脲醛樹脂相變微膠囊的制備與融雪性能研究

關(guān)鍵詞：相變微膠囊；脲醛樹脂；納米 Al₂O₃ ；融雪性能中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-0935（2025）07-01097-04

近年來國(guó)內(nèi)一些高等院校開始對(duì)鹽化物自融雪瀝青路面展開研究。張麗娟等[1-2]認(rèn)為，添加Mafilon外加劑可以改善自融雪瀝青路面的路用性能和施工性能。崔龍錫[3]的研究結(jié)果表明，添加V-260后的自融雪瀝青路面，可以通過外摻抗凝冰劑的方式，將鹽化物瀝青混合料方便地應(yīng)用于各種類型的配比設(shè)計(jì)，無需進(jìn)行特殊調(diào)整。除冰融雪技術(shù)中，除了要保持瀝青混合料的路用性能外，抗凝冰改性劑的長(zhǎng)效性也是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題[4]。為了確保抗凝冰劑在冬季具備融雪化冰功能且不在夏季流失，可以添加相變微膠囊來實(shí)現(xiàn)，即利用相變材料釋放的潛熱來加熱道路[5]，從而減少冰雪的堆積。將相變材料微膠囊化，然后與乳化瀝青等復(fù)合，制備出相變微膠囊復(fù)合涂料。這種涂料可以通過噴涂的方式應(yīng)用到路面上，用來抗凝冰和融雪[。這種方法既解決了相變材料直接使用容易泄漏和腐蝕等問題，又解決了直接將相變材料加入瀝青集料會(huì)降低路面壽命的問題。這種技術(shù)對(duì)相變材料在抗凝冰融雪方面的應(yīng)用具有重要意義。

殼材料多種多樣，包括三聚氰胺脲醛、聚酰胺、明膠/阿拉伯膠、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅、二氧化鈦、氧化錫等[7]。脲醛樹脂具有可觀的韌性和強(qiáng)度，并表現(xiàn)出較高的阻隔性。FARNAM等[8在研究中發(fā)現(xiàn)，正十四烷具有 -10～10°C 的熔融相變溫度和 220J?g^-1 的相變潛熱，是一種較為理想的相變材料。

采用脲醛樹脂和十四烷原位聚合制備了相變微膠囊，研究了其在融冰雪能力方面的表現(xiàn)

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1微膠囊的制備

1.1.1 預(yù)聚體的制備

將尿素、三聚氰胺和甲醛水溶液按照 1：3：10 的物質(zhì)的量比放入燒杯中，隨后滴加氨水調(diào)節(jié) pH 至8，在65 C 下持續(xù)攪拌直至溶液透明，攪拌速度為600r?min^-1 ，制備出預(yù)聚體后待其冷卻至常溫備用。

1.1.2 納米 Al₂O₃ 改性預(yù)聚物

先在燒杯中按照 1：3：10 的物質(zhì)的量比分別加人尿素、三聚氰胺和甲醛水溶液，然后分別加入0，1% 、 3% 的納米 Al₂O₃ 。接著滴加氨水將溶液的pH調(diào)節(jié)為8，在65 °C 下恒溫?cái)嚢?，直至溶液透明。攪拌的速度?600r?min^-1 ，這樣就得到了改性預(yù)聚體。

1.1.3 芯材的乳化

將正十四烷與水按體積比 1：8 混合，分別加人 3% ！ 5% 、 7% 1 9% 的SDS，在65 C 下恒溫?cái)嚢?h ，攪拌速度為 2000r?min^-1 ，得到乳化后的芯材。

1.1.4相變微膠囊的制備

將預(yù)聚體和乳化后的芯材按照質(zhì)量比 1：1 混合，然后向溶液中滴加乙酸以調(diào)節(jié) pH=3～4 ，接著在65 C 下恒溫?cái)嚢?3h ，攪拌速度為 2000r?min^-1 目。在完成反應(yīng)時(shí)間后，滴加氨水以調(diào)節(jié) pH 至8.0左右，停止聚合反應(yīng)，得到相變微膠囊懸濁液。將懸濁液進(jìn)行抽濾，用去離子水沖洗并放在 70°C 的烘箱中干燥至恒重，即可得到相變微膠囊。

1.2 涂層的防凍融雪實(shí)驗(yàn)

1）使用直接混合法，將相變微膠囊與乳化瀝青按照 10：1 的質(zhì)量比混合，獲得復(fù)合涂料。

2）將一個(gè)尺寸為 0.4m×0.4m 的路面試件分成4等份，其中1份留空，另外3份分別涂刷8、16、 的相變微膠囊抗凝冰融雪涂料，每平方米分別按0、200、400、 600g 涂刷。

3）將涂刷好的樣品放置在恒溫環(huán)境中，并降低溫度以使其從室溫降至 。將冰塊經(jīng)碎冰機(jī)細(xì)碎處理，然后迅速均勻地撒布在試件表面，觀察不同涂料涂刷量對(duì)融雪效果的影響。

1.3抗凝冰性能實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試相變微膠囊涂層的抗凝冰能力，在恒溫室內(nèi)使用噴壺噴冷水模擬凍雨，觀察試件表面的結(jié)冰情況并記錄試件質(zhì)量。這樣可以驗(yàn)證這種涂層在冬春季節(jié)雨后低溫結(jié)冰和凍雨天氣中的效果。方法如下[9]：

1）將恒溫室的溫度設(shè)定為 ，等待恒溫室內(nèi)的溫度達(dá)到設(shè)定值后，把2塊瀝青路面試件放入恒溫室內(nèi)。其中1塊瀝青路面試件涂刷了相變微膠囊抗凝冰融雪涂層，另1塊是空白作為對(duì)照，記錄下2塊試件的質(zhì)量。

2）將過冷水倒入噴壺后，使用噴壺對(duì)2塊樣板試件均勻噴水，噴嘴進(jìn)行霧化，每隔 10min 噴1次，過冷水的質(zhì)量為 500g ，按壓同等次數(shù)，每噴2次稱量一次試件的質(zhì)量并記錄下來。

1.4循環(huán)融雪性能實(shí)驗(yàn)

將被積雪覆蓋的試件取走，放在室內(nèi) 12h 后再次置于室外，以測(cè)試相變微膠囊涂料的循環(huán)使用性能[10]。

2 結(jié)果和討論

2.1納米氧化鋁對(duì)相變微膠囊外觀特征的影響

在不同 Al₂O₃ 添加量下制備的十四烷相變微膠囊進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)不斷增加納米級(jí) Al₂O₃ 的添加量時(shí)，顆粒的尺寸逐漸變大。大多數(shù)相變微膠囊呈現(xiàn)球形形狀，且表面光滑但帶有一些微小孔隙，部分微囊會(huì)出現(xiàn)凹陷、破損或者黏結(jié)的情況。未添加納米級(jí) Al₂O₃ 的相變微膠囊存在許多凹陷和損傷，添加納米級(jí) Al₂O₃ 后，微膠囊凹陷和破損有所減少，表面更加平滑和致密。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，微膠囊的粒徑會(huì)隨著添加納米級(jí)Al₂O₃ 而增加，當(dāng)添加量為壁材質(zhì)量的 3% 時(shí)，微膠囊形態(tài)最佳，并且凹陷、破損、黏結(jié)等情況最少。

2.2乳化劑摻量對(duì)微膠囊性能的影響

SDS摻量分別為芯材質(zhì)量的 3%.5%.7% 和 9% 在65 C 下反應(yīng) ^2h ，攪拌速度為 3 000r?min^-1 ，其余條件均保持不變，考察了乳化劑摻量對(duì)微膠囊性能的影響，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，SDS摻量為 3% 時(shí)，未形成規(guī)則的球形顆粒，殼體表面出現(xiàn)相互凝聚的現(xiàn)象。SDS摻量為 5% 時(shí)，微膠囊的殼體開始呈現(xiàn)出規(guī)則的球形團(tuán)聚，然而球體外部還會(huì)有樹脂沉積。SDS摻量達(dá)到 7% 時(shí)，微膠囊會(huì)形成均勻的球形結(jié)構(gòu)，使得表面樹脂堆積減少，整體平整性提高。SDS摻量達(dá)到9% 時(shí)，微膠囊會(huì)出現(xiàn)互相聚集的現(xiàn)象。原因主要是由于SDS摻量不足，導(dǎo)致芯材無法完全包裹，進(jìn)而導(dǎo)致無法完全分散，使得殼材直接在芯材表面聚合最終導(dǎo)致了圖表中所展示的團(tuán)聚現(xiàn)象。隨著SDS摻量的增加，形成的小液滴體積減小，減少了相互碰撞概率，使得分散體系更加穩(wěn)定，減輕了預(yù)聚體的沉積，殼體結(jié)構(gòu)更加平滑，最終形成圓潤(rùn)的球形顆粒。SDS摻量過高導(dǎo)致分散體系黏度升高，可能導(dǎo)致氣泡生成、降低剪切力，造成芯材分散不均勻，呈現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。

2.3涂料涂刷量對(duì)融雪效果的影響

不同時(shí)間后試樣表面融雪的情況如圖所示，a部分沒有涂刷，b部分的涂刷量為 16g ，c部分的涂刷量為 32g ，d部分的涂刷量為 。如圖3所示。

由圖3可以看出，在覆雪 0.5h 后，實(shí)驗(yàn)材料的b部位和c部位的冰面顏色變暗，其中 ?_c 部位的情況更加明顯，呈現(xiàn)半透明狀態(tài)，這表明這2個(gè)位置的冰面正在融化。經(jīng)過 1.5h 后，c部分可透過冰面看到試件表面，但并未完全融化，而b、d部分則均有輕微的融化痕跡。 2h 時(shí)后，c部分表面已經(jīng)完全露出，a、d部分的效果不如 b 部分明顯，同時(shí)由于邊角處換熱面積較大等其他因素融去部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，涂刷量影響融雪效果，即與融雪核心料微膠囊的量相關(guān)。c部分具有一定的除冰雪效果，即以 0.6kg^.m^-2 涂刷的抗凝冰融雪涂層具有一定的除冰融雪效果。

2.4抗凝冰性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在 -5°C 恒溫室中，對(duì)試件進(jìn)行1h的抗凝冰實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，經(jīng)過1h的噴淋實(shí)驗(yàn)后，空白試件表面結(jié)上了薄冰，而涂有復(fù)合涂料的試件表面沒有結(jié)冰，這表明微膠囊復(fù)合涂料具有一定的抗凝冰效果。

將2塊試件在恒溫室中放置 ^2h ，每隔 30min 測(cè)一次的試件質(zhì)量增長(zhǎng)情況，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，在最初的 30min 內(nèi)，2塊試件的質(zhì)量漲幅比后續(xù)階段更大，這是由于試件具有吸水特性，使得試件表面被完全干燥的瀝青吸收水分。噴壺噴出的水分在這個(gè)階段起到濕潤(rùn)試件的作用。然而，由于涂層的疏水性，涂有相變微膠囊抗凝冰融雪涂層的試件的質(zhì)量增長(zhǎng)少于普通試件。30min后，2塊試件的質(zhì)量增長(zhǎng)速度開始有所不同。1h后，普通瀝青路面試件的質(zhì)量增長(zhǎng)速度有所減緩，但與涂刷了微膠囊涂層的試件樣板相比，仍然有顯著增長(zhǎng)。這是因?yàn)樗衷谠嚰砻婺Y(jié)成冰，增加了試件的質(zhì)量；而涂刷了微膠囊抗凝冰融雪涂層的試件，由于相變材料的作用，試件表面未達(dá)到冰點(diǎn)溫度，吸收了水分后水流出試件，導(dǎo)致質(zhì)量增長(zhǎng)較少。 90min 后普通試件質(zhì)量增長(zhǎng)較小。這是因?yàn)槠胀ㄔ嚰谋砻嬉呀?jīng)結(jié)冰，導(dǎo)致表面摩擦力減小，而水還沒來得及在表面凝結(jié)就已經(jīng)流到地面。相變微膠囊涂層的試件經(jīng)過 90min 后開始出現(xiàn)輕微質(zhì)量增加的現(xiàn)象，這是因?yàn)橄嘧兾⒛z囊吸收熱量后儲(chǔ)存熱量的能力有限。

2.5 循環(huán)融雪實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)相變微膠囊涂層的循環(huán)融雪性能，將2塊之前使用過的試件放在室內(nèi) 24h 后移到室外，以觀察相變微膠囊涂料的循環(huán)融雪性能，左邊是空白試件，右邊是涂刷了復(fù)合涂料的試件，此時(shí)降雪情況為中雪，每 30min 觀察一次，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，涂刷了相變微膠囊涂層的試件在降雪前期展現(xiàn)出了一定的融雪效果。經(jīng)過90min ，積雪已接近掩蓋試件，但微膠囊涂層仍然保持一定的融雪效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相變微膠囊抗凝冰融雪涂層具有可重復(fù)使用性，但在長(zhǎng)期低溫環(huán)境下，由于吸收的熱量有限，會(huì)失去融雪的功能。

3結(jié)論

1）盡管加入納米級(jí)AlO3作為改性劑會(huì)使微膠囊的粒徑有所增大，但這種改性劑可以使微膠囊的表面更加光滑，粒徑更均勻，從而提高相變微膠囊的韌性和連續(xù)性。

2）當(dāng)SDS摻量為 7% 時(shí)，微膠囊將形成均勻的球形結(jié)構(gòu)，同時(shí)表面樹脂的堆積量較少，從而提升其平整性。

3）相變微膠囊抗凝冰融雪涂料在 0.6kg?m^-2 的涂刷量下，表現(xiàn)出顯著的融雪能力。

4）相變微膠囊抗凝冰融雪涂料可在-5℃的環(huán)境中， 90min 內(nèi)可以有效地達(dá)到融雪效果，并且在適當(dāng)?shù)臈l件下，只需一次涂刷就可以多次融化積雪。

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Study on Preparation and Snow Melting Properties of Urea-Formaldehyde Resin Phase Change Microcapsules

LI Xiang， ZHAO Su （ShenyangJianzhu University，ShenyangLiaoning11o168，China）

Abstract： Usingurea-formaldehydersinas wallmaterialn-tetradecane ascore materialodim dodecysulfate（SD）as ulsifier modified phase change microcapsule snow melting coating was prepared by in-situ polymerization. The efect of nano ?Al₂O₃ on the surfacemorphologyofmicrocapsulesandtheefectofemulsifieraditiononthe propertiesofmicrocapsuleswerestudiedTheresults showed that when 3% nano- .Al₂O₃ was added to the wall material， the morphology of phase change microcapsules was the best， and the phenomena such as depression， damage and adhesion were the least. When mass fraction of SDS was 7% ，the microcapsules could formauniform spherical structure，and the resin acumulationonthe surface was reduced and the flatness Was improved. 0.6kg?m^-2 phase change microcapsule anti-frezing and snow melting coating had acertain snow melting effect. Intheenvironmentof -5°C ， thephasechange microcapsuleanti-freezingand snow-meltingcoatingcould efectivelypreventthesurfaceofthe specimen from freezing，and undercertain conditions，itcould melt snow for many times after brushing the coating once，lasting for 90min Kev words： Phase change microcapsule： Urea formaldehvde resin： Nano Al₂O₃ ： Snow melting performance