Ефект от режима на топлинно кислородно стареене върху реологичните свойства и съвместимостта на лигнин-модифициран асфалтов биндер чрез динамичен срязващ реометър, част 1
Jun 21, 2023
Резюме: Лигнинът е изобилен в природата. Използването на лигнин в производството на асфалтови настилки може да подобри работата на настилката, като същевременно ефективно оптимизира разходите за изграждане на настилката. Целта на тази статия е да се проучи ефектът на лигнина върху свойствата против стареене на асфалта. Търговският лигнин беше избран за приготвяне на модифицирано с лигнин асфалтово свързващо вещество. Свойствата на модифицирания с лигнин асфалт са изследвани чрез реологични експерименти. Високотемпературните реологични свойства на два вида основен асфалт и модифицирани асфалтови проби с различно съдържание на лигнин при три условия на стареене в оригинална тънкослойна пещ (RTFO) и съд за стареене под налягане (PAV) бяха тествани и анализирани с температурно сканиране , честотно сканиране и многократни тестове за възстановяване при пълзене под напрежение (MSCR). Чрез сравняване на законите за вариация на индикатори за оценка, като комплексен модул на срязване G*, фазов ъгъл δ, индекс на стареене, кумулативно напрежение и вискозен компонент Gv, ние открихме, че лигнинът може ефективно да подобри стабилността при висока температура на основния асфалт, но това навреди на проблемите със съвместимостта на основния асфалт. Междувременно лигнинът играе ролята на пълнеж в основния асфалт и увеличаването на вискозитета е основната причина за подобряване на стабилността при висока температура на основния асфалт. Резултатите от изследването показват, че лигнинът може ефективно да подобри ефективността на асфалта срещу стареене и да играе положителна роля за удължаване на експлоатационния живот на настилката.
Гликозидът на цистанхе може също така да повиши активността на SOD в сърдечните и чернодробните тъкани и значително да намали съдържанието на липофусцин и MDA във всяка тъкан, като ефективно улавя различни реактивни кислородни радикали (OH-, H₂O₂ и др.) и предпазва от увреждане на ДНК, причинено от ОН-радикали. Cistanche phenylethanoid гликозидите имат силна способност за изчистване на свободните радикали, по-висока редуцираща способност от витамин С, подобряват активността на SOD в сперматозоидната суспензия, намаляват съдържанието на MDA и имат известен защитен ефект върху функцията на мембраната на спермата. Полизахаридите Cistanche могат да повишат активността на SOD и GSH-Px в еритроцитите и белодробните тъкани на експериментално стареещи мишки, причинени от D-галактоза, както и да намалят съдържанието на MDA и колаген в белите дробове и плазмата и да увеличат съдържанието на еластин, имат добър очистващ ефект върху DPPH, удължава времето на хипоксия при стареещи мишки, подобрява активността на SOD в серума и забавя физиологичната дегенерация на белия дроб при експериментално стареещи мишки. С клетъчна морфологична дегенерация експериментите показват, че Cistanche има добра антиоксидантна способност и има потенциала да бъде лекарство за предотвратяване и лечение на заболявания, свързани със стареенето на кожата. В същото време ехинакозидът в Cistanche има значителна способност да улавя свободните радикали DPPH и може да улавя реактивни кислородни видове, да предотвратява индуцираното от свободните радикали разграждане на колагена и също така има добър възстановителен ефект върху увреждането на аниона от свободните радикали на тимина.
Кликнете върху Cistanches Herba
【За повече информация: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】
1. Въведение
Като вискоеластичен материал, асфалтът представлява голяма част от висококачествените пътни настилки в много страни благодарение на превъзходните си характеристики и комфорт при шофиране. Асфалтът обаче има очевидни недостатъци, като чувствителност към висока температура и лесно омекотяване при високи температури. Лесно става крехък при ниски температури и може да не отговаря на изискванията за висококачествени магистрали. Недостатъчната устойчивост на висока температура, причинена от стареенето, също е проблем за пътната индустрия. Адхезията между асфалт и камък и феноменът на стареене на асфалта под действието на топлина и кислород влияе върху качеството и издръжливостта на асфалта по пътищата [1–5]. В процеса на високотемпературно производство, съхранение, транспортиране и обработка, асфалтът влиза лесно в контакт с кислорода във въздуха, което води до краткотрайно стареене. Най-важният тип стареене е термоокислителното стареене. Термоокислителното стареене може да доведе до промени в химическия състав и молекулярната структура на асфалта, а температурните сензори също могат да се променят; освен това различните модифицирани асфалти имат различен ефект на стареене. Продължителното излагане на повишени температури също води до повишаване на вискозитета на асфалтовото свързващо вещество и промени в неговите вискоеластични характеристики [6]. Понастоящем стирен-бутадиен-стирен блок съполимер (SBS)-модифициран асфалт се използва широко в Китай и други страни. SBS може значително да подобри ефективността при висока температура и ефективността против стареене на асфалта и асфалтовите смеси [7–9], но SBS-модифицираният асфалт е скъп [10].
Лигнинът, второто най-разпространено възобновяемо естествено полимерно съединение в природата след целулозата, е ароматен полимер, съдържащ оксифенилпропанол или негови производни структурни единици в своята молекулярна структура [11]. Лигнинът може не само да се използва в материали от фенолна смола [12–14], материали от епоксидна смола [15–17] и полиуретанови материали [18–20] вместо сурови петролни химически материали, но също така може да се смесва с полимерни материали за повишават механичните свойства [21], термичната стабилност [22], анти-стареенето (окисление) [23] и забавянето на горенето [24] на полимерните материали. През последните години той се използва широко в пластмаси [25], лепила [26] и други области. Wu и др. [27] анализират модифицирания с лигнин асфалт с инфрачервена спектроскопия (FTIR) и диференциална сканираща калориметрия (DSR) и посочват, че добавянето на лигнин може значително да забави процеса на стареене на асфалта и да увеличи термичното разграждане на модифицирания с лигнин асфалт след стареене. Междувременно стабилността и устойчивостта на пукнатини при ниски температури са подобрени в процеса на стареене. Гао и др. [28] изследват високотемпературното реологично поведение и свойствата на умора на модифицирани с лигнин асфалтови свързващи вещества. Резултатите показват, че добавянето на лигнин подобрява вискозитета и устойчивостта на деформация на асфалта при високи температури при различни скорости на въртене. Батиста и др. [29] свойствата при висока температура, ниска температура и стареене на модифицирано с лигнин асфалтово свързващо вещество. Резултатите показват, че лигнинът е благоприятен за подобряване на устойчивостта на коловози при висока температура и устойчивостта на пукнатини при ниска температура на асфалтовото свързващо вещество. Xu и др. [30] изследва реологичните свойства и свойствата против стареене на модифицирано с лигнин асфалтово свързващо вещество. Резултатите показват, че добавянето на лигнин спомага за инхибиране на образуването на карбонилни функционални групи в асфалтовото свързващо вещество след процесите на стареене RTFO и PAV. Това показва, че лигнинът може да се използва като антиоксидантен модификатор. Въпреки това, добавянето на лигнин вреди на устойчивостта на умора на асфалтовото свързващо вещество.
В заключение, лигнинът може ефективно да подобри стабилността при висока температура и ефективността против стареене на асфалта. Въпреки това, високотемпературните реологични свойства на модифицирания с лигнин асфалт при различни ефекти на стареене трябва да бъдат допълнително проучени.
В тази статия високотемпературните реологични свойства на два вида основен асфалт и модифицирани асфалтови проби с различно съдържание на лигнин при трите състояния на първоначално, краткосрочно стареене и дългосрочно стареене бяха анализирани чрез реометър с динамично срязване (DSR) температурно сканиране, честотно сканиране и повторен тест за пълзене. Комплексен модул на срязване G*, фазов ъгъл δ, индекс на анти-стареене, кумулативно напрежение, вискозен компонент Gv и други показатели бяха използвани за изследване на ефективността на стареене на модифициран с лигнин асфалт.
Подробният план, изготвен в този документ, е показан на фигура 1.
2. Материали и методи
2.1. Сурови материали
2.1.1. Лигнин
Търговският лигнин, използван тук, е произведен от Jinan Yanghai Chemical Co., Ltd. (Jinan, Китай). Лигнин, който е преминал през 200-мрежесто сито, е използван за тестване и неговите основни технически показатели, молекулно тегло и параметри на пиролиза са показани в таблица 1. Сред тях индикаторът за лигнин е предоставен от производителя. Молекулното тегло на лигнина се определя чрез гел хроматография на Agilent pl-gpc50 и тестът за пиролиза се провежда с Mettler Toledo TGA/sdta851 синхронен термогравиметричен анализатор.
2.1.2. Асфалтова основа
В тази статия асфалтът Maoming 70# и асфалтът Donghai 90# са използвани за свързани експерименти. Резултатите от изпитването на различни свойства са показани в таблица 2.
2.2. Приготвяне на лигнин-модифициран асфалт
Високоскоростната машина за дисперсионно емулгиране на срязване (BME 100L), произведена от Shanghai Weiyu Co., Ltd. (Шанхай, Китай), беше използвана за приготвяне на модифициран с лигнин асфалт. Основният асфалт се нагрява до 150 ◦C и се държи известно време и след преминаване през 200-мрежесто сито, лигнинът се добавя равномерно и бавно към основния асфалт на партиди по време на нискоскоростния процес на срязване за предварителен дисперсия. След това скоростта на високоскоростната машина за срязване постепенно се увеличава от ниска скорост до 5000 r/min и след това се срязва в продължение на 1 час. След срязване, контейнерът за проба, съдържащ сместа от лигнин и матричен асфалт, се поставя в пещ с постоянна температура при 120 ◦C за 1 час и приготвянето на лигнин-модифициран асфалт е завършено. В този експеримент бяха приготвени пет вида лигнин-модифицирани асфалти с различно съдържание на лигнин (3, 6, 9, 12 и 15 процента). Асфалтите Maoming бяха маркирани като MM-3, MM-6, MM-9, MM-12, MM-15; Асфалтите Donghai Maoming бяха маркирани като DH-3, DH-6, DH-9, DH-12, DH-15; докато основният асфалт е маркиран като MM-0 и DH-0. Той беше разработен при 120 ◦C за 1 час и сравнен с основния асфалт, за да се проучи влиянието на неговите високотемпературни реологични свойства и свойства на стареене.
2.3. Приготвяне на отлежали проби
Съгласно JTGE {{0}} „Правила за изпитване на асфалт за магистрали и асфалтова смес“, тестът за пещ с въртящ се филм (T 0610-2011) и тестът за ускорено стареене на асфалт с контейнер за стареене под налягане (T {{2} }) бяха проведени. Първо, 35 ± 0.5 g смоли се изсипват в стъклени бутилки, температурата на RTFOT се поддържа при 163 ◦C и времето е 85 минути. RTFO-старите проби бяха подготвени за последващо тестване. Плочата за проба с 50 ± 0, 5 g лигнин-модифициран асфалт се поставя в PAV кутия за дългосрочно стареене, температурата се настройва на 100 ◦ C, налягането на задържане е 2, 1 MPa и времето на стареене е 20 часа.
2.4. Индекс за дизайн и оценка на теста
2.4.1. Температурно сканиране и тест за честотно сканиране
Тестовете за измерване на температурата и честотата на асфалта бяха проведени с помощта на DHR{{0}} динамичен реометър на срязване. Тестът за измерване на температурата беше приет чрез метода за контрол на напрежението с 12 процента от целевата стойност на напрежението и 10 rad/s от честотата на натоварване, а температурният диапазон на изпитването беше 30~100 ◦C с 2 ◦C между интервалите на вземане на проби. Тестът за честотно сканиране беше използван за изследване на вискоеластични свойства на модифицирания асфалт. Температурата на честотното сканиране беше 30 и 60 ◦C, честотният диапазон беше 0,1 ~ 100 rad/s, а амплитудата на деформация беше 0,5 процента. Сред тях оригиналният асфалт и асфалтът след стареене в ротационната пещ за филм бяха сканирани с успоредна плоча с диаметър 25 mm и разстояние 1 mm, а асфалтът след стареене под налягане беше сканиран с успоредна плоча с диаметър от 8 мм и разстояние 2 мм.
2.4.2. Оценка на индекса на стареене
Анализът на ефективността на стареене, базиран на високотемпературна реология, беше оценен с комплексния индекс на стареене на модула на срязване (G * AI) и специфичната формула за изчисление е показана във формула (1) [31]. Работният температурен диапазон беше 46~82 ◦C, а интервалът на вземане на проби беше 6 ◦C.
2.4.3. Повторете теста за пълзене
Понастоящем тестът за възстановяване при пълзене с много напрежения (MSCR) на AASHTO MP19- 10 е приет за оценка на високотемпературните характеристики на асфалта и модифицирания асфалт [32]. В тази статия многократният тест за възстановяване при пълзене е извършен чрез натоварване за 1 s, разтоварване за 9 s и са проведени 100 цикъла на процес на възстановяване при пълзене. Температурата на изпитване е 64 ◦C, а изпитвателното напрежение е 300 Pa. Вискозитетният компонент е получен с модела на Burgers. Уравнението на модела на Бъргерс беше разделено на две уравнения; едното беше уравнението на режима на стрес-релаксация за въвеждане на постоянно напрежение, а другото беше уравнението на режима на натоварване при пълзене с постоянно входно напрежение. И двете уравнения могат да бъдат изчислени чрез обратни трансформации и трансформации на Лаплас. В тази статия беше прието уравнението за режима на натоварване при пълзене и уравнението за напасване на Burgers беше формулирано като (2):
Тук ε(t) е кумулативната деформация на пълзене на асфалтовия образец; σ0 е натоварването при изпитването на асфалта; η1 и E1 представляват съответно коефициента на затихване и модула на еластичност в модела на Максуел; η2 и E2 представляват съответно коефициента на затихване и модула на еластичност в модела на Келвин; t е времето за зареждане; E1 отразява еластичната способност за възстановяване на асфалта при висока температура; η1 е коефициентът на вискозитет, отразяващ невъзстановимата деформация, който е свързан с коефициента на вискозитет на деформация на асфалта; E2 и η2 отразяват натоварването при продължително натоварване и при стайна температура, което отразява способността на асфалта да забавя еластичното възстановяване на деформацията. В това изследване η1 е вискозната част Gv на коравина при пълзене. Тестът беше приет за оценка на характеристиките при висока температура на основния асфалт и модифицирания с лигнин асфалт.
3. Резултати и резултати от дискусията
3.1. Анализ на реологичните свойства на лигнин-модифициран асфалт
Резултатите от изпитването на комплексния модул G* и фазовия ъгъл δ за оригинални и различно стареещи асфалтови проби са показани на фигура 2.
Както се вижда на фигура 2a, b, в сравнение с оригиналния асфалт, комплексният модул на модифицирания асфалт се увеличава поради добавянето на лигнин. Лигнин-модифицираният асфалт показа тенденция на намаляване на комплексния модул на срязване и увеличаване на фазовия ъгъл с повишаване на температурата, но променящата се тенденция постепенно се изравнява. Увеличаването на лигнина подобри ефективността при висока температура, но не промени температурната чувствителност, така че температурата го повлия. Тъй като асфалтът е чувствителен към температура материал, той проявява еластичност, когато температурата е ниска, и постепенно се трансформира в състояние на вискозен поток с повишаване на температурата.
След сравняване на ефектите от различните съдържания на лигнин върху реологичните параметри на основния асфалт, открихме, че за основния асфалт Maoming 70#, добавянето на твърде много лигнин води предимно до увеличаване на вискозното съпротивление (вътрешно триене). Увеличаването на вискозитета е резултат от намаления комплексен модул на срязване и увеличения фазов ъгъл. Беше показано, че точката на инфлексия на реологичните параметри се появява, когато съдържанието на лигнин е 9 процента, което показва, че има оптимално съдържание на лигнин.
Въпреки това, за асфалт Donghai 90# същата тенденция не се появи и комплексният модул на срязване и фазовият ъгъл на асфалтовото свързващо вещество линейно се увеличават и намаляват съответно с увеличаването на съдържанието на лигнин.
С увеличаването на съдържанието на лигнин, въпреки че типът колоидна структура на асфалта не се е променил, увеличаването на съотношението на състава на колоидната структура на асфалта може да е довело до промяна на неговата фазова структура [33]. В сравнение с Donghai 90#, Maoming 70# има по-висок дял на асфалтени [34]. Следователно съдържанието на асфалтен е основната причина различните реологични параметри на двата основни асфалта да се променят със съдържанието на лигнин.
Може да се види на фигура 2c,d, че комплексният модул и фазовият ъгъл на всяка асфалтова проба показват различни степени на намаляване и увеличаване след стареене на RTFO.
С увеличаването на съдържанието на лигнин комплексният модул на асфалта Maoming първо се увеличи и след това намаля, което беше същото като това преди стареенето. Фазовият ъгъл беше по-голям от този на оригиналния асфалт, с изключение на съдържанието от 15 процента. Междувременно комплексният модул и фазовият ъгъл на асфалта Donghai се увеличават и намаляват съответно с увеличаването на съдържанието на лигнин.
На Фигура 2e,f комплексният модул на асфалта Maoming след PAV стареене е противоположен на този на пробата от свързващо вещество за основата и стареенето RTFO и намалява с увеличаването на съдържанието на лигнин, а фазовият ъгъл на модифицирания с лигнин асфалт Maoming е по-голям от този от основния асфалт. Комплексният модул на модифицирания с лигнин асфалт Donghai е по-голям от този на основния асфалт, с изключение на асфалта със съдържание на лигнин от 3 и 15 процента, което е в съответствие с условията на стареене на RTFO.
3.2. Анализ на PG класификация на лигнин-модифициран асфалт
Коефициентът на коловоз G*/sinδ беше използван за оценка на устойчивостта на коловоз на асфалтовото свързващо вещество при високи температури. Колкото по-голям е коефициентът на коловоз G*/sinδ, толкова по-добра е устойчивостта на висока температура и толкова по-силна е устойчивостта на трайна деформация на асфалтовото свързващо вещество. Фигура 3 показва резултатите за коефициента на коловоз G*/sinδ на всяка асфалтова проба преди и след стареене при 58~82 ◦C.
Както се вижда на Фигура 3, с увеличаването на съдържанието на лигнин, стойността на коефициента на коловоз G*/sinδ на двата вида асфалти преди и след стареене се увеличи значително и лигнин-модифицираната асфалтова проба с 15 процента съдържание на лигнин за асфалт Maoming показа най-доброто представяне срещу коловози след стареене, но класът PG при висока температура не се е променил. Асфалтът Donghai показа най-силната устойчивост на коловози при висока температура, когато съдържанието на лигнин беше 15 процента преди и след стареене, а степента на висока температура на PG се увеличи с едно ниво при това съдържание.
3.3. Комплексен модул на срязване на стареене на лигнин-модифициран асфалт
За по-нататъшно изясняване на степента на стареене беше изчислен индексът на стареене на комплексния модул на срязване G*AI в различни температурни диапазони на изпитване. Стойностите на G*AI на различни свързващи вещества при условията на стареене RTFO и PAV са показани на фигура 4.
Може да се види на Фигура 4a,b, че G*AI на асфалт Maoming при RTFO стареене първо се е нагънал и след това се е увеличил с увеличаването на съдържанието на лигнин до стойности, малко по-ниски от тези на основния асфалт. G*AI на модифицираното с лигнин асфалтово свързващо вещество с 9 процента съдържание на лигнин е най-ниското. Индексът на стареене RTFO G*AI на асфалтовото свързващо вещество Donghai нямаше очевидна закономерност с увеличаването на съдържанието на лигнин, което може да е промяна в състава на асфалта поради стареене. Може да се види на фигура 4c, d, че индексът G * AI при PAV стареене се променя в параболична форма с повишаването на температурата. Индексът G*AI на асфалт Maoming с 9 процента съдържание на лигнин при условия на стареене PAV е най-нисък, което е в съответствие с условията на стареене RTFO, което показва, че добавянето на лигнин може ефективно да подобри устойчивостта на асфалта Maoming при условия на стареене PAV . Въпреки това индексът G*AI на асфалт Donghai с 12 процента съдържание на лигнин е най-нисък, което е същото като индекса при условията на стареене RTFO. Това обаче не означава, че няма устойчивост на стареене. Причината може да е, че този метод не може да бъде добре характеризиран и освен това показва, че неговата приложимост към асфалт с висок клас не е значителна. За да обобщим, асфалтът Maoming със съдържание на лигнин от 9 процента има най-добър ефект против стареене, а асфалтът Donghai със съдържание на лигнин 12 процента има най-добър ефект против стареене.
【За повече информация: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】
