Opracowane nanokompozyty w spoiwach asfaltowych 2

Proszę o kontaktoscar.xiao@wecistanche.compo więcej informacji

3.2 Dynamiczne właściwości lepkosprężyste

Właściwości lepkosprężyste spoiw przeanalizowano testem DSR. Kąt fazowy（δ） i odpowiadający mu zespolony moduł ścinania (G*) zostały zmierzone w zakresie częstotliwości (10 rad/s) i dużej temperaturze (od 20 do 9{{17 }} stopień ). Odporność lepiszcza na odkształcenia (kolejenie)trwałe (plastyczne) badano według parametru G*/sinδ parametr【38】. Wyniki przedstawiono na rysunku 4a-c. Odporność lepiszcza asfaltowego na odkształcenia jest rozpatrywana z uwzględnieniem kąta fazowego i modułu zespolonego, których parametry częstotliwości obciążenia i temperatury mają główny wpływ na G* i δ【8】. Próbka z CSNP w ilości 0,2% wag. wykazuje najwyższą odporność na odkształcenia przed starzeniem. Starzenie prowadzi do wzrostu sztywności. Maksymalny poziom sztywności obserwuje się zawsze dla starzonych próbek bazowych, co wiąże się ze wzrostem zachowania sprężystego [39] i niekorzystnie ze wzrostem kruchości [40]. Złożone warunki modułu zmieniają się po dodaniu NP do lepiszcza asfaltowego. W przypadku próbek zmodyfikowanych CSNP wzrost sztywności po starzeniu jest mniej wyraźny ze względu na wzmacniający wpływ NP. Na podstawie wyników tego badania, dodanie 0,2 i 0,3% wag

NPS do lepiszcza asfaltowego wykazuje najwyższą odporność na odkształcenia trwałe odpowiednio po krótko- i długoterminowym starzeniu. Optymalną zawartość CSNPs w lepiszczu asfaltowym można określić w celu uzyskania lepiszczy modyfikowanych CSNP o najwyższej odporności na starzenie.cistanche wirkungPo starzeniu PAV kąt fazowy i ranking modułu zespolonego wynosiły 3.0wt9% NP<1.0wt%><2.0><0.0 wt9="" nps,="" and="" 0.0wt%="" nps="">2.0wt% NPs>1.0 wt% NPs>3. odpowiednio 0 procent wag. NP.

Na rysunku 4d-g pokazano parametry kolein przed i po starzeniu (przy 30 i 70 stopniach C). Próbki 6 i 12 wykazały najbardziej wyraźną poprawę, odpowiednio, po krótkotrwałym i długotrwałym starzeniu się. Wyniki pokazują odporność na trwałe odkształcenia, która poprawiła się po dodaniu CSNP.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej

W tym badaniu skuteczność odporności na powstawanie kolein rozpatrywana jest przy progowej temperaturze współczynnika koleinowania. Tabela 1 przedstawia temperaturę progową 1,0 przed starzeniem i 2,2 kPa po starzeniu (na podstawie normy SHRP-A-369 [38]). Wyniki pokazują, że CSNP zmniejszają odporność na powstawanie kolein przed starzeniem. Po starzeniu temperatura progowa i twardnienie próbek podstawowych wzrastają, podczas gdy w przypadku próbek modyfikowanych CSNP mierzy się przeciwnie. Obserwacje te potwierdzają, że CSNP zmniejszają sztywność i twardnienie z powodu starzenia.bioflawonoidy cytrusoweCo więcej, wyniki wykazały, że {{0}},1% wag. CSNP działa lepiej w porównaniu z 0,2% wag.

3.3 Analiza termiczna i spektroskopowa Przeprowadzono termograwimetrię/różnicową analizę termiczną (TG/DTA) w celu zbadania stabilności termicznej i wzoru rozkładu termicznego. Na rysunku 5 przedstawiono wyniki analizy termograwimetrycznej (TGA), gdzie ubytek masy próbek mierzony jest wraz ze wzrostem temperatury do 900 stopni.

W rozkładzie termicznym przedstawiono trzy główne zakresy utraty masy: zakresy temperatur 200-360, 370-490 i 540 stopni . W zakresie temperatur 480-580 stopni C wiązania heteroatomowe próbek bazowych ulegają rozkładowi, a żywice ulegają utlenieniu i odwodornieniu. W kolejnym etapie w procesie polimeryzacji/krakingu powstają asfalteny, które zwiększają utratę masy lepiszcza [41,42].

Cistanche może przeciwdziałać starzeniu

Próbki spoiwa modyfikowanego CSNP mają zwiększoną stabilność termiczną.korzyści cynomoriumOstateczny rozkład w spoiwach zmodyfikowanych CSNP nastąpił wcześniej w porównaniu z próbkami podstawowymi, że ten temat może być związany z NP krzemionki koloidalnej (Rysunek S4). Pozostałość węglowa próbek zasadowych osiąga zero przy 800 stopniach (maksymalna utrata masy); jednakże w spoiwach modyfikowanych CSNP znajduje się 20-43 procent pozostałości węgla. Spoiwa modyfikowane CSNP o mniejszej utracie masy mają wyższą stabilność cieplną i mniejsze parowanie [43]. Większość utraty masy próbek lepiszcza CSNPs występuje w temperaturach powyżej 200 stopni, co jest znacznie wyższe niż temperatura robocza wymagana dla mieszanek mineralno-asfaltowych; dlatego ten nanokompozyt ma akceptowalną wydajność termiczną w spoiwach asfaltowych.

Rozkład temperatury na powierzchni próbki w latach 120. w różnym czasie (za pomocą obrazów termowizyjnych w podczerwieni) – zawsze obliczany przez wybranie trzech punktów na powierzchni [44, 45] – pokazano na rysunku 6. Zmiany temperatury są pokazane przez zmianę koloru w próbkach lepiszcza asfaltowego.pustynny hiacyntW niskiej temperaturze (rysunek 6a, e, i oraz m) rozkład ciepła jest równomierny; jednak temperatura wzrasta z 44,6 do 136,34,8 do 95 i 33,7 do 95 stopni odpowiednio dla próbki bez dodatku WMA, z dodatkiem WMA iz dodatkiem WMA plus CSNP po 120 sekundach. Rysunek 6 pokazuje, że bez WMA próbki dodatków mają liniową szybkość ogrzewania i rosnący trend temperatury powierzchni. Rysunek 6h i p pokazują, że próbki WMA mogą równomiernie uwalniać ciepło; jednak próbki podstawowe powodują akumulację ciepła. Ponadto próbki WMA mają bardziej odpowiedni rozkład temperatury niż próbki podstawowe przy a

niższy poziom ciepła. Rycina 6a-d i il pokazują uwalnianą szybkość ciepła próbek bez iz CSNP, która wynosi odpowiednio 0.63 i 0.62 stopnia /s. Te liczby wskazują, że dodatki WMA zi bez CSNP mają podobne mechanizmy termiczne.

Porównanie rozkładów temperatury próbek zmodyfikowanych przez CSNP i NP krzemionki pirogenicznej (Rysunek 6 i Rysunek S5) pokazuje, że wpływ CSNP na WMA jest bardziej skuteczny niż NP krzemionki pirogenicznej. Ponadto wystarczająca wydajność (rozkład temperatury) próbek modyfikowanych nanocząstkami krzemionki i gliniastymi NPS wskazuje na zjawisko samonaprawy w lepiszczu asfaltowym [46,47].

3.4 Kąty zwilżania lepiszczy asfaltowych

Rysunek 7 przedstawia kąty zwilżania (CA; pomiędzy wodą a powierzchnią lepiszcza asfaltowego) dla różnych lepiszczy asfaltowych przed i po starzeniu. Wartości CA wyższe lub niższe niż 90 stopni pokazują odpowiednio hydrofobowość lub hydrofilowość próbek. Próbki zmodyfikowane CSNP są bardziej hydrofobowe, a zatem mniej cząsteczek wody zostaje uwięzionych na powierzchni spoiwa. Innymi słowy, CSNP znacznie zmniejszają pozostałości cząsteczek wody w mieszance asfaltowej i zmieniają zwilżalność lepiszczy asfaltowych. Zjawisko to wskazuje, że spoiwa modyfikowane CSNP mają znacznie wyższą podatność na wilgoć w porównaniu z próbkami spoiw bazowych. Filmy 4-6(zobacz materiały dodatkowe) porównujące urzędy certyfikacji zmodyfikowanych próbek przed i po starzeniu.

Na Figurze 7 pokazano wzrost CA od 91 do 97 stopni próbki zmodyfikowanej CSNP. Ta obserwacja może być powiązana z hydrofobową naturą nanocząsteczek krzemionki koloidalnej. Stosunek NP krzemionki pirogenicznej w lepiszczu asfaltowym może odgrywać kluczową rolę w zwilżalności lepiszcza (CA NP krzemionki pirogenicznej pokazano na rysunku S6). Ponadto obrazowanie CA wykazało, że w przypadku zwiększonego poziomu starzenia, niewielki wzrost (z 6 do 79) w CA obserwuje się długotrwałe starzenie.

3.5 Mechanizm CSNP i bitumu

Kilka mechanizmów wpływa na proces przeciwstarzeniowy lepiszcza asfaltowego zmodyfikowanego przez CSNP. W tej interakcji wzrost energii powierzchniowej powoduje wzrost wiązań grup hydroksylowych między nanocząsteczkami krzemionki a bitumem [8,48]. Poza tym wysoki stosunek powierzchni do objętości nanowarstw gliny wzrasta, aby połączyć cząsteczki lepiszcza asfaltowego z warstwami gliny [49]. Cząsteczki asfaltu mogą tworzyć wiązania chemiczne z nanocząsteczkami krzemionki, a także NPS wspiera składniki asfaltu w reakcjach fizycznych (siła van der Waalsa) [50]. Asfalten odgrywa kluczową rolę we właściwościach reologicznych asfaltu.metoda ekstrakcji flawonoidów pdfW oparciu o koloidalną strukturę bitumu (Rysunek 8), olej i asfalten są rozproszone w fazie rozpuszczalnika. Jak pokazano na Rysunku 8, ze względu na odpowiednią wielkość CSNP (średnie rozmiary cząstek krzemionki i warstw gliny wynoszą odpowiednio około 33 i 12 nm), są one łatwo dyspergowane między tymi wymiarami koloidalnymi i pokrywają cząsteczki asfaltenów (średnia średnica, 0.5-40nm [51);

stąd właściwości mechaniczne i termiczne mogą być modyfikowane dzięki temu molekularnemu ulepszeniu chemicznemu. Ponadto nanowarstwy gliny mają doskonałe zdolności do zmiany właściwości na powierzchni bitumu. Nanowarstwy gliny są rozproszone w koloidalnej strukturze bitumu i zapobiegają wnikaniu tlenu do matrycy bitumu w nanoskali [52]. Inne właściwości fizyczne i chemiczne CSNP, takie jak zmiana zwilżalności [53] i reakcje wymiany jonowej, zwiększają stabilność modyfikowanego bitumu i zapobiegają rozkładowi struktury chemicznej bitumu.

3.6 Analiza spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera i spektroskopii Ramana

Do badania wiązań chemicznych lepiszcza asfaltowego zastosowano spektroskopię FTIR w zakresie 650-4,000/cm (rysunek 9a). Rysunek 9 przedstawia szybkość zmian (CR) indeksu sulfotlenku i karbonylowego dla krótko- i długoterminowego starzenia. W przypadku próbek poddanych starzeniu UV wskaźnik karbonylowy wzrósł bardziej niż w przypadku spoiwa podstawowego. Indeks sulfotlenkowy i karbonylowy został obniżony dla lepiszczy asfaltowych modyfikowanych CSNP. Ponadto wydłużenie czasu starzenia zwiększa indeks sulfotlenkowy i karbonylowy.

Równania w Materiałach Uzupełniających (patrz Tabela S4) zostały użyte do zbadania wiązań chemicznych-aromatyczne (C=C), etylen(CH=CH), karbonyl (C=O ), alifatyczny (CH z CHz), alifatyczny (CH z -(CH)n-) i sulfotlenkowy (S=O) [54,55].

Zmiana stosunku prążków jest pokazana na Figurze 9b dla wszystkich próbek spoiwa. Podczas krótko- i długoterminowego procesu starzenia wzrastały indeksy karbonylowe, sulfotlenkowe i aromatyczne; jednak po starzeniu wyniki pokazują, że indeksy sulfotlenkowe i karbonylowe obniżyły się dla spoiw modyfikowanych CSNP. W wyniku procesu starzenia asfalten ulega hydrogeneracji do wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych lub hydroaromatycznych i prowadzi do wzrostu zawartości związków aromatycznych. Odwrotnie, po starzeniu, z powodu opozycji między związkami alifatycznymi i aromatycznymi, nastąpił spadek molekuł alifatycznych. Ponadto w spoiwie modyfikowanym CSNP indeks etyleno(CH=CH) wzrastał po starzeniu, co wskazuje, że CSNP jest odpowiednią osłoną ochronną do zmniejszania reakcji oksydacyjnych i termicznych [54,56]. Innymi słowy, cząstki o nanośrednicach mają doskonałą zdolność do zastosowania jako osłona przeciwstarzeniowa [57].

Średni rozmiar arkusza aromatycznego bitumu określono metodą spektroskopii Ramana (Rysunek 10). Widma Ramana każdej próbki składają się z pasm D i G, z wyjątkiem świeżego asfaltu [58,59]. Pasma G i D pokazują drgania rozciągające sp² atomów węgla w aromatycznej warstwie heksagonalnej i granicy uporządkowanej struktury asfaltenów, odpowiednio [58]. Położenie piku pasma G i D(Ic i I) na Rysunku 10 wynosi odpowiednio 1,585-1,599 i 1,264-1,377/cm (Rysunek S7) [59].

Chociaż istnieją duże podobieństwa między widmami Ramana wśród próbek asfaltu, istnieje kilka głównych odmian. Na przykład, względna proporcja pierścieni aromatycznych była znacznie wyższa w próbce z długotrwałym starzeniem się, w porównaniu z niższymi skondensowanymi pierścieniami aromatycznymi w próbkach podstawowych. W obecności NPS zmianę pików w pasmach G i D można przypisać zdolności samej nanocząstki do zmiany oddziaływań pierścieni aromatycznych w roztworze bitumu.

Po bliższym przyjrzeniu się rys. 10, dodanie nanocząsteczek do próbek asfaltu zmienia intensywność arkuszy asfaltenowych. Wynika to z interakcji między nanocząsteczkami a skondensowanymi pierścieniami aromatycznymi. Najintensywniejszy pik w paśmie D występuje w próbce poddanej długoterminowemu starzeniu się, która opiera się na drganiach nieuporządkowanej sieci grafitowej o symetrii Ag [60]. Odwrotnie, bitum bazowy pokazuje, że cząsteczki zajętego aromatu są wyjątkowo niskie w porównaniu z innymi próbkami ze względu na mały rozmiar arkusza asfaltenowo-aromatycznego [61].

3.7 Wydajność w niskich temperaturach i starzenie się lepkości

Test BBR wykorzystano do obliczenia szybkości pełzania (wartość m) i sztywności pełzania (S) lepiszczy asfaltowych w funkcji czasu obciążenia w warunkach niskotemperaturowych [62]. Wartości S i m są kluczowymi parametrami dla niskotemperaturowego pękania materiałów asfaltowych [63].

W tym badaniu wartości S i m zostały określone dla lepiszczy asfaltowych modyfikowanych NP w trzech różnych temperaturach (rys. 1la ib). Obserwowane wartości sztywności pełzania lepiszczy asfaltowych modyfikowanych NP uległy znacznemu zmniejszeniu. W związku z tym CSNP poprawiają odporność na pękanie w niskiej temperaturze. Próbki 7 i 11 z 0,2% wag. CSNP wykazały najbardziej znaczącą poprawę po krótko-/długoterminowym starzeniu. Szybkość pełzania (po procesie starzenia) malała wraz ze stopniem starzenia; jednak dodatki nanocząstek znacznie zwiększyły szybkość pełzania. Napy z krzemionki pirogenicznej poprawiły odporność asfaltu na pękanie. Wynika to z faktu, że NPS promuje powierzchnie i cząsteczki lepiszcza asfaltowego, w konsekwencji zmniejszając starzenie, a z kolei modyfikowane próbki lepiszcza asfaltowego uzyskują wystarczającą elastyczność w niskich temperaturach [16,64].

Rysunek 11c przedstawia wskaźnik lepkości próbek lepiszcza asfaltowego (IVA) po starzeniu po krótko- i długoterminowym starzeniu. IVA służy do badania właściwości starzenia (Tabela S4 w Materiałach Uzupełniających).

IVA w próbkach zmodyfikowanych NP po krótkotrwałym starzeniu jest mniejsza niż IVA próbek podstawowych. Tak więc odporność na starzenie lepiszcza asfaltowego wzrasta wraz z modyfikacją NPS. Zgodnie z wynikami przedstawionymi na rysunku 11c, IVA jest bezpośrednio związana ze starzeniem się i wzrasta wraz z czasem trwania starzenia. Próbka lepiszcza asfaltowego zmodyfikowana o 0,2% wag. NPS ma odpowiednią ⅣA po krótkotrwałym starzeniu, a próbka zmodyfikowana o 0,3% wag. -terminowe starzenie. Wyniki wskazują, że IVA zmniejsza się wraz ze wzrostem stężenia NP.

4. Wniosek

Modyfikacja lepiszczy asfaltowych za pomocą NPS może zaoferować nowe perspektywy w technologii lepiszczy asfaltowych i może być bardzo przydatna do opracowania nowej generacji asfaltowych materiałów do nawierzchni drogowych. Nowe rodzaje nanokompozytów mogą znacznie zwiększyć trwałość techniczną i zrównoważony rozwój, pozostając jednocześnie przyjaznymi dla środowiska i opłacalnymi.

Niniejsze badanie przedstawia najnowsze odkrycia dotyczące nowego lepiszcza asfaltowego nanokompozytowego, zmodyfikowanego przez CSNP. Ten nowy rodzaj lepiszcza charakteryzuje się znacznie lepszymi właściwościami termicznymi, chemicznymi i mechanicznymi w porównaniu z konwencjonalnymi lepiszczami asfaltowymi. Ciekawymi zaletami są zwiększona odporność na starzenie i wilgoć, obniżenie temperatury produkcji mieszanki mineralno-asfaltowej oraz poprawa długoterminowych parametrów użytkowych.

Wyniki eksperymentalne przedstawione w tych badaniach pokazują, że modyfikacja lepiszcza za pomocą CSNP korzystnie zmienia zwilżalność i poprawia właściwości hydrofobowe konwencjonalnych lepiszczy asfaltowych. Nasze odkrycia pokazują ogromny potencjał rozwiązania jednego z najtrudniejszych problemów technologii WMA, jakim jest podatność na wilgoć. Ponadto szczegółowe badania chemiczne i reologiczne wskazują na znaczną poprawę odporności na starzenie lepiszczy asfaltowych modyfikowanych CSNP.

Modyfikację lepiszcza asfaltowego za pomocą CSNP i technologii WMA można uznać za interesującą, niedrogą i przyjazną dla środowiska technikę w inżynierii nawierzchni asfaltowych, zapewniającą nowe perspektywy zwiększania trwałości materiałów asfaltowych. Patrząc z szerszej perspektywy, nasze odkrycia dotyczące interakcji molekularnych między nanocząsteczkami a lepiszczem asfaltowym otworzą nową drogę, która będzie inspiracją dla koncepcji nanotechnologii w asfalcie.

Ten artykuł pochodzi z Przeglądów nanotechnologii 2022; 11: 1047–1067