Grafenin Atomik Kuvvet Mikroskobuna Dayalı Modifiye Asfalt Mikroyapıları Üzerindeki Etkisi
May 29, 2023
Soyut:Grafen değiştiricilerin asfaltın mikro yapısı üzerindeki etkilerini araştırmak için atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanıldı. Öncesi ve sonrası eskimiş temel asfalt morfolojileri ve modifiye asfalt gerçekleştirilmiş ve analizlerle karşılaştırılmıştır. Asfalt "arı yapılarının" oluşum mekanizması ve grafenin asfalt üzerindeki etki mekanizması, klasik malzeme bilimi teorisinden (faz dönüşüm teorisi ve difüzyon teorisi) tartışıldı. Sonuçlar, grafenin "arı yapılarının" çekirdeklenmesini kolaylaştırdığını ve modifiye asfaltta artan sayıda ve azalan "arı yapıları" hacmiyle sonuçlandığını göstermektedir. Ek olarak,yaşlanma karşıtı performansModifiye edilmiş asfaltın oranı, grafen katılımı nedeniyle önemli ölçüde iyileşmiştir.
anahtar kelimeler:AFM; grafen; arı yapıları; faz dönüşüm teorisi;yaşlanma karşıtı performans
Yaşlanma Karşıtı Takviyeler İçin Çin Bitkileri
1. Giriş
Asfalt, çeşitli hidrokarbonların ve bunların metalik olmayan (oksijen, kükürt ve nitrojen) türevlerinin karmaşık bir karışımıdır. Asfalt bileşenleri arasında alkanlar, sikloalkanlar, arenler ve kükürt içeren türevler, polisiklik aromatik hidrokarbonlar, erimiş polisiklik arenler ve metalik olmayan türevler bulunur. Ayrıca asfaltta eser metal elementler (vanadyum, nikel, magnezyum, demir ve kalsiyum) bulunur [1,2]. Asfaltın bileşenleri ve mikro yapısı çok önemli olmasına ve kaplama performansını etkilemesine rağmen, karmaşık kimyasal bileşimi ve yetersiz araştırma kaynakları nedeniyle asfaltla ilgili mikroskobik çalışmalar azdır. Son yıllarda, bitüm bileşenleri, mikro yapı ve kaplama performansı arasındaki ilişki giderek daha fazla dikkat çekmektedir. Özellikle araştırmacılar, asfaltın mikroskobik yapısını ve mekanizmasını araştırmak için kullanılan atomik kuvvet mikroskobuna (AFM) odaklanıyorlar.
1996'da Loeber ve ark. asfaltın mikro yapısını ilk kez AFM aracılığıyla gözlemledi ve asfaltın mikroskobik topografyasını "arı yapısı" olarak adlandırdı. Oluşum süreci analiz edilerek, "arı yapısının" asfaltenden kaynaklandığı ön olarak keşfedildi [3]. Pauli ve ark. mikro yapıların birincil olarak kristalleşen parafin mumları ve geri kalan mum olmayan asfalt bileşenleri arasındaki etkileşimden kaynaklandığını göstermiştir [4]. Benzer şekilde, Jäger A. ve ark. "arı yapısının" asfaltenden kaynaklandığını bildirmiştir [5]. De Moraes ve ark. "arı yapısının" özelliğinin mikrokristalin mumunkine benzer olduğu tahmin edilmektedir [6]. Masson ve ark. 13 tip asfaltın mikroskobik topografyasını inceledi ve "arı yapılarının" oluşumunun asfalttaki vanadyum ve nikel içeriğine atfedildiğini keşfetti [7].
Bu arada, Trinidad Gölü asfaltı ve SBS değiştiricilerinin eklenmesinin, tane boyutunu ve "arı yapılarının" dağılımını önemli ölçüde etkilediği bildirilmiştir [8,9]. Bazı araştırmacılar, "arı yapısının" yaklaşık 10 nm kalınlığındaki ince filmlerin kırışmasından kaynaklandığını bildirmiştir [2,10]. Ji ve ark. pürüzlülük teorisi yoluyla asfaltın mikro yapısını nicel olarak değerlendirmek için AFM'yi kullandı [11]. Hung, suya maruz kaldıktan sonra asfaltın mikro yapısının gelişimini araştırdı [12]. AFM ile kanıtlandığı gibi, asfaltın mikroskobik uygulamasında başarılar gerçekleştirilmesine rağmen, asfaltik "arı yapılarının" oluşum koşulları, mekanizması, evrim yasası ve etkileyen faktörleri sonuçsuz kalmaktadır. Bu nedenle, katkı maddelerinin asfaltın mikro yapısı üzerindeki etkisini keşfetmeye çalışıyor ve anlamlı bir şey elde etmeyi umuyoruz.
"Küçük boyut etkisi" nanomalzemelerinin doğal olarak bir sınır etkisi ve yüksek özgül yüzey alanı vardır, bu da doğrudan veya dolaylı olarak özel bir yüzey etkisine yol açabilir. Son yıllarda, asfalt modifikasyonları olarak kullanılan nanomalzemeler, asfaltın mekanik ve fiziksel özelliklerini iyileştirmek için giderek daha fazla çalışılmaktadır. titanyum dioksit (TiO2) [13], çinko oksit (ZnO) [14], grafen oksit (GO) [15], silikon dioksit (SiO2) [16] ve montmorillonit [17] gibi bazı nanomalzemeler seçilmiştir. yol performansını iyileştirmek ve asfaltın dayanıklılığını uzatmak için değiştiriciler olarak.Bazı çok önemli sonuçlar elde edilmiştir.Örneğin, Cheraghian ve ark.ultraviyole yaşlanmafüme silika nanoparçacıkları modifiye bitümün direnci ve sonuçlar gösteriyor kianti-ultraviyole yaşlanma özelliğimodifiye asfaltın nano silika içeriğinin artmasıyla iyileştiği görülmüştür [18]. Zhang ve ark. ZnO partikül boyutunun küçültülmesinin, ZnO partikül boyutunun asfaltın fiziksel özellikleri üzerindeki etkisini analiz ederek asfalt bağlayıcı ve asfalt karışımının performansını iyileştirebileceğini bulmuşlardır [19].
Çalışmamızda asfalt düzenleyici olarak grafen seçilmiştir. Bunun başlıca nedeni, grafenin karbon atomları petek şeklinde düzenlenmiş yeni bir yarı iki boyutlu (2D) karbon bazlı nanomalzeme olması ve asfalt ile uyumluluğu nedeniyle bir asfalt modifiye edici olarak araştırılmış olmasıdır. Örneğin, Wu ve ark. az miktarda grafen oksit (GO) dahil etmeninyaşlanma karşıtı özellikasfalt [20–22]. Shi ve ark. GO ile modifiye edilmiş asfaltın özelliklerini ve modifikasyon mekanizmasını araştırdı. Eser miktarda GO'nun asfalt moleküllerinin hareketini kısıtladığını ve yüksek sıcaklık performanslarını iyileştirdiğini keşfettiler [23-25]. Moreno– Navarro ve diğerleri. grafenin varlığının daha önemli bir elastik tepki ile sonuçlandığını ve asfalt bağlayıcının termal duyarlılığını azalttığını keşfetti [26].
Bu nedenle, bu çalışmada, A-70 tabanlı asfaltın ve grafen modifiyeli asfaltın topografyaları AFM aracılığıyla incelenmiştir. Daha kapsamlı bir analiz ve tartışma, grafenin oluşum nedenlerini ve asfaltik "arı yapıları" üzerindeki etkilerini netleştirecektir. Grafenin asfaltın mikroskobik "arı yapıları" üzerindeki mekanizmasını yorumlamak için temel malzeme kuralları, faz dönüşüm teorisi ve difüzyon teorisi tanıtıldı.
2. Deneysel
Bu çalışmada, temel asfalt olarak Shandong Hi-speed Construction Materials, Jinan, Çin tarafından sağlanan A-70 asfalt kullanılmıştır. Grafen ile modifiye edilmiş asfalt ev yapımıydı ve grafen dozajı ağırlık olarak yüzde 1'di ve bunun daha önce optimum grafen içeriği olduğu kanıtlanmıştı [27]. 2.1. AFM Örneklerinin Hazırlanması Kısa veuzun süreli yaşlanmaDönen bir film fırın ısıtma aparatı (James Cox & Sons CS325B, Colfax, CA, ABD) kullanılarak asfaltın simülasyonu yapılmıştır.basınç yaşlandırma aparatı(Prentex PR9300, Sunnyvale, TX, ABD). Yaşlandırma yapılmamış, kısa süreli eskitilmiş ve uzun süreli eskitilmiş asfalt ayrı ayrı hazırlanmıştır. AFM numuneleri, ısıtmalı kalıplama yöntemiyle şu şekilde hazırlandı: İlk olarak, erimiş asfalt bir cam çubuk kullanılarak bir cam slayt (10 mm x 10 mm x 1 mm) üzerine bırakıldı. Daha sonra damla bir fırına yerleştirildi ve yatayın 30◦ üzerinde eğildi. 150 ◦C'de 15 dakika ısıtıldı ve kaydırağın yüzeyini yerçekimi ile ince bir asfalt tabakası kapladı. Son olarak, asfaltla kaplanan cam slayt, havada oda sıcaklığına kadar soğutuldu. Bu yöntemle hazırlanan asfalt filmin kalınlığı, yollardaki asfalt filmlerin gerçek kalınlığına benzer olan birkaç mikron olarak ölçülmüştür [28].
2.2. Atomik Kuvvet Mikroskobu Testi
AFM (Bruker Multimode 8, Santa Barbara, CA, ABD), yaşlanmadan önce ve sonra baz ve grafen modifiye asfaltın mikro yapılarını karakterize etmek için yapıldı. Gerçekleştirilen AFM'nin şematik bir diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir. AFM'de kullanılan dört temel bileşen, bir prob ucu, konsol, lazer ve konuma duyarlı fotodiyot (PSPD) idi. Tarama sırasında numunenin mikro yüzeyinin yükseklik değişimi, hafif bir kuvvet, yani prob ucu ile numune yüzeyi arasında bir çekim veya itme kuvveti üretecektir. Bu durumda konsol, "Hooke Yasası"na göre sapar ve konsolun arkasında aydınlatılan lazerin yansıma sinyalinde bir değişikliğe neden olur. Lazer yansıma sinyallerindeki değişiklik PSPD tarafından algılanabilir ve işlemden sonra numunenin yüzey topografyası elde edilebilir [29]. Topografya ve faz kontrast görüntüleri, probun elastik sabitinin 0,4 N/m, tarama hızının 1,5 Hz, tarama alanının 10 µm × 10 µm olduğu aralıklı temas modunda alınmıştır. ve çözünürlük 10 nm idi.
Şekil 1. AFM'nin şematik diyagramı.
3. Sonuçlar ve tartışma
3.1. Grafenin Asfaltın Temel Özellikleri Üzerindeki Etkisi
Şekil 2a,b, sırasıyla yaşlanmadan önce ve sonra baz ve grafen modifiye edilmiş (grafin dozajı ağırlık olarak yüzde 1.0 idi) asfaltın temel özelliklerini gösterir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, hem temel hem de modifiye asfalt, kısa süreli haddeleme ince film fırın testi (RTFOT) yaşlanmasından sonra penetrasyonu azaltma, yumuşama noktasını artırma, viskoziteyi artırma ve sünekliği azaltma eğilimi gösterir. Artan yumuşama noktası ve viskozite, asfaltın yaşlandıktan sonra sert ve kırılgan hale geldiğini gösterir. bu arada,yaşlanma karşıtı özellikAsfalt indekslerinin eskime öncesi ve sonrası değişim oranları karşılaştırılarak da değerlendirilebilir. Grafen ile modifiye edilmiş asfaltın her indeksinin değişim oranının, temel asfaltınkinden daha düşük olduğu sonucuna varılabilir. Bu gösteriyor ki,yaşlanma karşıtı performansgrafen ile modifiye edilmiş asfaltın oranı, temel asfaltınkinden daha üstündü. Ek olarak, modifiye asfaltın yüksek sıcaklık performansı, grafenin dahil edilmesi nedeniyle iyileştirildi.
3.2. Grafenin "Arı Yapısına Etkisi"
Şekil 3a,b, sırasıyla AFM ile ölçülen taban ve grafen modifiye asfaltın 2B topografyalarını göstermektedir. Şekil 3'te gösterilen görüntülerde üç faz (Catana, peri ve para fazları) gözlemlendi. "Arı yapısı", sırasıyla dışbükey ve içbükey yapıları temsil eden, birbirine geçmeli açık ve koyu çizgilerden oluşuyordu (7 30] . Ayrıca, Şekil 3ab, aynı inceleme alanı içindeki grafen modifiye asfalttaki birçok "arı yapısını göstermektedir. Işık yüksekliği, parlak tepe önemli ölçüde artmış ve karanlık vadinin derinliği azalmış, bu da "boyutunda bir azalmaya işaret etmektedir" grafen modifiyeli asfaltta arı yapısı, yani temel asfaltta "arı yapıları" daha büyük ama miktar olarak daha az.
Şekil 3. AFM ile incelenen asfaltın topografyaları. (a) temel asfaltın 2D görüntüsü; (b) grafen ile modifiye edilmiş asfaltın 2D görüntüsü; (c) (a)'da etiketlenen "arı yapılarının" topografik profilleri; (d) (b)'de etiketlenen "arı yapılarının" topografik profilleri.
AFM, örneğin "arı yapısının" daha yüksek ve daha alçak kısımları arasındaki mesafe gibi, yükseklik çizgileri (veya profiller) şeklinde topografik bilgi sağlar. Şekil 3c,d, sırasıyla Şekil 3a,b'de etiketlenmiş seçilen temsili "arı yapılarının" topografik profillerini göstermektedir. Gösterildiği gibi, temel asfalttaki "arı yapısının" ortalama uzunluğu 3–4 µm iken grafenle modifiye edilmiş asfaltta 2–3 µm'ye düşürülmüştür. Ek olarak, temel asfalttaki "arı yapısının" ortalama yüksekliği yaklaşık 44,2 nm iken, grafen modifiyeli asfaltta yaklaşık 35,4 nm'ye düşürüldü. Bu azalma, asfalttaki "arı yapısının" hacminin grafen ile modifikasyondan sonra azaldığını göstermektedir. Şekil 3'ü inceleyerek, grafen modifiyeli asfalttaki "arı yapısı" hacmindeki düşüşün, öncelikle "arı yapıları"nın oluşumuna katkıda bulunan faktörlerle ilgili olduğu tahmin edilebilir.
3.3. Asfalt Yaşlandırma Sırasında Grafenin Mikro Yapı Üzerindeki Etkisi
Şekil 4, yaşlanmadan önce ve sonra baz ve grafen modifiye asfaltın üç boyutlu (3D) AFM görüntülerini göstermektedir. Gösterildiği gibi, grafen ile modifiye edilmiş asfaltın yüzeyi pürüzsüzken, temel asfaltınki pürüzlüydü. Yuvarlanan ince film fırını (RTFOT) yaşlanmasından sonra, temel asfalt yüzeyindeki değişim, grafenle modifiye edilmiş asfaltınkinden daha belirgindi. Spesifik olarak, pik alanı önemli ölçüde arttı ve "arı yapılarının" miktarı ve boyutu da arttı. Bununla birlikte, yaşlandırma öncesi ve sonrası grafen modifiye asfaltın AFM görüntüleri benzerdi. Tabandaki ve grafen modifiyeli asfalttaki "arı yapılarının" sayısı, sonrasında arttı.basınç yaşlanmasıdamar (PAV) testleri. Bunun nedeni, asfalt viskozitesinin artması ve yaşlanmadan sonra büyük aromatik hidrokarbon moleküllerinin sayısının artmasıdır [31].
Şekil 4. (a) Temel asfaltın 3D AFM görüntüleri; (b) RTFOT yaşlanmasından sonra temel asfalt; (c) PAV yaşlanmasından sonra temel asfalt; (d) grafen ile modifiye edilmiş asfalt; (e) RTFOT yaşlanmasından sonra grafen ile modifiye edilmiş asfalt; (f) PAV yaşlanmasından sonra grafenle modifiye edilmiş asfalt
Pürüzlülük, bulunan pik sayısı ve minimum ve maksimum pik derinliğini içeren nicel analiz verileri, "AFM yazılımı—Nanoscope Analysis" ve Tablo 1'deki liste aracılığıyla Şekil 4'ten çıkarılabilir.
Tablo 1. 3D AFM topografyalarından çıkarılan temel veri parametreleri.
İlk olarak, yüzey morfolojisindeki varyasyon, pürüzlülük indeksine (kök-ortalama-kare pürüzlülük (R,), ortalama pürüzlülük ve maksimum yükseklik pürüzlülüğü) dayalı olarak asfaltın mikroskobik faz durumları arasındaki farkla kantitatif olarak analiz edilebilir [32] . Bu çalışmada mikroskobik faz durumları ile Rq arasındaki ilişki incelenmiştir. R, aşağıdaki gibi hesaplandı:
A, bu çalışmada 10 um x 10 um olarak ölçülen tarama alanıdır; h (x, y) morfolojinin yükseklik fonksiyonudur (nm); ve h, referans yüksekliğidir (nm). Tablo 1'de listelenen her numunenin Rı değeri, "AFM yazılımı Nanoscope AnalysisRoughness" kullanılarak elde edildi ve ayrıca Şekil 5'te gösterildiği gibi grafikler şeklinde sunuldu.
Şekil 5'te gösterildiği gibi, grafen ile modifiye edilmiş asfaltın R'si asfaltınkinden daha küçüktü, bu da grafen ilavesinin asfalt yüzeyinin pürüzlülüğünü azalttığını gösteriyor. Yüzey pürüzlülüğü, asfaltın kendi kendini iyileştirme yeteneği ve yapışma performansı ile ilişkilidir (33).Kısaca, asfalt bağlayıcının pürüzlülüğü ne kadar yüksekse, asfaltın kendi kendini onarma yeteneği ve yapışma performansı o kadar iyidir.Kısa süre sonra pürüzlülük artmıştır. -ister temel asfaltta ister grafenle modifiye edilmiş asfaltta olsun, uzun süreli yaşlanma süreli yaşlanma, öncelikle hafif bileşenlerdeki (doymuş hidrokarbon ve aromatik hidrokarbon) azalmaya ve buna bağlı olarak asfalten ve reçine içeriklerindeki artışa bağlandı (36). "arı yapısı", kısa süreli yaşlanmadan sonra hem temel hem de grafen modifiye asfaltın "arı yapısı hacminde ve AFM pürüzlülüğünde" bir artışa neden olur.
Her iki asfalt tipinin R'sinin RIFOT yaşlanmasından sonra arttığı, PAV yaşlanmasından sonra ise azaldığı gözlendi. Bunun nedeni, RIFOT'un yaşlanma derecesinin daha düşük olması, daha az sayıda hafif bileşenin buharlaşması ve ağır bileşenlerin açığa çıkması, dolayısıyla yüzey pürüzlülüğünün artmasına neden olması olabilir. Bu arada, PAV'ın yaşlanma derecesi daha yüksekti, dolayısıyla daha fazla sayıda hafif elementin buharlaşmasına neden oluyordu; sonuç olarak asfalt çok fazlı bir yapıdan tek fazlı bir yapıya geçiş yaptı. Faz durumunun basitleştirilmesi, yüzey pürüzlülüğünü azalttı Her ne kadar iki tip asfaltın R'si RIFOT yaşlanmasından sonra artmış olsa da, grafenle modifiye edilmiş asfalttaki artış, temel asfaltınkinden daha küçüktü. PAV yaşlanmasından sonra, iki tip asfaltın R değeri düştü, ancak grafenle modifiye edilmiş asfalttaki azalma, temel asfaltınkinden daha azdı. Bu nedenle, grafen ilavesinin temel asfaltın yaşlanmayı geciktirme kabiliyetini arttırdığı R'den çıkarılabilir.
İkinci olarak, yüzey morfolojisindeki varyasyon, bulunan tepe noktalarının sayısı ve tepe derinliği ile kantitatif olarak analiz edilebilir. Bir grup tepe, bir yapı oluşturmak için birleşir. Arı yapılarının sayısı daha önce tartışılmış ve burada bulunan tepe noktalarının sayısından bahsedilmemiştir. Şekil 6'da sunulduğu gibi, tepe derinliği dağılımlarının bir frekans histogramı oluşturulmuştur. Gösterildiği gibi, farklı yaşlanma koşulları altında grafenle modifiye edilmiş asfaltın tepe derinliği dağılımı histogramı, temel asfaltınkinden daha küçük bir tepe çizgisi sergilemiştir; grafen ile modifiye edilmiş asfaltta daha fazla derinliğe sahip piklerin sayısı daha azdı ve dağılım, alanın daha küçük bir bölümünü kaplıyordu. Yaşlandırılmamış, kısa süreli ve uzun süreli eskitilmiş temel asfaltın pik yükseklikleri sırasıyla 70, 83 ve 62 nm civarında yoğunlaşmıştır. Yaşlandırılmamış, kısa süreli yaşlandırılmış ve uzun süreli grafen modifiyeli asfaltın pik yükseklikleri sırasıyla 47, 60 ve 57 civarında yoğunlaşmıştır. Grafenin eklenmesi, "arı yapılarında" yapısal bileşenlerin birikmesini etkilemiş ve böylece tepe yüksekliğini azaltmış olabilir. Asfalt yaşlanmasının yol açtığı asfalt bileşenlerinde meydana gelen değişiklik, polar olmayan bileşenlerin (doymuş ve aromatik) azalması ve polar özelliklerin (kolloidler ve asfaltenler) artması nedeniyle ileri yaşlandırılmış "arı yapısının yüksekliği azalmıştır.
Daha fazlasını iste:
E-posta:wallence.suen@wecistanche.com whatsapp: artı 86 15292862950
