Влияние графена на микроструктуры модифицированного асфальта на основе атомно-силовой микроскопии

Абстрактный:Атомно-силовая микроскопия (АСМ) использовалась для изучения влияния модификаторов графена на микроструктуру асфальта. Морфология базового асфальта до и после старения и модифицированного асфальта была выполнена и сопоставлена ​​с анализом. Механизм образования асфальтовых «пчелиных структур» и механизм влияния графена на асфальт обсуждались с точки зрения классической теории материаловедения (теории фазовых превращений и теории диффузии). Результаты показывают, что графен способствует зарождению «пчелиных структур», что приводит к увеличению количества и уменьшению объема «пчелиных структур» в модифицированном асфальте. Кроме того,омолаживающая производительностьмодифицированного асфальта значительно улучшились благодаря включению графена.

Ключевые слова:АСМ; графен; пчелиные конструкции; теория фазовых превращений;омолаживающая производительность 

Китайские травы для антивозрастных добавок

1. Введение

Асфальт представляет собой сложную смесь различных углеводородов и их неметаллических производных (кислород, сера, азот). Компоненты асфальта включают алканы, циклоалканы, арены и серосодержащие производные, полициклические ароматические углеводороды, конденсированные полициклические арены и неметаллические производные. Кроме того, в асфальте присутствуют микроэлементы металлов (ванадий, никель, магний, железо и кальций) [1,2]. Хотя компоненты и микроструктура асфальта имеют решающее значение и влияют на характеристики дорожного покрытия, микроскопические исследования асфальта проводятся редко из-за его сложного химического состава и недостаточности исследовательских ресурсов. В последние годы все большее внимание привлекает взаимосвязь между компонентами битума, микроструктурой и эксплуатационными характеристиками дорожного покрытия. В частности, исследователи сосредоточены на атомно-силовой микроскопии (АСМ), которая используется для изучения микроскопической структуры и механизма образования асфальта.

В 1996 г. Лобер и соавт. впервые наблюдал микроструктуру асфальта с помощью АСМ и назвал микроскопическую топографию асфальта «структурой пчелы». При анализе процесса образования предварительно было установлено, что «пчелиная структура» обусловлена ​​наличием асфальтенов [3]. Паули и др. продемонстрировали, что микроструктура в первую очередь возникает из-за взаимодействия между кристаллизующимися парафиновыми парафинами и оставшимися невощеными компонентами асфальта [4]. Точно так же Jäger A. et al. сообщили, что «пчелиная структура» возникла из-за асфальтенов [5]. Де Мораес и др. предположил, что свойство «пчелиной структуры» похоже на свойство микрокристаллического воска [6]. Массон и др. исследовал микроскопическую топографию 13 типов асфальта и обнаружил, что образование «пчелиных структур» связано с содержанием в асфальте ванадия и никеля [7].

Между тем сообщалось, что добавление асфальта Trinidad Lake и модификаторов SBS значительно повлияло на размер зерна и распределение «пчелиных структур» [8,9]. Некоторые исследователи сообщали, что «пчелиная структура» возникла из-за сморщивания тонких пленок толщиной примерно 10 нм [2,10]. Джи и др. использовали АСМ для количественной оценки микроструктуры асфальта с помощью теории шероховатости [11]. Хунг исследовал эволюцию микроструктуры асфальта после воздействия воды [12]. Хотя достижения, как показано с помощью АСМ, были реализованы в микроскопическом применении асфальта, условия образования, механизм, закон эволюции и факторы, влияющие на асфальтовые «пчелиные структуры», остаются неубедительными. Поэтому мы пытаемся исследовать влияние добавок на микроструктуру асфальта и рассчитываем добиться чего-то значимого.

Наноматериалы с «эффектом малого размера», естественно, обладают краевым эффектом и высокой удельной площадью поверхности, что может прямо или косвенно приводить к особому поверхностному эффекту. В последние годы наноматериалы, используемые в качестве модификаций асфальта, все чаще исследуются для улучшения механических и физических свойств некоторые наноматериалы, такие как диоксид титана (TiO2) [13], оксид цинка (ZnO) [14], оксид графена (GO) [15], диоксид кремния (SiO2) [16] и монтмориллонит [17]. в качестве модификаторов для улучшения дорожных характеристик и продления срока службы асфальта. Были достигнуты некоторые очень важные результаты. Например, Черагян и др. изучалиультрафиолетовое старениесопротивление наночастиц пирогенного кремнезема, модифицированного битумом, и результаты показывают, чтосвойство против ультрафиолетового старениямодифицированного асфальта улучшается с увеличением содержания нанокремнезема [18]. Чжан и др. обнаружили, что уменьшение размера частиц ZnO может улучшить характеристики асфальтового вяжущего и асфальтовой смеси путем анализа влияния размера частиц ZnO на физические свойства асфальта [19].

В нашем исследовании в качестве модификатора асфальта был выбран графен. Это в основном связано с тем, что графен представляет собой новый квазидвумерный (2D) углеродный наноматериал с атомами углерода, расположенными в сотовой решетке, и был исследован в качестве модификатора асфальта благодаря его совместимости с асфальтом. Например, Ву и др. обнаружил, что добавление небольшого количества оксида графена (GO) улучшаетантивозрастное свойствоасфальта [20–22]. Ши и др. исследовал свойства и механизм модификации асфальта, модифицированного GO. Они обнаружили, что следовые количества GO ограничивают движение молекул асфальта и улучшают их характеристики при высоких температурах [23–25]. Морено-Наварро и др. обнаружили, что присутствие графена приводит к более значительной упругой реакции и снижает термическую чувствительность битумного вяжущего [26].

Поэтому в этом исследовании топографии базового асфальта A-70 и асфальта, модифицированного графеном, были исследованы с помощью АСМ. Более полный анализ и обсуждение прояснят причины образования и влияние графена на асфальтовые «пчелиные структуры». Основные материальные правила, теория фазового превращения и теория диффузии были введены для интерпретации механизма графена на микроскопических «пчелиных структурах» асфальта.

2. Экспериментальный

В этом исследовании в качестве базового асфальта использовался асфальт A-70, предоставленный компанией Shandong Hi-speed Construction Materials, Цзинань, Китай. Асфальт, модифицированный графеном, был изготовлен в домашних условиях, а дозировка графена составляла 1 процент по весу, что ранее было доказано как оптимальное содержание графена [27]. 2.1. Подготовка образцов АСМдлительное старениеасфальта моделировали с помощью нагревательного устройства с вращающейся пленочной печью (James Cox & Sons CS325B, Colfax, Калифорния, США) иаппарат старения под давлением(Prentex PR9300, Саннивейл, Техас, США) соответственно. Несостаренный, краткосрочный и долгосрочно состаренный асфальт готовили отдельно. Образцы АСМ были приготовлены методом формования с подогревом следующим образом: сначала расплавленный асфальт наносили на предметное стекло (10 мм × 10 мм × 1 мм) с помощью стеклянной палочки. Затем капля помещалась в печь и наклонялась на 30◦ над горизонталью. Его нагревали при 150 ◦ C в течение 15 минут, и тонкий слой асфальта покрывал поверхность горки под действием силы тяжести. Наконец, предметное стекло, покрытое асфальтом, охлаждали до комнатной температуры на воздухе. Асфальтовая пленка, приготовленная этим методом, имеет толщину в несколько микрон, что соответствует фактической толщине асфальтовой пленки на дорогах [28].

2.2. Испытание атомно-силовым микроскопом

АСМ (Bruker Multimode 8, Санта-Барбара, Калифорния, США) был выполнен для характеристики микроструктуры базового и модифицированного графеном асфальта до и после старения. Схематическая диаграмма выполненной АСМ показана на рисунке 1. В АСМ использовались четыре основных компонента: наконечник зонда, кантилевер, лазер и позиционно-чувствительный фотодиод (PSPD). Во время сканирования изменение высоты микроповерхности образца будет создавать небольшую силу, т. е. силу притяжения или отталкивания между наконечником зонда и поверхностью образца. В этом случае кантилевер отклоняется в соответствии с «законом Гука», что приводит к изменению сигнала отражения лазера, освещающего заднюю часть кантилевера. Изменение сигналов лазерного отражения можно обнаружить с помощью PSPD, а топографию поверхности образца можно получить после обработки [29]. Рельеф и фазово-контрастные изображения получены в прерывистом контактном режиме, где упругая постоянная зонда 0.4 Н/м, частота сканирования 1,5 Гц, площадь сканирования 10 мкм × 10 мкм. , а разрешение 10 нм.

Рисунок 1. Принципиальная схема АСМ.

3. Результаты и их обсуждение

3.1. Влияние графена на основные свойства асфальта

На рис. 2а,б показаны основные свойства базового и модифицированного графеном (дозировка графена 1,0% по массе) асфальта до и после старения соответственно. Как показано на Рисунке 2, как базовый, так и модифицированный асфальт демонстрируют тенденцию к снижению пенетрации, увеличению точки размягчения, увеличению вязкости и снижению пластичности после кратковременного старения в печи с прокаткой тонкой пленки (RTFOT). Увеличение температуры размягчения и вязкости указывает на то, что асфальт после старения становится твердым и хрупким. Между тем,антивозрастное свойствоасфальта также можно оценить, сравнив скорости изменения показателей до и после старения. Можно сделать вывод, что скорость изменения каждого показателя асфальта, модифицированного графеном, была ниже, чем у базового асфальта. Это говорит о том, чтоомолаживающая производительностьасфальта, модифицированного графеном, превосходит базовый асфальт. Кроме того, благодаря включению графена улучшились высокотемпературные характеристики модифицированного асфальта.

3.2. Влияние графена на «структуру пчелы».

На рисунках 3a,b показаны 2D-топографии базового и модифицированного графеном асфальта, измеренные с помощью АСМ соответственно. На изображениях, показанных на рисунке 3, наблюдались три фазы (катана, пери и пара фазы). «Пчелиная структура» состояла из переплетения светлых и темных линий, которые представляют собой выпуклые и вогнутые структуры соответственно (7 30] , Кроме того, на рисунке 3ab показано множество «пчелиных структур» в модифицированном графеном асфальте в пределах той же области исследования. Высота светлого, яркого пика значительно увеличилась, а глубина темной долины уменьшилась, что указывает на уменьшение размера « пчелиная структура в модифицированном графеном асфальте Другими словами, в базовом асфальте «пчелиные структуры» больше, но меньше по количеству.

Рисунок 3. Топография асфальта, исследованная с помощью АСМ. (а) 2D-изображение базового асфальта; (б) 2D-изображение асфальта, модифицированного графеном; (c) топографические профили «пчелиных структур», отмеченных в (a); (г) топографические профили «пчелиных структур», отмеченных в (б).

АСМ предоставляет топографическую информацию в виде высотных линий (или профилей), например, расстояние между верхней и нижней частями «пчелиной структуры». На рис. 3c, d показаны топографические профили выбранных репрезентативных «пчелиных структур», обозначенных на рисунках 3a, b соответственно. Как показано, средняя длина «пчелиной структуры» в базовом асфальте составляла 3–4 мкм, тогда как в битуме, модифицированном графеном, она уменьшается до 2–3 мкм. Кроме того, средняя высота «пчелиной структуры» в базовом асфальте составляла примерно 44,2 нм, тогда как в асфальте, модифицированном графеном, она уменьшалась примерно до 35,4 нм. Это уменьшение показывает, что объем «пчелиной структуры» в асфальте уменьшился после модификации графеном. Анализируя рисунок 3, можно предположить, что уменьшение объема «пчелиной структуры» в асфальте, модифицированном графеном, в первую очередь связано с факторами, способствующими формированию «пчелиной структуры».

3.3. Влияние графена на микроструктуру во время старения асфальта

На рис. 4 показаны трехмерные (3D) АСМ-изображения базового и модифицированного графеном асфальта до и после старения. Как видно, поверхность асфальта, модифицированного графеном, была гладкой, тогда как поверхность базового асфальта была шероховатой. После старения в печи для прокатки тонких пленок (RTFOT) изменение поверхности базового асфальта было более очевидным, чем у асфальта, модифицированного графеном. В частности, площадь пика значительно увеличилась, а также увеличилось количество и размер «пчелиных структур». Однако АСМ-изображения модифицированного графеном асфальта до и после старения были схожими. Количество «пчелиных структур» в базовом и модифицированном графеном асфальте увеличилось послестарение под давлениемсудовые (ПАВ) испытания. Это произошло из-за увеличения вязкости асфальта и увеличения количества крупных молекул ароматических углеводородов после старения [31].

Рис. 4. (а) 3D АСМ-изображения асфальтобетонного основания; (b) базовый асфальт после старения RTFOT; (c) базовый асфальт после старения PAV; (г) асфальт, модифицированный графеном; (e) асфальт, модифицированный графеном, после старения RTFOT; (е) модифицированный графеном асфальт после старения ПАВ

Данные количественного анализа, включая шероховатость, количество найденных пиков, а также минимальную и максимальную глубину пиков, можно извлечь из рисунка 4 с помощью «ПО АСМ — наноскопический анализ» и списка в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры данных, извлеченные из топографий 3D AFM.

Во-первых, изменение морфологии поверхности может быть количественно проанализировано по разнице между микроскопическими фазовыми состояниями асфальта на основе показателя шероховатости (среднеквадратичной шероховатости (R,), средней шероховатости и максимальной высоты шероховатости) [32]. . В этом исследовании была исследована связь между микроскопическими фазовыми состояниями и Rq. R рассчитывали следующим образом:

где A — область сканирования, которая в данном исследовании измерялась 10 мкм x 10 мкм; h (x, y) — функция высоты морфологии (нм); h — эталонная высота (нм). Значение R для каждого образца, указанного в таблице 1, было получено с использованием программного обеспечения для АСМ Nanoscope AnalysisRoughness и также было представлено в виде графиков, как показано на рисунке 5.

Как показано на рис. 5, показатель R асфальта, модифицированного графеном, был меньше, чем у асфальта, что указывает на то, что добавление графена уменьшило шероховатость поверхности асфальта. Шероховатость поверхности связана со способностью к самовосстановлению и адгезией асфальта (33). Вкратце, чем выше шероховатость битумного вяжущего, тем лучше способность к самовосстановлению и адгезия асфальта. Шероховатость увеличилась после короткого -временное старение, будь то в базовом асфальте или битуме, модифицированном графеном (34,35).Однако шероховатость уменьшилась после длительного старения.Различное влияние графена на морфологию АСМ и шероховатость асфальта после кратковременного и длительного Срок старения в первую очередь связывали со снижением содержания легких компонентов (насыщенных углеводородов и ароматических углеводородов) и, соответственно, увеличением содержания асфальтенов и смол (36). «пчелиная структура», что приводит к увеличению «объема пчелиной структуры» и шероховатости АСМ как базового, так и модифицированного графеном асфальта после кратковременного старения.

Было замечено, что R двух типов асфальта увеличилось после старения RIFOT, но уменьшилось после старения PAV. Это может быть связано с тем, что степень старения РИФОТ была ниже, меньшее количество легких компонентов испарялось, а тяжелые компоненты обнажались, что вызывало увеличение шероховатости поверхности. Между тем, степень старения ПАВ была выше, в результате чего испарялось большее количество легких элементов; следовательно, асфальт перешел от многофазной структуры к однофазной структуре. Упрощение фазового состояния уменьшило шероховатость поверхности. Хотя R двух типов асфальта увеличилось после старения RIFOT, прирост модифицированного графеном асфальта был меньше, чем у базового асфальта. После старения PAV R двух типов асфальтов уменьшилось, но снижение в модифицированном графеном асфальте было меньше, чем в базовом асфальте. Таким образом, из R можно сделать вывод, что добавление графена усилило антивозрастную способность базового асфальта.

Во-вторых, изменение морфологии поверхности можно количественно проанализировать по количеству обнаруженных пиков и их глубине. Группа пиков объединяется, образуя структуру abee. Ранее обсуждалось количество пчелиных структур, а здесь не говорилось о количестве найденных пиков. Построена частотная гистограмма распределения пиков по глубине, как показано на рисунке 6. Как показано, гистограмма распределения пиков по глубине модифицированного графеном асфальта в различных условиях старения показывает меньшую линию пика, чем у базового асфальта, что указывает на то, что число пиков с большей глубиной в асфальте, модифицированном графеном, было меньше, и распределение занимало меньшую долю площади. Высота пиков несостаренного, краткосрочного и долгосрочно состаренного базового асфальта была сконцентрирована в районе 70, 83 и 62 нм соответственно. Высоты пиков несостаренного, кратковременно состаренного и долгосрочно состаренного асфальта, модифицированного графеном, были сосредоточены в районе 47, 60 и 57 соответственно. Добавление графена могло повлиять на накопление структурных компонентов в «пчелиных структурах», тем самым уменьшая высоту пика. Высота постстареющей «пчелиной структуры» уменьшилась за счет изменения компонентов асфальта, вызванного старением асфальта, уменьшения неполярных компонентов (насыщенных и ароматических) и увеличения полярных признаков (коллоидов и асфальтенов).

Попросить больше:

Электронная почта: wallence.suen@wecistanche.com WhatsApp: плюс 86 15292862950