相變材料在道路工程中的應用研究進展

陳海洋 廖春

摘要：隨著全球能源消耗的增加、氣候變暖、環境污染等一系列問題日益嚴重，節能減排和高效利用能源已成為發展中國家向發達國家過渡的重要標志。間歇式新能源儲存和利用是節能減排和提高能源利用效率的重要途徑。

關鍵詞：相變材料;道路工程;應用

一、相變材料在道路中應用選擇標準

根據相變材料的相變形式可分為固-固相變材料、固-液相相變材料、固-氣相相變材料和液-氣相相變材料。由于固-氣相變材料和液-氣相變材料在相變過程中的體積變化較大，因此在道路領域中經常使用固-固、固-液相相變材料。在工程實踐中，應綜合考慮當地氣候條件、道路性能和施工方法，選擇合適的相變材料。道路相變材料的選擇一般需考慮如下幾方面：（1）在適當的相變溫度下，高溫區瀝青路面溫度可達40～60℃，而季節性凍結區冬季瀝青路面溫度一般為-10～10℃。適宜的相變溫度可以調節道路溫度場，減少氣候對道路的破壞;（2）合適的導熱性;（3）較高的相變焓值;（4）穩定的化學性質;（5）安全性;（6）較好的體積穩定性;（7）良好的相容性;（8）原材料很容易獲得，價格也很便宜。相變材料應用在道路工程中存在過冷、易漏、熱循環性能差、影響道路性能等問題，如制備復合構型相變材料是將相變材料應用在道路工程中的可靠途徑，使固-液相材料在宏觀上出現固-固相變材料，減少了相變材料的泄漏問題，復合成型相變材料通常稱為復合相變材料。

二、復合相變材料的制備方法

目前，復合相變材料的制備方法可分為物理混合法、微膠囊法和化學合成法。在道路工程領域，物理攪拌法和微膠囊法是主要的方法。

物理混合法是將PCM與載體材料通過物理混合法融合形成復合PCM，該方法操作簡單，成本低。其中，浸漬法（多孔基質吸附法）應用較為廣泛，即多孔材料的孔隙被毛細相變材料強制吸附。常用的多孔吸附材料有硅藻土、膨脹珍珠巖、高嶺土、膨潤土等。經過酸處理或煅燒后，硅藻土的吸附能力會增強。多孔吸附材料粒徑越小，吸附性能越好，但滲漏現象越嚴重，應采用其他包封方法，以減少滲漏的可能性。

微膠囊法基于聚合物微膠囊膜，所述相變材料為了形成核-殼結構的微膠囊，所述微膠囊法能夠有效防止泄漏，增加相變材料的導熱面積，相變材料防止與相變材料和道路材料直接接觸，制備方法可分為物理方法、化學方法和物理方法、化學方法。微膠囊形態有單核、多核、基質、多層等。微膠囊技術的選擇取決于對微膠囊規格、殼厚度、熱性能、力學性能等方面的需求。溶膠-凝膠法由于其在控制相變材料成分與均勻性上的獨特優勢而得到應用，其過程是前驅體融于溶劑，溶質與溶劑通過水解或醇解反應形成透明膠體，而后溶膠膠粒通過陳化聚合形成具有三維空間網絡的凝膠。部分學者將物理混合法與微膠囊法相結合來制備微膠囊相變材料。

三、復合相變材料的基本性質研究

1.復合相變材料的相變溫度與相變焓值

研究相變材料相變溫度與相變焓值常用方法是差式掃描量熱法、調制差示掃描熱法、參比溫度曲線法，DSC法與MDSC法只能測量毫克級的試樣，結果可能與相變材料實際工作時數據有偏差，T-histo-ry法可測試大塊相變材料，測試結果與相變材料實際工作時的結果更為接近。

表1總結了不同學者研究的部分復合相變材料的相變溫度與相變焓值。由表1可知，聚乙二醇、硬脂酸適用于調節道路路面的高溫，正十二烷、十四烷適用于調節道路路面的低溫，其中聚乙二醇和十四烷應用最為廣泛。

2.復合相變材料的導熱性

復合相變材料的導熱性對熱能的儲能與釋放有很大的影響，高導熱性可以快速實現相變材料與周圍環境的熱能交換，低導熱性可以增強復合相變材料的保溫效果。通過在復合相變材料加入膨脹石墨、碳納米管等高導熱系數材料可以提高導熱性能，膨脹石墨吸附性較強且能提升復合相變材料的導熱性數20～60倍，碳納米管在2000～6000W/（m·K）范圍內具有較高的導熱系數，其密度低、表面積大、穩定性高。但是石墨與碳納米管等材料成本高且負載能力低，碳化木作為載體材料可實現負載量達73.4%且成本更低，一種低成本、低密度、高負載量、高導熱性載體材料。

3.復合相變材料的熱穩定性

相變材料的熱穩定性影響著道路工程的壽命和長期溫度調節能力，常用測試方法有熱重分析法和焓值衰減率測試法。相變材料凍融循環后相變溫度一般不會改變，相變焓值會小幅度減少，應用于道路的相變材料在長期服役后依舊要維持良好的熱循環能力，熱穩定性影響材料的壽命。石蠟已被證明具有良好的熱穩定性和化學穩定性，目前廣泛研究的為烷烴類和脂肪酸的熱穩定性。

4.復合相變材料的微觀結構

通過分析相變材料的微觀結構可以檢驗相變材料在制備過程中是否發生化學變化，觀察載體材料對相變材料的吸附性。常用測試方法有傅里葉紅外光譜分析、X射線衍射法、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等。通過分析微膠囊的微觀結構，可以檢驗制備是否成功并觀察微膠囊服役過程中的破裂程度。

通過真空浸漬法將聚乙二醇PEG與乙二醇二硬脂酸酯加入陶粒制備復合相變材料，通過SEM觀察發現經歷100次凍融后相變材料含量明顯下降，改用酚醛環氧樹脂封裝制備出的微膠囊相變材料具有良好熱穩定性和儲熱性能。圖2為部分試樣的SEM圖像，可以看出陶粒作為一種多孔材料對PEG與EDG有良好的吸附作用，EDG的填充與覆蓋效果比PEG更明顯，其中圖2（f）顯示由固化的NER交聯結構形成的致密封裝材料可以有效防止液態相變材料的泄漏。

結束語

PCM在道路工程中的應用，可以通過高溫吸熱、低溫放熱，改善極端天氣條件對道路結構的破壞。目前，物理攪拌法和微膠囊法是道路工程中制備復合相變材料的主要方法。相變材料較高的焓值和導熱系數，可以有效保證相變材料的調節效果。在現有的研究中，聚乙二醇和十四烷分別適用于道路工程的高低溫調節。PCM能顯著改善道路附近的溫度場，降低峰值溫度，延緩溫度變化，但也會影響瀝青混合料的性能，如降低高溫變形，提高低溫抗裂性能等。

參考文獻

[1]沈澄，徐玲玲，李文浩.相變儲能材料在建筑節能領域的研究進展[J].材料導報，2015，29（5）：100-104.

[2]林飛鵬，金 嬌，鄭健龍，等.基于相變材料的調溫瀝青路面應用研究進展[J].中國材料進展，2017，36（6）：467-472.

[3]譚憶秋，邊 鑫，單麗巖，等.路面用潛熱材料的制備與調溫性能研究[J].建筑材料學報，2013（2）：354-359.