Vật liệu nanocompozit được thiết kế trong chất kết dính nhựa đường

Xin vui lòng liên hệoscar.xiao@wecistanche.comđể biết thêm thông tin

Trừu tượng:Gần đây, công nghệ nano đã được ứng dụng hiệu quả trong lĩnh vực mặt đường. Quá trình oxy hóa và lão hóa của nhựa đường gây ra sự xuống cấp của mặt đường và làm tăng lượng khí thải liên quan đến nhựa đường. Chúng tôi đề xuất một chiến lược chống lão hóa để ngăn chặn sự hư hỏng của nhựa đường bằng cách sử dụng đất sét / vật liệu nano silica bốc khói đã được chế tạo. Trong nghiên cứu này, các đặc tính hình thái, hóa học, nhiệt, cơ học và lưu biến của chất kết dính nhựa đường biến tính nano được phân tích tỉ mỉ dưới nhiều điều kiện khác nhau. Kết quả thí nghiệm đã chứng minh rằng hỗn hợp này phá vỡ hiệu quả quá trình oxy hóa và phân hủy hóa học trong hỗn hợp và làm giảm tốc độ lão hóa. Đáng chú ý, các thí nghiệm lưu biến chất kết dính nhựa đường cho thấy rằng việc bổ sung 0. 2-0. 3% trọng lượng vật liệu gia cố nano đã tối đa hóa khả năng chống lưu biến của chúng sau quá trình lão hóa ngắn hạn và dài hạn. Hơn nữa, các hạt nano cải thiện hiệu quả chống ẩm và lần lượt, khắc phục các vấn đề nghiêm trọng về độ ẩm ở nhiệt độ sản xuất thấp trong

Từ khóa:đất sét nano, bitum biến tính, lão hóa oxy hóa nhiệt, sửa đổi nano, nanocompozit

1. Giới thiệu

Bitum thường được sử dụng làm keo trong hỗn hợp nhựa đường, do đặc tính lưu biến thích hợp của nó [1-3]. Tuy nhiên, việc sửa đổi bitum đã phát triển một lĩnh vực mới nổi trong công nghệ vật liệu đường bộ, chủ yếu liên quan đến việc tái sử dụng lớp nhựa đường tái chế, với các khái niệm năng lượng thấp để sản xuất hỗn hợp nhựa đường và ngày càng tăng mong muốn thay thế ít nhất một phần bitum thông qua nhiều hơn chất kết dính bền vững và dựa trên sinh học. Một vấn đề quan trọng khi xác định các chất điều chỉnh bitum thích hợp nhất là điều tra khả năng chống lão hóa của chúng. Vì vật liệu nhựa đường không chỉ tiếp xúc với nhiệt độ nóng trong quá trình sản xuất hỗn hợp mà còn với bức xạ mặt trời khắc nghiệt và oxy và các gốc khác thúc đẩy sự lão hóa chất kết dính trong suốt thời gian sử dụng [4-7], độ bền của chất kết dính nhựa đường về khả năng chống lão hóa là một đặc tính vật liệu quan trọng. Lão hóa chất kết dính bao gồm lão hóa dài hạn do tia cực tím, nhiệt và lão hóa ngắn hạn do nhiệt oxy hóa. Để ảnh hưởng đến hiệu suất của chất kết dính nhựa đường, rất nhiều loại phụ gia khác nhau có thể được thêm vào bitum, chẳng hạn như polyme, sợi, vật liệu tái chế và vật liệu nano [8,9]. Nghiên cứu này tập trung vào vật liệu nano. Trong số các vật liệu này, thông thường, vật liệu nano thay đổi đáng kể các tính chất kết dính hóa học và hệ quả là các đặc tính hiệu suất lưu biến cơ học. Trong số các thông số quan trọng nhất mô tả các hạt nano (NPS), tạo ra các đặc tính vật lý của vật liệu nanocompozit độc đáo và khác biệt so với các vật liệu thông thường, là tỷ lệ giữa diện tích bề mặt với thể tích, hình dạng, thành phần hóa học và khả năng của chúng để tăng tương tác tại các giao diện pha [10 , 11]. Ôxít kim loại, inor-ganic, sợi nano và vật liệu nano là loại vật liệu nano chính đặc biệt được sử dụng trong hỗn hợp nhựa đường để điều chỉnh chất kết dính nhựa đường [12,13]. Các NP oxit kim loại bao gồm oxit kẽm (ZnO) và titan đioxit (TiO) được báo cáo là tăng cường khả năng chống hằn lún và nứt của hỗn hợp nhựa đường [13,14].thân cây cistancheCác NP vô cơ như silica (SiO), ống nano cacbon (CNTs) và đất sét nano được coi là có tiềm năng tuyệt vời trong việc gia cố vật liệu nhựa đường và cải thiện độ bền của chúng [15,16]. Hiệu suất lưu biến của bitum - và do đó hiệu suất của hỗn hợp nhựa đường tương ứng - đã được cải thiện thành công thông qua việc bổ sung SiO và NP. Tính ổn định nhiệt và cơ học của hỗn hợp nhựa đường cũng được cải thiện bằng cách kết hợp các NP đất sét [17,18]. 7}}]. Các họ đất sét và silica đã được báo cáo là có các NP vô cơ tuyệt vời trong việc cải thiện các đặc tính lão hóa của chất kết dính. Dựa trên kết quả của các báo cáo khác nhau, chất kết dính nhựa đường được biến tính bằng nano silica làm giảm nhẹ độ nhớt và mô đun phức tạp, đồng thời cải thiện độ bền mỏi và hằn lún sau khi lão hóa ngắn hạn [19-21]. Ngoài ra, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nano - Chất kết dính biến tính silica có khả năng chống lão hóa nhiệt cao hơn, cuối cùng dẫn đến tăng độ bền của mặt đường nhựa [21,22]. SiO và NP có những ưu điểm như không xúc tác, che chắn vô cơ và không độc hại, có tầm quan trọng thiết yếu để sử dụng trong hỗn hợp bê tông nhựa [23,24]. Tuy nhiên, SiO bốc khói và NP là một loại vật liệu nano tổng hợp thân thiện với môi trường và kinh tế để sử dụng trên quy mô lớn. Silica bốc khói là một vật liệu nano cấu trúc vô định hình tổng hợp có diện tích bề mặt lớn và quy mô kích thước nano [25]. Do đó, nghiên cứu này tập trung vào các hạt nano silica đất sét / bốc khói (CSNPs).

Vui lòng bấm vào đây để biết thêm

So với cách làm thông thường, công nghệ nhựa đường hỗn hợp ấm (WMA) hoạt động theo cách thân thiện với môi trường hiệu quả. Trong trường hợp này, nhựa đường được sản xuất ở nhiệt độ khoảng 30-60 độ C, thấp hơn bình thường. Công nghệ này làm giảm phát thải hơi độc hại và dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng và phát thải khí nhà kính ít hơn 20-35 và ít hơn 35% [13,26]. Tuy nhiên, tính nhạy cảm với độ ẩm là một nhược điểm chung của công nghệ WMA, dẫn đến giảm hiệu suất của nó [27,28].

Mục tiêu của nghiên cứu này là xác định các tác động tiềm tàng của CSNP đối với khả năng chống lão hóa của chất kết dính nhựa đường được sử dụng cho hỗn hợp bê tông nhựa đường được sản xuất bằng công nghệ WMA. Cụ thể, các đặc tính hình thái, hóa học, nhiệt, lưu biến và cơ học của chất kết dính bê tông nhựa biến tính CSNP được phân tích tỉ mỉ trong các điều kiện khác nhau. Những hiểu biết mới được trình bày nhằm hiểu sâu hơn về những thay đổi tiềm ẩn trong các đặc tính cơ học và chất kết dính lưu biến do lão hóa nhiệt. Hình 1 minh họa sơ đồ các kỹ thuật thí nghiệm được áp dụng trong nghiên cứu này.

2. Vật liệu và phương pháp

2.1 Vật liệu

Quy trình tổng hợp các CSNP được lựa chọn theo nghiên cứu trước đây của tác giả (như trong Hình S1) [29]. Silica bốc khói nano (Aerosil A3 0 0, Degussa Co, Đức), natri bentonit (Sigma Aldrich Ltd., Đức; xem Bảng S1) và Bitum 50/70 (Total Co., Pháp) được sử dụng trong nghiên cứu này. Phân tích kích thước hạt của vật liệu được thực hiện bằng cách sử dụng tán xạ ánh sáng động (DLS) (Malvern ZEN 3600, Vương quốc Anh), trong khi phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) được thực hiện bằng phương pháp nhiễu xạ bột tia X (Philips PW 1730, Hà Lan; Hình S2) Để điều chế hỗn hợp WMA, một công thức mới của sáp Fischer-Tropsch (FT) (Sasol, Nam Phi; Evonik, Đức; Sigma-Aldrich, Đức) đã được tổng hợp trong cuộc điều tra này. Trước khi sử dụng, nanocompozit được làm khô trong tủ sấy ở 110 độ c trong 3 giờ. Ở bước đầu tiên, các mẫu được chuẩn bị theo quy trình công việc trước đó [18]. Sau đó, các nanocompozit được thêm vào bitum với số lượng khác nhau (0,1,2 và 3 wt phần trăm). Trong nghiên cứu này, bitum đã được sửa đổi bằng cách sử dụng phụ gia WMA 3%.lợi ích và tác dụng phụ của cistanche tubulosaGiá trị này được chọn dựa trên hàm lượng sáp thường được sử dụng trong hỗn hợp WMA được báo cáo trong nghiên cứu trước đây [13].

2.2 Quá trình lão hóa

Đối với thử nghiệm lò màng mỏng cán (RTFOT), theo ASTM D1754, các mẫu được giữ ở 163 độ C trong tủ sấy màng mỏng cán (RTFOT8, kiểu ISL, Pháp). Dựa trên quy trình chuẩn của bình lão hóa áp suất (PAV), các mẫu được khảo sát trong PAV sau khi lão hóa lâu dài (với 300psi và 100 độ trong 20 giờ). Chúng tôi chuẩn bị mẫu trong ba điều kiện: S 1- S4: mẫu chưa qua kiểm nghiệm, S 5- S8: mẫu lâu năm và S 9- S12: mẫu lâu năm. Tất cả các mẫu được trình bày trong Bảng S2 (Tài liệu bổ sung).

2.3 Các phương pháp đặc trưng

Một thiết bị đo lưu biến cắt động (DSR) (Malvern Kinexus Pro plus, Vương quốc Anh) đã được áp dụng để đánh giá các đặc tính lưu biến ở tần số 10 rad / s và nhiệt độ từ 20 đến 70 độ C. Góc pha và mô đun cắt phức tạp (G * ) của nhựa đường gốc, chất kết dính và các mẫu tuổi được đo theo tiêu chuẩn AASHTO T 315. Phương pháp này thường được sử dụng để xác định các đặc tính của chất kết dính nhựa đường trong phạm vi độ nhớt tuyến tính. Các đặc tính hóa học được thử nghiệm bằng cách sử dụng hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR; Thermo Scientific Nicolet iS10, USA) và TG / DTA (SDT Q600, TA Ins., USA). Kính hiển vi Raman đồng tiêu Renishaw inViatM (Renishaw plc, Miskin, Pontyclun, Vương quốc Anh) với nguồn laser argon (633 nm) được sử dụng để nghiên cứu liên kết hóa học và kích thước tấm thơm, được trang bị một máy dò thiết bị tích điện (4 / cm độ phân giải quang phổ, hình học tán xạ 90 độ). Các phổ khảo sát được ghi lại trong khoảng từ 500 đến 3, 000 / cm ở nhiệt độ phòng (vật kính khoảng cách làm việc dài 50 ×). Đã sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM; Nanowizard, JPK Ins., Đức) với công xôn ở chế độ gõ (RTESP, Bruker, Hoa Kỳ) và kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM; TE-SCAN, MIRA II, Cộng hòa Séc) để nghiên cứu hình thái và cấu trúc của các mẫu chất kết dính ở kích thước micro và nano. Hình ảnh bản đồ độ nhám và độ dày ở 1-2 khung hình / giây và điểm đặt z được phân tích và kết quả được đánh giá bằng phần mềm mã nguồn mở Gwyddion [30]. Các hình thái học được đặc trưng bằng cách tập trung một chùm điện tử trên bề mặt của các mẫu chất kết dính. Một máy ảnh hồng ngoại nhiệt (FLIR-T440, US) đã ghi lại hình ảnh nhiệt đồ theo các bước thời gian cụ thể từ các mẫu chất kết dính. Tính chất dão uốn ở nhiệt độ thấp được phân tích bằng cách sử dụng máy đo lưu biến chùm tia uốn nhiệt điện (TE-BBR; Cannon Ins., USA). Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng Petrotest cho điểm hóa mềm (PKA5, Đức), máy đo thâm nhập tự động (PNR 12, Đức) và kiểm tra độ dẻo (hồng ngoại, 20-2356, Đức). Một bản tóm tắt

về các đặc tính vật lý của chất kết dính nhựa đường được sử dụng trong nghiên cứu này được trình bày trong Bảng S3 (Tài liệu bổ sung).

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Hình thái bề mặt

FE-SEM được tiến hành để quan sát hình thái bề mặt của các mẫu chất kết dính bê tông nhựa biến tính CSNP trong ma trận chất kết dính bê tông nhựa (Hình 2a). Hình ảnh FE-SEM hiển thị sự phân tán đồng đều của CSNPs (kích thước hạt trung bình ~ 45 nm) trong ma trận chất kết dính nhựa đường. Hình dạng lớp nano độc đáo của CSNP trong ma trận chất kết dính nhựa đường ảnh hưởng đáng kể đến quá trình lão hóa: giống như một tấm chắn. Trong trường hợp này, CSNP ngăn chặn cấu trúc bên trên bị phá hủy thông qua bức xạ [8] và đồng thời giữ các hợp chất dễ bay hơi và ngăn chặn sự bay hơi từ chất kết dính nhựa đường.

Cistanche có thể chống lão hóa

Do có diện tích bề mặt lớn, các lớp nano đất sét và các NP silica bốc khói bao phủ một khu vực rộng. Để sử dụng tính năng này, sự phân tán thích hợp của CSNPs trong chất kết dính nhựa đường là điều cần thiết. Phân bố có thể được phân tích (xem Hình S3) bằng phương pháp quang phổ tán sắc năng lượng (EDS). Các nguyên tố nhôm, silica, sắt và titan có thể được phát hiện và sử dụng để xác định sự phân bố của CSNP trong chất kết dính cơ bản. Các lớp đất sét trong bề mặt của chất kết dính thường được phát hiện thông qua titanium dioxide （với kích thước hạt trung bình 1μm）. Bản đồ các nguyên tố titan cho thấy sự phân bố của các hạt trong bitum là đồng đều.

Cấu trúc nano được hình thành bởi CSNPs hoạt động như một lá chắn nano chống lại quá trình oxy hóa và phá hủy nhiệt. Các lớp đất sét có điện trở suất nhiệt cao và tránh sự phân hủy các liên kết hóa học và do đó làm chậm quá trình lão hóa chất kết dính [8]. Hình 2b và c cho thấy lớp phủ đồng nhất một phần của CSNPs trên chất kết dính nhựa đường (màu xanh lá cây) và khối dày đặc của CSNPs (màu đỏ), tương ứng. Độ phân cực và liên kết hóa học [31,32] là các thông số quan trọng khiến các lớp nano hấp phụ với nhau và tạo ra các thành phần cồng kềnh này trong chất kết dính nhựa đường.

Để hiểu thêm về ảnh hưởng của CSNP đối với chất kết dính, các đặc tính hình thái học đã được phân tích thông qua thử nghiệm AFM. Việc xác định sự thay đổi của cấu trúc vi chất kết dính do lão hóa được quan tâm vì nó cho thấy sự thay đổi tương tác phân tử và các hợp chất hóa học [33,34].chiết xuất cistanche tubulosaCấu trúc vi mô của các mẫu chất kết dính được sửa đổi bởi CSNP được thể hiện trong Hình 3.

Trong Hình 3, ba pha Catana, Peri và Para được chỉ ra rằng các cấu trúc giống như ong, pha phân tán và pha nền mịn, tương ứng. Pha Catana và pha nền được coi là đặc điểm cấu trúc vi mô của chất kết dính [35]. Các cấu trúc giống như ong được cho là do các chuỗi dài của alkyl trong sáp vi tinh thể, cấu trúc chất thơm và các chất nhựa đường, kết tinh trong quá trình làm lạnh [36].đánh giá cistanche tubulosaCấu trúc giống như ong trong ảnh AFM cho thấy sự hiện diện có thể có của các thành phần nhựa (Hình 3b-d).cistanche Vương quốc AnhSố lượng nhựa đường và chất keo có liên quan trực tiếp đến kích thước của cấu trúc giống như ong trong

chất kết dính nhựa đường; cấu trúc càng lớn thì số lượng các chất nhựa và chất keo càng cao [37]. Hình thái vi cấu trúc và các pha riêng lẻ của các mẫu chất kết dính lão hóa ngắn hạn và dài hạn được trình bày trong Hình 3e-g. Việc so sánh các hình ảnh AFM của các mẫu nguyên sinh và tuổi lâu năm minh họa cấu trúc nano đang biến mất và sự hình thành ngày càng tăng của các cấu trúc giống như ong. Quá trình tương tự có thể được quan sát trong Video 1-3 (xem Tài liệu Bổ sung), được ghi lại trong quá trình đo AFM, cho thấy sự thay đổi cấu trúc do hậu quả của sự lão hóa chất kết dính. Việc bổ sung CSNP vào chất kết dính nhựa đường dẫn đến những thay đổi đáng kể về hình thái chất kết dính và cấu trúc vi mô. Những thay đổi này giải thích vai trò của CSNP như một lá chắn để kết dính quá trình lão hóa.

Bài báo này được trích từ Nanotechnology Reviews 2022; 11: 1047–1067