Konstruirani nanokompoziti u vezivom za asfalt 2

Molimo kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza više informacija

3.2 Dinamička viskoelastična svojstva

Viskoelastična svojstva veziva analizirana su DSR testom. Fazni ugao (δ) i odgovarajući kompleksni modul smicanja (G*) izmjereni su u opsegu frekvencija (10 rad/s) i velikoj temperaturi (od 20 do 9{{17 }} stepen). Ispitivana je otpornost veziva na deformaciju (rutting) permanent (plastiku) prema parametru G*/sinδ parametru【38】. Rezultati su ilustrirani na slici 4a-c. Otpornost na deformaciju asfaltnog veziva razmatra se faznim uglom i kompleksnim modulom, čiji parametri frekvencije opterećenja i temperature imaju glavni utjecaj na G* i δ【8】. Uzorak sa CSNP-ima u količini od 0,2 tež. posto pokazuje najveću otpornost na deformaciju prije starenja. Starenje dovodi do povećanja ukočenosti. Maksimalni stupanj krutosti uvijek se opaža za ostarjele bazne uzorke, što je povezano s povećanjem elastičnog ponašanja [39] i nepovoljno s povećanjem lomljivosti [40]. Složeni uvjeti modula se mijenjaju dodavanjem NP-a u asfaltno vezivo. Za CSNP-modificirane uzorke, povećanje krutosti nakon starenja je manje izraženo zbog efekta pojačavanja NP-a. Na osnovu rezultata ove studije, dodatak od 0,2 i 0,3 tež. posto

NPS na asfaltno vezivo pokazuje najveću otpornost na trajne deformacije nakon kratkotrajnog i dugotrajnog starenja. Optimalni sadržaj CSNP-a u asfaltnom vezivu može se odrediti za dobivanje CSNP-modificiranih veziva s najvećom otpornošću na starenje.cistanche wirkungNakon starenja PAV, fazni ugao i rangiranje kompleksnog modula bili su 3.0wt9 posto NPs<1.0wt%><2.0><0.0 wt9="" nps,="" and="" 0.0wt%="" nps="">2.0wt% NPs>1.0 wt% NPs>3.0 težinski postotak NP-a, respektivno.

Na slici 4d-g prikazani su parametri kolotraga prije i poslije starenja (na 30 i 70 stepeni C). Uzorci 6 i 12 pokazali su najizrazitije poboljšanje nakon kratkotrajnog i dugotrajnog starenja, respektivno. Rezultati pokazuju otpornost na trajne deformacije, koja je poboljšana dodavanjem CSNP-a.

Molimo kliknite ovdje da saznate više

U ovom istraživanju efikasnost otpora kolotrazi se razmatra sa graničnom temperaturom faktora kolotraga. Tabela 1 predstavlja graničnu temperaturu od 10 prije starenja i 2,2kPa nakon starenja (na osnovu SHRP-A-369 standarda [38]). Rezultati pokazuju da CSNP smanjuju otpornost na stvaranje kolotraga prije starenja. Nakon starenja, granična temperatura i stvrdnjavanje baznih uzoraka se povećavaju, dok se za CSNP-modificirane uzorke mjeri suprotno. Ova zapažanja potvrđuju da CSNP smanjuju krutost i otvrdnjavanje zbog starenja.bioflavonoidi citrusaŠtaviše, rezultati su pokazali da {{0}}.1 tež. posto CSNP-a radi bolje u poređenju sa 0.2 tež. posto.

3.3 Termička i spektroskopska analiza Termogravimetrija/diferencijalna termička analiza (TG/DTA) je sprovedena da bi se istražila termička stabilnost i obrazac termičke dekompozicije. Na slici 5 prikazani su rezultati termogravimetrijske analize (TGA), gdje se mjere gubitak težine uzoraka sa porastom temperature do 900 stepeni.

Tri glavna opsega gubitka mase su prikazana u termičkoj dekompoziciji: temperaturni opseg od 200-360, 370-490 i 540 stepeni. U temperaturnom opsegu od 480-580 stepena C, heteroatomske veze baznih uzoraka se razlažu, a smole oksidiraju i dehidrogeniraju. U sljedećoj fazi, proces polimerizacije/pucanja proizvodi asfaltene koji povećavaju gubitak težine veziva [41,42].

Cistanche može protiv starenja

CSNP-modificirani uzorci veziva imaju povećanu termičku stabilnost.cynomorium prednostiKonačna dekompozicija u CSNP-modifikovanim vezivnim agensima desila se ranije u poređenju sa osnovnim uzorcima da bi ovaj subjekt mogao biti povezan sa isparenim silicijumskim NP-ovima (Slika S4). Ostatak ugljenika u osnovnim uzorcima dolazi na nulu na 800 stepeni (maksimalni gubitak mase); međutim, postoji 20-43 posto ugljičnog ostatka u CSNP-modificiranim vezivama. CSNP-modificirana veziva s manjim gubitkom težine imaju veću toplinsku stabilnost i niže isparavanje [43]. Većina gubitka mase za uzorke veziva CSNP se dešava na temperaturama iznad 200 stepeni, što je mnogo više od radne temperature potrebne za asfaltne mešavine; stoga ovaj nanokompozit ima prihvatljive termičke performanse u vezivu za asfalt.

Raspodjela temperature na površini uzorka tokom 120s u različito vrijeme (koristeći infracrvene termalne slike) – uvijek izračunata odabirom tri tačke na površini [44,45] – prikazana je na slici 6. Promjene temperature prikazane su promjenom boje u uzorcima asfaltnog veziva.pustinjski zumbulNa niskim temperaturama (slika 6a,e, i i m), raspodjela topline je jednolika; međutim, temperatura raste od 44,6 do 136,34,8 do 95, odnosno 33,7 do 95 stepeni za uzorak bez WMA aditiva, sa WMA aditivom i sa WMA aditivom plus CSNPs nakon 120s, respektivno. Slika 6 pokazuje da bez WMA, aditivni uzorci imaju linearne stope zagrijavanja i rastući trend površinske temperature. Slika 6h i p pokazuju da WMA uzorci mogu ravnomjerno oslobađati toplotu; međutim, osnovni uzorci stvaraju akumulaciju topline. Osim toga, WMA uzorci imaju prikladniju temperaturnu raspodjelu od osnovnih uzoraka na a

niži nivo toplote. Na slikama 6a-d i il prikazana je brzina oslobađanja toplote uzoraka bez i sa CSNP-ima, koji su 0.63 i 0.62 stepena/s, respektivno. Ove brojke pokazuju da WMA aditivi sa i bez CSNP imaju slične termičke mehanizme.

Poređenje temperaturnih distribucija uzoraka modificiranih CSNP-ovima i NP-ovima isparenog silicijum dioksida (Slika 6 i Slika S5) pokazuje da je učinak CSNP-a na WMA efikasniji od isparenog silicijum-dioksida NP-a. Osim toga, dovoljne performanse (temperaturna distribucija) uzoraka modificiranih silicijevim NP i glinenim NPS ukazuje na fenomen samozacjeljivanja u asfaltnom vezivu [46,47].

3.4 Kontaktni uglovi asfaltnih veziva

Slika 7 prikazuje kontaktne kutove (CA; između vode i površine asfaltnog veziva) za različita asfaltna veziva prije i nakon starenja. CA vrijednosti veće ili niže od 90 stepeni pokazuju hidrofobnost odnosno hidrofilnost uzoraka. CSNP-modificirani uzorci su više hidrofobni, pa je manje molekula vode zarobljeno u površini veziva. Drugim riječima, CSNP značajno smanjuju zaostale molekule vode u asfaltnoj mješavini i mijenjaju kvašenje asfaltnih veziva. Ovaj fenomen ukazuje na to da CSNP-modificirana veziva imaju mnogo veću osjetljivost na vlagu u odnosu na osnovne uzorke veziva. Videozapisi 4-6(pogledajte dodatne materijale) upoređuju CA modificiranih uzoraka prije i nakon starenja.

Na slici 7 je prikazano povećanje CA sa 91 na 97 stepeni CSNP-modifikovanog uzorka. Ovo zapažanje bi moglo biti povezano sa hidrofobnom prirodom isparenih silicijumskih NP-ova. Omjer difuznog silicijum-dioksida NP-a u asfaltnom vezivu mogao bi igrati ključnu ulogu u vlaženju veziva (CA-ovi isparenog silicijum-dioksida NP-a prikazani su na slici S6). Osim toga, snimanje CA pokazalo je da za povećane nivoe starenja, blago povećanje (sa 6 na 79) CA uočeno je dugotrajno starenje.

3.5 Mehanizam CSNP-a i bitumena

Nekoliko mehanizama utiče na proces protiv starenja asfaltnog veziva modifikovanog CSNP. U ovoj interakciji, povećanje površinske energije uzrokuje povećanje veza hidroksilne grupe između NP silicijevog dioksida i bitumena [8,48]. Osim toga, visoki omjer površine prema volumenu nanoslojeva gline se povećava kako bi se spojile molekule veziva asfalta sa slojevima gline [49]. Molekule bitumena mogu stvoriti kemijske veze sa silicijumskim NP-ovima, a također, NPS podržava komponente bitumena fizičkim reakcijama (van der Waalsova sila)[50]. Asfalten igra ključnu ulogu u reološkim svojstvima bitumena.metoda ekstrakcije flavonoida pdfNa osnovu koloidne strukture bitumena (slika 8), ulje i asfalten su dispergirani u fazi otapala. Kao što je prikazano na slici 8, zbog odgovarajuće veličine CSNP-a (prosječne veličine čestica silicijum dioksida i slojeva gline su oko 33 odnosno 12 nm, respektivno), oni se lako raspršuju između ovih koloidnih dimenzija i pokrivaju molekule asfaltena (prosječni promjer, 0.5-40 nm [51);

stoga se mehanička i termička svojstva mogu modificirati ovim molekularnim kemijskim poboljšanjem. Nadalje, nanoslojevi gline imaju izvanredne sposobnosti promjene svojstava na površini bitumena. Nanoslojevi gline su dispergirani u koloidnoj strukturi bitumena i sprječavaju prodiranje kisika u matricu bitumena na nanoskali [52]. Ostala fizička i kemijska svojstva CSNP-a kao što su promjena vlaženja [53] i reakcije ionske izmjene poboljšavaju stabilnost modificiranog bitumena i izbjegavaju razgradnju kemijske strukture bitumena.

3.6 Infracrvena i Ramanova spektroskopska analiza Fourierove transformacije

Za proučavanje kemijskih veza asfaltnog veziva korištena je FTIR spektroskopija u rasponu od 650-4,000/cm (slika 9a). Slika 9 prikazuje brzinu promjene (CR) sulfoksidnog i karbonilnog indeksa za kratkotrajno i dugotrajno starenje. Što se tiče UV-starih uzoraka, karbonilni indeks je povećan više nego kod baznog veziva. Sulfoksidni i karbonilni indeks smanjeni su za CSNP-modificirana asfaltna veziva. Osim toga, produženje vremena starenja povećava sulfoksidni i karbonilni indeks.

Jednačine u dopunskim materijalima (vidi tabelu S4) korišćene su za istraživanje hemijskih veza - aromatične (C=C), etilen (CH=CH), karbonil (C=O ), alifatski (CH od CHz), alifatski (CH od -(CH)n-), i sulfoksidni (S=O) indeksi [54,55].

Promjena omjera traka prikazana je na slici 9b za sve uzorke veziva. Tokom kratkoročnog i dugotrajnog procesa starenja, karbonil, sulfoksid i aromatični indeksi su se povećali; međutim, nakon starenja, rezultati pokazuju da su sulfoksidni i karbonilni indeksi smanjeni za CSNP-modificirana veziva. Zbog procesa starenja, asfalten se hidrogenerira u policiklične aromatične ili hidroaromatične ugljovodonike i dovodi do povećanja aromatičnih spojeva. Suprotno tome, nakon starenja, zbog suprotnosti između spojeva alifatskih i aromatskih, došlo je do smanjenja alifatskih molekula. Osim toga, u CSNP-modificiranom vezivu, indeks etilena (CH=CH) se povećava nakon starenja, što ukazuje da je CSNP odgovarajući zaštitni štit za smanjenje oksidativnih i termičkih reakcija [54,56]. Drugim riječima, čestice nano-promjera imaju odličnu sposobnost da se koriste kao štit protiv starenja [57].

Prosječna veličina aromatičnog sloja bitumena određena je Ramanovom spektroskopijom (slika 10.). Ramanovi spektri svakog uzorka su sastavljeni od D i G traka, osim svježeg bitumena [58,59]. G i D trake pokazuju vibraciju sp² istezanja atoma ugljika unutar aromatičnog sloja heksagonalne i granice uređene strukture asfaltena, respektivno [58]. Položaj vrha opsega G i D(Ic i I) na slici 10 je u 1,585-1,599 i 1,264-1,377/cm, respektivno (Slika S7)[59].

Iako postoje velike sličnosti između Ramanovih spektra među uzorcima bitumena, postoji nekoliko glavnih varijacija. Na primjer, relativni udio aromatičnih prstenova bio je znatno veći u uzorku dugotrajnog starenja, u poređenju sa nižim aromatičnim spojenim prstenovima u osnovnim uzorcima. U prisustvu NPS, promjena pikova G i D traka može se pripisati sposobnosti same nanočestice da promijeni interakcije aromatičnog prstena u otopini bitumena.

Nakon detaljnijeg pregleda slike 10, dodavanjem NP u uzorke bitumena mijenja se intenzitet asfaltnih ploča. Ovo se duguje interakcijama između NP i aromatskih spojenih prstenova. Najintenzivniji pik u D pojasu je u uzorku dugotrajnog starenja, koji se zasniva na vibracionom modu neuređene grafitne rešetke sa Ag simetrijom [60]. Suprotno tome, bazni bitumen pokazuje da su molekule okupiranog aromatika izuzetno niske u usporedbi s drugim uzorcima zbog male veličine asfaltenske aromatske ploče [61].

3.7 Performanse pri niskim temperaturama i viskoznost starenja

BBR testom je izračunata brzina puzanja (m-vrijednost) i krutost puzanja (S) asfaltnih veziva u funkciji vremena opterećenja pri niskim temperaturama [62]. S i m-vrijednost ključni su parametri za niskotemperaturno pucanje asfaltnih materijala [63].

U ovom istraživanju određene su S i m-vrijednosti za NP-modificirana asfaltna veziva na tri različite temperature (Slike 1la i b). Uočene vrijednosti krutosti puzanja NP-modificiranih asfaltnih veziva značajno su smanjene. Dakle, CSNP poboljšavaju otpornost na pucanje pri niskim temperaturama. Uzorci 7 i 11 sa 0.2 tež. posto CSNP-a pokazali su najznačajnija poboljšanja nakon kratkotrajnog/dugotrajnog starenja. Brzina puzanja (nakon procesa starenja) se smanjivala sa stepenom starenja; međutim, aditivi nanočestica značajno povećavaju brzinu puzanja. Dimljeni silicijumski NP poboljšali su otpornost asfalta na pucanje. To je zbog činjenice da NPS potiče površine i molekule asfaltnog veziva, posljedično smanjujući starenje, a zauzvrat, modificirani uzorci veziva za asfalt dobivaju dovoljnu elastičnost pri niskim temperaturama [16,64].

Slika 11c prikazuje indeks viskoznog starenja (IVA) uzoraka veziva za asfalt nakon kratkotrajnog i dugotrajnog starenja. IVA se koristi za proučavanje svojstava starenja (Tabela S4 u Dodatnim materijalima).

IVA u NP-modificiranim uzorcima nakon kratkotrajnog starenja je manja od IVA osnovnih uzoraka. Stoga se otpornost na starenje asfaltnog veziva povećava modifikacijom NPS. Prema rezultatima prikazanim na slici 11c, IVA je direktno povezana sa starenjem i povećava se sa trajanjem starenja. Uzorak asfaltnog veziva modificiran sa 0.2 tež. posto NPS-a ima odgovarajući ⅣA nakon kratkotrajnog starenja, a uzorak modificiran sa 0.3 tež. posto NPS-a ima najmanji nivo IVA nakon dugog -trajno starenje. Rezultati pokazuju da se IVA smanjuje sa povećanjem koncentracije NP.

4 Zaključak

Modifikacija asfaltnih veziva kroz NPS može ponuditi nove perspektive u tehnologiji asfaltnih veziva i može biti od velike koristi za razvoj sljedeće generacije materijala za asfaltiranje puteva. Novi tipovi nanokompozita bi mogli značajno povećati tehničku izdržljivost i održivost, a da pritom ostanu ekološki prihvatljivi i isplativi.

Ovo istraživanje predstavlja najnovija otkrića o novom nano-kompozitnom vezivu za asfalt, modificiranom pomoću CSNP-a. Ovaj novi tip veziva predstavlja značajno poboljšana termička, hemijska i mehanička svojstva u poređenju sa konvencionalnim asfaltnim vezivom. Zanimljive prednosti su dokazane u poboljšanoj otpornosti na starenje i otpornosti na vlagu, smanjenju temperature proizvodnje asfaltne mješavine i poboljšanim dugotrajnim performansama.

Eksperimentalni rezultati prikazani u ovom istraživanju pokazuju da modifikacija veziva korištenjem CSNP-a povoljno mijenja kvašenje i poboljšava hidrofobna svojstva konvencionalnih asfaltnih veziva. Naša otkrića pokazuju veliki potencijal za rješavanje jednog od najizazovnijih problema u WMA tehnologiji, a to je osjetljivost na vlagu. Nadalje, detaljne kemijske i reološke studije ukazuju na značajno poboljšanje otpornosti na starenje CSNP-modificiranih asfaltnih veziva.

Modifikacija asfaltnog veziva kroz CSNP i WMA tehnologiju može se smatrati zanimljivom jeftinom i ekološki prihvatljivom tehnikom u inženjeringu asfaltnih kolovoza koja pruža nove perspektive u pravljenju asfaltnih materijala trajnijim. Iz šire perspektive, naša otkrića o molekularnim interakcijama između NP-a i asfaltnog veziva otvorit će novi put koji će biti inspiracija za koncept nanotehnologije u asfaltu.

Ovaj članak je preuzet iz Nanotechnology Reviews 2022; 11: 1047–1067