Análisis estructural y químico del betún mediante espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (TOF-SIMS)

Análisis estructural y químico del betún mediante espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (TOF-SIMS)

La composición química y las estructuras de las superficies de betún se caracterizan por el uso de espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (TOF-SIMS). El efecto de la cera se considera comparando un betún sin cera con un betún que contiene cera natural y un betún sin cera al que se ha añadido una pequeña cantidad de cera. Los resultados demuestran que TOF-SIMS es un poderoso método para la caracterización química de estructuras superficiales y fenómenos de segregación de fase en betún. Es evidente que las estructuras formadas en la superficie del betún están estrechamente relacionadas con el contenido de cera y que estas estructuras, así como la superficie en general, se enriquecen en compuestos relacionados con la cera (hidrocarburos alifáticos con un alto grado de saturación). Para el betún sin cera, la superficie se caracteriza por una distribución homogénea sin variaciones químicas o estructuras de fase y por una intensidad de señal más fuerte a partir de compuestos aromáticos. Cuando se añade cera al betún libre de cera, se produce una gran segregación de cera, pero diferente a la del betún ceroso natural, no se observan estructuras de abejas. Además, las superficies de fractura de todas las muestras que contienen cera revelan estructuras circulares, que son claramente distintas de las observadas en las superficies originales. Los conocimientos químicos obtenidos sobre las superficies de betún y las estructuras de fase son de fundamental importancia para comprender las diferencias de rendimiento de este tipo de materiales. no se observan estructuras de abejas. Además, las superficies de fractura de todas las muestras que contienen cera revelan estructuras circulares, que son claramente distintas de las observadas en las superficies originales. Los conocimientos químicos obtenidos sobre las superficies de betún y las estructuras de fase son de fundamental importancia para comprender las diferencias de rendimiento de este tipo de materiales. no se observan estructuras de abejas. Además, las superficies de fractura de todas las muestras que contienen cera revelan estructuras circulares, que son claramente distintas de las observadas en las superficies originales. Los conocimientos químicos obtenidos sobre las superficies de betún y las estructuras de fase son de fundamental importancia para comprender las diferencias de rendimiento de este tipo de materiales.

1 . Introducción

El betún es un material de ingeniería utilizado principalmente para pavimentación y aplicaciones industriales. Se produce a partir del refinado de ciertos aceites crudos y generalmente consiste en aproximadamente 85% de carbono, 10% de hidrógeno y heteroátomos tales como azufre (0-9%), oxígeno (0-2%) y nitrógeno (0-2%), , así como trazas de metales como vanadio, níquel y hierro [1] . Los elementos mencionados se combinan para formar una variedad infinita de compuestos orgánicos en el betún que varían ampliamente en estructura molecular, tamaño molecular y polaridad. Debido a la dificultad de realizar un análisis químico exacto sobre las especies químicas individuales, es muy común utilizar técnicas de separación para obtener clases de material mejor definidas [2 - 4] . Para las separaciones, existen varios procedimientos estándar, por ejemplo ASTM D 2007 [5]y ASTM D 4124 [6] . Las diferentes fracciones genéricas obtenidas a menudo se denominan de manera diferente, siendo las más comunes Saturados, Aromáticos, Resinas y Asfaltenos, respectivamente, o abreviadas como fracciones SARA [4,7-11]. El análisis SARA también se realiza comúnmente por cromatografía de capa fina con detección de ionización de flam (TLC-FID, conocida como técnica de Iatroscan) [12, 13]. En general, los saturados carecen de grupos funcionales polares y comprenden hidrocarburos alifáticos lineales y ramificados, junto con alquil-naftenos y algunos alquil-aromáticos. Los aromáticos comprenden compuestos nafténicos de bajo peso molecular con cadenas parafínicas, e hidrocarburos aromáticos monocíclicos y policíclicos sustituidos (HAP). Las resinas son solubles en un hidrocarburo definido (por ejemplo, n-heptano) y tienen una composición cercana a la de los asfaltenos pero con un peso molecular más bajo y una relación H / C algo mayor. Los asfaltenos son una clase de componentes de hidrocarburos que se definen típicamente como los componentes insolubles en n-heptano o n-pentano y componentes solubles en tolueno de materiales de petróleo. Como clase de solubilidad, los asfaltenos consisten en una mezcla compleja de muchos compuestos.

La fracción de asfaltenos en materiales de petróleo ha sido objeto de muchas investigaciones [14] . La lista de técnicas aplicadas es muy amplia, desde espectrometría de masas, microscopía electrónica, resonancia magnética nuclear, neutrón de ángulo pequeño y dispersión de rayos X, espectroscopía ultrasónica, dispersión dinámica de luz, espectroscopía de correlación de fluorescencia, despolarización de fluorescencia, osmometría de vapor a gel cromatografía de permeación (GPC) o cromatografía de exclusión de tamaño (SEC) [15]. Como todos estos métodos de ensayo utilizan condiciones de ensayo específicas, después de procedimientos de preparación específicos o en ambientes específicos, por ejemplo fuertemente diluidos en un disolvente, los resultados han sido divergentes y han dado lugar a mucho debate especialmente sobre estructuras y pesos moleculares. Sin embargo, una variedad de medidas consistentes muestran que el peso molecular medio de asfaltenos es aproximadamente 750  g / mol, dentro de un intervalo de 300 a 1400  g / mol [15 - 17] . Dominadamente, hay un núcleo de hidrocarburo aromático policíclico (HAP) por molécula de asfalteno, y las HAP de asfalteno tienen 4 a 10 anillos fusionados [17]. Las propiedades químicas y estructurales básicas de los asfaltenos se han codificado en el modelo Yen modificado (también conocido como modelo Yen-Mullins), en el que hay tres estructuras distintas, a saber, las moléculas de asfalteno, los nanoagregados de asfalteno y los grupos de nanoagregados [16, 18]. ] . Por lo tanto, los asfaltenos de alto peso molecular medidos por ciertas técnicas (por ejemplo, GPC o SEC) podrían atribuirse a la asociación de asfaltenos.

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