一種基于原子力顯微鏡的瀝青微觀特性的研究方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于原子力顯微鏡的瀝青微觀特性的研究方法包括用于原子力顯微鏡觀測(cè)的瀝青試樣制備、表面形貌成像、粗糙度高精度定量分析及黏附力分析：（1）瀝青試樣的準(zhǔn)備，使其符合原子力顯微鏡觀測(cè)要求。（2）表面形貌成像方法為利用原子力顯微鏡對(duì)瀝青試樣從二維角度以高分辨率觀察試樣表面選定區(qū)域內(nèi)的蜂狀結(jié)構(gòu)的大小和疏密程度。（3）粗糙度高精度定量分析過(guò)程為利用合適的數(shù)據(jù)分析軟件獲取原子力顯微鏡圖像區(qū)域內(nèi)粗糙度參數(shù)。（4）黏附力分析為利用原子力顯微鏡獲取力曲線，通過(guò)力曲線獲取黏附力值。（5）利用粗糙度與黏附力可定量評(píng)價(jià)瀝青黏附性和自愈性能。該方法為研究者從微觀角度認(rèn)識(shí)并分析物質(zhì)特性提供了有效的途徑。
【專利說(shuō)明】—種基于原子力顯微鏡的瀝青微觀特性的研究方法【技術(shù)領(lǐng)域】[0001]本發(fā)明涉及浙青微觀性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于原子力顯微鏡的研究浙青改性前后或者老化前后物質(zhì)形態(tài)變化、評(píng)價(jià)浙青黏附性及自愈能力的研究方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾十年來(lái)，研究者對(duì)浙青材料宏觀的性質(zhì)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，然而，由于研究尺度、方法手段的限制，這些研究成果多是唯象的、片面的。若想要全面認(rèn)識(shí)浙青的性質(zhì)并針對(duì)某一特性進(jìn)行物理、化學(xué)改性以設(shè)計(jì)出符合實(shí)際需要的材料就必須從微觀層次對(duì)浙青加以研究，從微觀的角度推演出宏細(xì)觀規(guī)律。隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的儀器使這一想法成為可能，原子力顯微鏡就是近十年來(lái)在道路領(lǐng)域受到極大重視的測(cè)試手段之一，它能夠幫助人們通過(guò)表面形貌分析、歸納、總結(jié)更加全面地認(rèn)識(shí)材料的結(jié)構(gòu)——丨注能關(guān)系(structure-functionrelationship),并且能夠給出其它方法難以獲得的結(jié)構(gòu)信息。
[0003]AFM能夠給出從納米到幾百微米尺度表面的結(jié)構(gòu)高度分辨像，可用于表面微觀粗糙度的高精度和高靈敏度定量分析，能觀測(cè)到表面物質(zhì)的組分分布，高聚物的單個(gè)大分子、晶粒和層狀結(jié)構(gòu)以及微相分離等材料微觀結(jié)構(gòu)情景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本方法所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠從微觀角度研究浙青表面形貌以分析改性劑改性、老化等因素對(duì)浙青微觀組成結(jié)構(gòu)的影響，并通過(guò)表面形貌成像、表面粗糙度高精度定量分析及黏附力試驗(yàn)評(píng)價(jià)浙青的黏附性和自愈能力的研究手段?；谠恿︼@微鏡，可有效克服宏觀試驗(yàn)的不足，能夠從微觀角度為宏觀現(xiàn)象提供合理的解釋并為材料改性提供理論依據(jù)。
[0005]本發(fā)明提出了一種基于原子力顯微鏡的可用于研究浙青改性前后或者老化前后物質(zhì)形態(tài)變化、評(píng)價(jià)浙青黏附性及自愈能力的研究方法，其包括以下步驟:
[0006]利用原子力顯微鏡對(duì)浙青試樣從二維角度以高分辨率觀察試樣表面選定區(qū)域內(nèi)的蜂狀結(jié)構(gòu)的大小和疏密程度；
[0007]使用原子力顯微鏡在輕敲模式下對(duì)浙青試樣進(jìn)行掃描成像形成圖像文件，然后利用Nonoscopy Analysis軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理,選定某一區(qū)域,并得到表征該圖像區(qū)域的兩種粗糙度參數(shù):算術(shù)平均粗糙度Ra及均方根粗糙度Rq ;
[0008]使用原子力顯微鏡在接觸模式下通過(guò)探針逼近浙青試樣表面和從浙青試樣表面回退進(jìn)行力曲線測(cè)試。
[0009]其中，獲取浙青試樣步驟如下:
[0010]步驟1.1、將浙青加熱至液態(tài)，其中基質(zhì)浙青加熱至120 °C ;改性浙青加熱至160 0C ；
[0011]步驟1.2、取加熱后浙青滴于40mmX 15mmX Imm載玻片上；
[0012]步驟1.3、將該載玻片放入烘箱中加熱IOmin以使浙青均勻散開，直徑約為1cm，并將其取出自然冷卻作為浙青試樣。
[0013]其中，每個(gè)浙青試樣表面隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)記錄得到10條力曲線以計(jì)算黏附力平均值。
[0014]與現(xiàn)有微觀研究技術(shù)相比，原子力顯微鏡具有高空間分辨率的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)分析功能、局部微區(qū)力學(xué)和物理性質(zhì)測(cè)定及其它諸如納米尺度的微機(jī)械加工等能力，加上使用的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，操作和試樣準(zhǔn)備簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，成為各個(gè)科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】不可或缺的重要測(cè)試手段，為研究者從微觀角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)特性提供了有效的途徑。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為用于原子力顯微鏡觀測(cè)的浙青試樣；
[0016]圖2 (al)為50#浙青短期老化前原子力顯微鏡觀測(cè)圖；
[0017]圖2 (a2)為50#浙青短期老化后原子力顯微鏡觀測(cè)圖；
[0018]圖2 (bl)為70#浙青短期老化前原子力顯微鏡觀測(cè)圖；
[0019]圖2 (b2)為70#浙青短期老化后原子力顯微鏡觀測(cè)圖；
[0020]圖3為針尖與試樣表面相互作用的過(guò)程。
【具體實(shí)施方式】
[0021](I)試樣準(zhǔn)備
[0022]I)將浙青加熱至液態(tài),其中基質(zhì)浙青加熱至120°C ;改性浙青加熱至160°C ；2)取加熱后浙青滴于40mmX 15mmX Imm 載玻片上；3)將該載玻片放入烘箱中加熱IOmin以使浙青均勻散開，直徑約為1cm，并將其取出自然冷卻作為浙青試樣。
[0023](2)表面形貌成像
[0024]原子力顯微鏡利用一個(gè)對(duì)外力作用十分敏感的位于懸臂一端的探針，探測(cè)針尖與試樣之間的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)試樣表面的成像。
[0025]成像模式為輕敲模式，采用氮化硅懸臂探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描成像，懸臂梁標(biāo)準(zhǔn)彈性數(shù)為42N/m，探針高度為llum，懸臂長(zhǎng)度為125um，共振頻率為260kHz，掃描范圍為40umX40um,圖像像素為 512X512。
[0026]微觀條件下，浙青表面存在蜂狀結(jié)構(gòu)，在觀察過(guò)程中應(yīng)注意試樣表面選定區(qū)域內(nèi)的蜂狀結(jié)構(gòu)的大小和疏密程度。蜂狀結(jié)構(gòu)的均勻程度與浙青四組分的相互協(xié)調(diào)性相關(guān)。
[0027](3)粗糙度高精度定量分析
[0028]首先將浙青試樣用原子力顯微鏡在輕敲模式下進(jìn)行掃描成像形成圖像文件，然后利用NonoscopyAnalysis軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理,選定某一區(qū)域，并得到表征該圖像區(qū)域的兩種粗糙度參數(shù):算術(shù)平均粗糙度Ra及均方根粗糙度R,。
[0029]對(duì)于一個(gè)MXN離散點(diǎn)組成的二維曲面，Ra和Rq分別定義成:
I MN
[。03。] ^=μΣΣι^--ι



I
I M N~\l
[0031] R = -Lft(Z-Z)2
q lJ[0032]其中zu表示每個(gè)離散采樣點(diǎn)上的高度值，I為表面的平均高度，表示為:
[_ [-纖，
[0034]如果自由面粗糙度很大則表明表面凹凸不平，缺陷表面能較大，擁有較大的缺陷修復(fù)能，這種浙青表面黏附性或者自愈性更好。
[0035](4)黏附力分析
[0036]力曲線描述針尖力或微懸臂偏移相對(duì)試樣一針尖間距離的函數(shù)關(guān)系，能詳盡地揭示針尖一試樣相互作用過(guò)程，能夠提供試樣表面與力相關(guān)性質(zhì)的豐富信息。
[0037]將原子力顯微鏡調(diào)節(jié)至力曲線模式，當(dāng)AFM探針沿接近、接觸并撤離的路徑在待測(cè)樣品表面某一微小區(qū)域進(jìn)行垂直軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，探針和樣品間會(huì)因距離變化而相互施加作用力，產(chǎn)生力曲線。在力曲線中，對(duì)應(yīng)于針尖跳離樣品點(diǎn)處的力為所求黏附力。每個(gè)樣品表面隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)記錄得到10條力曲線以計(jì)算黏附力平均值。黏附力表征了納米級(jí)接觸之間的作用強(qiáng)弱，黏附力越大，則表面黏附性或者愈合能力越好。
[0038]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干可以預(yù)期的改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0039]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0040]用于原子力顯微鏡觀測(cè)的浙青試樣如圖1所示。
[0041]表面形貌成像如圖2所示，通過(guò)原子力顯微鏡掃描成像可以觀測(cè)到浙青表面存在蜂狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是一種蠟晶體，以浙青質(zhì)為核心，向外逐層包裹膠質(zhì)、蠟分子和油分。通過(guò)對(duì)比50#和70#浙青老化前后AFM圖像可以發(fā)現(xiàn)50#浙青蜂狀結(jié)構(gòu)變細(xì)變小;70#浙青蜂狀結(jié)構(gòu)變大變長(zhǎng)，總數(shù)量變少。由此得出以下結(jié)論:在老化過(guò)程中，四種組分的性質(zhì)、含量都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)浙青質(zhì)、膠質(zhì)含量增加時(shí)，一方面，蜂狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶點(diǎn)(晶核)數(shù)量變多，另一方面，浙青質(zhì)、膠質(zhì)作為一種“天然降凝劑”能夠吸附于蠟晶表面，大大降低蠟晶的表面能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，起到包圍、分散蠟晶的作用。從結(jié)晶學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，帶有長(zhǎng)鏈的浙青質(zhì)隨著降溫首先析出，起到晶核作用，而帶有強(qiáng)極性的膠質(zhì)則較快地附著其表面，從而阻礙了蠟晶成塊聚集，蠟晶表面吸附的浙青質(zhì)和膠質(zhì)與原油中未被吸附的浙青質(zhì)、膠質(zhì)形成雙電層，它們的定向偶極分子在蠟晶表面形成的分子層雖不向外擴(kuò)散，但是能使其相鄰液相中感應(yīng)出次級(jí)分子層，于是蠟晶粒子外形成溶劑包層。這個(gè)包層作為阻止蠟晶粒子接近的能壘，防止其連接、聚集(對(duì)應(yīng)于50#浙青)。另一方面，當(dāng)浙青質(zhì)數(shù)量增加到一定程度時(shí)，膠質(zhì)無(wú)法很好地裹覆浙青質(zhì)就會(huì)造成浙青質(zhì)聚集，同時(shí)造成晶核變少，降凝作用也隨之減弱，晶粒有變大的趨勢(shì)(對(duì)應(yīng)于70#浙青)。原子力顯微鏡成像可以為浙青宏觀性質(zhì)演化提供微觀解釋。
[0042]針尖一試樣相互作用過(guò)程如圖3所示，實(shí)線和虛線分別代表AFM探針逼近樣品表面和從樣品表面回退提拉過(guò)程中懸臂偏轉(zhuǎn)方向和偏轉(zhuǎn)程度的變化。當(dāng)針尖與樣品表面沒有接觸時(shí)，懸臂沒有偏轉(zhuǎn)(1)，當(dāng)針尖向下與樣品表面非常接近時(shí)，開始發(fā)生偏轉(zhuǎn)(2)，針尖進(jìn)一步壓迫樣品表面，懸臂偏轉(zhuǎn)變大(3)，當(dāng)懸臂偏轉(zhuǎn)至設(shè)定值時(shí)被回退提拉(4)，最后懸臂回退至樣品與針尖無(wú)接觸，懸臂回到原始無(wú)偏轉(zhuǎn)狀態(tài)(I)。應(yīng)用該曲線可以表征樣品表面黏附力。
【權(quán)利要求】
1.一種基于原子力顯微鏡的浙青微觀特性研究方法，其包括以下步驟: 利用原子力顯微鏡對(duì)浙青試樣從二維角度以高分辨率觀察試樣表面選定區(qū)域內(nèi)的蜂狀結(jié)構(gòu)的大小和疏密程度； 使用原子力顯微鏡在輕敲模式下對(duì)浙青試樣進(jìn)行掃描成像形成圖像文件，然后利用Nonoscopy Analysis軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理,選定某一區(qū)域,并得到表征該圖像區(qū)域的兩種粗糙度參數(shù):算術(shù)平均粗糙度Ra及均方根粗糙度Rq ; 使用原子力顯微鏡在接觸模式下通過(guò)探針逼近浙青試樣表面和從浙青試樣表面回退進(jìn)行力曲線測(cè)試。
2.如權(quán)利要求1所述基于原子力顯微鏡的浙青微觀特性研究方法，其中獲取浙青試樣步驟如下: 步驟1.1、將浙青加熱至液態(tài)，其中基質(zhì)浙青加熱至120°C ;改性浙青加熱至160°C ； 步驟1.2、取加熱后浙青滴于40mmX 15mmX Imm載玻片上； 步驟1.3、將該載玻片放入烘箱中加熱IOmin以使浙青均勻散開，直徑約為1cm，并將其取出自然冷卻作為浙青試樣。
3.如權(quán)利要求1所述基于原子力顯微鏡的浙青微觀特性研究方法，每個(gè)浙青試樣表面隨機(jī)取10個(gè)點(diǎn)記錄得到10條力曲線以計(jì)算黏附力平均值。
【文檔編號(hào)】G01Q30/20GK103529244SQ201310515741
【公開日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】楊軍, 龔明輝, 朱薇薇 申請(qǐng)人:東南大學(xué)