Pengaruh Grafena Pada Struktur Mikro Aspal Yang Dimodifikasi Berdasarkan Mikroskopi Gaya Atom

Abstrak:Atomic force microscopy (AFM) digunakan untuk mengeksplorasi efek pengubah graphene pada struktur mikro aspal. Morfologi aspal dasar sebelum dan sesudah umur dan aspal modifikasi dilakukan dan dibandingkan dengan analisis. Mekanisme pembentukan "struktur lebah" aspal dan mekanisme pengaruh graphene pada aspal dibahas dari teori klasik ilmu material (teori transformasi fase dan teori difusi). Hasilnya menunjukkan bahwa graphene memfasilitasi nukleasi "struktur lebah", menghasilkan peningkatan jumlah dan penurunan volume "struktur lebah" dalam aspal yang dimodifikasi. Selain itu,kinerja anti-penuaanaspal yang dimodifikasi meningkat secara signifikan karena penggabungan graphene.

Kata kunci:AFM; graphene; struktur lebah; teori transformasi fase;kinerja anti-penuaan 

Ramuan Cina Untuk Suplemen Anti Penuaan

1. Perkenalan

Aspal adalah campuran rumit dari berbagai hidrokarbon dan turunannya bukan logam (oksigen, belerang, dan nitrogen). Komponen aspal meliputi alkana, sikloalkana, arena dan turunan yang mengandung belerang, hidrokarbon aromatik polisiklik, arena polisiklik leburan, dan turunan bukan logam. Selain itu, elemen logam (vanadium, nikel, magnesium, besi, dan kalsium) hadir dalam aspal [1,2]. Meskipun komponen dan struktur mikro aspal sangat penting dan mempengaruhi kinerja perkerasannya, studi mikroskopis yang berkaitan dengan aspal jarang terjadi karena komposisi kimianya yang kompleks dan sumber daya penelitian yang tidak mencukupi. Dalam beberapa tahun terakhir, hubungan antara komponen bitumen, struktur mikro, dan kinerja perkerasan semakin mendapat perhatian. Secara khusus, para peneliti berfokus pada mikroskop kekuatan atom (AFM), yang digunakan untuk menyelidiki struktur mikroskopis dan mekanisme aspal.

Pada tahun 1996, Loeber et al. pertama kali mengamati struktur mikro aspal melalui AFM, dan menamakan topografi mikroskopis aspal sebagai "struktur lebah". Dengan menganalisis proses pembentukannya, sebelumnya diketahui bahwa "struktur lebah" disebabkan oleh asphaltene [3]. Pauli dkk. menunjukkan bahwa struktur mikro terutama disebabkan oleh interaksi antara lilin parafin yang mengkristal dan komponen aspal non-lilin yang tersisa [4]. Demikian pula, Jäger A. et al. melaporkan bahwa "struktur lebah" disebabkan oleh asphaltene [5]. De Moraes dkk. berspekulasi bahwa sifat dari "struktur lebah" mirip dengan lilin mikrokristalin [6]. Masson et al. menyelidiki topografi mikroskopis dari 13 jenis aspal dan menemukan bahwa pembentukan "struktur lebah" dikaitkan dengan kandungan vanadium dan nikel dalam aspal [7].

Sementara itu, dilaporkan bahwa penambahan aspal Danau Trinidad dan pengubah SBS secara signifikan mempengaruhi ukuran butir dan distribusi "struktur lebah" [8,9]. Beberapa peneliti melaporkan bahwa "struktur lebah" disebabkan oleh kerutan film tipis berukuran sekitar 10 nm [2,10]. Ji dkk. menggunakan AFM untuk mengevaluasi struktur mikro aspal secara kuantitatif melalui teori kekasaran [11]. Hung menyelidiki evolusi struktur mikro aspal setelah paparan air [12]. Meskipun pencapaian, sebagaimana dibuktikan melalui AFM, telah direalisasikan dalam aplikasi mikroskopis aspal, kondisi pembentukan, mekanisme, hukum evolusi, dan faktor-faktor yang mempengaruhi "struktur lebah" aspal tetap tidak meyakinkan. Oleh karena itu, kami mencoba mengeksplorasi efek aditif pada struktur mikro aspal dan berharap dapat mencapai sesuatu yang berarti.

Bahan nano 'efek ukuran kecil' secara alami memiliki efek batas dan luas permukaan spesifik yang tinggi, yang secara langsung atau tidak langsung dapat menyebabkan efek permukaan khusus. Dalam beberapa tahun terakhir, bahan nano yang digunakan sebagai modifikasi aspal semakin banyak dipelajari untuk meningkatkan sifat mekanik dan fisik dari beberapa nanomaterial seperti titanium dioksida (TiO2) [13], seng oksida (ZnO) [14], graphene oksida (GO) [15], silikon dioksida (SiO2) [16], dan montmorillonit [17] telah dipilih sebagai pengubah untuk meningkatkan kinerja jalan dan memperpanjang daya tahan aspal.Beberapa hasil yang sangat signifikan telah dicapai.Misalnya, Cheraghian et al.mempelajaripenuaan ultravioletketahanan nanopartikel silika berasap yang dimodifikasi bitumen dan hasilnya menunjukkan bahwaproperti anti-ultraviolet penuaanaspal yang dimodifikasi ditingkatkan dengan peningkatan kandungan silika nano [18]. Zhang dkk. menemukan bahwa pengurangan ukuran partikel ZnO dapat meningkatkan kinerja pengikat aspal dan campuran aspal dengan menganalisis pengaruh ukuran partikel ZnO terhadap sifat fisik aspal [19].

Dalam penelitian kami, graphene dipilih sebagai pengubah aspal. Ini terutama karena graphene adalah bahan nano berbasis karbon kuasi-dua dimensi (2D) baru dengan atom karbon yang disusun dalam kisi sarang lebah, dan telah diselidiki sebagai pengubah aspal karena kompatibilitasnya dengan aspal. Sebagai contoh, Wu et al. menemukan bahwa menggabungkan sejumlah kecil graphene oxide (GO) meningkatkanproperti anti-penuaanaspal [20-22]. Shi dkk. menyelidiki sifat dan mekanisme modifikasi aspal yang dimodifikasi GO. Mereka menemukan bahwa jumlah jejak GO membatasi pergerakan molekul aspal dan meningkatkan kinerja suhu tinggi [23-25]. Moreno– Navarro et al. menemukan bahwa kehadiran graphene menghasilkan respon elastis yang lebih signifikan dan mengurangi sensitivitas termal pengikat aspal [26].

Oleh karena itu, dalam penelitian ini, topografi aspal dasar A-70 dan aspal yang dimodifikasi graphene diselidiki melalui AFM. Analisis dan diskusi yang lebih komprehensif akan mengklarifikasi alasan pembentukan dan efek graphene pada "struktur lebah" aspal. Aturan material dasar, teori transformasi fase, dan teori difusi diperkenalkan untuk menginterpretasikan mekanisme graphene pada "struktur lebah" mikroskopis aspal.

2. Percobaan

Dalam penelitian ini, A-70 aspal yang disediakan oleh Shandong Hi-speed Construction Materials, Jinan, China, digunakan sebagai aspal dasar. Aspal termodifikasi graphene buatan sendiri dan dosis graphene adalah 1 persen berat, yang sebelumnya telah terbukti kandungan graphene yang optimal [27]. 2.1. Persiapan Spesimen AFM Pendek danpenuaan jangka panjangaspal disimulasikan menggunakan alat pemanas oven film berputar (James Cox & Sons CS325B, Colfax, CA, USA) danperalatan penuaan tekanan(Prentex PR9300, Sunnyvale, TX, AS), masing-masing. Aspal yang tidak berumur, berumur pendek, dan berumur panjang disiapkan secara terpisah. Spesimen AFM disiapkan melalui metode cetakan pemanasan sebagai berikut: Pertama, aspal cair diendapkan ke slide kaca (10 mm × 10 mm × 1 mm) menggunakan batang kaca. Selanjutnya, tetesan ditempatkan dalam oven dan dimiringkan 30◦ di atas garis horizontal. Itu dipanaskan pada 150 ◦C selama 15 menit, dan lapisan tipis aspal melapisi permukaan slide dengan gravitasi. Akhirnya, slide kaca yang dilapisi aspal didinginkan hingga suhu kamar di udara. Lapisan aspal yang disiapkan melalui metode ini memiliki ketebalan beberapa mikron, yang mirip dengan ketebalan sebenarnya dari lapisan aspal di jalan [28].

2.2. Tes Mikroskop Gaya Atom

AFM (Bruker Multimode 8, Santa Barbara, CA, USA) dilakukan untuk mengkarakterisasi struktur mikro aspal dasar dan aspal yang dimodifikasi graphene sebelum dan sesudah penuaan. Diagram skematis dari AFM yang dilakukan ditunjukkan pada Gambar 1. Empat komponen inti yang digunakan dalam AFM adalah ujung probe, kantilever, laser, dan fotodioda peka posisi (PSPD). Selama pemindaian, variasi ketinggian permukaan mikro sampel akan menghasilkan sedikit gaya, yaitu gaya tarik-menarik atau gaya tolak antara ujung probe dan permukaan sampel. Dalam hal ini, kantilever menyimpang berdasarkan "Hukum Hooke", menghasilkan perubahan sinyal pantulan dari laser yang disinari di bagian belakang kantilever. Perubahan sinyal pantulan laser dapat dirasakan oleh PSPD, dan topografi permukaan sampel dapat diperoleh setelah perawatan [29]. Gambar topografi dan kontras fase diterima dalam mode kontak intermiten, di mana konstanta elastis probe adalah 0.4 N/m, laju pemindaian 1,5 Hz, area pemindaian 10 µm × 10 µm , dan resolusinya adalah 10 nm.

Gambar 1. Diagram skematik AFM.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1. Pengaruh Graphene pada Sifat Dasar Aspal

Gambar 2a,b menunjukkan sifat dasar dari basis dan modifikasi graphene (dosis graphene adalah 1,0 persen berat) aspal sebelum dan sesudah penuaan. Seperti terlihat pada Gambar 2, baik aspal dasar maupun aspal modifikasi menunjukkan kecenderungan penurunan penetrasi, peningkatan titik lembek, peningkatan viskositas, dan penurunan daktilitas setelah penuaan uji rolling film tipis (RTFOT) jangka pendek. Meningkatnya titik lembek dan viskositas menunjukkan bahwa aspal menjadi keras dan getas setelah mengalami penuaan. Sementara itu,properti anti-penuaanaspal juga dapat dievaluasi dengan membandingkan tingkat perubahan indeks sebelum dan sesudah penuaan. Dapat disimpulkan bahwa laju perubahan setiap indeks aspal termodifikasi graphene lebih rendah dibandingkan dengan aspal dasar. Hal ini menunjukkan bahwakinerja anti-penuaanaspal yang dimodifikasi graphene lebih unggul dari aspal dasar. Selain itu, kinerja temperatur tinggi dari aspal yang dimodifikasi meningkat karena penggabungan graphene.

3.2. Pengaruh Graphene pada "Struktur Lebah

Gambar 3a, b menunjukkan topografi 2D dari dasar dan aspal yang dimodifikasi graphene yang diukur masing-masing melalui AFM. Tiga fase (fase Catana, peri, dan para) diamati dari gambar yang ditunjukkan pada Gambar 3. "Struktur lebah" terdiri dari garis terang dan gelap yang terjalin, yang masing-masing mewakili struktur cembung dan cekung (7 30] . Selanjutnya, Gambar 3ab menunjukkan banyak "struktur lebah di aspal yang dimodifikasi graphene dalam area investigasi yang sama. Ketinggian cahaya, puncak terang meningkat secara signifikan dan kedalaman lembah gelap menurun, menunjukkan penurunan ukuran " struktur lebah di aspal yang dimodifikasi graphene Dengan kata lain, di aspal dasar, "struktur lebah" lebih besar tetapi jumlahnya lebih sedikit.

Gambar 3. Topografi aspal yang diselidiki melalui AFM. (a) citra 2D aspal dasar; (B) gambar 2D aspal yang dimodifikasi graphene; (c) profil topografi dari "struktur lebah" berlabel (a); (d) profil topografi "struktur lebah" berlabel (b).

AFM memberikan informasi topografi dalam bentuk garis ketinggian (atau profil), misalnya jarak antara bagian yang lebih tinggi dan lebih rendah dari "struktur lebah". Gambar 3c, d menunjukkan profil topografi dari perwakilan "struktur lebah" yang dipilih masing-masing diberi label pada Gambar 3a, b. Seperti yang ditunjukkan, panjang rata-rata "struktur lebah" di aspal dasar adalah 3–4 µm, sedangkan panjang rata-rata "struktur lebah" berkurang menjadi 2–3 µm di aspal yang dimodifikasi graphene. Selain itu, ketinggian rata-rata "struktur lebah" di aspal dasar adalah sekitar 44,2 nm, sedangkan di aspal yang dimodifikasi graphene berkurang menjadi sekitar 35,4 nm. Pengurangan ini menunjukkan bahwa volume "struktur lebah" di aspal berkurang setelah dimodifikasi oleh graphene. Dengan menganalisis Gambar 3, dapat diperkirakan bahwa penurunan volume "struktur lebah" dalam aspal yang dimodifikasi graphene terutama terkait dengan faktor-faktor yang berkontribusi pada pembentukan "struktur lebah".

3.3. Pengaruh Graphene pada Struktur Mikro selama Penuaan Aspal

Gambar 4 menunjukkan gambar AFM tiga dimensi (3D) dari dasar dan aspal yang dimodifikasi graphene sebelum dan sesudah penuaan. Seperti yang ditunjukkan, permukaan aspal yang dimodifikasi graphene halus, sedangkan aspal dasar kasar. Setelah penuaan rolling-thin-film oven (RTFOT), variasi permukaan aspal dasar lebih jelas daripada aspal yang dimodifikasi graphene. Secara khusus, area puncak meningkat secara signifikan, dan jumlah serta ukuran "struktur lebah" juga meningkat. Namun, gambar AFM dari aspal yang dimodifikasi graphene sebelum dan sesudah penuaan serupa. Jumlah "struktur lebah" di dasar dan aspal yang dimodifikasi graphene meningkat setelahnyatekanan-penuaankapal (PAV) tes. Hal ini terjadi karena viskositas aspal meningkat dan jumlah molekul hidrokarbon aromatik yang besar meningkat setelah penuaan [31].

Gambar 4. (a) citra 3D AFM aspal dasar; (b) aspal dasar setelah penuaan RTFOT; (c) aspal dasar setelah penuaan PAV; (d) aspal yang dimodifikasi graphene; (e) aspal yang dimodifikasi graphene setelah penuaan RTFOT; ( f ) aspal yang dimodifikasi graphene setelah penuaan PAV

Data analisis kuantitatif termasuk kekasaran, jumlah puncak yang ditemukan, dan kedalaman puncak minimum dan maksimum dapat diekstraksi dari Gambar 4 melalui "perangkat lunak AFM— Analisis Nanoscope" dan daftar pada Tabel 1.

Tabel 1. Parameter data dasar yang diambil dari topografi 3D AFM.

Pertama, variasi morfologi permukaan dapat dianalisis secara kuantitatif dengan perbedaan antara keadaan fase mikroskopis aspal berdasarkan indeks kekasaran (root-mean-square roughness (R,), kekasaran rata-rata, dan kekasaran ketinggian maksimum) [32] . Dalam penelitian ini hubungan antara keadaan fase mikroskopis dan Rq diselidiki. R, dihitung sebagai berikut:

di mana A adalah area pemindaian, yang diukur 10 um x 10 um dalam penelitian ini; h (x, y) adalah fungsi ketinggian morfologi (nm); dan h adalah tinggi referensi (nm). Nilai R dari masing-masing sampel yang tertera pada Tabel 1 diperoleh dengan menggunakan “software AFM Nanoscope AnalysisRoughness” dan juga disajikan dalam bentuk grafik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, R , aspal termodifikasi graphene lebih kecil dari aspal, menunjukkan bahwa penambahan graphene mengurangi kekasaran permukaan aspal. Kekasaran permukaan berhubungan dengan kemampuan self-healing dan kinerja adhesi aspal (33).Secara singkat, semakin tinggi kekasaran pengikat aspal, semakin baik kemampuan self-healing dan kinerja adhesi aspal.Kekasaran meningkat setelah beberapa saat. -penuaan jangka, baik pada aspal dasar maupun aspal modifikasi graphene (34,35).Namun, kekasaran menurun setelah penuaan jangka panjang.Perbedaan efek graphene pada morfologi AFM dan kekasaran aspal setelah jangka pendek dan panjang- istilah penuaan terutama dikaitkan dengan penurunan komponen ringan (hidrokarbon jenuh dan hidrokarbon aromatik) dan, dengan demikian, peningkatan kandungan asphaltene dan resin (36).Dalam hal ini, lebih banyak asphaltene yang melekat pada kepingan lilin selama pembentukan "struktur lebah," menghasilkan peningkatan "volume struktur lebah dan kekasaran AFM dari aspal dasar dan aspal yang dimodifikasi graphene setelah penuaan jangka pendek.

Diamati bahwa R, dari dua jenis aspal, meningkat setelah penuaan RIFOT tetapi menurun setelah penuaan PAV. Hal ini mungkin karena tingkat penuaan RIFOT adalah jumlah komponen ringan yang lebih kecil yang menguap, dan komponen berat yang terpapar, sehingga menyebabkan peningkatan kekasaran permukaan. Sementara itu, tingkat penuaan PAV lebih tinggi, sehingga jumlah elemen ringan yang teruapkan lebih banyak; akibatnya, aspal beralih dari struktur multifase ke struktur satu fasa. Penyederhanaan keadaan fase mengurangi kekasaran permukaan Meskipun R, dari dua jenis aspal, meningkat setelah penuaan RIFOT, peningkatan aspal yang dimodifikasi graphene lebih kecil daripada aspal dasar. Setelah penuaan PAV, R dari kedua jenis aspal tersebut mengalami penurunan, namun reduksi pada aspal modifikasi graphene lebih kecil dibandingkan dengan aspal dasar. Oleh karena itu, dapat disimpulkan dari R, bahwa penambahan graphene meningkatkan kemampuan anti-aging aspal dasar.

Kedua, variasi morfologi permukaan dapat dianalisis secara kuantitatif dengan jumlah puncak yang ditemukan dan kedalaman puncak. Sekelompok puncak berasosiasi membentuk struktur lebah. Jumlah struktur lebah telah dibahas sebelumnya dan di sini jumlah puncak yang ditemukan belum dibicarakan. Sebuah histogram frekuensi distribusi kedalaman puncak dibangun, seperti yang disajikan pada Gambar 6. Seperti yang ditunjukkan, histogram distribusi kedalaman puncak dari aspal yang dimodifikasi graphene dalam kondisi penuaan yang berbeda menunjukkan garis puncak yang lebih kecil daripada aspal dasar, yang menunjukkan bahwa jumlah puncak dengan kedalaman yang lebih besar di aspal yang dimodifikasi graphene lebih sedikit dan distribusi menempati proporsi area yang lebih kecil. Ketinggian puncak aspal dasar tanpa umur, jangka pendek, dan jangka panjang terkonsentrasi di sekitar 70, 83, dan 62 nm, masing-masing. Ketinggian puncak dari aspal yang dimodifikasi graphene yang tidak berumur, berumur pendek, dan jangka panjang terkonsentrasi di sekitar 47, 60, dan 57 masing-masing. Penambahan graphene mungkin mempengaruhi akumulasi komponen struktural dalam "struktur lebah", sehingga mengurangi ketinggian puncak. Ketinggian struktur lebah setelah umur menurun karena perubahan komponen aspal yang disebabkan oleh penuaan aspal, penurunan komponen non-polar (jenuh dan aromatik), dan peningkatan fitur polar (koloid dan asphaltenes).

Tanya lebih lanjut:

Surel:wallence.suen@wecistanche.com whatsapp: plus 86 15292862950