相變材料在道路工程中的應(yīng)用研究進(jìn)展

陳海洋 廖春

摘要：隨著全球能源消耗的增加、氣候變暖、環(huán)境污染等一系列問題日益嚴(yán)重，節(jié)能減排和高效利用能源已成為發(fā)展中國家向發(fā)達(dá)國家過渡的重要標(biāo)志。間歇式新能源儲存和利用是節(jié)能減排和提高能源利用效率的重要途徑。

關(guān)鍵詞：相變材料;道路工程;應(yīng)用

一、相變材料在道路中應(yīng)用選擇標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)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(lǐng)域中經(jīng)常使用固-固、固-液相相變材料。在工程實(shí)踐中，應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l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(dāng)?shù)南嘧儨囟认拢邷貐^(qū)瀝青路面溫度可達(dá)40～60℃，而季節(jié)性凍結(jié)區(qū)冬季瀝青路面溫度一般為-10～10℃。適宜的相變溫度可以調(diào)節(jié)道路溫度場，減少氣候?qū)Φ缆返钠茐?（2）合適的導(dǎo)熱性;（3）較高的相變焓值;（4）穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì);（5）安全性;（6）較好的體積穩(wěn)定性;（7）良好的相容性;（8）原材料很容易獲得，價(jià)格也很便宜。相變材料應(yīng)用在道路工程中存在過冷、易漏、熱循環(huán)性能差、影響道路性能等問題，如制備復(fù)合構(gòu)型相變材料是將相變材料應(yīng)用在道路工程中的可靠途徑，使固-液相材料在宏觀上出現(xiàn)固-固相變材料，減少了相變材料的泄漏問題，復(fù)合成型相變材料通常稱為復(fù)合相變材料。

二、復(fù)合相變材料的制備方法

目前，復(fù)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(xué)合成法。在道路工程領(lǐng)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(fù)合PCM，該方法操作簡單，成本低。其中，浸漬法（多孔基質(zhì)吸附法）應(yīng)用較為廣泛，即多孔材料的孔隙被毛細(xì)相變材料強(qiáng)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(jīng)過酸處理或煅燒后，硅藻土的吸附能力會增強(qiáng)。多孔吸附材料粒徑越小，吸附性能越好，但滲漏現(xiàn)象越嚴(yán)重，應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(xué)方法和物理方法、化學(xué)方法。微膠囊形態(tài)有單核、多核、基質(zhì)、多層等。微膠囊技術(shù)的選擇取決于對微膠囊規(guī)格、殼厚度、熱性能、力學(xué)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(dú)特優(yōu)勢而得到應(yīng)用，其過程是前驅(qū)體融于溶劑，溶質(zhì)與溶劑通過水解或醇解反應(yīng)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(wǎng)絡(luò)的凝膠。部分學(xué)者將物理混合法與微膠囊法相結(jié)合來制備微膠囊相變材料。

三、復(fù)合相變材料的基本性質(zhì)研究

1.復(fù)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(diào)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(jié)果可能與相變材料實(shí)際工作時數(shù)據(jù)有偏差，T-histo-ry法可測試大塊相變材料，測試結(jié)果與相變材料實(shí)際工作時的結(jié)果更為接近。

表1總結(jié)了不同學(xué)者研究的部分復(fù)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(diào)節(jié)道路路面的高溫，正十二烷、十四烷適用于調(diào)節(jié)道路路面的低溫，其中聚乙二醇和十四烷應(yīng)用最為廣泛。

2.復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱性

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

3.復(fù)合相變材料的熱穩(wěn)定性

相變材料的熱穩(wěn)定性影響著道路工程的壽命和長期溫度調(diào)節(jié)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(huán)后相變溫度一般不會改變，相變焓值會小幅度減少，應(yīng)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(huán)能力，熱穩(wěn)定性影響材料的壽命。石蠟已被證明具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，目前廣泛研究的為烷烴類和脂肪酸的熱穩(wěn)定性。

4.復(fù)合相變材料的微觀結(jié)構(gòu)

通過分析相變材料的微觀結(jié)構(gòu)可以檢驗(yàn)相變材料在制備過程中是否發(fā)生化學(xué)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(jié)構(gòu)，可以檢驗(yàn)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(fù)合相變材料，通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷100次凍融后相變材料含量明顯下降，改用酚醛環(huán)氧樹脂封裝制備出的微膠囊相變材料具有良好熱穩(wěn)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(lián)結(jié)構(gòu)形成的致密封裝材料可以有效防止液態(tài)相變材料的泄漏。

結(jié)束語

PCM在道路工程中的應(yīng)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(jié)構(gòu)的破壞。目前，物理攪拌法和微膠囊法是道路工程中制備復(fù)合相變材料的主要方法。相變材料較高的焓值和導(dǎo)熱系數(shù)，可以有效保證相變材料的調(diào)節(jié)效果。在現(xiàn)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(diào)節(jié)。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。

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