本文旨在向中文科研同行介绍一项发表于《Materials》期刊的原创性研究成果。本文将遵循学术报告的规范结构，从研究背景、方法、结果到结论与亮点，系统地阐述该研究的全貌。
本研究的论文题为“Effects of Polyethylene Glycol/Porous Silica Form-Stabilized Phase Change Materials on the Performance of Asphalt Binders”（聚乙二醇/多孔二氧化硅定形相变材料对沥青胶结料性能的影响）。该研究由来自中国多所高校与企业的研究人员共同完成，其中第一作者兼通讯作者是Hao Wang，所属单位包括重庆交通大学（School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University）和中交第一公路勘察设计研究院有限公司（CCCC First Highway Consultants Co., Ltd.）。其他合作者Gui Pan、Lihong He和Ling Zou分别来自越秀（中国）交通基建投资有限公司、重庆交通大学和东南大学。该研究已于2023年7月27日在期刊《Materials》第16卷第15期上正式发表。
本研究属于道路工程与功能材料交叉领域，具体关注沥青路面材料的改性技术。沥青路面因其优良的性能被广泛使用，但其为温度敏感性材料，极端温度会导致其性能退化、使用寿命缩短。特别是高温环境下，沥青路面不仅易产生车辙、老化等病害，其黑色表面大量吸收太阳辐射还会加剧城市热岛效应。传统的沥青改性剂（如纳米材料、聚合物）虽能一定程度上改善性能，但多属于被动应对，且难以有效调控路面温度。因此，开发一种能够主动调节沥青路面温度、同时提升其路用性能的改性技术，具有重要的理论与工程意义。
相变材料能够在其相变过程中吸收或释放大量潜热，从而维持体系温度相对恒定，已在诸多热能存储与温度调控领域得到应用。聚乙二醇作为一种固-液相变材料，具有相变温度适宜、储热密度高、价格低廉、无毒等优点，被认为有望用于沥青路面温度调控。然而，纯PEG在熔融状态会发生泄漏，且已有研究表明，直接将其加入沥青会降低沥青刚度，对高温性能产生负面影响。为解决泄漏问题，一个有效策略是将PEG封装在多孔支撑材料中，制备成定形相变材料。多孔二氧化硅因其优异的热稳定性、阻燃性和丰富的多孔网络结构，是理想的支撑材料候选。
基于此背景，本研究的研究目标明确：首先，以多孔二氧化硅为支撑体、PEG为相变工作物质，制备新型PEG/PS定形相变材料；其次，系统表征其热物性、化学结构与形态稳定性；最后，将其作为改性剂掺入沥青，全面评价其对沥青胶结料常规物理性能、高低温流变性能、储存稳定性及温度调控性能的影响，并探寻最优掺量。
本研究工作流程清晰，主要包含两大阶段：PEG/PS-FS-PCMs的制备与表征，以及改性沥青的制备与性能测试。
第一阶段：PEG/PS-FS-PCMs的制备、表征与性能评估 1. 材料制备：采用溶胶-凝胶法制备PEG/PS-FS-PCMs。具体步骤为：将硅溶胶与PEG在室温下混合搅拌至完全溶解，随后逐渐加入少量氢氧化钠作为促凝剂，引发硅溶胶凝胶化。混合物持续搅拌10-15分钟直至凝胶过程完成。研究尝试了PEG与PS质量比分别为9:1、8:2、7:3和6:4的复合材料，并通过在85°C烘箱中放置数小时进行泄漏测试，以确定PEG的最大负载比例。 2. 表征与性能测试：对所制备的复合材料及纯PEG进行了系统的表征。 * 形态表征（SEM）：使用扫描电子显微镜观察纯PEG和PEG/PS-FS-PCMs的微观形貌。 * 定形稳定性测试（泄漏测试）：将纯PEG和PEG/PS-FS-PCMs在90°C烘箱中加热1小时，用数码相机记录其形态变化和是否发生泄漏。 * 化学结构分析（FT-IR）：利用傅里叶变换红外光谱仪在室温下分析纯PEG、PS以及PEG/PS-FS-PCMs的化学结构，判断PEG与PS之间是物理结合还是发生了化学反应。 * 热性能分析（DSC）：采用差示扫描量热仪在氮气氛围下，以10°C/min的升温/降温速率，在20°C至90°C范围内测试样品的熔融与凝固温度、相变潜热。 * 热稳定性分析（TGA）：通过热重分析仪在30-600°C氮气氛下评估样品的热稳定性，记录起始分解温度和最大分解速率温度。
第二阶段：PEG/PS-FS-PCM改性沥青的制备与综合性能评价 1. 改性沥青制备：采用高速剪切熔融共混法制备改性沥青。将基质沥青在165°C熔化，在3000 rpm的剪切速率下，逐步加入PEG/PS-FS-PCMs，持续剪切30分钟以确保均匀分散。制备了PEG/PS-FS-PCMs掺量分别为0%（基质沥青对照）、5%、10%、15%和20%（质量分数）的系列改性沥青样品。 2. 性能测试方法：对系列改性沥青样品进行了全方位的性能测试。 * 常规物理性能测试：依据中国规范JTG E20，测试了沥青的软化点（T0606）、25°C针入度（T0604）和15°C延度（T0605），以评估其硬度、高温稳定性和低温延展性。 * 高温流变性能测试（DSR）：依据美国AASHTO T-315标准，使用动态剪切流变仪，在52°C至76°C温度范围内（每6°C一个测试点），频率10 rad/s条件下，测试复数剪切模量（G）和相位角（δ），并计算车辙因子（G/sinδ）以评价抗永久变形能力。通过线性拟合log(G*/sinδ)与温度的关系，外推得到失效温度。 * 低温流变性能测试（BBR）：依据美国AASHTO T313标准，使用弯曲梁流变仪，在-12°C和-18°C下测试沥青梁的蠕变劲度（S）和蠕变速率（m值），以评价低温抗开裂性能。 * 储存稳定性测试：采用改进方法评价。将样品倒入玻璃管密封，垂直放置于烘箱中一定时间后，分别测量顶部和底部样品的导热系数，以两者差值来表征因密度差异导致的相分离程度。 * 温度调节性能测试：搭建室内辐照实验系统。使用400W太阳光模拟器作为光源，采用配备热电偶的温度记录仪，实时记录不同改性沥青样品在持续辐照下的温度-时间变化曲线，直观比较其温控效果。
第一阶段结果： 1. 形态与稳定性：SEM图像显示，纯PEG表面平整光滑，而PEG/PS-FS-PCMs中，PEG分子被吸收进入了PS的多孔网络结构，大部分孔隙被填充。泄漏测试结果清晰表明，纯PEG在90°C加热1小时后完全熔融泄漏，而所有PEG/PS-FS-PCMs均能保持原有形状，无任何泄漏，证明了PS多孔结构的有效封装作用。实验确定，当PEG负载比例不高于70%（质量分数）时，复合材料可保持优异的形状稳定性。 2. 化学结构：FT-IR谱图显示，PEG/PS-FS-PCMs的特征峰几乎与纯PEG一致，并未出现新的特征峰。这表明PEG与PS之间仅发生了物理吸附和填充，未产生化学键合，这对于保持PEG本身的相变特性至关重要。 3. 热性能：DSC测试结果表明，纯PEG的熔融温度为61.2°C，凝固温度为34.9°C，熔融潜热和凝固潜热分别为182.4 J/g和171.3 J/g。PEG/PS-FS-PCMs的熔融温度（61.5°C）与纯PEG相近，但凝固温度略有降低（33.8°C），这可能是PS多孔网络的体积限制效应所致。其熔融潜热和凝固潜热分别为121.6 J/g和114.7 J/g，虽因PS的加入导致PEG质量分数下降而低于纯PEG，但其潜热值仍高于许多文献报道的FS-PCMs，且相变温度与夏季沥青路面易发生变形的温度区间吻合，具备应用于热拌沥青的潜力。 4. 热稳定性：TGA分析显示，纯PEG的起始分解温度约为311.2°C，在388.4-407.8°C区间发生急剧失重（96.7%）。PEG/PS-FS-PCMs的热分解曲线更为平缓，其起始分解温度（314.5°C）和最大分解速率温度（410.9°C）均略高于纯PEG，表明PS的引入提升了复合材料的热稳定性，足以耐受高达185°C的沥青混合料拌和温度。
第二阶段结果： 1. 常规物理性能：随着PEG/PS-FS-PCMs掺量增加，改性沥青的针入度几乎线性下降（掺量20%时降低10.3%），软化点几乎线性上升（掺量20%时升高15.8%）。这表明改性剂增加了沥青的粘度和硬度，从而提升了其高温稳定性。然而，沥青在15°C的延度值显著下降（掺量20%时降低60.6%），说明改性剂对沥青的低温延展性产生了不利影响，这归因于沥青硬度和刚度的增加。 2. 高温流变性能（DSR）：所有样品的车辙因子G/sinδ均随温度升高而下降，表现出典型的温度依赖性。在相同温度下，G/sinδ值随PEG/PS-FS-PCMs掺量增加而显著增大。例如在64°C时，掺量10%和20%的改性沥青G*/sinδ较基质沥青分别提高了52.3%和125.7%。通过外推得到的失效温度也从基质沥青的68.1°C提高至掺量20%时的82.2°C。这强有力地证明，PEG/PS-FS-PCMs能显著增强沥青胶结料的高温抗车辙能力。原因可能包括：改性剂颗粒吸附沥青中的轻质组分，以及其在相变过程中吸收热量，降低了沥青实际承受的温度。 3. 低温流变性能（BBR）：在-12°C和-18°C下，随着PEG/PS-FS-PCMs掺量增加，改性沥青的蠕变劲度（S）值增大，蠕变速率（m）值略有减小。这表明改性剂的加入使沥青在低温下变得更硬、应力松弛能力略有下降，低温抗裂性能有所削弱。作者认为，这主要是因为PEG/PS-FS-PCMs主要充当填充料作用，削弱了沥青分子间的内聚力，阻碍了沥青的延展。但所有样品在测试温度下的S值和m值均满足Superpave规范要求（S < 300 MPa， m > 0.3）。 4. 储存稳定性：基质沥青顶部和底部的导热系数非常接近（0.154 vs. 0.152 W/m·K），状态稳定。加入PEG/PS-FS-PCMs后，改性沥青的整体导热系数升高，传热性能改善。但随着掺量增加，样品顶部与底部导热系数的差异逐渐变大（掺量10%和20%时差值分别增加0.007和0.016 W/m·K）。这是由于改性剂与沥青之间存在密度差，在高温静置过程中，部分改性剂颗粒会上浮聚集在顶部，导致相分离。结果表明，高掺量的PEG/PS-FS-PCMs会对改性沥青的储存稳定性产生负面影响。 5. 温度调节性能：室内辐照实验的温升曲线清晰显示，在辐照初期，所有沥青样品温升速率相近。当温度达到PEG/PS-FS-PCMs的熔融点附近时，改性沥青的温升曲线出现明显拐点，升温速率显著放缓，这是由于PCM发生固-液相变吸收了大量热量。改性剂的温控效果与其掺量正相关，掺量越高，控温效果越显著。辐照结束时，掺量20%的改性沥青相比基质沥青的最高温度降低了6.4°C，证明了其有效的温度缓冲与调控能力。
本研究成功制备了以多孔二氧化硅为支撑体、PEG为相变物质的定形相变材料（PEG/PS-FS-PCMs）。该材料具有高达70%的PEG负载率、优异的热稳定性、适宜的相变温度和较高的储热密度，且在90°C下无泄漏，满足沥青混合料拌和工艺要求。
将其应用于沥青改性后，研究得出以下核心结论：PEG/PS-FS-PCMs的加入能够有效提高沥青胶结料的粘度、硬度和高温稳定性（表现为针入度降低、软化点升高、车辙因子和失效温度显著提升），从而增强其抗永久变形能力。同时，改性沥青表现出良好的温度调节功能，能通过相变吸热有效延缓路面温升，对缓解沥青路面高温病害和城市热岛效应具有潜在应用价值。然而，改性剂也会对沥青的低温延展性和低温流变性能产生一定的负面影响，并因密度差异影响改性沥青的储存稳定性。
因此，该研究的核心应用价值在于指出：要获得综合性能优异的PEG/PS-FS-PCM改性沥青胶结料，关键在于确定改性剂的最优掺量。需要在提升的高温性能、温度调控能力与可能受损的低温性能、储存稳定性之间寻求最佳平衡点。这为未来开发智能温控沥青路面材料提供了重要的实验依据和配方设计指导。
本研究在测试方法上也有所创新。例如，在储存稳定性测试中，并未采用传统的软化点差法，而是创造性地通过测量改性沥青试管顶部和底部样品的导热系数差异来量化相分离程度，为评价此类非均相改性沥青的储存稳定性提供了一种新的思路。此外，详实的实验数据和清晰的图表（文中虽未展示但可推断）为同行复现实验和深入分析提供了良好基础。