本研究是一项关于制备用于高速公路路面建设的复合定形相变材料（Composite Shape-Stabilized Phase Change Material, CPCM）的原创性研究。以下将对此研究进行全面介绍。
一、 主要作者、研究机构、发表期刊及时间
本研究的主要作者包括：马彪（Biao Ma）、Sanjeev Adhikari、常玉娇（Yujiao Chang）、任俊平（Junping Ren）、刘江（Jiang Liu）和 Zhanping You。他们的所属机构分别是：长安大学公路学院（中国西安）、莫尔黑德州立大学应用工程与技术系（美国肯塔基州莫尔黑德）以及密歇根理工大学土木与环境工程系（美国密歇根州霍顿）。
该研究成果以题为“Preparation of composite shape-stabilized phase change materials for highway pavements”的论文形式发表，发表于期刊 Construction and Building Materials 第42卷（2013年），页码为114至121页。论文的在线发表日期为2013年2月14日，正式接收日期为2013年12月19日。
二、 学术背景与研究目的
本研究隶属于土木工程材料与道路工程交叉领域，具体聚焦于相变材料（Phase Change Material, PCM）在公路工程中的应用技术开发。
研究的背景在于，传统的沥青或水泥混凝土路面在环境温度变化下容易产生一系列病害，如高温车辙、低温开裂、冻胀等，这些病害严重影响了路面的使用寿命并增加了维护成本。PCM具有在相变温度（如熔化或凝固）附近吸收或释放大量潜热的特性，因此可用于调节材料温度。将PCM应用于路面结构中，理论上可以减缓路面温度的剧烈波动，从而减轻温度相关病害。然而，公路路面是一个极为严苛的环境，面临沥青混合料拌和时的高温（160–180°C）、摊铺碾压时的机械挤压、通车后的交通荷载、水损害以及紫外线照射等挑战。传统或已有的PCM应用技术（如直接掺入建筑材料、简单的微胶囊包裹）无法满足这些要求，例如，直接掺入的PCM可能在降水或地下水作用下从路面多孔结构中流失，而现有的微胶囊化技术要么工艺复杂不适合大规模施工，要么无法承受沥青混合料生产过程中的高温和剪切。
因此，本研究旨在开发一种新型的、适用于高速公路建设环境的复合定形相变材料（CPCM）。具体目标包括：1) 选择合适的载体材料和封装材料来稳定PCM；2) 确定CPCM各组分（PCM、载体、封装膜、分散剂）的最佳配比；3) 系统评价所制备CPCM的微观结构、热物理性能（特别是相变温度和潜热值）及其稳定性，以验证其在公路应用中（特别是在沥青混合料生产条件下）的可行性。
三、 详细研究流程
本研究的工作流程系统而严谨，主要包括以下几个步骤：材料选择与基础表征、定形相变材料（Shape-stabilized PCM）的制备与筛选、复合定形相变材料（CPCM）的制备、基于正交试验的配方优化，以及贯穿始终的微观结构与热性能测试分析。
首先，在材料选择阶段，研究者选定了十四烷（Teradecane）作为核心PCM，其相变温度约为5.8°C，这与路面低温病害发生的温度范围相近。为了承载液态的十四烷，研究者比较了两种载体材料：活性炭（Activated Carbon）和二氧化硅（Silica）。这两种材料都具有多孔结构，能够通过物理吸附“定形”PCM，防止其流动。同时，选择乙基纤维素（Ethyl Cellulose, EC）作为封装膜材料，因其具有良好的热稳定性、耐酸碱性和合适的熔点（165–185°C），足以承受沥青拌和的高温。此外，还使用了一种实验室自制的分散剂。
研究的第二步是制备并筛选定形相变材料。方法是将PCM（十四烷）与载体材料（活性炭或二氧化硅）按一定比例在室温下混合，然后置于真空泵中充分搅拌，使PCM被载体完全吸收。此步骤的关键实验是“扩散-渗出环试验”（Diffusion-Oozing Circle Test），用于评估载体材料的吸附饱和度和渗出稳定性。该试验分为两部分：1）吸附饱和度测试：将不同配比的定形PCM样品置于滤纸测试区（直径40 mm），轻轻按压，观察PCM渗漏情况，不断增加PCM比例直至渗漏圈直径达到40 mm，以此确定载体对PCM的最大吸附饱和比例。2）渗出稳定性测试：将定形PCM样品置于滤纸中心，在180°C下加热2分钟，模拟沥青拌和高温，然后测量渗出圈的平均直径。评价标准是渗出圈直径不应超过原始测试区直径的10%。通过此试验，研究者确定了活性炭和二氧化硅的最佳吸附比例分别为1:1.5和1:1（PCM:载体），并发现二氧化硅作为载体在高温下的渗出稳定性明显优于活性炭（渗出圈直径50 mm vs. 78 mm），因此选择二氧化硅作为后续CPCM的载体。
第三步是复合定形相变材料（CPCM）的制备。这是在上述定形PCM（二氧化硅+十四烷）的基础上，进一步用EC膜进行封装，以增强其稳定性，防止在恶劣环境下PCM从载体孔隙中渗出。具体制备流程如下：1）将定形PCM与分散剂在常温常压下混合均匀。2）将EC溶解于无水乙醇中，配制成一定浓度的胶状溶液。3）将步骤1的混合物与步骤2的EC胶液混合。4）将混合物置于包衣锅中，在80°C下以70-80 rpm的转速鼓风干燥，使乙醇挥发，EC膜层覆盖在PCM颗粒表面，最终得到干燥的CPCM粉末。
第四步是系统的性能测试与表征。本研究主要采用了三种分析手段：扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）和正交试验（Orthogonal Test）。 * SEM：用于观察载体材料（活性炭、二氧化硅）的微观多孔结构，以及不同配方CPCM颗粒的表面形貌、光滑度、团聚情况，直观评估封装效果和分散剂的作用。 * DSC：这是评价PCM热性能的核心工具。使用德国Netzsch公司的DSC仪，在氮气保护下，以10°C/min的速率在-60°C至60°C范围内进行升降温测试。DSC曲线可以精确测定CPCM的相变温度、相变潜热（焓值，Enthalpy）和相变峰值温度。此外，研究者还引入了“理论相变焓”的计算公式：*H = Δh / p*，其中Δh是DSC测得的CPCM实际焓值，p是CPCM中PCM（十四烷）的质量分数，H是折算出的纯PCM的理论焓值。通过比较不同配方CPCM的H值，可以排除PCM含量不同的干扰，直接评估其热储存能力的优劣，H值越高，说明封装效率越好，热储存能力越强。 * 正交试验：为了系统研究EC和分散剂用量对CPCM性能的影响，并找到最优配比，研究者设计了一个两因素三水平的正交试验。两个因素分别是EC用量和分散剂用量，各设0.05、0.1、0.15三个水平（相对于PCM的比例）。PCM（十四烷）与载体（二氧化硅）的比例固定为1:1。由此构成了9组不同的CPCM配方（编号#1至#9）。对这9组样品分别进行SEM和DSC测试，通过分析测试结果来确定最优组合。
整个工作流程的数据分析逻辑清晰：先通过渗出环试验筛选出最佳载体；然后通过对比有无分散剂的CPCM样品的SEM和DSC结果，初步评估分散剂的作用；最后通过正交试验的全面测试，综合分析EC和分散剂用量对CPCM微观形貌和热性能的交互影响，从而确定全局最优配方。
四、 主要研究结果
载体材料筛选结果：扩散-渗出环试验提供了明确的定量和定性结果。吸附饱和度测试表明，二氧化硅对十四烷的吸附能力（1:1）强于活性炭（1:1.5）。更重要的是，在180°C高温渗出测试中，以二氧化硅为载体的定形PCM渗出圈直径为50 mm，虽超出10%的限值，但远小于活性炭载体的78 mm。结合SEM图像（图1）分析，活性炭具有相互连通的孔隙结构，PCM更容易渗出；而二氧化硅是由纳米颗粒聚集形成的多孔结构，孔隙相对不连通，因此更能锁住PCM。据此，研究确定二氧化硅为更优的载体材料。
不同载体与分散剂对CPCM的初步影响：研究者制备了四组样品（A1-A4）进行比较。SEM图像（图4）显示，以二氧化硅为载体的CPCM（A2）表面比以活性炭为载体的（A1）更光滑、形状更规则，EC膜包裹更均匀。DSC测试（图5，表3）表明，含有分散剂的二氧化硅基CPCM（A4）的*理论*相变焓（151.27 J/g）远高于活性炭基的对应样品（A3，27.59 J/g），证实了二氧化硅作为载体在热储存能力上的优势。对比A2（无分散剂）和A4（有分散剂）的SEM图（图6）发现，添加分散剂的A4颗粒表面更光滑，粒径更均一，说明分散剂有效防止了颗粒团聚。然而，A2和A4的DSC测试结果（表4）及计算出的理论焓值（162.98 J/g vs. 151.27 J/g）差异不大，表明分散剂本身对热储存潜能的直接影响较小，其主要作用是改善工艺和微观结构。
正交试验优化结果：这是本研究的核心成果部分。对9组正交试验样品（#1-#9）的SEM观察（图8）显示，当EC用量为0.1、分散剂用量也为0.1时（样品#5），CPCM颗粒表面最光滑、形貌最均匀。EC或分散剂用量过高或过低都会导致表面粗糙或团聚。DSC测试结果（图9，表6）提供了关键的热性能数据。通过分析这些数据，研究者发现：EC用量是影响热储存能力的最主要因素。当EC用量为0.15时（#7, #8, #9），所有样品的焓值都相对较低。当EC用量为0.1时（#4, #5, #6），样品表现出较高的热储存能力，特别是#5和#6。进一步分析分散剂的影响规律：在EC用量为0.1的条件下，随着分散剂用量从0.05增加到0.15，理论焓值先增后降，在分散剂为0.1时（样品#5）达到较好的平衡。综合SEM形貌和DSC热性能数据，样品#5（配比为 十四烷:二氧化硅:EC:分散剂 = 1:1:0.1:0.1）被确定为最优配方。对该最优配方CPCM的DSC曲线分析得到，其相变温度为5.8°C，计算得出的PCM理论相变焓高达178 J/g。这个高焓值表明，该封装工艺成功地将大部分十四烷的潜热储存能力保留了下来，封装效率很高。
这些结果之间逻辑连贯：渗出试验确定了最佳载体（二氧化硅）；初步比较试验验证了二氧化硅的优越性并明确了分散剂对改善微观结构的作用；最终，精心设计的正交试验系统地揭示了各组分用量，特别是关键封装材料EC的用量，对CPCM最终性能（形貌稳定性与热性能）的深刻影响，并据此锁定了性能最优的配比。
五、 结论与研究价值
本研究成功开发出了一种适用于高速公路路面的新型复合定形相变材料（CPCM）。其主要结论是：通过以二氧化硅为载体、以乙基纤维素为封装膜，并辅以适量分散剂，可以制备出具有高热储存能力、良好微观稳定性的CPCM。最优配比为十四烷、二氧化硅、乙基纤维素和分散剂按1:1:0.1:0.1的质量比组合。该CPCM的相变温度为5.8°C，其PCM组分的理论相变焓达到178 J/g，显示出优异的潜热储存潜力。
本研究的价值体现在科学和应用两个层面： * 科学价值：提出并验证了一种针对极端工程环境（高温、机械、水损害）的PCM封装与稳定化策略。系统研究了载体材料特性、封装膜材料和工艺助剂对复合相变材料微观结构和热性能的协同影响机制，为功能型土木工程材料的设计提供了方法学参考。建立的结合渗出环试验、SEM、DSC和正交试验的综合评价体系，对此类材料的研究具有借鉴意义。 * 应用价值：该CPCM设计方案直接面向公路工程的实际需求，特别是考虑了沥青混合料生产过程中的高温条件（EC的熔点高于拌和温度）。所采用的原材料和制备工艺相对简单，有潜力进行规模化生产。如果未来能将此CPCM成功集成到沥青混合料中，有望通过其温度调节功能，有效缓解路面因温度波动产生的车辙和开裂等病害，延长路面使用寿命，减少养护成本，具有重要的工程经济价值和环境效益（通过减少维修带来的资源消耗和碳排放）。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
论文在引言部分对PCM在不同领域（如建筑节能、太阳能存储）的应用以及常见的PCM应用技术（直接混合、聚合物复合、微胶囊封装）进行了简要回顾，并指出了这些技术在公路工程中直接应用的局限性。这为读者理解本研究的必要性和创新点提供了良好的背景知识。同时，研究也承认了CPCM在应用前仍需进一步验证其在真实沥青混合料中的兼容性、长期耐久性以及对路面力学性能的影响，体现了研究的客观性和后续工作的方向。