopografie van het monster kan na behandeling worden verkregen [29]. De topografie- en fasecontrastbeelden werden ontvangen in de intermitterende contactmodus, waarbij de elastische constante van de sonde 0.4 N/m was, de scansnelheid was 1,5 Hz, het scangebied was 10 µm × 10 µm en de resolutie was 10 nm.

Figuur 1. Schematische weergave AFM.

3. Resultaten en discussie

3.1. Effect van grafeen op fundamentele eigenschappen van asfalt

Figuren 2a,b tonen de basiseigenschappen van respectievelijk basisch en grafeen-gemodificeerd (de dosering van grafeen was 1,0 gewichtsprocent) asfalt voor en na veroudering. Zoals te zien is in figuur 2, vertonen zowel de basis als het gemodificeerde asfalt een trend van afnemende penetratie, toenemend verwekingspunt, toenemende viscositeit en afnemende ductiliteit na kortdurende rollende dunne-filmoventest (RTFOT) veroudering. Het toenemende verwekingspunt en de viscositeit geven aan dat het asfalt na veroudering hard en bros wordt. Ondertussen, deanti-aging eigenschapvan asfalt kan ook worden geëvalueerd door de veranderingspercentages van de indexen voor en na veroudering te vergelijken. Geconcludeerd kan worden dat de veranderingssnelheid van elke index van met grafeen gemodificeerd asfalt lager was dan die van het basisasfalt. Dit suggereert dat deanti-aging prestatiesvan het met grafeen gemodificeerde asfalt was superieur aan dat van het basisasfalt. Bovendien verbeterden de prestaties bij hoge temperaturen van het gemodificeerde asfalt door de opname van grafeen.

3.2. Effect van grafeen op "Bijenstructuur

Figuren 3a,b tonen de 2D-topografieën van respectievelijk de basis en het met grafeen gemodificeerde asfalt gemeten via AFM. Er werden drie fasen (catana-, peri- en parafasen) waargenomen op de afbeeldingen in afbeelding 3. De "bijenstructuur" was samengesteld uit dooreengevlochten lichte en donkere lijnen, die respectievelijk convexe en concave structuren vertegenwoordigen (7 30] Bovendien toont figuur 3ab veel "bijenstructuren in het met grafeen gemodificeerde asfalt binnen hetzelfde onderzoeksgebied. De hoogte van de lichte, heldere piek nam aanzienlijk toe en de diepte van de donkere vallei nam af, wat wijst op een afname van de grootte van de " bijenstructuur in het met grafeen gemodificeerde asfalt Met andere woorden, in het basisasfalt zijn de "bijenstructuren" groter maar kleiner in aantal.

Figuur 3. Topografieën van asfalt onderzocht via AFM. (a) 2D-beeld van basisasfalt; (b) 2D-beeld van met grafeen gemodificeerd asfalt; (c) topografische profielen van "bijenstructuren" gelabeld in (a); (d) topografische profielen van "bijenstructuren" gelabeld in (b).

AFM levert topografische informatie in de vorm van hoogtelijnen (of profielen), bijvoorbeeld de afstand tussen de hogere en lagere delen van de 'bijenstructuur'. Figuur 3c, d tonen topografische profielen van de geselecteerde representatieve "bijenstructuren" die respectievelijk zijn gelabeld in figuren 3a, b. Zoals getoond, was de gemiddelde lengte van de "bijenstructuur" in het basisasfalt 3–4 µm, terwijl deze is teruggebracht tot 2–3 µm in het met grafeen gemodificeerde asfalt. Bovendien was de gemiddelde hoogte van de "bijenstructuur" in basisasfalt ongeveer 44,2 nm, terwijl deze was teruggebracht tot ongeveer 35,4 nm in het met grafeen gemodificeerde asfalt. Deze reductie laat zien dat het volume van de "bijenstructuur" in asfalt afnam na modificatie door grafeen. Door figuur 3 te analyseren, kan worden gespeculeerd dat de afname van het "bijenstructuur" -volume in het met grafeen gemodificeerde asfalt voornamelijk verband houdt met de factoren die bijdragen aan de vorming van de "bijenstructuren".

3.3. Effect van grafeen op de microstructuur tijdens veroudering van asfalt

Figuur 4 toont de driedimensionale (3D) AFM-beelden van de basis en met grafeen gemodificeerd asfalt voor en na veroudering. Zoals getoond, was het oppervlak van het met grafeen gemodificeerde asfalt glad, terwijl dat van het basisasfalt ruw was. Na veroudering in de rollende dunne-filmoven (RTFOT) was de variatie in het basisasfaltoppervlak duidelijker dan die van het met grafeen gemodificeerde asfalt. In het bijzonder nam het piekgebied aanzienlijk toe, en ook de hoeveelheid en grootte van de "bijenstructuren". De AFM-beelden van het met grafeen gemodificeerde asfalt voor en na veroudering waren echter vergelijkbaar. Het aantal "bijenstructuren" in de basis en met grafeen gemodificeerd asfalt nam daarna toedruk-verouderingvaartuig (PAV) testen. Dit gebeurde omdat de viscositeit van het asfalt toenam en het aantal grote aromatische koolwaterstofmoleculen toenam na veroudering [31].

Figuur 4. (a) 3D AFM-beelden van basisasfalt; (b) basisasfalt na RTFOT-veroudering; (c) basisasfalt na PAV-veroudering; (d) grafeen-gemodificeerd asfalt; (e) met grafeen gemodificeerd asfalt na RTFOT-veroudering; (f) met grafeen gemodificeerd asfalt na PAV-veroudering

Kwantitatieve analysegegevens inclusief ruwheid, aantal gevonden pieken en minimale en maximale piekdiepte kunnen worden geëxtraheerd uit figuur 4 via "AFM-software — Nanoscope Analysis" en de lijst in tabel 1.

Tabel 1. Basisgegevensparameters geëxtraheerd uit de 3D AFM-topografieën.

Ten eerste kan de variatie in de oppervlaktemorfologie kwantitatief worden geanalyseerd door het verschil tussen de microscopische fasetoestanden van asfalt op basis van de ruwheidsindex (root-mean-square ruwheid (R,), gemiddelde ruwheid en maximale hoogteruwheid) [32). . In deze studie werd de relatie tussen de microscopische fasetoestanden en Rq onderzocht. R, werd als volgt berekend:

waarbij A het scangebied is, dat in dit onderzoek 10 um x 10 um meet; h (x, y) is de hoogtefunctie van de morfologie (nm); en h is de referentiehoogte (nm). De R van elk monster vermeld in tabel 1 werd verkregen met behulp van "AFM-software Nanoscope AnalysisRoughness" en werd ook gepresenteerd in de vorm van grafieken, zoals weergegeven in figuur 5.

Zoals weergegeven in figuur 5, was de R van het met grafeen gemodificeerde asfalt kleiner dan die van asfalt, wat aangeeft dat de toevoeging van grafeen de ruwheid van het asfaltoppervlak verminderde. De oppervlakteruwheid hangt samen met het zelfherstellend vermogen en de hechting van asfalt.33 Kort gezegd: hoe hoger de ruwheid van het asfaltbindmiddel, des te beter het zelfherstellend vermogen en de hechting van het asfalt. De ruwheid nam na korte tijd toe. veroudering op de lange termijn, of het nu gaat om basisasfalt of met grafeen gemodificeerd asfalt (34,35). De ruwheid nam echter af na langdurige veroudering. De verschillende effecten van grafeen op de AFM-morfologie en ruwheid van asfalt na korte en lange veroudering op termijn werd voornamelijk toegeschreven aan de afname van de lichte componenten (verzadigde koolwaterstof en aromatische koolwaterstof) en dienovereenkomstig de toename van asfalteen- en harsgehaltes.36 In dit geval werden meer asfaltenen aan de wasschilfers gehecht tijdens de vorming van de "bijenstructuur", resulterend in een toename van het "bijenstructuurvolume en de AFM-ruwheid van zowel de basis als het met grafeen gemodificeerde asfalt na veroudering op korte termijn.

Er werd waargenomen dat de R van de twee asfaltsoorten toenam na RIFOT-veroudering maar afnam na PAV-veroudering. Dit kan zijn omdat de verouderingsgraad van RIFOT lager was, er minder lichte componenten vervluchtigden en de zware componenten werden blootgesteld, waardoor de oppervlakteruwheid toenam. Ondertussen was de verouderingsgraad van PAV hoger, wat resulteerde in een groter aantal lichtgewicht elementen dat moest worden verdampt; bijgevolg ging het asfalt over van een structuur met meerdere fasen naar een structuur met één fase. De vereenvoudiging van de fasetoestand verminderde de oppervlakteruwheid Hoewel de R van de twee soorten asfalt toenam na RIFOT-veroudering, was de toename in het met grafeen gemodificeerde asfalt kleiner dan die van het basisasfalt. Na PAV-veroudering nam de R van de twee soorten asfalt af, maar de reductie in het met grafeen gemodificeerde asfalt was minder dan die van het basisasfalt. Daarom kan uit R worden afgeleid dat toevoeging van grafeen het antiverouderingsvermogen van het basisasfalt verbeterde.

Ten tweede kan de variatie in de oppervlaktemorfologie kwantitatief worden geanalyseerd door het aantal gevonden pieken en de piekdiepte. Een groep pieken associeert zich om een ​​bijenstructuur te vormen. Het aantal bijenstructuren is eerder besproken en hier is niet gesproken over het aantal gevonden pieken. Er wordt een frequentiehistogram van piekdiepteverdelingen geconstrueerd, zoals weergegeven in figuur 6. Zoals getoond, vertoonde het piekdiepteverdelingshistogram van het met grafeen gemodificeerde asfalt onder verschillende verouderingsomstandigheden een kleinere pieklijn dan die van het basisasfalt, wat aangeeft dat het aantal van pieken met grotere diepte in het met grafeen gemodificeerde asfalt was minder en de verdeling besloeg een kleiner deel van het gebied. De piekhoogten van het niet-verouderde, kortstondige en langdurig verouderde basisasfalt waren geconcentreerd in de buurt van respectievelijk 70, 83 en 62 nm. De piekhoogten van het niet-verouderde, op korte termijn verouderde en op lange termijn met grafeen gemodificeerde asfalt waren geconcentreerd in de buurt van respectievelijk 47, 60 en 57. De toevoeging van grafeen kan de accumulatie van structurele componenten in de "bijenstructuren" hebben beïnvloed, waardoor de piekhoogte is verminderd. De hoogte van de bijenstructuur na veroudering nam af door de verandering in de asfaltcomponenten veroorzaakt door asfaltveroudering, de afname van niet-polaire componenten (verzadigd en aromatisch) en de toename van polaire kenmerken (colloïden en asfaltenen).

Vraag voor meer:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com whatsapp: plus 86 15292862950