该研究由Muhammad Rafiq Kakar、Zakariaa Refa、Jörg Worlitschek、Anastasia Stamatiou、Manfred N. Partl和Moises Bueno共同完成，作者单位分别为瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）和卢塞恩应用科学与艺术大学。研究成果于2019年发表在学术期刊《Composites Part B》上。
本研究的学术背景立足于道路工程材料科学领域，具体聚焦于沥青结合料的改性技术。沥青路面在服役期间面临温度变化带来的严峻挑战：高温下易产生车辙等永久变形，低温下则易发生温缩开裂。相变材料（PCM, Phase Change Material）因其在相变过程中能吸收或释放大量潜热的特性，在建筑材料等领域已得到应用，近年来开始被视为一种有潜力的沥青改性剂，用于调节路面温度、减缓极端温度波动。然而，将PCM直接掺入沥青会导致其与沥青发生化学作用，丧失相变储能功能。因此，采用微胶囊化PCM（μPCM, microencapsulated PCM）将相变物质封装在聚合物外壳内，被认为是解决这一问题的可行方案。但μPCM在沥青高温拌和过程以及后续的老化过程中能否“存活”（即胶囊不破裂、芯材不泄漏），是其技术可行性的核心。本研究的主要目的正是评估不同粒径的微胶囊化PCM在不同标号沥青中的适应性，系统研究短期和长期人工老化对μPCM改性沥青的热性能与流变性能的影响，并探究微胶囊的“存活”情况。
研究的详细工作流程严谨且系统，主要包含以下几个步骤： 第一，材料制备与表征。 研究选用了三种不同针入度等级的沥青：硬质（10/20）、中等（70/100）和软质（160/220）。核心PCM为十四烷（tetradecane），其熔点在6°C左右，适用于低温环境。微胶囊外壳为三聚氰胺-甲醛聚合物。使用了两种不同平均粒径的μPCM：约7微米（μPCM-7）和约21微米（μPCM-21）。首先，通过扫描电子显微镜（SEM）观察了微胶囊的形貌，发现μPCM-7易团聚，而μPCM-21为分散良好的球形。接着使用激光粒度分析仪测定了其粒径分布，确认平均直径分别为6.67微米和20.95微米。为了模拟拌和条件，还通过热重分析（TGA）在160°C等温条件下测试了微胶囊的热稳定性，结果显示其外壳在此温度下重量损失很小，表明能承受拌和高温。 第二，样品制备与老化模拟。 将μPCM以25%的质量比（基于沥青质量）与三种沥青分别进行混合，混合温度根据沥青粘度设定（10/20为140°C，70/100为130°C，160/220为120°C）。同时，以等体积替换μPCM的方式，制备了掺加石灰填料的胶浆样品作为对照。随后，对改性及未改性沥青进行了人工老化：采用旋转薄膜烘箱（RTFO）模拟短期老化（拌和与铺筑过程），再对RTFO残留物进行压力老化容器（PAV）试验以模拟长期老化（路面服役过程）。 第三，热性能分析。 采用差示扫描量热法（DSC）对不同老化状态下的改性沥青进行分析。测试程序包括从室温冷却至-40°C，再加热至100°C，最后再次冷却，通过分析加热过程中的熔融峰和冷却过程中的结晶峰，计算熔融焓。熔融焓是评估微胶囊“存活”情况的关键指标：熔融焓越高，表明未破裂且能正常相变的μPCM越多。研究定义并计算了“熔融焓比”，即实测熔融焓与理论预期熔融焓的比值，用以量化微胶囊在沥青中的有效保留率。 第四，流变性能分析。 使用动态剪切流变仪（DSR）对材料进行全面的流变学表征。一方面，通过频率扫描试验在不同温度下测试，并基于时间-温度等效原理构建了复数模量主曲线，用于分析材料在宽频域（相当于宽温域）下的粘弹性行为。另一方面，特别设计了低温连续冷却扫描试验：在1Hz频率和恒定应变下，将样品从20°C以恒定速率冷却至-10°C，连续监测复数模量（|G*|）和相位角（δ）的变化，旨在直接观察PCM结晶放热过程对沥青流变行为的实时影响。
研究获得的主要结果如下： 关于微胶囊“存活”情况的热分析结果： 1. 拌和后的影响：对于同一种μPCM，其在软质沥青（160/220）中的熔融焓比高于在硬质沥青（10/20）中。这表明在高温拌和时，硬质沥青中更强的分子间作用力可能导致更多的微胶囊破裂。2. 粒径的影响：无论何种沥青，μPCM-21改性沥青的熔融焓比均高于μPCM-7改性沥青，说明较大的微胶囊（μPCM-21）在拌和过程中更耐剪切，存活率更高。3. 老化的影响：RTFO和PAV老化显著降低了所有改性沥青的熔融焓比，说明老化过程（热氧作用）会损害微胶囊的完整性或外壳性能。其中，μPCM-21在硬质沥青（10/20）中经过PAV老化后熔融焓下降最为显著，表明沥青硬化和老化对微胶囊存活有协同负面影响。 关于流变性能的结果： 1. 主曲线分析显示，用μPCM-21等体积替换石灰填料后，改性沥青在高频区（对应低温）的刚度模量低于填料改性沥青，这意味着μPCM的加入可能改善了沥青的低温抗裂性能。相比之下，在低频区（对应高温），μPCM改性沥青与未改性沥青的模量差异不大，说明对高温性能无显著负面影响。2. 老化后的流变行为显示，μPCM-21的加入使得沥青（尤其是70/100和160/220）在老化后，其高频率区的模量增长趋势有所缓和，表明微胶囊的存在可能在一定程度上缓冲了老化引起的过度硬化，这在软质沥青中更为明显。3. 最关键的发现来自低温连续冷却扫描：对于μPCM-21改性的160/220沥青，在冷却过程中，相位角曲线在约2°C至-1°C的区间内出现了一个反常的轻微回升平台，同时复数模量的增速也减缓。这个温度区间与DSC测得的十四烷结晶温度范围高度吻合。这一现象直接证明了μPCM在冷却过程中发生了结晶并释放潜热，该热效应实时影响了沥青的流变响应，使其在该温度区间内“变软”（相位角升高表示粘性成分增加，或材料刚性增长放缓）。这为μPCM在沥青中实际发挥温控作用提供了直接的力学行为证据。
本研究的结论是：使用微胶囊化PCM（特别是较大粒径的μPCM-21）来调节沥青路面温度是具有前景的。微胶囊在沥青中的存活率高度依赖于沥青的硬度（标号）和微胶囊本身的类型（尺寸/强度）。软质沥青更有利于微胶囊的存活。人工老化过程会降低微胶囊的效能，其中硬质沥青中的微胶囊在长期老化后效能损失更严重。流变学测试不仅证实了微胶囊的添加可以改善沥青的低温性能，更重要的是，通过低温冷却扫描首次直接观测到了PCM结晶放热对沥青粘弹性的实时影响，这是验证该技术有效性的关键证据。研究还指出，三聚氰胺-甲醛外壳在保护芯材方面发挥了重要作用。
本研究的价值体现在：科学价值方面，首次系统揭示了沥青类型、微胶囊尺寸及老化过程对微胶囊化PCM在沥青中存活率与效能的影响规律，建立了从热性能到流变性能的综合评价体系，特别是通过DSR低温扫描为PCM的相变热效应与沥青力学行为的耦合提供了直接的实验证据。应用价值方面，为开发具有温度自调节功能的“智能”沥青路面材料提供了重要的实验依据和配方指导，指出在实际应用中应优先考虑软质沥青与较大粒径、坚固外壳的微胶囊组合，并需充分考虑长期老化后的性能维持问题。
本研究的亮点在于：1. 研究对象的系统性：同时考虑了沥青标号（硬度）、微胶囊粒径和不同老化阶段等多个关键变量。2. 方法的创新性：创造性地将DSR的低温连续冷却扫描用于捕捉PCM相变对沥青流变行为的瞬时影响，这是一个非常巧妙和有力的实验设计。3. 结论的明确性与层次性：清晰地区分了拌和过程与老化过程对微胶囊的不同影响，明确了沥青硬度是关键因素，并指出了μPCM-21相对于μPCM-7的潜在优势。4. 从“存活”到“生效”的证据链完整：通过DSC证明热活性（存活），再通过DSR主曲线证明宏观力学性能改变，最后通过DSR低温扫描直接关联相变过程与实时力学响应，构成了完整的证据链。
其他有价值的内容包括：研究明确了直接添加未封装PCM（十四烷）会作为稀释剂软化沥青，而非发挥储能作用，从而突出了微胶囊化技术的必要性。同时，研究采用了等体积替换填料的设计思路进行流变学对比，这使得评估更加贴近实际沥青混合料的设计逻辑，因为在实际工程中，μPCM很可能作为填料的部分替代物加入。这些细节都增强了研究的实用性和参考价值。