اسفالٹ بائنڈرز میں انجینئرڈ نینو کمپوزائٹس

از راہ کرم رابطہ کریںoscar.xiao@wecistanche.comمزید معلومات کے لیے

خلاصہ:حال ہی میں، نینو ٹیکنالوجی کو سڑک کے فرش کے میدان میں مؤثر طریقے سے استعمال کیا گیا ہے۔ اسفالٹ کی آکسیڈیشن اور عمر بڑھنے کی وجہ سے سڑک کے فرش خراب ہوتے ہیں اور اسفالٹ سے متعلق اخراج میں اضافہ ہوتا ہے۔ ہم انجینئرڈ مٹی/فومڈ سلیکا نانوکومپوزائٹس کا استعمال کرتے ہوئے اسفالٹ کے بگاڑ کو روکنے کے لیے ایک اینٹی ایجنگ حکمت عملی تجویز کرتے ہیں۔ اس تحقیق میں، نینو ترمیم شدہ اسفالٹ بائنڈرز کی مورفولوجیکل، کیمیکل، تھرمل، مکینیکل اور ریولوجیکل خصوصیات کا مختلف حالات میں باریک بینی سے تجزیہ کیا گیا ہے۔ تجربے کے نتائج سے ثابت ہوا کہ یہ مرکب مؤثر طریقے سے مرکب میں کیمیائی آکسیڈیشن اور سڑنے کو روکتا ہے اور عمر بڑھنے کی شرح کو کم کرتا ہے۔ قابل ذکر بات یہ ہے کہ اسفالٹ بائنڈر ریولوجی تجربات سے پتہ چلتا ہے کہ 0۔{4}}.3 wt فیصد نینو سے تقویت یافتہ مواد کے اضافے نے مختصر اور طویل مدتی عمر بڑھنے کے بعد ان کی ریولوجیکل مزاحمت کو زیادہ سے زیادہ کر دیا۔ مزید برآں، نینو پارٹیکلز نمی کے خلاف مزاحمت کی کارکردگی کو بہتر بناتے ہیں اور اس کے نتیجے میں، کم پیداواری درجہ حرارت میں نمی کے اہم مسئلے پر قابو پاتے ہیں۔

مطلوبہ الفاظ:نینو مٹی، ترمیم شدہ بٹومین، تھرمل آکسیڈیشن ایجنگ، نینو ترمیم، نانوکومپوزائٹس

1. تعارف

بٹومین کو عام طور پر سڑک کے اسفالٹ مرکب میں گوند کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے، اس کی مناسب rheological خصوصیات [1-3] کی وجہ سے۔ تاہم، بٹومین میں ترمیم نے روڈ میٹریل ٹیکنالوجی میں ایک ابھرتا ہوا میدان تیار کیا ہے، بنیادی طور پر اسفالٹ کے مرکب کی تیاری کے لیے کم توانائی کے تصورات کے ساتھ، دوبارہ دعوی شدہ اسفالٹ ہموار کرنے کے سلسلے میں، اور کم از کم جزوی طور پر بٹومین کو تبدیل کرنے کی بڑھتی ہوئی خواہش کے ساتھ۔ پائیدار اور بائیو بیسڈ بائنڈر۔ سب سے مناسب بٹومین موڈیفائرز کی شناخت کرتے وقت ایک اہم مسئلہ ان کی عمر بڑھنے کی مزاحمت کی چھان بین کرنا ہے۔ چونکہ سڑک کے اسفالٹ مواد کو مکسچر کی پیداوار کے دوران نہ صرف گرم درجہ حرارت بلکہ سورج کی شدید شعاعوں، اور آکسیجن اور دیگر ریڈیکلز کا بھی سامنا کرنا پڑتا ہے جو اپنی پوری سروس کی زندگی کے دوران بائنڈر کی عمر بڑھنے کو فروغ دیتے ہیں [4-7]، اسفالٹ بائنڈر کی پائیداری عمر بڑھنے کی مزاحمت کے لحاظ سے ایک اہم مادی خاصیت ہے۔ بائنڈر ایجنگ میں الٹرا وایلیٹ، تھرمل لانگ ٹرم ایجنگ، اور تھرمو آکسیڈیٹیو شارٹ ٹرم ایجنگ شامل ہیں۔ اسفالٹ بائنڈر کی کارکردگی پر اثرانداز ہونے کے لیے، بٹومین میں مختلف قسم کے additives کو شامل کیا جا سکتا ہے، جیسے پولیمر، فائبر، ری سائیکل مواد، اور نینو میٹریلز [8,9]۔ یہ مطالعہ نینو میٹریلز پر مرکوز ہے۔ ان مواد میں، عام طور پر، نینو میٹریلز کیمیائی بائنڈر کی خصوصیات کو نمایاں طور پر تبدیل کرتے ہیں اور اس کے نتیجے میں مکینیکل ریولوجیکل کارکردگی کی خصوصیات۔ نینو پارٹیکلز (این پی ایس) کی وضاحت کرنے والے سب سے اہم پیرامیٹرز میں، جو نانوکومپوزائٹس کی جسمانی خصوصیات کو منفرد اور روایتی مواد سے مختلف بناتے ہیں، ان کی سطح کے رقبے کا حجم، شکل، کیمیائی ساخت، اور فیز انٹرفیس پر تعامل کو بڑھانے کی ان کی صلاحیت ہے۔ 11]۔ میٹل آکسائیڈ، انور-گینک، نانوفائبرز، اور نانوکومپوزائٹس نینو میٹریلز کی اہم کلاس ہیں جو خاص طور پر اسفالٹ بائنڈرز [12,13] میں ترمیم کرنے کے لیے اسفالٹ مکسچر میں استعمال ہوتے ہیں۔ میٹل آکسائیڈ NPs بشمول زنک آکسائیڈ (ZnO) اور ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ (TiO) کے بارے میں بتایا جاتا ہے کہ اسفالٹ مکسچر کی روٹنگ اور کریکنگ کے خلاف مزاحمت کو بڑھاتا ہے [13,14]۔cistanche تناغیر نامیاتی NPs جیسے کہ سلیکا (SiO)، کاربن نانوٹوبس (CNTs)، اور نینو-مٹی میں اسفالٹ مواد کی مضبوطی اور ان کی پائیداری کو بہتر بنانے میں بہترین صلاحیت پائی جاتی ہے [15,16]۔ بٹومین کی rheological کارکردگی - اور اس کے نتیجے میں متعلقہ اسفالٹ مرکب کی کارکردگی - SiO، اور NPs کے اضافے کے ذریعے کامیابی سے بہتر ہوئی۔ اسفالٹ مکسچر کے تھرمل اور مکینیکل استحکام کو بھی مٹی کے NPs [17,18] کو شامل کر کے بہتر بنایا گیا تھا۔ ہمارے بہترین علم کے مطابق، مٹی اور سلیکا فیملیز سب سے زیادہ استعمال شدہ غیر نامیاتی NPS ہیں جو عمر بڑھنے کے لیے بائنڈر مزاحمت کو بہتر بنانے کے لیے ہیں [{{ 7}}]۔ مٹی اور سلیکا خاندانوں کو بائنڈر عمر رسیدہ خصوصیات کو بہتر بنانے میں بہترین غیر نامیاتی NPs کے بارے میں بتایا گیا ہے۔ مختلف رپورٹس کے نتائج کی بنیاد پر، نینو سلیکا میں ترمیم شدہ اسفالٹ بائنڈرز نے چپکنے والی اور پیچیدہ ماڈیولس میں قدرے کمی کی، جبکہ قلیل مدتی عمر بڑھنے کے بعد تھکاوٹ اور روٹنگ مزاحمت کو بہتر بنایا۔ -سلیکا میں ترمیم شدہ بائنڈر تھرمل عمر بڑھنے کے خلاف زیادہ مزاحمت رکھتا ہے، جو بالآخر اسفالٹ پیومنٹس کی پائیداری میں اضافہ کرتا ہے [21,22]۔ SiO اور NPs کے فوائد ہیں جیسے نان فوٹوکیٹلیٹک، غیر نامیاتی شیلڈنگ، اور نان ٹاکسک، جو اسفالٹ کے مرکب میں استعمال کے لیے انتہائی اہمیت کے حامل ہیں [23,24]۔ تاہم، fumed SiO، اور NPs مصنوعی نینو میٹریلز کا ایک طبقہ ہے جو بڑے پیمانے پر استعمال کرنے کے لیے ماحول دوست اور اقتصادی جواز رکھتا ہے۔ فومڈ سیلیکا ایک مصنوعی بے ساختہ نینو میٹریل ہے جس میں سطح کا بڑا رقبہ اور نینو سائز کا پیمانہ ہے [25]۔ لہذا، یہ مطالعہ مٹی / فومڈ سلکا نینو پارٹیکلز (CSNPs) پر مرکوز ہے۔

مزید جاننے کے لیے براہ کرم یہاں کلک کریں۔

روایتی طریقے کے مقابلے میں، وارم مکس اسفالٹ (WMA) ٹیکنالوجی ایک موثر ماحول دوست انداز میں کام کرتی ہے۔ اس صورت میں، اسفالٹ تقریباً 30-60 ڈگری سینٹی گریڈ کے درجہ حرارت پر تیار ہوتا ہے، جو معمول سے کم ہوتا ہے۔ یہ ٹیکنالوجی نقصان دہ بخارات کے اخراج کو کم کرتی ہے اور بالترتیب 20-35 اور 35 فیصد کم گرین ہاؤس گیسوں کے اخراج اور توانائی کی کھپت کا باعث بنتی ہے [13,26]۔ تاہم، نمی کی حساسیت WMA ٹیکنالوجی کا ایک عام نقصان ہے، جس کی وجہ سے اس کی کارکردگی میں کمی واقع ہوتی ہے [27,28]۔

اس تحقیق کا مقصد روڈ اسفالٹ بائنڈرز کی عمر بڑھنے والی مزاحمت پر CSNPs کے ممکنہ اثرات کی نشاندہی کرنا ہے جو WMA ٹیکنالوجی کے ذریعہ تیار کردہ روڈ اسفالٹ مکسچر کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ تفصیل سے، CSNP میں ترمیم شدہ اسفالٹ بائنڈرز کی مورفولوجیکل، کیمیکل، تھرمل، ریولوجیکل، اور مکینیکل خصوصیات کا مختلف حالات میں باریک بینی سے تجزیہ کیا جاتا ہے۔ تھرمل عمر بڑھنے کی وجہ سے مکینیکل اور ریولوجیکل بائنڈر خصوصیات میں ممکنہ تبدیلیوں کی مزید تفہیم کی طرف نئی بصیرتیں پیش کی جاتی ہیں۔ شکل 1 اس مطالعے میں استعمال ہونے والی تجرباتی تکنیکوں کی منصوبہ بندی سے وضاحت کرتی ہے۔

2. مواد اور طریقہ

2.1 مواد

CSNPs کی ترکیب کا عمل مصنف کی سابقہ ​​تحقیق کے مطابق منتخب کیا گیا تھا (جیسا کہ شکل S1 میں دکھایا گیا ہے)[29]۔ نینو فومڈ سلکا (ایروسیل اے300، ڈیگوسا کو، جرمنی)، سوڈیم بینٹونائٹ (سگما الڈرچ لمیٹڈ، جرمنی؛ ٹیبل S1 دیکھیں)، اور بٹومین 50/70 (ٹوٹل کمپنی، فرانس) یہ تحقیق. مواد کے ذرہ سائز کا تجزیہ ڈائنامک لائٹ سکیٹرنگ (DLS) (Malvern ZEN 3600, UK) کا استعمال کرتے ہوئے کیا گیا تھا، جبکہ ایکس رے ڈفریکشن (XRD) تجزیہ ایکس رے پاؤڈر ڈفریکشن (فلپس پی ڈبلیو 1730، نیدرلینڈز؛ فگر کا استعمال کرتے ہوئے کیا گیا تھا۔ S2) WMA مرکب تیار کرنے کے لیے، اس تحقیق میں فشر-ٹراپش (FT) ویکس (ساسول، جنوبی افریقہ؛ ایونک، جرمنی؛ سگما-الڈرچ، جرمنی) کی ایک نئی تشکیل تیار کی گئی۔ استعمال سے پہلے، نانوکومپوزائٹس کو ایک تندور میں 110 ڈگری سینٹی گریڈ پر 3 گھنٹے کے لیے خشک کیا گیا تھا۔ پہلے مرحلے میں، نمونے پہلے سے کام کے طریقہ کار کے مطابق تیار کیے گئے تھے [18]۔ اس کے بعد، نانوکومپوزائٹس کو بٹومین میں مختلف مقداروں میں شامل کیا گیا (0.1,2، اور 3wt فیصد)۔ اس تحقیق میں، بٹومین میں 3 فیصد WMA additive کا استعمال کرتے ہوئے ترمیم کی گئی۔cistanche tubulosa فوائد اور ضمنی اثراتاس قدر کا انتخاب WMA مرکب میں استعمال ہونے والے عام طور پر استعمال ہونے والے موم کے مواد کی بنیاد پر کیا گیا تھا جو پچھلے مطالعہ میں رپورٹ کیا گیا تھا [13]۔

2.2 عمر بڑھنے کا عمل

رولنگ پتلی فلم اوون ٹیسٹ (RTFOT) کے لیے، ASTM D1754 کے مطابق، نمونوں کو رولنگ پتلی فلم اوون (RTFOT8، ISL، فرانس کا ماڈل) میں 163 ڈگری سینٹی گریڈ پر رکھا گیا تھا۔ پریشر ایجنگ ویسل (PAV) کے معیاری طریقہ کار کی بنیاد پر، طویل مدتی عمر بڑھنے کے بعد (300psi اور 100 ڈگری کے ساتھ 20 گھنٹے) کے بعد پی اے وی میں نمونوں کی چھان بین کی گئی۔ ہم نے تین حالتوں میں نمونے تیار کیے: S1-S4: غیر محفوظ نمونے، S5-S8: مختصر مدت کے عمر کے نمونے، اور S9-S12: طویل مدتی عمر کے نمونے۔ تمام نمونے ٹیبل S2 (اضافی مواد) میں پیش کیے گئے ہیں۔

2.3 خصوصیت کے طریقے

10 rad/s کی فریکوئنسی اور 20 اور 70 ڈگری سینٹی گریڈ کے درمیان درجہ حرارت پر rheological خصوصیات کا جائزہ لینے کے لیے ایک ڈائنامک شیئر ریومیٹر (DSR) ڈیوائس (Malvern Kinexus Pro plus , UK) کا اطلاق کیا گیا۔ ) بیس اسفالٹ، بائنڈر اور عمر رسیدہ نمونوں کی پیمائش معیاری AASHTO T 315 کے مطابق کی گئی۔ یہ طریقہ عام طور پر لکیری viscoelastic رینج میں اسفالٹ بائنڈر کی خصوصیات کو نمایاں کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ فوئیر ٹرانسفارم انفراریڈ (FTIR؛ Thermo scientific Nicolet iS10, USA) اور TG/DTA (SDT Q600, TA Ins., USA) کا استعمال کرتے ہوئے کیمیائی خصوصیات کی جانچ کی گئی۔ ایک آرگن لیزر سورس (633 nm) کے ساتھ ایک Renishaw inViatM confocal Raman microscope (Renishaw plc، مسکن، Pontyclun، UK) کیمیکل بانڈنگ اور خوشبودار شیٹ کے سائز کا مطالعہ کرنے کے لیے استعمال کیا گیا تھا، جو چارج کپلڈ ڈیوائس ڈیٹیکٹر (4/cm) سے لیس تھا۔ سپیکٹرل ریزولوشن، 90 ڈگری بکھرنے والی جیومیٹری)۔ سروے کے سپیکٹرم 500 سے 3،000/سینٹی میٹر کمرے کے درجہ حرارت پر ریکارڈ کیے گئے (50× طویل کام کی دوری کا مقصد)۔ اٹامک فورس مائکروسکوپ (AFM؛ Nanowizard، JPK Ins., Germany) ٹیپنگ موڈ میں کینٹیلیور کے ساتھ (RTESP, Bruker, USA) اور فیلڈ ایمیشن اسکیننگ الیکٹران مائکروسکوپ (FE-SEM; TE-SCAN, MIRA II, چیک ریپبلک) کا استعمال کیا گیا تھا۔ مائکرو اسکیلز اور نانوسکلز میں بائنڈر کے نمونوں کی شکل اور ساخت کا مطالعہ کرنے کے لیے۔ 1-2 فریم/s اور ایک سیٹ پوائنٹ z پر کھردری اور موٹائی کے نقشے کی تصاویر کا تجزیہ کیا گیا، اور اوپن سورس سافٹ ویئر Gwyddion [30] کا استعمال کرتے ہوئے نتائج کا جائزہ لیا گیا۔ بائنڈر نمونوں کی سطح پر ایک الیکٹران بیم کو فوکس کرکے مورفولوجی کی خصوصیات تھیں۔ ایک تھرمل انفراریڈ کیمرہ (FLIR-T440, US) نے بائنڈر کے نمونوں سے مخصوص وقت کے مراحل میں تھرموگرافک تصاویر ریکارڈ کیں۔ کم درجہ حرارت پر لچکدار کریپ خصوصیات کا تجزیہ تھرمو الیکٹرک موڑنے والی بیم ریومیٹر (TE-BBR؛ Cannon Ins., USA) کے ذریعے کیا گیا۔ اس مطالعہ میں، ہم نے پیٹروٹسٹ کو نرم کرنے والے پوائنٹ (PKA5، جرمنی)، آٹومیٹک پینیٹرومیٹر (PNR 12، جرمنی)، اور لچک ٹیسٹ (انفراریڈ،20-2356، جرمنی) کے لیے استعمال کیا۔ ایک خلاصہ

اس مطالعہ میں استعمال ہونے والے اسفالٹ بائنڈر کی جسمانی خصوصیات کو ٹیبل S3 (اضافی مواد) میں پیش کیا گیا ہے۔

3. نتائج اور مباحثہ

3.1 سطحی شکلیات

FE-SEM اسفالٹ بائنڈر میٹرکس (شکل 2a) میں CSNP میں ترمیم شدہ اسفالٹ بائنڈر کے نمونوں کی سطح کی شکل کا مشاہدہ کرنے کے لیے کیا گیا تھا۔ FE-SEM امیجز اسفالٹ بائنڈر میٹرکس میں CSNPs (اوسط پارٹیکل سائز ~ 45 nm) کی یکساں بازی دکھاتی ہیں۔ اسفالٹ بائنڈر میٹرکس میں CSNPs کی منفرد nanolayer شکلیں عمر بڑھنے کے عمل کو نمایاں طور پر متاثر کرتی ہیں: ایک ڈھال کی طرح۔ اس صورت میں، CSNPs اوپری ڈھانچے کو تابکاری کے ذریعے تباہی سے روکتے ہیں [8] اور ساتھ ہی غیر مستحکم مرکبات کو پھنساتے ہیں اور اسفالٹ بائنڈر سے بخارات کو روکتے ہیں۔

Cistanche مخالف عمر رسیدہ کر سکتے ہیں

ان کے بڑے سطح کے رقبے کی وجہ سے، مٹی کے نانولیئرز اور فومڈ سیلیکا NPs ایک وسیع رقبہ کو کوٹ دیتے ہیں۔ اس خصوصیت کو استعمال کرنے کے لیے، اسفالٹ بائنڈر میں CSNPs کی مناسب بازی ضروری ہے۔ توانائی سے منتشر سپیکٹروسکوپی (EDS) کا استعمال کرتے ہوئے تقسیم کا تجزیہ کیا جا سکتا ہے (شکل S3 دیکھیں)۔ ایلومینیم، سلکا، آئرن، اور ٹائٹینیم کے عناصر کا پتہ لگایا جا سکتا ہے اور بیس بائنڈرز میں CSNPs کی تقسیم کی شناخت کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ بائنڈرز کی سطحوں میں مٹی کی تہوں کا پتہ عام طور پر ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ (1μm اوسط ذرہ سائز کے ساتھ) کے ذریعے پایا جاتا ہے۔ ٹائٹینیم عناصر کا نقشہ ظاہر کرتا ہے کہ بٹومین میں ذرات کی تقسیم یکساں ہے۔

CSNPs کے ذریعہ تشکیل دیا گیا نانو اسٹرکچر آکسیڈیشن اور تھرمل تباہی کے خلاف نینو شیلڈ کے طور پر کام کرتا ہے۔ مٹی کی پرتیں زیادہ گرمی کی مزاحمتی ہوتی ہیں اور کیمیائی بانڈز کے گلنے سے بچتی ہیں اور اس طرح بائنڈر کی عمر میں تاخیر ہوتی ہے [8]۔ شکل 2b اور c بالترتیب اسفالٹ بائنڈر (سبز رنگ) اور CSNPs (سرخ رنگ) کے گھنے بلک پر CSNPs کا جزوی طور پر یکساں کور دکھاتے ہیں۔ قطبیت اور کیمیائی بانڈنگ [31,32] اہم پیرامیٹرز ہیں جو نانولیئرز کو ایک ساتھ جذب کرنے اور اسفالٹ بائنڈرز میں ان بھاری اجزاء کو تخلیق کرنے کا سبب بنتے ہیں۔

بائنڈر پر CSNPs کے اثر کو مزید سمجھنے کے لیے، AFM ٹیسٹ کے ذریعے مورفولوجیکل خصوصیات کا تجزیہ کیا گیا۔ عمر بڑھنے کی وجہ سے بائنڈر مائکرو اسٹرکچر کی تبدیلی کی شناخت دلچسپی کا باعث ہے کیونکہ یہ بدلتے سالماتی تعاملات اور کیمیائی مرکبات کو ظاہر کرتا ہے [33,34]۔cistanche tubulosa اقتباسCSNPs کے ذریعہ ترمیم شدہ بائنڈر نمونوں کے مائکرو اسٹرکچر کو شکل 3 میں دکھایا گیا ہے۔

شکل 3 میں، تین مراحل Catana، Peri، اور Para دکھائے گئے ہیں جو بالترتیب شہد کی مکھی کی طرح کے ڈھانچے، منتشر مرحلہ، اور ہموار میٹرکس مرحلے کی نشاندہی کرتے ہیں۔ کیٹانا اور میٹرکس کے مراحل کو بائنڈر کی مائکرو اسٹرکچر خصوصیات کے طور پر سمجھا جاتا ہے [35]۔ مکھی کی طرح کے ڈھانچے کو مائکرو کرسٹل لائن موم، ارومیٹکس ڈھانچے اور اسفالٹینز میں الکائل کی لمبی زنجیروں سے منسوب کیا جاتا ہے، جو ٹھنڈک کے دوران کرسٹلائز ہوتے ہیں [36]۔cistanche tubulosa کے جائزےAFM امیجز میں شہد کی مکھی جیسی ساخت اسفالٹک اجزاء کی ممکنہ موجودگی کی نشاندہی کرتی ہے (شکل 3b-d)۔cistanche UKاسفالٹینز اور کولائیڈز کی مقدار کا براہ راست تعلق شہد کی مکھی نما ساخت کے سائز سے ہے۔

اسفالٹ بائنڈر؛ ڈھانچہ جتنا بڑا ہوگا، اسفالٹینز اور کولائیڈز کی تعداد اتنی ہی زیادہ ہوگی [37]۔ مائیکرو اسٹرکچر مورفولوجی اور مختصر اور طویل مدتی عمر رسیدہ بائنڈر کے نمونوں کے انفرادی مراحل کو شکل 3e-g میں پیش کیا گیا ہے۔ طویل مدتی بوڑھے اور کنواری نمونوں کی AFM تصاویر کا موازنہ غائب ہونے والے نانو سٹرکچر اور شہد کی مکھی کی طرح کی ساخت کی بڑھتی ہوئی تشکیل کو واضح کرتا ہے۔ اسی عمل کو ویڈیوز میں دیکھا جا سکتا ہے 1-3 (اضافی مواد دیکھیں)، AFM پیمائش کے دوران ریکارڈ کیا گیا، جو بائنڈر کی عمر بڑھنے کے نتیجے میں ساختی تبدیلی کو ظاہر کرتا ہے۔ اسفالٹ بائنڈر میں CSNPs کا اضافہ بائنڈر مورفولوجی اور مائکرو اسٹرکچر میں اہم تبدیلیوں کا باعث بنتا ہے۔ یہ تبدیلیاں CSNPs کے کردار کو بڑھاپے کے لیے ڈھال کے طور پر بیان کرتی ہیں۔

یہ مضمون نینو ٹیکنالوجی کے جائزے 2022 سے لیا گیا ہے۔ 11: 1047–1067