学术研究报告：PEG/环氧树脂复合相变材料的制备与性能分析
一、 研究团队与发表信息
本研究由来自长安大学交通铺面材料教育部重点实验室的徐国、魏琨*、倪腾飞、师文硕、戴晨曦、赵展繁、顾展鹏共同完成。研究成果以题为“Preparation and performance analysis of polyethylene glycol/epoxy resin composite phase change material”的论文形式，发表于 Journal of Energy Storage 期刊，该刊2024年第88卷，文章编号111525，已于2024年4月4日在线发表。
二、 学术背景与研究目的
本研究的科学领域属于热能存储与材料科学交叉领域，具体聚焦于复合相变材料（Composite Phase Change Material, CPCM）的开发与应用。相变材料（Phase Change Material, PCM）因其在相变过程中近似等温地吸收或释放大量潜热，在建筑节能、道路工程、太阳能利用等领域展现出巨大应用潜力。然而，PCM的广泛应用面临两大核心挑战：一是难以大规模生产；二是在使用过程中（特别是固-液相变时）易发生泄漏，影响材料稳定性和混合物性能。
在此背景下，本研究旨在开发一种制备工艺简单、可大规模生产、且兼具高热存储容量和高稳定性的复合相变材料。研究选取广泛应用的有机相变材料——聚乙二醇（Polyethylene Glycol, PEG）作为储能单元，利用具有优异热性能、机械性能和化学稳定性的环氧树脂（Epoxy Resin）作为封装基体。通过物理共混法制备聚乙二醇/环氧树脂复合相变材料（简称E/P PCM），并系统分析PEG的分子量（2000、6000、10000）及其在复合材料中的含量（质量分数从50%到71.4%）对E/P PCM各项性能的影响规律，以期获得性能均衡、适用于土木工程领域（如建筑和道路工程）的实用化相变材料。
三、 详细研究流程
本研究的工作流程系统而完整，主要包括材料制备、性能表征与数据分析三大阶段，具体步骤如下：
第一阶段：材料制备 研究采用熔融共混法制备E/P PCM。具体流程为：首先，将准确称量的环氧树脂和选定分子量的PEG置于洁净烧杯中；随后，将烧杯置于75°C的烘箱中加热15分钟，使PEG熔融并与环氧树脂初步混合；接着，向混合液中加入特定量的环氧树脂固化剂——异佛尔酮二胺（Isophorone Diamine, IPAD），并使用玻璃棒搅拌，使环氧树脂、PEG和固化剂均匀混合；然后，将混合均匀的浆料倒入模具中；最后，在70°C的烘箱中固化3小时，使环氧树脂交联固化形成三维网络结构，从而将PEG封装其中。固化完成后，将得到的固体材料用破碎机粉碎成颗粒，即得到最终的E/P PCM样品。本研究共制备了3种分子量（PEG-2000, PEG-6000, PEG-10000）× 4种配比（PEG与环氧树脂质量比分别为1:1, 1.5:1, 2:1, 2.5:1）共计12组样品，并进行了系统编号（如E/P PCM-201代表PEG-2000与环氧树脂比例为1:1的样品）。
第二阶段：性能表征与测试 研究采用了多种现代材料分析技术，对E/P PCM的结构、形貌、热性能、稳定性和机械性能进行了全面表征。 1. 结构与形貌分析： * 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：使用德国Bruker公司的Tensor II型光谱仪，采用ATR方法，在400-4000 cm⁻¹波数范围内扫描，分析材料的化学组成和官能团，以确认PEG与环氧树脂之间是物理共混而非化学反应。 * X射线衍射（XRD）：使用日本Rigaku公司的SmartLab SE衍射仪，采用Cu靶，扫描范围5°-40°，分析材料的晶体结构，确认PEG在复合后是否保持其结晶特性。 * 扫描电子显微镜（SEM）：使用美国Thermo Fisher Scientific公司的Apreo 2C热场发射扫描电镜，在500-50,000倍放大倍数下观察粉碎后E/P PCM颗粒的表面形貌和微观结构，直观展示PEG被环氧树脂封装的状态。 2. 热性能与相变储能特性分析： * 差示扫描量热法（DSC）：使用德国Netzsch公司的DSC200F3差示扫描量热仪。取5-10 mg样品，在氮气气氛下，以3°C/min的速率从0°C扫描至90°C，测定材料的相变温度（包括放热峰温度Tc和吸热峰温度Tm）和相变焓（ΔHc和ΔHm），这是评价相变材料储能能力的核心指标。 * 比热容测试：使用美国TA公司的DSC25差示扫描量热仪，测试了以PEG-10000为基础的E/P PCM在10°C至90°C温度范围内的比热容变化。 * 导热系数测试：采用基于热线法的导热系数仪，测试了以PEG-10000为基础的E/P PCM的导热系数。 3. 热循环稳定性分析： * 泄漏率测试：使用恒温恒湿试验机模拟相变循环过程。将2.5g样品置于铺有滤纸的培养皿中，设置程序使温度在20°C（保持1小时）和90°C（保持1小时）之间循环。分别记录经历5、10、15、20、25、30次循环后样品的质量，通过计算质量损失率来表征材料在反复相变过程中的泄漏情况和循环稳定性。循环测试后，再次对样品进行DSC测试，以评估其相变性能的保持率。 * 热重分析（TGA）：使用德国Netzsch公司的209 F3型热重分析仪，在氮气气氛下，以10°C/min的速率从室温加热至700°C，分析材料的热分解温度，评估其高温稳定性。 4. 机械性能分析： * 拉伸强度测试：根据中国国家标准GB-2567-2021，制备标准树脂浇铸体试样。使用济南试验机厂的微机控制电子万能试验机，在标准环境（23±2°C）下，以10 mm/min的速率对试样进行轴向拉伸直至断裂，记录断裂载荷，计算拉伸强度，以评估复合材料的力学性能。
第三阶段：数据分析 对上述测试获得的数据（如DSC曲线峰值、XRD衍射峰强度、FTIR谱图特征峰、SEM图像、质量损失率、拉伸强度值等）进行整理、对比和分析。通过绘制图表（如各性能参数随PEG分子量和含量变化的曲线），系统地揭示PEG分子量和含量对E/P PCM结晶性、相变焓、相变温度、热循环稳定性、机械强度等性能的影响规律，并基于材料科学原理（如结晶学、高分子交联理论等）对这些规律进行解释。
四、 主要研究结果
本研究获得了系统且相互印证的实验结果，清晰地揭示了PEG分子量与含量对E/P PCM性能的影响机制。
1. 结构、形貌与化学性质结果： FTIR光谱显示，所有E/P PCM样品的特征吸收峰位置均与对应纯PEG的特征峰位置基本一致，且在914 cm⁻¹处未观察到环氧基团的特征峰，表明环氧树脂已完全固化，且PEG与环氧树脂之间仅为物理共混，未发生化学反应。XRD图谱显示，所有E/P PCM样品均在2θ = 19.12°和23.38°处出现了与纯PEG相对应的强结晶衍射峰，而纯环氧树脂无明显衍射峰。这表明PEG在环氧树脂基体中成功保持了其晶体结构，这是其具备相变储能能力的基础。随着PEG分子量增大或含量提高，衍射峰强度增强，说明结晶度提高。SEM观察显示，破碎后的E/P PCM颗粒表面存在因切割产生的不平整切面，高倍镜下可观察到PEG被环氧树脂成功封装，形成以环氧树脂为连续相、PEG为分散相的复合结构。
2. 相变储能特性结果： DSC测试结果为核心发现。纯PEG的相变焓随分子量增加而增大（PEG-2000、-6000、-10000的ΔHm分别为188.8、206.7、211.4 J/g）。对于E/P PCM，其实际测得的相变焓均低于根据PEG含量计算的理论值，且相变温度范围（特别是吸热峰）向低温方向略有移动。关键规律是：在PEG分子量固定时，随着PEG含量增加，E/P PCM的相变焓显著提高，相变温度也略有升高。例如，对于PEG-10000系列，当PEG含量从50%增至71.4%时，相变焓从58.0 J/g增至130.0 J/g，吸热峰值从49.8°C升至54.3°C。在PEG含量固定时，随着PEG分子量增大，E/P PCM的相变焓和相变温度也相应提高。这归因于环氧树脂网络对PEG结晶行为的限制作用，分子量更小或含量更低的PEG受到的限制更显著。导热系数测试表明，E/P PCM的导热系数随环氧树脂比例增加而略有下降。比热容曲线显示，在相变温度区间内，E/P PCM的比热容出现峰值，且PEG含量越高，峰值越明显，表明其温度调控能力越强。
3. 热循环稳定性结果： 泄漏测试数据清晰地展示了稳定性差异。经过30次相变循环后，以PEG-2000制备的E/P PCM泄漏严重（如E/P PCM-204泄漏率达24.72%），而以PEG-10000制备的样品泄漏极微（最大质量损失不超过1.56%）。规律表明：在PEG含量相同的情况下，使用分子量更大的PEG，E/P PCM的热循环稳定性显著增强。在PEG分子量相同的情况下，PEG含量越高，泄漏率越大。对循环后样品的DSC测试显示，以PEG-10000制备的E/P PCM相变温度和焓值变化很小，证明了其优异的耐久性。TGA分析进一步证实，与纯PEG相比，所有E/P PCM的初始分解温度（失重1%的温度）均大幅提高（例如PEG-10000为251°C，而E/P PCM-1003为295°C），且高温残炭量显著增加，说明环氧树脂的封装有效提升了复合材料的高温稳定性。
4. 机械性能结果： 拉伸强度测试表明，E/P PCM的拉伸强度范围在12.2至68.7 MPa之间，具备良好的机械性能。影响规律与热稳定性部分相反：在PEG含量固定时，PEG分子量越小，E/P PCM的拉伸强度越高；在PEG分子量固定时，PEG含量越低（即环氧树脂比例越高），拉伸强度越高。例如，低含量、低分子量的样品机械性能最好。这是因为PEG作为柔性相，其加入会削弱环氧树脂交联网络的刚性，过量PEG还可能阻碍交联结构的形成，导致力学性能下降。
五、 研究结论与价值
本研究成功通过简单的熔融共混法制备了一系列PEG/环氧树脂复合相变材料（E/P PCM），并得出以下核心结论： 1. 制备可行性：该制备工艺简单，原料易得，适合大规模生产，能够满足建筑、道路等领域对相变材料的巨大需求。 2. 性能可调控性：通过调整PEG的分子量和含量，可以灵活调控E/P PCM的相变温度区间和相变焓值，以满足不同应用场景的需求。当采用PEG-10000且配比为2.5:1（PEG:环氧树脂）时，材料相变焓最高可达130.0 J/g，放热温度区间33.4-45.7°C，吸热温度区间54.3-65.4°C。 3. 稳定性与机械性能的权衡：PEG分子量的增大有助于提高材料的热循环稳定性，但会降低其机械强度；PEG含量的增加有助于提高相变焓，但同样会损害机械强度和循环稳定性。在实际应用中，需要根据具体性能要求（如更注重储能、防泄漏还是承载能力）来优化配比。从综合稳定性角度看，选用较大分子量的PEG更为有利。
本研究的科学价值在于系统阐明了聚合物基体（环氧树脂）与结晶相变材料（PEG）在物理共混复合体系中，填料分子量及含量对复合材料多目标性能（储能、稳定、力学）的影响规律与权衡机制，为设计高性能定形复合相变材料提供了重要的理论依据和数据支持。其应用价值突出体现在为解决PCM泄漏难题和实现工程化大规模应用提供了一种有效、经济的解决方案，尤其在需要大量使用相变材料且对材料稳定性有较高要求的土木工程领域（如调温沥青路面、建筑节能墙体）展现出广阔的应用前景。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究还通过测试比热容和导热系数，补充了E/P PCM作为热功能材料的关键热物性参数。比热容在相变区间的突变特性进一步印证了其温度调节能力，而导热系数的变化规律提醒我们在追求高储能密度时，也需关注可能随之降低的热传递效率，这在某些需要快速储放热的应用中是需要考虑的平衡点。此外，文中对PEG-2000基E/P PCM在DSC冷却曲线中出现双放热峰的现象进行了合理解释，归因于环氧树脂网络对不同微环境中PEG分子结晶行为的差异化限制，体现了研究观察的细致性。