Effaith Graphene Ar Ficrostrwythurau Asffalt Wedi'u Haddasu yn Seiliedig ar Ficrosgopeg Grym Atomig

Crynodeb:Defnyddiwyd microsgopeg grym atomig (AFM) i archwilio effeithiau addaswyr graphene ar ficrostrwythur asffalt. Perfformiwyd morffolegau asffalt sylfaen cyn ac ar ôl oed ac asffalt wedi'i addasu a'u cymharu â dadansoddiad. Trafodwyd mecanwaith ffurfio "strwythurau gwenyn" asffaltaidd a mecanwaith dylanwad graphene ar asffalt o ddamcaniaeth glasurol gwyddoniaeth ddeunydd (theori trawsnewid cyfnod a theori trylediad). Mae'r canlyniadau'n dangos bod graphene yn hwyluso cnewyllyn "strwythurau gwenyn", gan arwain at nifer cynyddol a llai o gyfaint o "strwythurau gwenyn" mewn asffalt wedi'i addasu. Yn ogystal, mae'rperfformiad gwrth-heneiddioo'r asffalt wedi'i addasu wedi gwella'n sylweddol oherwydd ymgorffori graphene.

Geiriau allweddol:AFM; graphene; strwythurau gwenyn; theori trawsnewid cyfnod;perfformiad gwrth-heneiddio 

Perlysiau Tsieineaidd Ar gyfer Atchwanegiadau Gwrth-Heneiddio

1. Rhagymadrodd

Mae asffalt yn gymysgedd cymhleth o hydrocarbonau amrywiol a'u deilliadau anfetelaidd (ocsigen, sylffwr a nitrogen). Mae cydrannau asffalt yn cynnwys alcanau, seicalcanau, arenau a deilliadau sy'n cynnwys sylffwr, hydrocarbonau aromatig polysyclig, arenau polysyclig ymdoddedig, a deilliadau anfetelaidd. Yn ogystal, mae elfennau metel hybrin (vanadium, nicel, magnesiwm, haearn a chalsiwm) yn bresennol mewn asffalt [1,2]. Er bod cydrannau a microstrwythur asffalt yn hanfodol ac yn effeithio ar ei berfformiad palmant, mae astudiaethau microsgopig yn ymwneud ag asffalt yn brin oherwydd ei gyfansoddiad cemegol cymhleth ac adnoddau ymchwil annigonol. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae'r berthynas rhwng cydrannau bitwmen, microstrwythur, a pherfformiad palmant wedi denu sylw cynyddol. Yn benodol, mae ymchwilwyr yn canolbwyntio ar ficrosgopeg grym atomig (AFM), a ddefnyddir i ymchwilio i strwythur microsgopig a mecanwaith asffalt.

Yn 1996, Loeber et al. arsylwi yn gyntaf y microstrwythur o asffalt drwy AFM, ac enwir topograffeg microsgopig o asffalt fel "strwythur gwenyn." Trwy ddadansoddi'r broses ffurfio, darganfuwyd yn rhagarweiniol fod y "strwythur gwenyn" o ganlyniad i asphaltene [3]. Roedd Pauli et al. dangos bod y microstrwythurau yn bennaf oherwydd y rhyngweithio rhwng y cwyrau paraffin crisialu a'r cydrannau asffalt nad ydynt yn gwyr sy'n weddill [4]. Yn yr un modd, Jäger A. et al. adroddwyd bod y "strwythur gwenyn" o ganlyniad i asphaltene [5]. Mae De Moraes et al. dyfalu bod eiddo'r "strwythur gwenyn" yn debyg i eiddo cwyr microcrystalline [6]. Roedd Masson et al. ymchwilio i dopograffeg microsgopig 13 math o asffalt a darganfod bod ffurfio "strwythurau gwenyn" yn cael ei briodoli i gynnwys fanadiwm a nicel mewn asffalt [7].

Yn y cyfamser, dywedwyd bod ychwanegu asffalt Llyn Trinidad a addaswyr SBS yn effeithio'n sylweddol ar faint grawn a dosbarthiad "strwythurau gwenyn" [8,9]. Dywedodd rhai ymchwilwyr fod y "strwythur gwenyn" yn ganlyniad i wrinkling ffilmiau tenau yn mesur tua 10 nm o drwch [2,10]. Mae Ji et al. defnyddio AFM i werthuso microstrwythur asffalt yn feintiol trwy ddamcaniaeth garwedd [11]. Ymchwiliodd Hung i esblygiad microstrwythur asffalt ar ôl dod i gysylltiad â dŵr [12]. Er bod cyflawniadau, fel y gwelir trwy AFM, wedi'u gwireddu wrth gymhwyso asffalt yn ficrosgopig, mae amodau ffurfio, mecanwaith, cyfraith esblygiad, a ffactorau dylanwadol "strwythurau gwenyn" asffaltaidd yn parhau i fod yn amhendant. Felly, rydym yn ceisio archwilio effaith ychwanegion ar ficrostrwythur asffalt a disgwyliwn gyflawni rhywbeth ystyrlon.

Mae nanomaterials 'effaith maint bach' yn naturiol yn cael effaith ffin ac arwynebedd arwyneb penodol uchel, a all arwain yn uniongyrchol neu'n anuniongyrchol at effaith arwyneb arbennig. Yn y blynyddoedd diwethaf, mae nano-ddeunyddiau a ddefnyddir fel addasiadau asffalt wedi'u hastudio'n gynyddol i wella priodweddau mecanyddol a ffisegol. bitwmen.Mae rhai nanomaterials megis titaniwm deuocsid (TiO2) [13], sinc ocsid (ZnO) [14], graphene ocsid (GO) [15], silicon deuocsid (SiO2) [16], a montmorillonite [17] wedi'u dewis fel addaswyr i wella perfformiad ffyrdd ac ymestyn gwydnwch asffalt Mae rhai canlyniadau arwyddocaol iawn wedi'u cyflawni.Er enghraifft, astudiodd Cheraghian et al yheneiddio uwchfioledymwrthedd o nanoronynnau silica fumed bitwmen addaswyd ac mae'r canlyniadau yn dangos bod yeiddo heneiddio gwrth-uwchfioledo asffalt wedi'i addasu yn cael ei wella gyda'r cynnydd o gynnwys silica nano [18]. Roedd Zhang et al. canfuwyd y gall lleihau maint gronynnau ZnO wella perfformiad rhwymwr asffalt a chymysgedd asffalt trwy ddadansoddi dylanwad maint gronynnau ZnO ar briodweddau ffisegol asffalt [19].

Yn ein hastudiaeth, dewiswyd graphene fel addasydd asffalt. Mae hyn yn bennaf oherwydd bod graphene yn nano-ddeunydd carbon lled-dau-ddimensiwn (2D) newydd gydag atomau carbon wedi'u trefnu mewn dellt diliau, ac mae wedi'i ymchwilio fel addasydd asffalt oherwydd ei fod yn gydnaws ag asffalt. Er enghraifft, Wu et al. darganfod bod ymgorffori swm bach o graphene ocsid (GO) gwella'reiddo gwrth-heneiddioo asffalt [20–22]. Mae Shi et al. ymchwilio i briodweddau a mecanwaith addasu asffalt a addaswyd gan GO. Fe wnaethon nhw ddarganfod bod swm hybrin o GO yn cyfyngu ar symudiad moleciwlau asffalt ac wedi gwella eu perfformiad tymheredd uchel [23-25]. Moreno - Navarro et al. darganfod bod presenoldeb graphene yn arwain at ymateb elastig mwy arwyddocaol a lleihau sensitifrwydd thermol y rhwymwr asffalt [26].

Felly, yn yr astudiaeth hon, ymchwiliwyd i dopograffi asffalt sylfaen A-70 ac asffalt wedi'i addasu gan graphene trwy AFM. Byddai dadansoddiad a thrafodaeth fwy cynhwysfawr yn egluro'r rhesymau ffurfio ac effeithiau graphene ar "strwythurau gwenyn" asffaltaidd. Cyflwynwyd rheolau deunydd sylfaenol, theori trawsnewid cyfnod, a theori trylediad i ddehongli mecanwaith graphene ar "strwythurau gwenyn" microsgopig asffalt.

2. Arbrofol

Yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd asffalt A-70 a ddarparwyd gan Shandong Hi-speed Construction Materials, Jinan, Tsieina, fel yr asffalt sylfaen. Roedd asffalt wedi'i addasu gan graphene yn gartref ac roedd y dos o graphene yn 1 y cant mewn pwysau, a brofwyd yn flaenorol fel y cynnwys graphene gorau posibl [27]. 2.1. Paratoi Sbesimenau AFM Y byr- aheneiddio tymor hirefelychwyd asffalt gan ddefnyddio cyfarpar gwresogi popty ffilm cylchdroi (James Cox & Sons CS325B, Colfax, CA, UDA) aoffer heneiddio pwysau(Prentex PR9300, Sunnyvale, TX, UDA), yn y drefn honno. Paratowyd asffalt di-oed, tymor byr, ac asffalt oed hirdymor ar wahân. Paratowyd sbesimenau AFM trwy'r dull mowldio gwresogi fel a ganlyn: Yn gyntaf, rhoddwyd asffalt tawdd ar sleid gwydr (10 mm × 10 mm × 1 mm) gan ddefnyddio gwialen wydr. Yn dilyn hynny, gosodwyd y gostyngiad mewn popty a'i ogwyddo 30◦ uwchben y llorweddol. Cafodd ei gynhesu ar 150 ◦C am 15 munud, ac roedd haen denau o asffalt yn gorchuddio wyneb y sleid trwy ddisgyrchiant. Yn olaf, cafodd y sleid gwydr wedi'i orchuddio ag asffalt ei oeri i dymheredd ystafell yn yr awyr. Mesurodd y ffilm asffalt a baratowyd trwy'r dull hwn sawl micron mewn trwch, sy'n debyg i drwch gwirioneddol ffilmiau asffalt ar ffyrdd [28].

2.2. Prawf Microsgop Grym Atomig

Perfformiwyd AFM (Bruker Multimode 8, Santa Barbara, CA, UDA) i nodweddu microstrwythurau'r sylfaen a'r asffalt a addaswyd gan graphene cyn ac ar ôl heneiddio. Dangosir diagram sgematig o'r AFM a berfformiwyd yn Ffigur 1. Y pedair cydran graidd a ddefnyddiwyd yn yr AFM oedd blaen archwilio, cantilifer, laser, a ffotodiod sy'n sensitif i leoliad (PSPD). Yn ystod y sganio, bydd amrywiad uchder micro arwyneb y sampl yn cynhyrchu ychydig o rym, hy, atyniad neu rym gwrthyrru rhwng blaen y stiliwr ac arwyneb y sampl. Yn yr achos hwn, mae'r cantilifer yn gwyro yn seiliedig ar "Hooke's Law," gan arwain at newid yn signal adlewyrchiad y laser wedi'i oleuo ar gefn y cantilifer. Gall y PSPD synhwyro'r newid yn y signalau adlewyrchiad laser, a gellir cael topograffeg wyneb y sampl ar ôl triniaeth [29]. Derbyniwyd y delweddau topograffi a chyferbynnedd gwedd yn y modd cyswllt ysbeidiol, lle'r oedd cysonyn elastig y stiliwr yn 0.4 N/m, y gyfradd sganio yn 1.5 Hz, yr ardal sganio yn 10 µm × 10 µm , a'r penderfyniad oedd 10 nm.

Ffigur 1. Diagram sgematig o AFM.

3. Canlyniadau a Thrafodaeth

3.1. Effaith Graphene ar Priodweddau Sylfaenol Asffalt

Mae Ffigurau 2a,b yn dangos priodweddau sylfaenol y sylfaen a'r asffalt wedi'i addasu gan graphene (y dos o graphene oedd 1.0 y cant mewn pwysau) cyn ac ar ôl heneiddio, yn y drefn honno. Fel y dangosir yn Ffigur 2, mae'r sylfaen a'r asffalt wedi'i addasu yn dangos tueddiad o leihau treiddiad pwynt meddalu cynyddol, cynyddu gludedd, a lleihau hydwythedd ar ôl heneiddio prawf ffwrn ffilm denau treigl tymor byr (RTFOT). Mae'r pwynt meddalu cynyddol a'r gludedd yn dangos bod yr asffalt yn mynd yn galed ac yn frau ar ôl heneiddio. Yn y cyfamser, mae'reiddo gwrth-heneiddioo asffalt hefyd yn cael ei werthuso trwy gymharu cyfraddau newid y mynegeion cyn ac ar ôl heneiddio. Gellir casglu bod cyfradd newid pob mynegai asffalt a addaswyd gan graphene yn is na chyfradd yr asffalt sylfaen. Mae hyn yn awgrymu bod yperfformiad gwrth-heneiddioo'r asffalt a addaswyd graphene yn well na'r asffalt sylfaen. Yn ogystal, gwellodd perfformiad tymheredd uchel yr asffalt wedi'i addasu oherwydd ymgorffori graphene.

3.2. Effaith Graphene ar "Adeiledd Gwenyn

Mae Ffigurau 3a,b yn dangos topograffeg 2D y sylfaen a'r asffalt wedi'i addasu gan graphene wedi'i fesur trwy AFM, yn y drefn honno. Arsylwyd ar dri cham (Catana, peri, a para phases) o'r delweddau a ddangosir yn Ffigur 3. Roedd y "strwythur gwenyn" yn cynnwys llinellau golau a thywyll rhyng-fath, sy'n cynrychioli strwythurau convex a ceugrwm, yn y drefn honno (7 30]). . Ymhellach, mae Ffigur 3ab yn dangos llawer o "strwythurau gwenyn yn yr asffalt a addaswyd gan graphene o fewn yr un ardal ymchwilio. Cynyddodd uchder y brig golau, llachar yn sylweddol a gostyngodd dyfnder y dyffryn tywyll, gan nodi gostyngiad ym maint y" strwythur gwenyn yn yr asffalt a addaswyd gan graphene Mewn geiriau eraill, yn yr asffalt sylfaen, mae'r "strwythurau gwenyn" yn fwy ond yn llai o ran maint.

Ffigur 3. Ymchwiliwyd i dopograffi asffalt trwy AFM. (a) Delwedd 2D o asffalt sylfaen; (b) Delwedd 2D o asffalt a addaswyd gan graphene; (c) proffiliau topograffig o "strwythurau gwenyn" wedi'u labelu yn (a); (d) proffiliau topograffig o "strwythurau gwenyn" wedi'u labelu yn (b).

Mae AFM yn darparu gwybodaeth dopograffig ar ffurf llinellau uchder (neu broffiliau), ee, y pellter rhwng rhannau uwch ac isaf y "strwythur gwenyn." Mae Ffigur 3c,d yn dangos proffiliau topograffig o'r "strwythurau gwenyn" cynrychioliadol a ddewiswyd wedi'u labelu yn Ffigurau 3a,b, yn y drefn honno. Fel y dangosir, hyd cyfartalog y "strwythur gwenyn" yn yr asffalt sylfaen oedd 3–4 µm, tra caiff ei ostwng i 2–3 µm yn yr asffalt a addaswyd gan graphene. Yn ogystal, roedd uchder cyfartalog y "strwythur gwenyn" mewn asffalt sylfaen oddeutu 44.2 nm, tra cafodd ei ostwng i tua 35.4 nm yn yr asffalt a addaswyd gan graphene. Mae'r gostyngiad hwn yn dangos bod cyfaint y "strwythur gwenyn" mewn asffalt wedi gostwng ar ôl ei addasu gan graphene. Trwy ddadansoddi Ffigur 3, gellir dyfalu bod y dirywiad yn y gyfrol "strwythur gwenyn" yn yr asffalt a addaswyd gan graphene yn ymwneud yn bennaf â'r ffactorau sy'n cyfrannu at ffurfio'r "strwythurau gwenyn."

3.3. Effaith Graphene ar Microstrwythur yn ystod Heneiddio Asffalt

Mae Ffigur 4 yn dangos y delweddau AFM tri dimensiwn (3D) o'r sylfaen a'r asffalt wedi'i addasu gan graphene cyn ac ar ôl heneiddio. Fel y dangosir, roedd wyneb yr asffalt a addaswyd gan graphene yn llyfn, tra bod wyneb yr asffalt sylfaen yn arw. Ar ôl heneiddio popty ffilm tenau (RTFOT), roedd yr amrywiad yn yr arwyneb asffalt sylfaen yn fwy amlwg na'r asffalt a addaswyd gan graphene. Yn benodol, cynyddodd yr ardal frig yn sylweddol, a chynyddodd maint a maint y "strwythurau gwenyn" hefyd. Fodd bynnag, roedd y delweddau AFM o'r asffalt a addaswyd gan graphene cyn ac ar ôl heneiddio yn debyg. Cynyddodd nifer y "strwythurau gwenyn" yn y sylfaen a asffalt a addaswyd gan graphene ar ôlpwysau-heneiddioprofion llong (PAV). Digwyddodd hyn oherwydd cynyddodd y gludedd asffalt a chynyddodd nifer y moleciwlau hydrocarbon aromatig mawr ar ôl heneiddio [31].

Ffigur 4. (a) Delweddau AFM 3D o asffalt sylfaen; ( b ) asffalt sylfaen ar ôl heneiddio RTFOT; ( c ) asffalt sylfaen ar ôl heneiddio PAV; ( ch ) asffalt a addaswyd gan graphene; ( d ) asffalt a addaswyd gan graphene ar ôl heneiddio RTFOT; (dd) asffalt wedi'i addasu gan graphene ar ôl heneiddio PAV

Gellir echdynnu data dadansoddi meintiol gan gynnwys garwedd, nifer y brigau a ddarganfuwyd, a dyfnder brig isaf ac uchaf o Ffigur 4 trwy "Meddalwedd AFM - Dadansoddiad Nanosgop" a'r rhestr yn Nhabl 1.

Tabl 1. Paramedrau data sylfaenol wedi'u tynnu o dopograffeg 3D AFM.

Yn gyntaf, gellir dadansoddi'r amrywiad ym morffoleg yr wyneb yn feintiol yn ôl y gwahaniaeth rhwng cyflyrau cyfnod microsgopig asffalt yn seiliedig ar y mynegai garwedd (garwedd gwraidd-cymedr-sgwâr (R,), garwedd cyfartalog, a garwedd uchder uchaf) [32) . Yn yr astudiaeth hon archwiliwyd y berthynas rhwng y cyflyrau cyfnod microsgopig ac Rq. R, wedi'i gyfrifo fel a ganlyn:

lle A yw'r ardal sganio, a fesurodd 10 um x 10 um yn yr astudiaeth hon; h (x, y) yw swyddogaeth uchder y morffoleg (nm); ac h yw'r uchder cyfeirio (nm). Cafwyd R, o bob sampl a restrir yn Nhabl 1 gan ddefnyddio "Ansoddiad Nanosgop Meddalwedd AFM" ac fe'i cyflwynwyd hefyd ar ffurf graffiau, fel y dangosir yn Ffigur 5.

Fel y dangosir yn Ffigur 5, roedd R, yr asffalt a addaswyd gan graphene yn llai nag asffalt, sy'n dangos bod ychwanegu graphene yn lleihau garwedd yr wyneb asffalt. Mae'r garwedd arwyneb yn gysylltiedig â gallu hunan-iachau a pherfformiad adlyniad asffalt (33]. Yn fyr, po uchaf yw'r garwedd y rhwymwr asffalt, y gorau yw gallu hunan-iachau a pherfformiad adlyniad yr asffalt. Cynyddodd y garwedd ar ôl byr. -tymor heneiddio, boed yn y sylfaen asffalt neu graphene-addasu asffalt (34,35).Fodd bynnag, gostyngodd y garwedd ar ôl heneiddio tymor hir Mae effeithiau gwahanol graphene ar y morffoleg AFM a garwedd asffalt ar ôl byr-a hir- priodolwyd heneiddio tymor yn bennaf i'r gostyngiad yn y cydrannau ysgafn (hydrocarbon dirlawn a hydrocarbon aromatig) ac, yn gyfatebol, y cynnydd mewn cynnwys asphalten a resin (36]. Yn yr achos hwn, roedd mwy o asffaltenau ynghlwm wrth y sglodion cwyr wrth ffurfio y "strwythur gwenyn," gan arwain at gynnydd yn y "cyfaint strwythur gwenyn a garwedd AFM y sylfaen a'r asffalt a addaswyd gan graphene ar ôl heneiddio tymor byr.

Gwelwyd bod yr R, o'r ddau fath o asffalt, wedi cynyddu ar ôl heneiddio RIFOT ond wedi gostwng ar ôl heneiddio PAV. Gall hyn fod oherwydd bod gradd heneiddio RIFOT yn is, roedd nifer llai o gydrannau ysgafn wedi'u hanweddoli, a bod y cydrannau trwm yn cael eu hamlygu, a thrwy hynny achosi cynnydd yn y garwedd arwyneb. Yn y cyfamser, roedd gradd heneiddio PAV yn uwch, a thrwy hynny arwain at anweddu nifer fwy o elfennau ysgafn; o ganlyniad, trawsnewidiodd yr asffalt o strwythur amlgyfnod i strwythur un cam. Roedd symleiddio'r cyflwr cam yn lleihau'r garwedd arwyneb Er bod y R, o'r ddau fath o asffalt, wedi cynyddu ar ôl heneiddio RIFOT, roedd y cynyddran yn yr asffalt a addaswyd gan graphene yn llai na'r asffalt sylfaen. Ar ôl PAV heneiddio.the R, o'r ddau fath o asphalts gostwng, ond mae'r gostyngiad yn y asffalt graphene-addasu yn llai na hynny o'r asffalt sylfaen. Felly, gellir casglu o R, bod ychwanegiad graphene wedi gwella gallu gwrth-heneiddio'r asffalt sylfaen.

Yn ail, gellir dadansoddi'r amrywiad ym morffoleg yr arwyneb yn feintiol yn ôl nifer y brigau a ddarganfuwyd a dyfnder brig. Mae grŵp o gopaon yn cysylltu i ffurfio strwythur gwenyn. Mae nifer y strwythurau gwenyn wedi cael ei drafod yn flaenorol ac yma ni soniwyd am nifer y brigau a ddarganfuwyd. Mae histogram amlder o ddosbarthiadau dyfnder brig yn cael ei adeiladu, fel y'i cyflwynir yn Ffigur 6. Fel y dangosir, roedd histogram dosbarthiad dyfnder brig yr asffalt a addaswyd gan graphene o dan amodau heneiddio gwahanol yn arddangos llinell frig llai na llinell yr asffalt sylfaen, sy'n nodi bod y nifer o gopaon gyda mwy o ddyfnder yn yr asffalt a addaswyd gan graphene yn llai ac roedd y dosbarthiad yn meddiannu cyfran lai o'r ardal. Roedd uchder brig yr asffalt sylfaen unoed, tymor byr, a thymor hir-oed wedi'u crynhoi yng nghyffiniau 70, 83, a 62 nm, yn y drefn honno. Roedd uchder brig yr asffalt di-oed, oedran tymor byr, ac asffalt hirdymor wedi'i addasu gan graphene wedi'u crynhoi yng nghyffiniau 47, 60, a 57 yn y drefn honno. Gallai ychwanegu graphene fod wedi effeithio ar groniad cydrannau strwythurol yn y "strwythurau gwenyn," a thrwy hynny leihau'r uchder brig. Gostyngodd uchder y strwythur gwenyn ôl-oed "o ganlyniad i'r newid yn y cydrannau asffalt a achosir gan heneiddio asffalt, y gostyngiad mewn cydrannau nad ydynt yn begynol (dirlawn ac aromatig), a'r cynnydd mewn nodweddion pegynol (colloids ac asphaltenes).

Gofynnwch am fwy:

E-bost:wallence.suen@wecistanche.com whatsapp: ynghyd â 86 15292862950