Asphalt und Bitumen werden im Straßenbau oder auch für Abdichtungsarbeiten eingesetzt. Daher ist eine möglichst lange Produktlebensdauer erstrebenswert. Wissenschafter/-innen der TU Wien erforschen mit internationalen Kooperationspartnern das Oxidationsverhalten von Bitumen, das wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer hat.
Obwohl die Geschichte des Bitumens bis ins dritte Jahrtausend v. Chr. zurückreicht, ist über seine Oberflächenstruktur nur wenig bekannt. Forschende der TU Wien klären nun die Beschaffenheit der Bitumenoberfläche mit physikochemischen Analysen auf.
In der Vergangenheit gaben bereits Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie Aufschluss über die Morphologie von Bitumenoberflächen. Lange Zeit war aber nicht bekannt, ob Oberflächen- und chemische Beschaffenheit miteinander korrelieren. Die chemische Zusammensetzung der Oberfläche ist von besonderem Interesse, da dort Oxidationsprozesse ablaufen. Ausgelöst werden diese durch in der Luft enthaltene sauerstoffhaltige Moleküle wie Ozon, Stickoxide oder Hydroxyl-Radikale. Der Oxidationsprozess beschleunigt die Alterung des Materials – das Bitumen wird porös und es bilden sich Schäden aus.
Die Materialchemiker_innen Dr. Ayse Koyun und Prof. Hinrich Grothe von der TU Wien untersuchten daher die Bitumenoberfläche mit verschiedenen physikochemischen Analysemethoden und verglichen die jeweiligen Ergebnisse miteinander.
Grundmechanismen verstehen und darauf aufbauend Maßnahmen entwickeln
Bitumen wird aus Erdöl gewonnen und primär für die Herstellung von Asphalt verwendet. Seine Konsistenz hängt maßgeblich von der Temperatur ab – bei heißen Temperaturen ist es zähflüssig und größere chemische Verbindungen wie Aliphate, Erdölharze und Asphaltene bewegen sich frei in der Masse. Kühlt das Bitumen jedoch ab, erstarrt das Material und die einzelnen Moleküle ordnen sich charakteristisch an. Analysen konnten bereits zeigen, dass sich sogenannte Kern-Schale-Partikel an der Oberfläche ausbilden. Das sind Komposite, die aus mindestens zwei verschiedenen Komponenten bestehen.
Da Asphalt und Bitumen im Straßenbau wie auch für Abdichtungsarbeiten eingesetzt werden, ist eine möglichst lange Produktlebensdauer erstrebenswert. Um die Alterung des Materials zu verlangsamen, gilt es jene Reaktionen zu minimieren, die durch reaktive Gase, Licht und Wärme ausgelöst werden. „Wenn wir das Oxidationsverhalten von Bitumen besser verstehen, können wir nach geeigneten Maßnahmen suchen, um die atmosphärische Alterung zu verhindern. Die Lebensdauer eines Bitumen-Produkts kann so um viele Jahre verlängert werden, was Energie und materielle Ressourcen spart“, erklärt Koyun. In einer in Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects publizierten Studie konnte sie bereits zeigen, wie sich die chemische Zusammensetzung von Bitumen auf seinen Alterungsprozess auswirkt.
Neue Erkenntnisse durch Methodenmix
In enger Zusammenarbeit mit der Harvard University, der Bruker Nano-Surfaces Division sowie der IONTOF GmbH untersuchte Ayse Koyun, Erstautorin der Studie, die Bitumenoberfläche mit drei verschiedenen Methoden: nanoskalige Infrarotspektroskopie auf Basis photothermischer Expansion (AFM-IR), Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) und Fluoreszenzmikroskopie. In Kombination liefern diese Methoden wertvolle Einblicke in die mehrphasige Natur der Bitumenoberfläche. „Die Auflösung herkömmlicher Messmethoden, die zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit eingesetzt werden, sind für die chemische Charakterisierung zu gering. Einzelne Domänen der Oberfläche lassen sich so nicht bestimmen“, erklärt Koyun. „Durch die Kombination verschiedener physikochemischer Methoden gelingt es uns jedoch, die Struktur bis auf zehn Nanometer genau abzubilden.“ Das Ergebnis: Die Oberfläche ist heterogen. Die Ergebnisse mikroskopischer und spektroskopischer Methoden korrelieren und lassen sich schlüssig interpretieren.
Foto: Bitumenoberfläche dargestellt durch verschiedene mikroskopische Methoden. AFM (Topographiebild) AFM-IR (chem. Verteilung – IR Absorption bei 1262 cm-1) (c) TU Wien
Das Puzzle wird gelöst
„Bitumen war für uns Materialchemiker_innen lange Zeit wie ein ungelöstes Puzzle“, zieht Hinrich Grothe, Leiter der Forschungsgruppe Physikalische Chemie der Atmosphäre, seinen Vergleich. „Wir kennen viele Details, die sich bislang aber nicht zu einem Gesamtbild haben zusammenfügen lassen. Die Kombination mehrerer physikochemischer Methoden, wie wir sie angewendet haben, konnte uns aber schlussendlich zeigen, wie sich die einzelnen Molekülverbünde im Bitumen verteilen.“ „So konnten wir das Puzzle lösen und das Wissen über Bitumen vervollständigen“, ergänzt Ayse Koyun, die im Rahmen eines Marshall-Stipendiums und mit Unterstützung der TU Wien zwei Forschungsaufenthalte an der Harvard University absolviert.
Originalpublikationen
N. Koyun et al., Scientific Reports, 11, 13554 (2021) https://www.nature.com/articles/s41598-021-92835-3
N. Koyun et al., Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 624 (2021) 126856 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927775721007251?via%3Dihub
Kontakt
Dr. Ayse N. Koyun
Institut für Materialchemie
Technische Universität Wien
+43 1 58801 165123
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
Univ.Prof. Hinrich Grothe
Institut für Materialchemie
Technische Universität Wien
+43 1 58801 165122
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.
(GZ)
Quelle: Technische Universität Wien
Foto: (c) Thomas Blazina
Bei Rückfragen zum Artikel wenden Sie sich
bitte direkt an die im Artikel angegebene Kontaktadresse.
Der Beitrag Wie wird Bitumen langlebiger erschien zuerst auf Jobbörse und Netzwerk für Naturwissenschaftler /-innen.
Read more https://life-science.eu/wie-wird-bitumen-langlebiger/
