Áhrif grafens á breyttar malbikssmábyggingar byggðar á atómaflssmásjárskoðun

Ágrip:Atómkraftssmásjá (AFM) var notuð til að kanna áhrif grafenbreytinga á smábyggingu malbiks. Fyrir og eftir öldrun grunnmalbiks og breytt malbik voru framkvæmd og borin saman við greiningu. Fjallað var um myndunarkerfi malbikaðra "býflugnamannvirkja" og áhrifakerfi grafens á malbik út frá klassískri kenningu efnisfræðinnar (fasabreytingakenning og dreifingarkenning). Niðurstöðurnar sýna að grafen auðveldar kjarnamyndun "býflugnamannvirkja", sem leiðir til aukins fjölda og minnkandi rúmmáls "býflugnamannvirkja" í breyttu malbiki. Að auki erframmistöðu gegn öldrunaf breyttu malbiki batnaði verulega vegna innlimunar grafens.

Leitarorð:AFM; grafen; mannvirki býflugna; fasabreytingakenning;frammistöðu gegn öldrun 

Kínverskar jurtir fyrir bætiefni gegn öldrun

1. Inngangur

Malbik er flókin blanda af ýmsum kolvetnum og málmlausum (súrefni, brennisteini og köfnunarefni) afleiðum þeirra. Íhlutir malbiks eru alkanar, sýklóalkanar, arenar og afleiður sem innihalda brennistein, fjölhringa arómatísk vetniskolefni, samruna fjölhringa arenar og málmlausar afleiður. Að auki eru snefilefni (vanadín, nikkel, magnesíum, járn og kalsíum) til staðar í malbiki [1,2]. Þrátt fyrir að íhlutir og smábygging malbiks skipti sköpum og hafi áhrif á frammistöðu slitlags þess, eru smásjárrannsóknir á malbiki af skornum skammti vegna flókinnar efnasamsetningar þess og ónógra rannsóknargagna. Á undanförnum árum hefur sambandið milli jarðbiksíhluta, örbyggingar og frammistöðu slitlags vakið vaxandi athygli. Sérstaklega eru vísindamenn að einbeita sér að atómaflssmásjárskoðun (AFM), sem er notuð til að rannsaka smásæja uppbyggingu og gangverk malbiks.

Árið 1996, Loeber o.fl. horfði fyrst á smábyggingu malbiks í gegnum AFM og nefndi smásjá landslag malbiks sem „býflugnabyggingu“. Með því að greina myndunarferlið kom í ljós að „býflugnabyggingin“ var vegna malbiks [3]. Pauli o.fl. sýnt fram á að örbyggingarnar eru fyrst og fremst vegna víxlverkunar milli kristallaðra paraffínvaxanna og þeirra sem eftir eru af malbikshlutum sem ekki eru vax [4]. Á sama hátt, Jäger A. o.fl. greint frá því að "býflugnabyggingin" væri vegna malbiks [5]. De Moraes o.fl. vangaveltur um að eiginleiki "býflugnabyggingarinnar" sé svipaður og örkristallaðs vaxs [6]. Masson o.fl. rannsakað smásæjar landslag 13 tegunda malbiks og komst að því að myndun "býflugnamannvirkja" var rakin til innihalds vanadíns og nikkels í malbiki [7].

Á sama tíma var greint frá því að viðbót við Trinidad Lake malbik og SBS breytiefni hafi veruleg áhrif á kornastærð og dreifingu "býflugnamannvirkja" [8,9]. Sumir vísindamenn greindu frá því að "býflugnabyggingin" væri vegna hrukkunar á þunnum filmum sem voru um það bil 10 nm þykkar [2,10]. Ji o.fl. notaði AFM til að magnmeta örbyggingu malbiks með grófleikakenningu [11]. Hung rannsakaði þróun örbyggingar malbiks eftir útsetningu fyrir vatni [12]. Þrátt fyrir að árangur, eins og sést í gegnum AFM, hafi náðst í smásæri beitingu malbiks, eru myndunarskilyrði, vélbúnaður, þróunarlögmál og áhrifaþættir malbikaðra „býflugnamannvirkja“ enn ófullnægjandi. Þess vegna reynum við að kanna áhrif aukefna á örbyggingu malbiks og gerum ráð fyrir að ná einhverju markverðu.

„Lítil stærðaráhrif“ nanóefni hafa náttúrulega markaáhrif og mikið tiltekið yfirborð, sem getur beint eða óbeint leitt til sérstakra yfirborðsáhrifa. Á undanförnum árum hafa nanóefni sem notuð eru sem malbiksbreytingar í auknum mæli verið rannsökuð til að bæta vélræna og eðlisfræðilega eiginleika jarðbiki. Sum nanóefni eins og títantvíoxíð (TiO2) [13], sinkoxíð (ZnO) [14], grafenoxíð (GO) [15], kísildíoxíð (SiO2) [16] og montmorillonít [17] hafa verið valin. sem breytiefni til að bæta frammistöðu vega og lengja endingu malbiks. Nokkrir mjög markverðir niðurstöður hafa náðst. Til dæmis rannsökuðu Cheraghian o.fl.útfjólublá öldrunviðnám reyks kísil nanóagna breytt jarðbiki og niðurstöður sýna aðeign gegn útfjólubláum öldrunaf breyttu malbiki er bætt með aukningu á nanókísilinnihaldi [18]. Zhang o.fl. komist að því að minnkun ZnO kornastærðar getur bætt árangur malbiksbindiefnis og malbiksblöndu með því að greina áhrif ZnO kornastærðar á eðliseiginleika malbiks [19].

Í rannsókn okkar var grafen valið sem malbiksbreytingartæki. Þetta er aðallega vegna þess að grafen er nýtt hálf-tvívítt (2D) kolefnisbundið nanóefni með kolefnisatómum raðað í hunangsseimugrindur, og hefur verið rannsakað sem malbiksbreytir vegna samhæfni þess við malbik. Til dæmis, Wu o.fl. uppgötvaði að innlimun í litlu magni af grafenoxíði (GO) bættiöldrunareiginleikiaf malbiki [20–22]. Shi o.fl. rannsakað eiginleika og breytingakerfi GO-breytts malbiks. Þeir uppgötvuðu að snefilmagn af GO takmarkaði hreyfingu malbikssameinda og bætti háhitavirkni þeirra [23-25]. Moreno– Navarro o.fl. uppgötvaði að tilvist grafens leiddi til marktækari teygjanlegra viðbragða og minnkaði hitanæmi malbiksbindiefnisins [26].

Þess vegna, í þessari rannsókn, voru staðlýsingar grunn A-70 malbiks og grafenbreytts malbiks rannsökuð með AFM. Yfirgripsmeiri greining og umfjöllun myndi skýra myndunarástæður og áhrif grafens á malbikað „býflugnamannvirki“. Grunnefnisreglur, fasabreytingarkenningar og dreifingarkenningar voru kynntar til að túlka gangverk grafens á smásæjum „býflugnabyggingum“ malbiksins.

2. Tilraunaverkefni

Í þessari rannsókn var A-70 malbik frá Shandong Hi-speed Construction Materials, Jinan, Kína, notað sem grunnmalbik. Grafen-breytt malbik var heimagert og skammturinn af grafeni var 1 prósent að þyngd, sem áður hefur verið sannað að sé ákjósanlegur grafeninnihald [27]. 2.1. Undirbúningur AFM eintaka Stutt- oglangtíma öldrunaf malbiki var hermt með því að nota snúningsfilmuofnhitunarbúnað (James Cox & Sons CS325B, Colfax, CA, Bandaríkjunum) ogþrýstiöldrunartæki(Prentex PR9300, Sunnyvale, TX, Bandaríkjunum), í sömu röð. Óaldrað, skammtímaaldrað og langtímaaldrað malbik var útbúið sérstaklega. AFM sýni voru útbúin með hitunarmótunaraðferðinni sem hér segir: Fyrst var bráðnu malbiki sett á glerrennibraut (10 mm × 10 mm × 1 mm) með glerstöng. Í kjölfarið var dropinn settur í ofn og hallað 30◦ fyrir ofan láréttan. Það var hitað við 150 ◦C í 15 mínútur og þunnt lag af malbiki húðaði yfirborð rennibrautarinnar með þyngdarafl. Að lokum var glerrennan sem var húðuð með malbiki kæld niður í stofuhita í loftinu. Malbiksfilman sem unnin var með þessari aðferð mældist nokkrar míkron að þykkt, sem er svipað og raunveruleg þykkt malbiksfilma á vegum [28].

2.2. Atomic Force smásjá próf

AFM (Bruker Multimode 8, Santa Barbara, CA, Bandaríkjunum) var framkvæmt til að einkenna örbyggingu grunnsins og grafenbreytts malbiks fyrir og eftir öldrun. Skýringarmynd af AFM framkvæmdinni er sýnd á mynd 1. Kjarnahlutarnir fjórir sem notaðir voru í AFM voru rannsakandi þjórfé, cantilever, leysir og stöðunæm ljósdíóða (PSPD). Við skönnun mun hæðarbreytileiki öryfirborðs sýnisins framkalla örlítinn kraft, þ.e. aðdráttarafl eða fráhrindandi kraft á milli rannsakaoddar og sýnisyfirborðs. Í þessu tilviki víkur framburðurinn út frá "lögmáli Hooke" sem leiðir til breytinga á endurkastsmerki leysisins sem er upplýst aftan á framhliðinni. Breytingin á endurkastsmerkjum leysisins er hægt að skynja með PSPD og hægt er að fá yfirborðsmynd sýnisins eftir meðferð [29]. Landslags- og fasaskilamyndirnar voru mótteknar í hléum snertiham, þar sem teygjufasti rannsakandans var 0,4 N/m, skönnunarhraði var 1,5 Hz, skönnunarsvæðið var 10 µm × 10 µm , og upplausnin var 10 nm.

Mynd 1. Skýringarmynd af AFM.

3. Niðurstöður og umræður

3.1. Áhrif grafen á grundvallareiginleika malbiks

Myndir 2a,b sýna grunneiginleika grunn- og grafenbreytts (skammturinn af grafeni var 1,0 prósent að þyngd) malbiks fyrir og eftir öldrun, í sömu röð. Eins og sýnt er á mynd 2 sýna bæði grunnurinn og breytt malbik tilhneigingu til að minnka skarpskyggni sem eykur mýkingarpunkt, eykur seigju og minnkar sveigjanleika eftir skammtíma öldrun í þunnfilmuofni (RTFOT). Aukinn mýkingarpunktur og seigja benda til þess að malbikið verði hart og stökkt eftir öldrun. Á meðan, theöldrunareiginleikiEinnig væri hægt að meta malbik með því að bera saman breytingahlutfall vísitölunnar fyrir og eftir öldrun. Það má álykta að breytingatíðni hvers vísitölu grafenbreytts malbiks hafi verið lægri en grunnmalbiksins. Þetta bendir til þess að hæstvframmistöðu gegn öldrunaf grafenbreyttu malbikinu var betra en grunnmalbikið. Að auki batnaði háhitaafköst hins breytta malbiks vegna innlimunar grafens.

3.2. Áhrif grafen á „byggingu býflugna

Myndir 3a,b sýna 2D landslag grunns og grafenbreytts malbiks, mæld með AFM, í sömu röð. Þrír fasar (Catana, peri og para fasar) sáust út frá myndunum sem sýndar eru á mynd 3. "Býflugnabyggingin" var samsett af ljósum og dökkum línum sem fléttuðu saman ljósum og dökkum línum, sem tákna kúptar og íhvolfar byggingar, í sömu röð (7 30] Ennfremur sýnir mynd 3ab mörg "býflugnavirki á grafenbreyttu malbikinu innan sama rannsóknarsvæðis. Hæð ljósa, bjarta tindsins jókst verulega og dýpt dimma dalsins minnkaði, sem bendir til minnkunar á stærð " býflugnabygging í grafen-breyttu malbiki. Með öðrum orðum, í grunnmalbikinu eru "bíabyggingar" stærri en færri í magni.

Mynd 3. Landslag malbiks rannsakað með AFM. (a) tvívíddarmynd af grunnmalbiki; (b) tvívíddarmynd af grafenbreyttu malbiki; c) staðfræðisnið „býflugnamannvirkja“ sem merkt eru í a-lið; d) staðfræðisnið „býflugnamannvirkja“ merkt í b-lið.

AFM veitir staðfræðilegar upplýsingar í formi hæðarlína (eða sniða), td fjarlægðina milli hærri og neðri hluta "býflugnabyggingarinnar." Mynd 3c,d sýnir staðfræðileg snið af völdum „býflugnabyggingum“ merktum á myndum 3a,b, í sömu röð. Eins og sést var meðallengd „býflugnabyggingarinnar“ í grunnmalbikinu 3–4 µm, en hún minnkar í 2–3 µm í grafenbreyttu malbikinu. Að auki var meðalhæð „býflugnabyggingarinnar“ í grunnmalbiki um það bil 44,2 nm, en hún var lækkuð í um það bil 35,4 nm í grafenbreyttu malbikinu. Þessi lækkun sýnir að rúmmál "býflugnabyggingarinnar" í malbiki minnkaði eftir breytingu með grafeni. Með því að greina mynd 3 má velta því fyrir sér að minnkun á rúmmáli "býflugnabyggingarinnar" í grafenbreyttu malbikinu tengist fyrst og fremst þeim þáttum sem stuðla að myndun "býflugnabygginganna."

3.3. Áhrif grafen á örbyggingu við öldrun malbiks

Mynd 4 sýnir þrívíddar (3D) AFM myndir af grunni og grafenbreyttu malbiki fyrir og eftir öldrun. Eins og sést var yfirborð grafenbreytts malbiks slétt en yfirborð grunnmalbiksins var gróft. Eftir öldrun með rúllandi þunnfilmuofni (RTFOT) var breytingin á yfirborði grunnmalbiksins augljósari en á grafenbreyttu malbikinu. Nánar tiltekið jókst toppsvæðið verulega og magn og stærð „býflugnamannvirkja“ jókst líka. Hins vegar voru AFM myndirnar af grafenbreyttu malbikinu fyrir og eftir öldrun svipaðar. Fjöldi "býflugnamannvirkja" í grunni og grafenbreyttu malbiki jókst eftirþrýstingsöldrunskip (PAV) próf. Þetta gerðist vegna þess að seigja malbiks jókst og fjöldi stórra arómatískra kolvetnissameinda jókst eftir öldrun [31].

Mynd 4. (a) 3D AFM myndir af grunnmalbiki; (b) grunnmalbik eftir RTFOT-öldrun; (c) grunnmalbik eftir PAV öldrun; d) grafenbreytt malbik; (e) grafen-breytt malbik eftir RTFOT öldrun; (f) grafen-breytt malbik eftir PAV öldrun

Hægt er að draga magngreiningargögn, þar með talið grófleika, fjölda toppa sem fundust, og lágmarks- og hámarksdýpt topps, úr mynd 4 í gegnum "AFM hugbúnaður— Nanoscope Analysis" og listanum í töflu 1.

Tafla 1. Grunnbreytur gagna unnar úr 3D AFM landlýsingum.

Í fyrsta lagi er hægt að greina breytileika í formgerð yfirborðs með megindlegum hætti með mismun á smásæjum fasaástandi malbiks byggt á grófleikavísitölu (rót-meðalferningsgrófleiki (R,), meðalgrófleiki og hámarkshæðargrófleiki) [32) . Í þessari rannsókn var sambandið milli smásjárfasaástandanna og Rq könnuð. R, var reiknað sem hér segir:

þar sem A er skönnunarsvæðið, sem mældist 10 um x 10 um í þessari rannsókn; h (x, y) er hæðarfall formgerðarinnar (nm); og h er viðmiðunarhæð (nm). R, hvers sýnis sem skráð er í töflu 1 var fengið með því að nota „AFM hugbúnaður Nanoscope Analysis Roughness“ og var einnig sett fram í formi línurita, eins og sýnt er á mynd 5.

Eins og sést á mynd 5 var R, á grafenbreyttu malbikinu minni en malbiks, sem gefur til kynna að viðbót grafens minnkaði grófleika malbiksyfirborðsins. Yfirborðsgrófleiki tengist sjálfsgræðsluhæfni og viðloðunarmöguleika malbiks (33]. Í stuttu máli má segja að eftir því sem malbiksbindiefnið er meira gróft, því betra er sjálfgræðslugeta og viðloðun malbiksins. Grófleiki malbiksins jókst eftir stutta stund. -tímaöldrun, hvort sem er í grunnmalbiki eða grafenbreyttu malbiki (34,35) Hins vegar minnkaði grófleiki eftir langtímaöldrun Mismunandi áhrif grafens á AFM formgerð og grófleika malbiks eftir stutt- og lang- hugtaksöldrun var fyrst og fremst rakin til minnkunar á léttu efnisþáttunum (mettað kolvetni og arómatískt kolvetni) og, að sama skapi, aukningu á innihaldi asfaltens og plastefnis (36]. Í þessu tilviki voru fleiri asfalten fest við vaxflögurnar við myndun „býflugnabyggingin,“ sem leiðir til aukningar á „rúmmáli býflugnabyggingarinnar og AFM grófleika bæði grunns og grafenbreytts malbiks eftir skammtíma öldrun.

Í ljós kom að R, af tveimur tegundum malbiks, jókst eftir RIFOT-öldrun en minnkaði eftir PAV-öldrun. Þetta getur verið vegna þess að öldrun RIFOT var lægri minni fjöldi léttra íhluta var rokgjörn, og þungir hlutir voru útsettir, sem olli aukningu á yfirborði grófleika. Á sama tíma var öldrunarstig PAV hærra, sem leiddi til þess að meiri fjöldi léttra frumefna gufaði upp; þar af leiðandi breyttist malbikið úr fjölfasa mannvirki í einfasa mannvirki. Einföldun fasaástandsins dró úr yfirborðsgrófleika Þó að R, af tveimur tegundum malbiks, hækki eftir RIFOT-öldrun, var aukningin í grafenbreyttu malbikinu minni en í grunnmalbikinu. Eftir PAV öldrun minnkaði R, af tveimur tegundum malbiks, en minnkun á grafenbreyttu malbiki var minni en á grunnmalbiki. Þess vegna má álykta af R, að viðbót við grafen hafi aukið öldrunareiginleika grunnmalbiksins.

Í öðru lagi er hægt að greina breytileika í formgerð yfirborðs megindlega út frá fjölda toppa sem fundust og toppdýpt. Hópur tinda tengist til að mynda abee byggingu. Áður hefur verið fjallað um fjölda býflugnamannvirkja og hér hefur ekki verið talað um fjölda tinda sem fundust. Tíðnisúlurit yfir dreifingu hámarksdýptar er smíðað, eins og sýnt er á mynd 6. Eins og sýnt er sýndi súluritið fyrir hámarksdýptardreifingu á grafenbreyttu malbikinu við mismunandi öldrunarskilyrði minni topplínu en grunnmalbikið, sem gefur til kynna að fjöldinn af tindum með meiri dýpt í grafenbreyttu malbikinu var færri og dreifingin tók minna hlutfall af svæðinu. Hámarkshæð óaldraðs, skammtíma- og langtímaaldraðs grunnmalbiks var í nálægð við 70, 83 og 62 nm, í sömu röð. Hámarkshæð óaldraðs, skammtímaaldraðs og langtíma grafenbreytts malbiks var í nálægð við 47, 60 og 57 í sömu röð. Viðbót á grafeni gæti hafa haft áhrif á uppsöfnun byggingarhluta í „býflugnabyggingunum“ og þar með dregið úr topphæðinni. Hæð „býflugnabyggingarinnar eftir öldrun minnkaði vegna breytinga á malbikshlutum af völdum öldrunar malbiks, fækkunar á óskautuðum hlutum (mettuðum og arómatískum) og aukningar á skauteinkennum (kvoðu og asfaltenum).

Biðja um meira:

Netfang:wallence.suen@wecistanche.com whatsapp: plús 86 15292862950