相变材料在道路工程中的应用研究进展

陈海洋 廖春

摘要：随着全球能源消耗的增加、气候变暖、环境污染等一系列问题日益严重，节能减排和高效利用能源已成为发展中国家向发达国家过渡的重要标志。间歇式新能源储存和利用是节能减排和提高能源利用效率的重要途径。

关键词：相变材料;道路工程;应用

一、相变材料在道路中应用选择标准

根据相变材料的相变形式可分为固-固相变材料、固-液相相变材料、固-气相相变材料和液-气相相变材料。由于固-气相变材料和液-气相变材料在相变过程中的体积变化较大，因此在道路领域中经常使用固-固、固-液相相变材料。在工程实践中，应综合考虑当地气候条件、道路性能和施工方法，选择合适的相变材料。道路相变材料的选择一般需考虑如下几方面：（1）在适当的相变温度下，高温区沥青路面温度可达40～60℃，而季节性冻结区冬季沥青路面温度一般为-10～10℃。适宜的相变温度可以调节道路温度场，减少气候对道路的破坏;（2）合适的导热性;（3）较高的相变焓值;（4）稳定的化学性质;（5）安全性;（6）较好的体积稳定性;（7）良好的相容性;（8）原材料很容易获得，价格也很便宜。相变材料应用在道路工程中存在过冷、易漏、热循环性能差、影响道路性能等问题，如制备复合构型相变材料是将相变材料应用在道路工程中的可靠途径，使固-液相材料在宏观上出现固-固相变材料，减少了相变材料的泄漏问题，复合成型相变材料通常称为复合相变材料。

二、复合相变材料的制备方法

目前，复合相变材料的制备方法可分为物理混合法、微胶囊法和化学合成法。在道路工程领域，物理搅拌法和微胶囊法是主要的方法。

物理混合法是将PCM与载体材料通过物理混合法融合形成复合PCM，该方法操作简单，成本低。其中，浸渍法（多孔基质吸附法）应用较为广泛，即多孔材料的孔隙被毛细相变材料强制吸附。常用的多孔吸附材料有硅藻土、膨胀珍珠岩、高岭土、膨润土等。经过酸处理或煅烧后，硅藻土的吸附能力会增强。多孔吸附材料粒径越小，吸附性能越好，但渗漏现象越严重，应采用其他包封方法，以减少渗漏的可能性。

微胶囊法基于聚合物微胶囊膜，所述相变材料为了形成核-壳结构的微胶囊，所述微胶囊法能够有效防止泄漏，增加相变材料的导热面积，相变材料防止与相变材料和道路材料直接接触，制备方法可分为物理方法、化学方法和物理方法、化学方法。微胶囊形态有单核、多核、基质、多层等。微胶囊技术的选择取决于对微胶囊规格、壳厚度、热性能、力学性能等方面的需求。溶胶-凝胶法由于其在控制相变材料成分与均匀性上的独特优势而得到应用，其过程是前驱体融于溶剂，溶质与溶剂通过水解或醇解反应形成透明胶体，而后溶胶胶粒通过陈化聚合形成具有三维空间网络的凝胶。部分学者将物理混合法与微胶囊法相结合来制备微胶囊相变材料。

三、复合相变材料的基本性质研究

1.复合相变材料的相变温度与相变焓值

研究相变材料相变温度与相变焓值常用方法是差式扫描量热法、调制差示扫描热法、参比温度曲线法，DSC法与MDSC法只能测量毫克级的试样，结果可能与相变材料实际工作时数据有偏差，T-histo-ry法可测试大块相变材料，测试结果与相变材料实际工作时的结果更为接近。

表1总结了不同学者研究的部分复合相变材料的相变温度与相变焓值。由表1可知，聚乙二醇、硬脂酸适用于调节道路路面的高温，正十二烷、十四烷适用于调节道路路面的低温，其中聚乙二醇和十四烷应用最为广泛。

2.复合相变材料的导热性

复合相变材料的导热性对热能的储能与释放有很大的影响，高导热性可以快速实现相变材料与周围环境的热能交换，低导热性可以增强复合相变材料的保温效果。通过在复合相变材料加入膨胀石墨、碳纳米管等高导热系数材料可以提高导热性能，膨胀石墨吸附性较强且能提升复合相变材料的导热性数20～60倍，碳纳米管在2000～6000W/（m·K）范围内具有较高的导热系数，其密度低、表面积大、稳定性高。但是石墨与碳纳米管等材料成本高且负载能力低，碳化木作为载体材料可实现负载量达73.4%且成本更低，一种低成本、低密度、高负载量、高导热性载体材料。

3.复合相变材料的热稳定性

相变材料的热稳定性影响着道路工程的寿命和长期温度调节能力，常用测试方法有热重分析法和焓值衰减率测试法。相变材料冻融循环后相变温度一般不会改变，相变焓值会小幅度减少，应用于道路的相变材料在长期服役后依旧要维持良好的热循环能力，热稳定性影响材料的寿命。石蜡已被证明具有良好的热稳定性和化学稳定性，目前广泛研究的为烷烃类和脂肪酸的热稳定性。

4.复合相变材料的微观结构

通过分析相变材料的微观结构可以检验相变材料在制备过程中是否发生化学变化，观察载体材料对相变材料的吸附性。常用测试方法有傅里叶红外光谱分析、X射线衍射法、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等。通过分析微胶囊的微观结构，可以检验制备是否成功并观察微胶囊服役过程中的破裂程度。

通过真空浸渍法将聚乙二醇PEG与乙二醇二硬脂酸酯加入陶粒制备复合相变材料，通过SEM观察发现经历100次冻融后相变材料含量明显下降，改用酚醛环氧树脂封装制备出的微胶囊相变材料具有良好热稳定性和储热性能。图2为部分试样的SEM图像，可以看出陶粒作为一种多孔材料对PEG与EDG有良好的吸附作用，EDG的填充与覆盖效果比PEG更明显，其中图2（f）显示由固化的NER交联结构形成的致密封装材料可以有效防止液态相变材料的泄漏。

结束语

PCM在道路工程中的应用，可以通過高温吸热、低温放热，改善极端天气条件对道路结构的破坏。目前，物理搅拌法和微胶囊法是道路工程中制备复合相变材料的主要方法。相变材料较高的焓值和导热系数，可以有效保证相变材料的调节效果。在现有的研究中，聚乙二醇和十四烷分别适用于道路工程的高低温调节。PCM能显著改善道路附近的温度场，降低峰值温度，延缓温度变化，但也会影响沥青混合料的性能，如降低高温变形，提高低温抗裂性能等。

参考文献

[1]沈澄，徐玲玲，李文浩.相变储能材料在建筑节能领域的研究进展[J].材料导报，2015，29（5）：100-104.

[2]林飞鹏，金 娇，郑健龙，等.基于相变材料的调温沥青路面应用研究进展[J].中国材料进展，2017，36（6）：467-472.

[3]谭忆秋，边 鑫，单丽岩，等.路面用潜热材料的制备与调温性能研究[J].建筑材料学报，2013（2）：354-359.