Konstruirani nanokompoziti u vezivima za asfalt 2

Molimo kontaktirajteoscar.xiao@wecistanche.comza više informacija

3.2 Dinamička viskoelastična svojstva

Viskoelastična svojstva veziva analizirana su DSR testom. Fazni kut（δ） i odgovarajući kompleksni modul smicanja (G*) izmjereni su u frekvencijskom rasponu (10 rad/s) i visokoj temperaturi (od 20 do 9{{17 }} stupanj ). Otpornost veziva na deformaciju (kolotrage) trajna (plastična) ispitivana je prema parametru G*/sinδ parametar【38】. Rezultati su ilustrirani na slici 4a-c. Otpornost asfaltnog veziva na deformaciju razmatra se s faznim kutom i kompleksnim modulom, čija frekvencija opterećenja i temperaturni parametri imaju glavni učinak na G* i δ【8】. Uzorak s CSNP-ima u količini od 0,2 mas. posto pokazuje najveću otpornost na deformaciju prije starenja. Starenje dovodi do povećanja ukočenosti. Najveća razina krutosti uvijek se promatra za ostarjele osnovne uzorke, što je povezano s povećanjem elastičnog ponašanja [39] i nepovoljno s povećanjem krtosti [40]. Uvjeti složenog modula mijenjaju se nakon dodavanja NP-a u asfaltno vezivo. Za uzorke modificirane CSNP-om, povećanje krutosti nakon starenja manje je izraženo zbog učinka pojačanja NP-ova. Na temelju rezultata ove studije, dodavanje 0,2 i 0,3 težinskih postotaka

NPS prema asfaltnom vezivu pokazuje najveću otpornost na trajnu deformaciju nakon kratkotrajnog odnosno dugotrajnog starenja. Optimalni sadržaj CSNP-ova u asfaltnom vezivu može se odrediti za dobivanje CSNP-modificiranih veziva s najvećom otpornošću na starenje.cistanche wirkungNakon PAV starenja, fazni kut i poredak kompleksnog modula bili su 3.0wt9 posto NP<1.0wt%><2.0><0.0 wt9="" nps,="" and="" 0.0wt%="" nps="">2.0wt% NPs>1.0 wt% NPs>3.0 težinskih postotaka NP-a, redom.

Na slici 4d-g prikazani su parametri kolotraga prije i poslije starenja (na 30 i 70 stupnjeva C). Uzorci 6 i 12 pokazali su najizraženije poboljšanje nakon kratkotrajnog odnosno dugotrajnog starenja. Rezultati pokazuju otpornost na trajnu deformaciju, koja se poboljšala dodatkom CSNP-a.

Kliknite ovdje da saznate više

U ovom istraživanju, učinkovitost otpornosti na kolotrage razmatra se s temperaturom praga faktora kolotraga. Tablica 1 predstavlja temperaturni prag od 1.0 prije starenja i 2,2 kPa nakon starenja (na temelju standarda SHRP-A-369 [38]). Rezultati pokazuju da CSNP smanjuju otpornost na kolotrage prije starenja. Nakon starenja, granična temperatura i otvrdnjavanje osnovnih uzoraka se povećavaju, dok je suprotno izmjereno za CSNP-modificirane uzorke. Ova opažanja potvrđuju da CSNP smanjuju krutost i otvrdnuće uslijed starenja.citrusni bioflavonoidiŠtoviše, rezultati su pokazali da je {{0}}.1 težinski postotak CSNP-ova učinkovitiji u usporedbi s 0,2 težinskih postotaka.

3.3 Toplinska i spektroskopska analiza Termogravimetrija/diferencijalna toplinska analiza (TG/DTA) provedena je kako bi se istražila toplinska stabilnost i obrazac toplinske razgradnje. Slika 5 prikazuje rezultate termogravimetrijske analize (TGA), gdje se gubitak težine uzoraka mjeri s porastom temperature do 900 stupnjeva.

Tri glavna raspona gubitka mase prikazana su u toplinskoj razgradnji: temperaturni rasponi od 200-360, 370-490 i 540 stupnjeva. U temperaturnom rasponu od 480-580 stupnjeva C, heteroatomske veze baznih uzoraka se razgrađuju, a smole se oksidiraju i dehidrogeniraju. U sljedećoj fazi, proces polimerizacije/krekiranja proizvodi asfaltene koji povećavaju gubitak mase veziva [41,42].

Cistanche može spriječiti starenje

CSNP-modificirani uzorci veziva imaju povećanu toplinsku stabilnost.cynomorium koristiKonačna razgradnja u CSNP-modificiranim vezivima dogodila se ranije u usporedbi s osnovnim uzorcima da bi ovaj predmet mogao biti povezan s NP-ovima pirjanog silicija (Slika S4). Ostatak ugljika u osnovnim uzorcima dolazi do nule na 800 stupnjeva (maksimalni gubitak mase); međutim, postoji 20-43 posto ostataka ugljika u CSNP-modificiranim vezivima. CSNP-modificirana veziva s nižim gubitkom težine imaju veću toplinsku stabilnost i manju evaporaciju [43]. Većina gubitka mase za CSNP uzorke veziva događa se na temperaturama iznad 200 stupnjeva, što je puno više od radne temperature potrebne za asfaltne mješavine; stoga ovaj nanokompozit ima prihvatljivu toplinsku izvedbu u asfaltnim vezivima.

Raspodjela temperature na površini uzorka tijekom 120 s u različitim vremenima (upotrebom infracrvenih toplinskih slika) - uvijek izračunata odabirom tri točke na površini [44,45] - prikazana je na slici 6. Promjene temperature prikazane su promjenom boje u uzorcima asfaltnog veziva.pustinjski zumbulNa niskoj temperaturi (Slika 6a,e, i, i m), raspodjela topline je jednolika; međutim, temperatura se povećava s 44,6 na 136, 34,8 na 95 i 33,7 na 95 stupnjeva za uzorak bez WMA aditiva, s WMA aditivom i s WMA aditivom plus CSNP nakon 120 sekundi. Slika 6 pokazuje da bez WMA uzorci aditiva imaju linearne brzine zagrijavanja i rastući trend površinske temperature. Slike 6h i p pokazuju da WMA uzorci mogu jednoliko oslobađati toplinu; međutim, osnovni uzorci stvaraju akumulaciju topline. Osim toga, WMA uzorci imaju prikladniju raspodjelu temperature od osnovnih uzoraka na a

niža razina topline. Slika 6a-d i il pokazuju brzinu oslobođene topline uzoraka bez i sa CSNP-ovima, koji su 0.63 odnosno 0.62 stupnja/s. Ove brojke pokazuju da WMA aditivi sa i bez CSNP imaju slične toplinske mehanizme.

Usporedba temperaturnih distribucija uzoraka modificiranih CSNP-ovima i NP-ovima uparenog silicija (Slika 6 i Slika S5) pokazuje da je učinak CSNP-a na WMA učinkovitiji od NP-ova uparenog silicija. Osim toga, dostatna izvedba (distribucija temperature) uzoraka modificiranih NP silicijevim dioksidom i NPS gline ukazuje na fenomen samozacjeljivanja u asfaltnom vezivu [46,47].

3.4 Kontaktni kutovi asfaltnih veziva

Slika 7 prikazuje kontaktne kutove (CAs; između vode i površine asfaltnog veziva) za različita asfaltna veziva prije i nakon starenja. CA vrijednosti više ili niže od 90 stupnjeva pokazuju hidrofobnost odnosno hidrofilnost uzoraka. Uzorci modificirani CSNP-om su hidrofobniji i stoga je manje molekula vode zarobljeno na površini veziva. Drugim riječima, CSNP značajno smanjuju zaostale molekule vode u asfaltnoj smjesi i mijenjaju sposobnost vlaženja asfaltnih veziva. Ovaj fenomen ukazuje da CSNP-modificirana veziva imaju mnogo veću osjetljivost na vlagu u usporedbi s uzorcima osnovnog veziva. Video zapisi 4-6(vidi dodatne materijale) uspoređuju CA modificiranih uzoraka prije i nakon starenja.

Na slici 7 prikazano je povećanje CA od 91 do 97 stupnjeva CSNP-modificiranog uzorka. Ovo zapažanje moglo bi se povezati s hidrofobnom prirodom NP-ova uparenog silicija. Omjer NP-ova uparenog silicijevog dioksida u asfaltnom vezivu mogao bi igrati ključnu ulogu u močivosti veziva (CA-ovi NP-ova uparenog silicijevog dioksida prikazani su na slici S6). Osim toga, snimanje CA pokazalo je da za povećane razine starenja, blagi porast (od 6 do 79) u CA uočava se dugotrajno starenje.

3.5 Mehanizam CSNP-a i bitumena

Nekoliko mehanizama utječe na proces usporavanja starenja asfaltnog veziva modificiranog CSNP-ovima. U ovoj interakciji, povećanje površinske energije uzrokuje povećanje veza hidroksilnih skupina između NP silicija i bitumena [8,48]. Osim toga, visok omjer površine i volumena nanoslojeva gline povećava se kako bi se spojile molekule asfaltnog veziva sa slojevima gline [49]. Molekule bitumena mogle bi se stvoriti kemijskim vezama s NP silicija, 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 temelju koloidne strukture bitumena (slika 8), nafta i asfalten su dispergirani u fazi otapala. Kao što je prikazano na slici 8, zbog odgovarajuće veličine CSNP-ova (prosječne veličine čestica silicijevog dioksida i slojeva gline su oko 33 odnosno 12 nm), lako se raspršuju između ovih koloidnih dimenzija i prekrivaju molekule asfaltena (prosječni promjer, 0.5-40 nm [51);

dakle, mehanička i toplinska svojstva mogu se modificirati ovim molekularno-kemijskim poboljšanjem. Nadalje, nanoslojevi gline imaju izvrsnu sposobnost mijenjanja svojstava na površini bitumena. Nanoslojevi gline raspršeni su u koloidnoj strukturi bitumena i sprječavaju prodiranje kisika u matricu bitumena na nanoskali [52]. Ostala fizikalna i kemijska svojstva CSNP-a kao što su promjena močivosti [53] i reakcije ionske izmjene povećavaju stabilnost modificiranog bitumena i izbjegavaju razgradnju kemijske strukture bitumena.

3.6 Infracrvena analiza Fourierove transformacije i Ramanova spektroskopija

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-starjenih uzoraka, karbonilni indeks se povećao više nego za osnovno vezivo. Sulfoksidni i karbonilni indeks smanjeni su za CSNP-modificirana asfaltna veziva. Osim toga, produljenje vremena starenja povećava sulfoksidni i karbonilni indeks.

Jednadžbe u Dodatnim materijalima (vidi tablicu S4) korištene su za istraživanje kemijskih veza - aromatske (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. Tijekom kratkotrajnog i dugotrajnog procesa starenja, karbonilni, sulfoksidni i aromatski indeksi su porasli; međutim, nakon starenja, rezultati pokazuju da su sulfoksidni i karbonilni indeksi smanjeni za CSNP-modificirana veziva. Uslijed procesa starenja, asfalten se hidrogenerira u policikličke aromatske ili hidroaromatske ugljikovodike i dovodi do povećanja aromatskih spojeva. Nasuprot tome, nakon starenja, zbog suprotnosti između alifatskih i aromatskih spojeva, došlo je do smanjenja alifatskih molekula. Osim toga, u CSNP-modificiranom vezivu, etilen(CH=CH) indeks se povećao nakon starenja, što ukazuje da je CSNP odgovarajući zaštitni štit za smanjenje oksidativnih i toplinskih reakcija [54,56]. Drugim riječima, čestice nanopromjera imaju izvrsnu sposobnost da se koriste kao štit protiv starenja [57].

Prosječna veličina aromatskog sloja bitumena određena je Ramanovom spektroskopijom (Slika 10). Ramanovi spektri svakog uzorka sastoje se od D i G vrpci, osim za svježi bitumen [58,59]. Vrpce G i D pokazuju sp² istezanje vibracija ugljikovih atoma unutar aromatskog sloja heksagonalne odnosno granice uređene strukture asfaltena [58]. Vršni položaj vrpce G i D(Ic i I) na slici 10 je u 1,585-1,599 odnosno 1,264-1,377/cm (slika S7)[59].

Iako postoje velike sličnosti između Ramanovih spektara među uzorcima bitumena, postoji nekoliko glavnih varijacija. Na primjer, relativni udio aromatskih prstenova bio je znatno viši u uzorku dugotrajnog starenja, u usporedbi s nižim aromatskim spojenim prstenovima u osnovnim uzorcima. U prisutnosti NPS-a, promjena vrhova G i D trake može se pripisati sposobnosti same nanočestice da promijeni interakcije aromatskog prstena u otopini bitumena.

Nakon detaljnijeg pregleda slike 10, dodavanjem NP-a u uzorke bitumena mijenja se intenzitet asfaltnih ploča. To se duguje interakcijama između NP i aromatskih spojenih prstenova. Najintenzivniji vrh u D pojasu je u uzorku dugotrajnog starenja, koji se temelji na vibracijskom načinu neuređene grafitne rešetke s Ag simetrijom [60]. Nasuprot tome, osnovni bitumen pokazuje da su molekule okupiranih aromata izuzetno niske u usporedbi s drugim uzorcima zbog male veličine sloja asfaltena aromata [61].

3.7 Izvedba na niskim temperaturama i starenje viskoznosti

BBR test korišten je za izračunavanje brzine puzanja (m-vrijednost) i krutosti 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 su istraživanju S i m-vrijednosti određene za NP-modificirana asfaltna veziva na tri različite temperature (Slika 1la i b). Opažene vrijednosti krutosti puzanja NP-modificiranih asfaltnih veziva značajno su smanjene. Stoga CSNP poboljšavaju otpornost na pucanje pri niskim temperaturama. Uzorci 7 i 11 s 0.2 težinskih postotaka CSNP-a pokazali su najznačajnija poboljšanja nakon kratkotrajnog/dugoročnog starenja. Brzina puzanja (nakon procesa starenja) smanjivala se sa stupnjem starenja; međutim, aditivi nanočestica značajno su povećali brzinu puzanja. Fugirani silicijev dioksid NP poboljšao je otpornost asfalta na pucanje. To je zbog činjenice da NPS potiče površine i molekule asfaltnog veziva, posljedično smanjujući starenje, a zauzvrat, uzorci modificiranog asfaltnog veziva dobivaju dovoljnu elastičnost na niskim temperaturama [16,64].

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

IVA u NP-modificiranim uzorcima nakon kratkotrajnog starenja manji je od IVA osnovnih uzoraka. Stoga se otpornost asfaltnog veziva na starenje povećava s NPS modifikacijom. Prema rezultatima prikazanim na slici 11c, IVA je izravno povezana sa starenjem i raste s trajanjem starenja. Uzorak asfaltnog veziva modificiran s 0.2 wt posto NPS ima odgovarajući ⅣA nakon kratkotrajnog starenja, a uzorak modificiran s 0.3 wt posto NPS ima najmanju razinu IVA nakon dugog -pojam starenja. Rezultati pokazuju da se IVA smanjuje s povećanjem koncentracije NP.

4. Zaključak

Modifikacija asfaltnih veziva putem NPS-a može ponuditi nove perspektive u tehnologiji asfaltnih veziva i može biti od velike koristi za razvoj sljedeće generacije materijala za asfaltiranje cesta. Nove vrste nanokompozita mogle bi značajno povećati tehničku izdržljivost i održivost, a da pritom ostanu ekološki prihvatljive i troškovno učinkovite.

Ovo istraživanje predstavlja najnovija otkrića o novom nano-kompozitnom vezivu za asfalt, modificiranom CSNP-ovima. Ova nova vrsta veziva predstavlja značajno poboljšana toplinska, kemijska i mehanička svojstva u usporedbi s konvencionalnim vezivima za asfalt. Zanimljive prednosti dokazane su u poboljšanoj otpornosti na starenje i otpornosti na vlagu, smanjenju temperature proizvodnje asfaltne mješavine i poboljšanoj dugotrajnoj učinkovitosti.

Eksperimentalni rezultati prikazani u ovom istraživanju pokazuju da modifikacija veziva korištenjem CSNP-a povoljno mijenja sposobnost vlaženja 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, detaljna kemijska i reološka istraživanja pokazuju značajno poboljšanje otpornosti na starenje CSNP-modificiranih asfaltnih veziva.

Modifikacija asfaltnog veziva pomoću CSNP-a i WMA tehnologije može se smatrati zanimljivom jeftinom i ekološki prihvatljivom tehnikom u inženjeringu asfaltnih kolnika koja pruža nove perspektive u povećanju izdržljivosti asfaltnih materijala. Iz šire perspektive, naša otkrića molekularnih interakcija između NP i asfaltnog veziva otvorit će novi put koji će biti inspiracija za koncept nanotehnologije u asfaltu.

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