DE102022127872A1

DE102022127872A1 - Mit Nanokomposit modifizierter Asphaltbinder und dessen Herstellung

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Publication number: DE102022127872A1
Application number: DE102022127872.7A
Authority: DE
Inventors: Goshtasp Cheraghian; Michael P. Wistuba
Original assignee: Technische Univ Braunschweig Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Braunschweig Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Technische Univ Braunschweig Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Braunschweig Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft modifizierte Bindemittel enthaltend Nanokomposit auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid, wobei dieses modifizierte Bindemittel insbesondere eines ist, das als Beimischung für Asphaltbindemittel, insbesondere Bitumen, geeignet ist. In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung dieses modifizierten Bindemittels bereitgestellt, wobei die Nanokomposit auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid durch Hydrothermalsynthese hergestellt werden. Darüber hinaus werden entsprechend die erfindungsgemäßen modifizierten Bindemittel aufweisende Zusammensetzungen, wie Asphalt, bereitgestellt sowie die Verwendung dieser modifizierten Bindemittel zur Verbesserung der UV-Beständigkeit, zur Erhöhung der Festigkeit und/oder zur Verbesserung der Rissbeständigkeit von Asphalt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft modifizierte Bindemittel enthaltend Nanokomposite auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid, wobei dieses modifizierte Bindemittel insbesondere eines ist, das als Asphaltbindemittel, insbesondere Bitumen, geeignet ist. In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung dieses modifizierten Bindemittels bereitgestellt, wobei die Nanokomposite auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid durch Hydrothermalsynthese hergestellt werden. Darüber hinaus werden entsprechend die erfindungsgemäßen modifizierten Bindemittel aufweisende Zusammensetzungen, wie Asphalt, bereitgestellt sowie die Verwendung dieser modifizierten Bindemittel zur Verbesserung der UV-Beständigkeit, zur Erhöhung der Festigkeit und/oder zur Verbesserung der Rissbeständigkeit von Asphalt.
Stand der Technik
In den letzten zehn Jahren wurden viele Studien zur Modifikation von bitumenhaltigen Bindemitteln mit Nanopartikeln durchgeführt, siehe z. B. Shafabakhsh, G. A., et al., 2020, Construction and Building Materials, 237, 117640. Dabei wurde sich auf neue Nanomaterialien konzentriert, die bestimmte Eigenschaften der Bindemittel verbessern, wie in Primohammad, S., et al., 2020, Construction and Building Materials, 239, 117850, beschrieben.
Eine wesentliche Eigenschaft von bitumenhaltigen Bindemitteln für Asphalte ist deren Alterungsbeständigkeit. Alterungsresistente Asphalte müssen ein gutes Haftverhalten zum Gestein aufweisen, und elastisch und rissbeständig bleiben, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten. Faktoren, die die Alterung von bitumenhaltigen Bindemitteln und damit z. B. von Asphalt mit bitumenhaltigen Bindemitteln beeinflussen, sind Oxidation, Verflüchtigung (Destillation) und thermodynamische Strukturveränderungen (sterische Alterung). Während die sterische Alterung aus einer molekularen Umlagerung resultiert, gehen Oxidation und Destillation mit einer Veränderung der Moleküle in Folge chemischer Umwandlung einher. Eine wesentliche Rolle im Alterungsprozess spielen neben der Temperatur auch die ultraviolette Sonneneinstrahlung sowie das Vorhandensein von (Luft-)Sauerstoff. Bei der Alterung unter Einfluss von UV-Strahlung absorbiert Bitumen teilweise das von der Sonnenstrahlung ausgehende ultraviolette Licht, wodurch sich seine Molekularstruktur und seine chemische Zusammensetzung verändern, Cheraghian, G., et al., 2018, In RILEM International Symposium of Bituminous Materials (879 - 885), Springer, Cham, UV-Strahlung bricht die Bindungen der Asphaltmoleküle und erzeugt freie Radikale, die wiederum den Alterungsprozess beschleunigen, wie z. B. in Xu, X., et al., 2016, 40(6), 947 - 953, Polymer(korea). Folglich sind bitumenhaltigen Bindemittel, die beständig gegenüber UV-Alterung sind, von großem Interesse für die Anwendung z. B. im Asphaltstraßenbau. Gleiches gilt für andere Anwendungsgebiete, wie in der Bauindustrie, z. B. in der Dach- und Dichtungsbauindustrie oder dem Hochbau allgemein. Dabei wird insbesondere der abdichtende Charakter und die Klebefähigkeit des Bitumen genutzt. Ist Bitumen dauerhaft der Witterung ausgesetzt, wird es aufgrund der oben genannten Vorgänge, wie der Oxidation aber auch der Einstrahlung des UV-Lichts, spröde und rissig und die Modifikation von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln ist Gegenstand von Untersuchungen seit vielen Jahren. Meist bleibt allerdings in Studien zur Bitumenalterung die UV-Strahlung unberücksichtigt und es gibt kein standardisiertes Laborverfahren für die UV-Alterung. Wenige Veröffentlichungen befassen sich mit der Modifikation von Bindemitteln mittels Nanopartikeln und deren resultierender Wirkung auf die strahlungsabhängigen Alterungseigenschaften. Nanopartikel aus Titandioxid, Kupferoxid, Zinkoxid, Siliziumdioxid und Montmorillonit als Vertreter von Ton wurden zur Verbesserung der Alterungsbeständigkeit gegenüber UV-Strahlung untersucht, z. B. Xie, X. et al., 2020, Advances in Materials Science and Engineering, 1-15.
Darunter sind Zinkoxid (ZnO) und Titandioxid (TiO₂) Materialien, die auch schon in anderen Bereichen zur Erreichung von UV-Beständigkeit verwendet wurden. Beide können jedoch die Struktur von Asphalt schädigen (siehe z. B. Xiong, M., et al., 2020, Journal of Dispersion Science and Technology, 41 (11), 1703 - 1710) und sind relativ teuer. Auch organische, nicht-toxische Tonpartikel können die Alterung von Asphalt wirksam verringern, wie von Liu, et al., 2019, Construction and Building Materials, 220, 637-650 beschrieben.
Darüber hinaus erhöhen sie die Beständigkeit des Bindemittels gegenüber Feuchtigkeit.
Bindemittel aus Bitumen werden aus Erdöl extrahiert. Sie sind hauptsächlich aus Maltenen und Asphaltenen zusammengesetzt. Maltene stellen eine Mischung aus gesättigten Bestandteilen, Aromaten und Harzen dar, während Asphaltene diese Harze umgeben. Durch die Alterung erhöht sich der Gehalt an Asphaltenen und Harzen, während gleichzeitig der Gehalt an Aromaten sinkt. Einhergehend sind eine Versprödung des Bindemittels und eine erhöhte Rissbildung, sprich Verringerung der Rissbeständigkeit und Festigkeit, von z. B. Asphalt.
Vor kurzem haben Cheraghian et al., 2021, siehe oben, über Untersuchungen zur Alterung von Siliziumdioxidnanopartikel modifizierten Bitumen berichtet. Es konnte gezeigt werden, dass die physikalischen Eigenschaften durch Siliziumdioxidnanopartikel als Additiv zu den Bitumen beeinflusst werden. Insbesondere konnte eine Verbesserungen gegenüber einer UV-Alterung mit Zunahme der Nanopartikelkomponenten gezeigt werden. Auch die Bruchfestigkeit, und Viskosität des alternden Bitumens wurde verbessert.
Ton ist ein natürlich vorkommendes, vorwiegend anorganisches, Material, das hauptsächlich aus Tonmineralien besteht. Meist handelt es sich hierbei um Schichtsilikate, in denen andere Materialien vorliegen können, die z. B. die Plastizität etc. beeinflussen. Typische Vertreter dieser Tonmineralien, nämlich von Schichtsilikaten, sind z. B. Illit, Montmorillonit oder Kaolinit. Wie gesagt, Ton kann Beimischungen weiterer Mineralien enthalten, wie Quarz, aber auch Metalloxid und Hydroxide usw. Ton wird vielfältig eingesetzt und ist seit langem bekannt. Wie ausgeführt, wurde z. B. Montmorillonit zur Verbesserung der Alterungsbeständigkeit von Bitumen gegenüber UV-Strahlung untersucht.
Die erreichten Verzögerungen der Alterung von bitumenhaltigen Bindemitteln z. B. im Asphalt erfordern eine weitere Verbesserung, Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von modifizierten bitumenhaltigen Bindemitteln mit Nanokompositen, die eine UV-strahlungsbedingte Alterung von z. B. Asphalt verzögern und damit wesentliche alterungsabhängige Eigenschaften von Asphaltdeckschichten oder von anderen Bindemitteln im Wesentlichen auf Bitumenbasis aufweisende Materialien, verbessern, insbesondere die Festigkeit und Rissbeständigkeit und sich daraus ergebende Haltbarkeit der Materialien.
Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein modifiziertes Bindemittel enthaltend Nanokomposit auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid. Es konnte überraschend gezeigt werden, dass eine Kombination dieser beiden Stoffe in Form eines Nanokomposits als Modifikationsmittel von Bindemitteln, insbesondere von Bitumen, die Stabilität hiervon verbessert und die Festigkeit und Rissbeständigkeit von solchen modifizierten Bindemitteln, wie modifiziertes Bitumen enthaltenden Materialien, wie Asphalt, verbessert und damit die Haltbarkeit dieser Materialien erhöht. Insbesondere bei Ausbildung von spezifischen Strukturen des Nanokomposits aus pyrogenem Siliziumdioxid werden diese Eigenschaften erreicht.
Das erfindungsgemäße modifizierte Bindemittel ist insbesondere ein modifiziertes Bindemittel zur Verwendung bei Asphalt.
Die erfindungsgemäßen Bindemittel erlauben bei Nutzung z. B. in Asphalt eine Verbesserung der Festigkeit und Rissbeständigkeit hiervon, um deren Haltbarkeit zu erhöhen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Modifikation durch die Nanokomposite auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid die UV-Alterungsbeständigkeit verbessert.
In einem Aspekt betrifft die vorliegende Anmeldung ein modifiziertes Bindemittel, wobei die Nanokomposite aus Ton und pyrogenem Siliziumdioxid durch Hydrothermalsynthese hergestellt sind.
Die Hydrothermalsynthese erlaubt die Gewinnung von Verbindungen aus wässrigen Lösungen im hyperkritischen Zustandsbereich. Hydrothermalsynthese beruht darauf, dass Wasser im hyperkritischen Temperatur- und Druckgebiet für viele Stoffe ein wesentlich besseres Lösungsvermögen als unter normalen Bedingungen aufweist. Diese Eigenschaft kann besonders gut eine Kristallzüchtung aus schwer löslichen Stoffen erlauben. Üblicherweise erfolgt die Hydrothermalsynthese unter geeigneten Bedingungen im Autoklaven. Vorliegend erlaubt die Hydrothermalsynthese die Ausbildung von Nanokompositen mit entsprechenden Agglomeraten hiervon.
So erhaltene Nanokomposite werden beispielhaft unten unter Bezugnahme auf die Abbildungen dargestellt.
Die Nanokomposite auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid können in Form von Aggregaten in dem Bindemittel verteilt vorliegen. Sie lassen sich insbesondere gleichmäßig in dem Bindemittel dispergieren. Es zeigte sich, dass die Aggregationsgrößen der Nanokomposite z. B. 400 bis 800 nm erreichen.
Es wird davon ausgegangen, dass die neuen Strukturen im Bindemittel, die auf das Vorhandensein von Nanokompositen zurückzuführen sind, die Alterung des Bindemittels verzögert oder verhindert. Diese wirkt wie eine Schutzschicht gegenüber Sonneneinstrahlung, die das ultraviolette Licht reflektiert und so das Bindemittel vor dem Eindringen von UV-Licht schützt. Es wird davon ausgegangen, dass die flüchtigen Bindemittel enthaltenen chemischen Bestandteile durch die erfindungsgemäßen Nanokomposite auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid, die ebenfalls als Aggregate vorliegen, diese einschließen und damit diese nicht aus dem Bindemittel flüchten können. Wie in den Figuren gezeigt, bilden die Nanopartikel aus pyrogenem Siliziumdioxid dichte Ansammlungen auf den Nanoschichten aus Ton. Mit der Zunahme des Nanopartikels je Oberflächeneinheit absorbieren die Nanoschichten aufgrund ihrer Polarität und chemischen Bindungen aneinander und bilden dichte Aggregate. Es zeigt sich bei Untersuchungen, dass die Verteilung im Bindemittel homogen ist und die Nanopartikel aus pyrogenem Siliziumdioxid die Tonschichten gleichmäßig überziehen.
Unter dem Ausdruck „Nanokomposit“ wird vorliegend verstanden, dass Nanostrukturen von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid diese Nanokomposite ausbilden. Diese Nanokomposite können dabei Aggregationsgrößen von 10 nm bis 5 µm erreichen. In einer Ausführungsform liegen die Aggregationsgrößen im Bereich von 20 nm bis kleiner 1 µm. Wie ausgeführt, werden die Nanokomposite aus nanopartikulärem Ton und pyrogenem Siliziumdioxid durch Hydrothermalsynthese hergestellt. Dem Fachmann sind geeignete Verfahren bekannt, beispielhaft werden diese unten weiter erläutert.
In einer Ausführungsform ist das modifizierte Bindemittel eines, wobei die Teilchengröße des nanopartikulären Tons in einem Bereich von 10 bis 50 nm, wie 20 bis 35 nm, liegt und von pyrogenem Siliziumdioxid in einem Bereich von 20 bis 100 nm, wie 25 bis 70 nm.
Die Bestimmung der Teilchengröße erfolgt gemäß üblichen Verfahren, z. B. mit Hilfe eines Verfahrens unter Verwendung der SEM-Bildgebung
In einem Aspekt ist dabei das Gewichtsverhältnis von Ton zu pyrogenem Siliziumdioxid 0,5 zu 10 bis 1 zu 1. Zum Beispiel ist das Gewichtsverhältnis von Ton zu pyrogenem Siliziumdioxid in einem Bereich von 2 zu 10, bis 8 zu 10. In einer Ausführungsform ist das Gewichtsverhältnis von Ton zu pyrogenem Siliziumdioxid bei 4 zu 10.
Aufgrund dieser entsprechenden Gewichtsverhältnisse sind die oben beschriebenen Verteilungen von Siliziumdioxid auf den Nanostrukturen der Tonschichten möglich, sodass das Siliziumdioxid die Tonschichten gleichmäßig überzieht.
Unter „Ton“ wird vorliegend übliche Tonmaterialien verstanden, insbesondere Schichtsilikate. Geeignete Schichtsilikate sind insbesondere Illit, Montmorillit oder Kaolinit. Pyrogenes Siliziumdioxid kann gemäß üblichen Verfahren hergestellt werden. Als Ausgangsmaterialien können hier z. B. TEOSdienen.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das modifizierte Bindemittel ein modifiziertes Bitumen. Bitumen wird in vielen Bereichen als Bindemittel eingesetzt und die erfindungsgemäße Modifikation hiervon erlaubt es, dessen Beständigkeit und Haltbarkeit, insbesondere der Festigkeit und Rissbeständigkeit, zu verbessern.
In einem weiteren Aspekt ist das erfindungsgemäße modifizierte Bindemittel eines, wobei die Nanokomposite aus Ton und pyrogenem Siliziumdioxid einen spezifischen Oberflächenbereich von 10 bis 1,000 m²/g wie 20 bis 500 m²/g aufweist. Das modifizierte Bindemittel, insbesondere in Form von modifiziertem Bitumen, eignet sich als entsprechendes Bindemittel in den üblichen Verwendungen hiervon, hier z. B. im Straßenbau, Hochbau oder im Dachbereich.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von modifiziertem Bindemittel, insbesondere von erfindungsgemäß modifiziertem Bindemittel. Das Verfahren umfasst dabei in einem ersten Schritt die eine Hydrothermalsynthese von Ton und pyrogenem Silizium zur Herstellung von nanoskaligen Komposite. Diese so hergestellten nanoskaligen Komposite werden dann in einem weiteren Schritt in das Bindemittel eingemischt, um ein erfindungsgemäßes modifiziertes Bindemittel zu erhalten.
Das Einmischen der hergestellten Nanokompositen z. B. in Form von entsprechenden Aggregaten in das Bindemittel kann dabei nach üblichen Verfahren erfolgen.
In einem Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren dabei eines, bei dem die Hydrothermalsynthese eine ist, wie folgt:

- Dispersion des Tons in einem wässrigen Medium;
- Einbringen von organischen Tensiden in ein wässriges Medium in die Tonsuspension;
- Zugabe eines Silikats in die organische Tenside enthaltenden Tonsuspension, und
- Erwärmung der Mischung auf eine Temperatur im Bereich von 150 °C bis 210 °C, wie 165 °C bis 195 °C, insbesondere 180 °C für einen Zeitraum von 8 bis 24 Stunden, wie 12 bis 20 Stunden, insbesondere 16 Stunden, wobei das Erwärmen bevorzugt in einem Autoklaven erfolgt.

Unter dem Ausdruck „organische Tenside“ werden dabei übliche organische Tenside verstanden, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Diese schließen ein: Cetyltrimethylammoniumbromid und Polyethylenglykol.
Cetyltrimethylammoniumbromid ist eine quartäre Ammoniumverbindung mit einer langkettigen Alkylgruppe mit 16 Kohlenstoffatomen
Dabei erfolgt in einem ersten Schritt die Dispersion des Tons in einem wässrigen Medium. Ggf. wird der pH-Wert des Mediums durch die Zugabe einer entsprechenden Base erhöht und ggf. mit Hilfsmitteln weiter dispergiert. Anschließend werden organische Tenside zum weiteren Verbessern der Löslichkeit hinzugefügt. Diese Tenside, insbesondere organische Tenside, werden in Form einer wässrigen Lösung in die entsprechende Tonsuspension hinzugefügt. Anschließend oder, alternativ, gleichzeitig wird ein Silikat in die Mischung hinzugefügt, d. h., zu der Tonsuspension werden nacheinander, gleichzeitig oder zuerst alleine und dann gleichzeitig eine wässrige organische Tensidlösung und ein Silikat hinzugefügt. Diese Mischung wird anschließend erwärmt, z. B. auf einen Temperaturbereich von 150 °C bis 210 °C, wie 165 °C bis 195 °C, insbesondere 180 °C für einen ausreichenden Zeitraum, um die erfindungsgemäßen Nanokomposite aus Ton und pyrogenem Siliziumdioxid herzustellen. Dieser Zeitraum der Erwärmung ist üblicherweise einer von 8 bis 24 Stunden, wie 12 bis 20 Stunden, wie z. B. 16 Stunden. Das Erwärmen wird dabei bevorzugt in einem Autoklaven durchgeführt, um die entsprechend notwendigen Bedingungen für die Hydrothermalsynthese zu erzielen.
Abwandlungen des oben beschriebenen Verfahrensablaufs sind dem Fachmann bekannt, um zu der erfindungsgemäßen Zusammensetzung von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid in Form von Nanokompositen zu gelangen. Diese Zusammensetzung wird ggf. erhitzt, um die organischen Tenside zu entfernen.
Dieses so erhaltene Pulver kann dann in das Bindemittel eingebracht werden. Dies erfolgt üblicherweise derart, dass das Bindemittel und die Nanokomposite hinzugefügt werden, z. B. wobei die nanoskaligen Partikel und das Bindemittel 5 bis 30 Minuten, wie 10 bis 15 Minuten, bei 130°C bis 180°C, wie 150°C erhitzt werden und anschließend abgekühlt werden.
In einer Ausführungsform ist das modifzierte Bindemittel ein modifiziertes Bitumen.
In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf entsprechend erhältliche modifizierte Bindemittel erhältlich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Weiterhin richtet sich die vorliegende Anmeldung auf ein Material, dass das erfindungsgemäße modifizierte Bindemittel enthält. Solche Materialien schließen insbesondere Asphalt, aber auch andere Bitumenbindemittel, z. B. im Baubereich, ein.
Die modifizierten Bindemittel erhältlich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. die erfindungsgemäßen modifizierten Bindemittel sind insbesondere geeignet zur Verbesserung der UV-Beständigkeit und/oder zur Erhöhung der Festigkeit und/oder zur Verbesserung der Rissbeständigkeit von Asphalt.
Die vorliegende Erfindung wird mit Hilfe von Beispielen näher beschreiben, ohne auf dieses beschränkt zu sein.
Beispiele
Die Herstellung der Nanokomposite erfolgt mit Hilfe der Hydrothermalsynthese. Die Größenverteilung der Materialien, wie sie weiter diskutiert und unten in den Abbildungen dargestellt werden, wurden die Struktur der Röntgenbeugung mit Hilfe dynamischer Lichtstreuung (DLS) und Röntgenpulverdiffraktometrie (XRPD) durchgeführt.
Herstellung der Nanokomposite:
Es wurden 4 Gramm Montmorillonit und 0,48 g Natriumhydroxid drei Stunden lang in 200 ml entionisiertem Wasser bei einer Temperatur von 25 °C aufgelöst und anschließend mit einem Ultraschallmischer dispergiert.
Hierzu wurden 2 ml PEG und 4 g Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) in 40 ml destilliertem Wasser dispergiert. Diese erhaltene Tensidlösung aus PEG / CTAB wurde drei Stunden lang in die Mischung eingerührt. Gleichzeitig wurden 10 ml Tetraethylorthosilikat (TEOS) in die Suspension injiziert.
Die so erhaltene Mischung wurde in einem Edelstahl-Autoklaven 16 Stunden lang auf eine Temperatur von 180 °C erhitzt und danach auf 25 °C abgekühlt. Das so erhaltene Pulver wurde erneut erhitzt, um z.B. die organischen Tenside zu entfernen.
Für die Bestimmung des Erweichungspunkts Ring-und-Kugel der Bindemittel wurde eine Petrotest-Maschine nach ASTM D36 verwendet. Der Duktilitätstest wurde mit einem Duktilometergerat mit 1.500 mm digitalem Durchmesser gemäß ASTM D113 durchgeführt. Ein automatisches Penetrometer wurde zur Bestimmung der Nadelpenetration gemäß ASTM D5 verwendet.

In der Tabelle 1 sind die physikalischen Eigenschaften des gemäß nach dem oben beschriebenen Verfahrens erhaltenen Bindemittels zusammengefasst:

Physikalische Eigenschaften	Wert	Standard
Duktilität (@25 °C, cm)	100	ASTM D113
Erweichungspunkt (°C)	48.6	ASTM D36
Penetration (@25 °C, 0.1 mm)	63	ASTM D5
Dichte (kg/m³)	1.03	ASTM D70

Zur weiteren Untersuchung wurden die Proben einer FTIR-Spektrometrie unterworfen mit einem Transmissionsmodus im Spektralbereich von 400 bis 4.000 cm-1. Das FTIR erfasst die Reflexion der verschiedenen Infrarotspektren chemischer Bindungen. Carbonyl- und Sulfoxidbindungen entstehen durch UV-Strahlung, die Kohlenstoff-Kohlenstoff- oder Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen bildet.
Carbonylfunktionen (C=O) und Sulfoxidfunktionen (S=O) wurden mit Spektren von 1.700 cm-1 bzw. 1.030 cm-1 beobachtet. Beide Werte lassen sich aus dem Oxidationsbereich des Asphalts ableiten. Der C=O-Gruppenindex (IC=O) und der S=O-Gruppenindex (IS=O) können mit den Gleichungen (1) und (2) berechnet werden: $I_{C = O} = \frac{Area of the carbonyl band centered around 1690 cm-1}{\sum Area of spectral bands around 2000 and 600cm-1}$
$I_{S = O} = \frac{Area of the carbonyl band centered around 1030 cm-1}{\sum Area of spectral bands around 2000 and 600cm-1}$
$CR = \frac{Index of bitumen after - Index of bitumen before}{Index of bitumen before}$
Beschreibung der Abbildungen

. Nanokomposit aus Ton und pyrogenem Siliziumdioxid, hergestellt mittels Hydrothermalsynthese.
. Komplexer Schermodul (G*) und Phasenwinkel (δ) des Nanokompositmodifizierten Bindemittels nach (a) 6 Tagen UV-Alterung, und nach (b) 12 Tagen UV-Alterung.
. Alterungsindizes basierend auf Carbonyl- und Sulfoxidgruppen bei verschiedenen Alterungsbedingungen.
. DLS-Verteilung, XRD-Muster und FTIR von Nanopartikeln aus a) Ton, und b) pyrogenem Siliziumdioxid.
. Schematische Darstellung der mehrstufigen Synthese von Nanopartikeln aus Ton und pyrogenem Siliziumdioxid.
. Schematische Darstellung der Wirkung des Nanokomposits aus Ton und pyrogenem Siliziumdioxid auf die kolloidale Struktur des Bindemittels.

Ausführliche Beschreibung der Abbildungen
zeigt Ergebnisse aus der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie und veranschaulicht die Oberflächenmorphologie des in der modifizierten Bindemittelprobe dispergierten Nanokomposits. Es bildet sich eine einzigartige komplexe Struktur aus Nanoblättern. Wenn das Nanokomposit mit dem Bindemittel vermischt wird, bedeckt es teilweise die Oberfläche des Bindemittels, und wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird, beginnt das Nanokomposit zu aggregieren und eine Struktur aus mehreren Schichten zu bilden ( ). Diese Partikelaggregation verändert die Homogenität der Mischung und kann auch ihre rheologischen Eigenschaften verändern. Um die Aggregation des Nanokomposits herum ist auf der Oberfläche des Bindemittels eine einheitliche Dispersionszone zu erkennen, die das Bindemittel mit einem dünnen Film aus Nanokomposit (einzelnen Schichten) bedeckt.
Die Aggregate des Nanokomposits waren stets gleichmäßig in der Bindemittelprobe verteilt, was darauf hindeutet, dass sie bereits während des Mischvorgangs gleichmäßig dispergierten. Die Aggregationsgrößen des Nanokomposits reichten von 400 bis 800 nm. Die neue Struktur im Bindemittel, die auf das Vorhandensein des Nanokomposits zurückzuführen ist, verzögert oder verhindert die Alterung des Bindemittels: Sie wirkt wie eine Schutzschicht gegenüber Sonneneinstrahlung, der das ultraviolette Licht reflektiert und so das Bindemittel vor dem Eindringen von UV-Licht schützt. Es schließt flüchtige, im Bindemittel enthaltene chemische Bestandteile förmlich ein, und verhindert somit ihre Verdunstung. zeigt, dass Nanopartikel aus pyrogenem Siliziumdioxid dichte Ansammlungen auf den Nanoschichten aus Ton bilden. Mit der Zunahme des Nanokomposits je Oberflächeneinheit adsorbieren die Nanoschichten aufgrund ihrer Polarität und chemischen Bindungen einander und bilden dichte Aggregate. Die elementare Verteilung wurde durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) (unter Zugabe von 0,1 Gew.-% Zinkoxid) veranschaulicht (nicht dargestellt). Die Kartierung ergibt, dass die Verteilung im Bindemittel homogen ist und die Nanopartikel aus Siliziumdioxid die Tonschichten gleichmäßig überziehen. Darüber hinaus deutet die Zinkdispersion darauf hin, dass die Herstellung hydrothermaler Nanokomposite funktioniert: Die Kartierungen von Eisenoxid und Magnesiumoxid sind annähernd gleich, was auf eine gleichmäßige Verteilung der Tonpartikel hinweist.
Mittels rheologischen Prüfungen wurde festgestellt, dass die Zugabe von 0,2 Gew.-% an dem Nanokomposit die Steifigkeit und damit den komplexen Schermodul der mit dem Nanokomposit modifizierten Bindemittelproben gegenüber unmodifizierten Referenzproben deutlich erhöht.
In zeigen die Ergebnisse zur UV-Alterung, wie die strahlungsbedingte Alterung den komplexen Schermodul des unmodifizierten Referenzbindemittels erhöht.
zeigt die Veränderungen im Carbonyl- und Sulfoxid-Index, wenn Carbonyl auf 3,41 bzw. 1,08 erhöht wird und wenn Sulfoxid auf 0,426 bzw. 0,285 erhöht wird, nach 6 und nach 12 Tagen UV-Bestrahlung, ohne und mit Nanopartikel. Diese Daten deuten darauf hin, dass die UV-abschirmende Wirkung des Nanokomposits überaus effizient ist. Es kann davon ausgegangen werden, dass das Nanokomposit die Fähigkeit hat, UV-Licht einerseits effizient zu reflektieren und andererseits effizient zu absorbieren. Die Ergebnisse zeigen, dass bereits ein Gehalt von 0,2 Gew.-% die UV-Alterungsbeständigkeit deutlich erhöht.
Die Größenverteilung der Materialien und das Röntgenbeugungsmuster mit dynamischer Lichtstreuung und Röntgenpulverbeugung sind in dargestellt. zeigt die Herstellung des Nanokomposits mittels hydrothermaler Synthese. Die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen des Nanokomposits und dem Bindemittel werden bestimmt von der Bindung von Hydroxygruppen an der Bitumenoberfläche zu den Silizium-Nanopartikeln und sind auf die hohe Oberflächenenergie der Silizium-Nanopartikel zurückzuführen. Darüber hinaus ist das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Ton-Nanoschichten ein wichtiger Faktor. Die Silizium-Nanopartikel sind mit den Bitumenmolekülen durch chemische Bindungen verbunden, und die Bitumenbestandteile interagieren mit den Nanopartikeln durch physikalische Reaktionen (van der Waals-Kräfte). Ausgehend von der kolloidalen Struktur des Bitumens ( ) bilden die Asphaltene die dispergierte Phase in der Maltenphase. Der durchschnittliche Durchmesser von Asphaltenen beträgt 0,5 - 40 nm und kann daher zu erheblichen Veränderungen in der Materialbeschaffenheit führen. Nanokomposite (die durchschnittliche Partikelgröße von Ton-Nanoschichten und Silizium-Nanopartikel beträgt etwa 12 bzw. 33 nm) können chemisch reagieren und sich zwischen diesen kolloidalen Dimensionen verteilen (schematisch dargestellt in ). Darüber hinaus verändern die Ton-Nanoschichten die Oberflächeneigenschaften von Bitumen. Die Polarität der Ton-Nanoschichten (in Verbindung mit anderen Elementen) verringert die Polarität und Adsorption von Asphaltenen. Dies ist ein komplexer Mechanismus, bei dem Natriumelemente (die in Ton vorkommen), die von Asphaltenkohlen adsorbiert werden, zu einer Sättigung der Moleküle führen. Sie verteilen sich in der kolloidalen Struktur des Bitumens in Form von Nanoschichten mit einer Größe von 1-100 nm, was das Eindringen von Sauerstoff in das Bindemittel behindert. Das Nanokomposit erhöht auch die Stabilität des modifizierten Bindemittels und verhindert die Zerstörung der chemischen Struktur der Bitumenkomponenten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Shafabakhsh, G. A., et al., 2020, Construction and Building Materials, 237, 117640 [0002]
Primohammad, S., et al., 2020, Construction and Building Materials, 239, 117850 [0002]
Cheraghian, G., et al., 2018, In RILEM International Symposium of Bituminous Materials (879 - 885), Springer [0003]
Xu, X., et al., 2016, 40(6), 947 - 953 [0003]
Xie, X. et al., 2020, Advances in Materials Science and Engineering, 1-15 [0003]
Xiong, M., et al., 2020, Journal of Dispersion Science and Technology, 41 (11), 1703 - 1710 [0004]
Liu, et al., 2019, Construction and Building Materials, 220, 637-650 [0004]

Claims

Modifiziertes Bindemittel enthaltend Nanokomposite auf Basis von Ton und pyrogenem Siliziumdioxid.
Modifiziertes Bindemittel nach Anspruch 1, wobei dieses ein modifiziertes Asphaltbindemittel ist.
Modifiziertes Bindemittel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanokomposite aus Ton und pyrogenem Siliziumdioxid durch Hydrothermalsynthese hergestellt sind.
Modifiziertes Bindemittel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Teilchengröße von Ton in einem Bereich von 10 bis 50 nm, wie 20 bis 35 nm, und von pyrogenem Siliziumdioxid in einem Bereich von 20 bis 100 nm, wie 25 bis 70 nm, liegt.
Modifiziertes Bindemittel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bindemittel ein Bitumen ist.
Modifiziertes Bindemittel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Anteil an Nanokompositen umfassend Ton und pyrogenes Siliziumdioxid bei 0,05 bis 2 Gew.-%, wie 0,1 bis 1 Gew.-% z. B. 0,15 bis 0,5 Gew.-%, wie 0,2 Gew.-% liegt.
Modifiziertes Bindemittel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verhältnis von Ton zu pyrogenem Siliziumdioxid bezogen auf das Gewicht 0,5 zu 10 bis 1 zu 1, wie 2 zu 10, bis 8 zu 10, insbesondere 4 zu 10 ist.
Modifiziertes Bindemittel nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nanokomposite aus Ton und pyrogenem Siliziumdioxid eine spezifische Oberfläche im Bereich von 10 bis 1000 m²/g wie 20 bis 500 m²/g aufweist.
Verfahren zur Herstellung von modifiziertem Bindemittel, insbesondere von modifiziertem Bindemittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend a) eine Hydrothermalsynthese von Ton und pyrogenem Silizium zur Herstellung von nanoskaligen Partikeln und b) Einmischen dieser in ein Bindemittel zur Modifikation hiervon.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Hydrothermalsynthese gemäß Schritt a) umfasst: - Dispersion des Tons in einem wässrigen Medium; - Einbringen von organischen Tensiden in ein wässriges Medium in die Tonsuspension; - Zugabe eines Silikats in die organische Tenside enthaltenden Tonsuspension, und - Erwärmung der Mischung auf eine Temperatur im Bereich von 150 °C bis 210 °C, wie 165 °C bis 195 °C, insbesondere 180 °C für einen Zeitraum von 8 bis 24 Stunden, wie 12 bis 20 Stunden, insbesondere 16 Stunden, wobei das Erwärmen bevorzugt in einem Autoklaven erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die nanoskaligen Partikel und das Bindemittel 5 bis 30 Minuten, wie 10 bis 15 Minuten, bei 130°C bis 180°C, wie 150°C erhitzt werden und anschließend abgekühlt werden.
Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Bindemittels nach Anspruch 9 bis 11, wobei das Bindemittel Bitumen ist.
Modifiziertes Bindemittel erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12.
Asphalt enthaltend ein modifiziertes Bindemittel nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verwendung von modifiziertem Bindemittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Verbesserung der UV-Beständigkeit, und/oder zur Erhöhung der Festigkeit und/oder Verbesserung/Rissbeständigkeit von Asphalt.