Aufgedeckte Strukturen

Mit einer hochentwickelten Analysemethode entschlüsseln Forscher von Nynas die chemische Struktur von Bitumen. Dr. Xiaohu Lu erläutert, wie TOF-SIMS zur Analyse der Oberflächenstruktur von Bitumen genutzt wird.

Dank Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) ist es gelungen, die chemische Zusammensetzung und Strukturen von Bitumenoberflächen zu beschreiben. Dabei haben wir wachsfreies, naturwachshaltiges und künstlich mit Wachs angereichertes Bitumen verglichen“, erklärt Dr. Xiaohu Lu, Senior Technical Specialist und Leiter mehrerer Bitumen-Forschungsprojekte bei Nynas.

Mit dem TOF-SIMS-Projekt konnten die Forscher tiefer in einige der Fragen eintauchen, die die chemischen Strukturen verschiedener Bitumenarten und ihrer Bestandteile betreffen. Der spektroskopische Blick auf die Oberflächenstruktur von Bitumen erlaubt nun Rückschlüsse auf die Rolle des Wachses.

Die Forscher stellten fest, dass die Strukturen, die sich an der Bitumenoberfläche bilden, mit dem Wachsgehalt in Zusammenhang stehen. Sie beobachteten, dass sich das Wachs an der Oberfläche anreichert und absetzt, was Einblicke in die damit verbundenen Phasentrennungsphänomene gewährt.

Dr Xiaohu LuSenior Technical Specialist, leitet verschiedene Nynas F&E-Projekte zu Bitumen und bitumenhaltigen Materialien. Bevor er 2002 zu Nynas kam, war er Associate Professor an der Königlich Schwedischen Technischen Hochschule (KTH) in Stockholm, wo er zuvor im Fach Fernstraßenbau promoviert hatte.

„Die Oberfläche von wachsfreiem Bitumen ist durch eine homogene Verteilung ohne chemische Variationen oder Phasenstrukturen gekennzeichnet. Wird es mit natürlichem Wachs versetzt, setzt sich dieses an der Oberfläche ab“, erklärt Dr. Lu.

Der Abscheidungsprozess unterscheidet sich jedoch von dem, der bei Bitumen mit natürlichem Wachsgehalt auftritt. Dort bilden sich regelmäßig die sogenannten „Bienenstrukturen“ – längliche, klar definierte Strukturen, die den Streifen einer Biene ähneln. Bei Bitumen mit zugesetztem Wachs tritt dieses Phänomen nicht auf.

„Diese Erkenntnisse werden uns dabei helfen, Unterschiede in der Leistungsfähigkeit von Bitumen zu bestimmen. Aufbauend auf unserer ersten Studie arbeiten wir jetzt mit TOF-SIMS, um die Effekte der Alterung genauer zu untersuchen“, so Dr. Lu.

Oberflächenanalyse

TOF-SIMS wird genutzt, um chemische Informationen über die Oberfläche einer Probe zu erhalten. Analysiert werden die Sekundärionen, die nach der Beschießung mit stark geladenen Primärionen austreten. Das Auftreffen der Primärionen auf die Probe resultiert in der Emission einer Vielzahl von Teilchen. Die meisten von ihnen, z. B. Atome, Moleküle und Teilmoleküle, sind neutral. Einige treten jedoch als positiv oder negativ geladene Ionen aus.

Diese Sekundärionen werden mit dem Massenspektrometer analysiert, um ein „Bild“ von der Oberfläche zu erstellen. Durch Scannen des primären Ionenstrahls über der Probenoberfläche werden von jedem Pixel im untersuchten Bereich separate Massenspektren gewonnen. Diese enthalten Informationen in Submikron-Auflösung, die sich auf verschiedene Weise darstellen lassen.

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