本文旨在向国内同行介绍一项关于沥青路面温控材料的最新研究。该研究由长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室的马锋、侯颖杰、张天一等学者，以及长安大学材料科学与工程学院、广西大学土木建筑工程学院的合作者共同完成，于2025年12月19日在线发表于期刊 Thermal Science and Engineering Progress 第69卷，论文题目为 “Design of melamine-urea-formaldehyde shell microencapsulated aliphatic-based phase change materials for asphalt modification: Preparation and performance evaluation”。

一、 学术背景与研究目的

该研究属于道路工程与材料科学交叉领域，具体聚焦于功能性沥青路面材料的开发。全球气温上升导致沥青路面温度逐年升高，加剧了车辙、推移等高温病害，同时也恶化了城市热岛效应。相变材料（Phase Change Materials, PCMs）作为一种清洁的温控材料，可通过相变过程吸收或释放大量潜热，为主动调节路面温度提供了可能。然而，将PCMs直接掺入沥青混合料中，往往会对沥青的力学和流变性能产生负面影响，如降低间接拉伸强度和抗车辙能力。为解决此矛盾，微胶囊化技术应运而生，即将PCMs封装在保护性外壳中，形成微胶囊相变材料（Microencapsulated PCMs, MPCMs），以物理隔绝的方式减少PCMs泄漏，同时保持其储热功能。

在众多外壳材料中，三聚氰胺-尿素-甲醛（Melamine-Urea-Formaldehyde, MUF）树脂以其成膜快、机械强度高和阻隔性能优异而被广泛使用。本研究选取了三种脂肪族PCMs作为芯材：石蜡（Paraffin Wax, PW）、硬脂酸（Stearic Acid, SA）和棕榈酸（Palmitic Acid, PA），旨在制备以MUF为外壳的MPCMs。研究的目标是系统地评价这三种MPCMs的热物理性能、泄漏抗性、机械强度和微观形貌，并从中筛选出综合性能最优的MPCM，将其掺入基质沥青和SBS改性沥青中，全面评估MPCM改性沥青的高低温流变性能，为相变材料在智能温控路面中的应用提供理论基础和技术支撑。

二、 详细研究流程

本研究流程清晰，主要分为MPCMs的制备与表征、MPCMs的筛选以及MPCM改性沥青的性能评价三个阶段。

第一阶段：MPCMs的制备与性能表征 1. 材料制备：研究采用芯壁比1:2，通过原位聚合法制备了三种MPCMs，分别标记为PW@MUF、SA@MUF和PA@MUF。具体步骤包括：首先合成MUF预聚体溶液；其次，将芯材（PW、SA或PA）在乳化剂水溶液中乳化形成均匀乳液；最后，在酸性条件下将MUF预聚体滴加至芯材乳液中，通过升温固化反应形成微胶囊，经过滤、洗涤和干燥后得到最终产品。 2. 性能表征：对制备的三种MPCMs进行了全面的性能测试。 * 热物理性能：采用差示扫描量热仪（DSC）测试了MPCMs的相变温度与相变焓，并计算了封装效率（Encapsulation Efficiency, EeN）和储热效率（Storage Efficiency, EeS）。 * 热稳定性：利用热重分析仪（TGA）在30-400°C范围内分析了MPCMs的热失重行为，重点关注其在沥青混合料拌和（约170°C）与压实（约135°C）温度下的质量保留率。 * 泄漏抗性与剪切强度：将MPCMs置于120°C真空干燥箱中2小时，计算其质量损失率（Leakage, Lr）以评估抗泄漏性能。同时，将MPCMs悬浮液在80°C下以不同转速（1000 rpm和2000 rpm）高速剪切30分钟，通过剪切前后相变焓的变化来评估其机械强度。 * 化学结构与微观形貌：使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了芯材、壳材及微胶囊的化学结构，验证封装过程的物理性。通过三维超景深显微镜（3DHM）和扫描电子显微镜（SEM）观察了微胶囊的粒径分布、形状和表面形貌。

第二阶段：MPCMs的筛选与改性沥青制备 基于第一阶段全面的性能测试结果，研究筛选出综合性能最优的PW@MUF微胶囊用于后续沥青改性研究。将PW@MUF以3 wt%、6 wt%、9 wt%和12 wt%的掺量，分别掺入70#基质沥青和SBS改性沥青中。在特定温度下（基质沥青140°C，SBS改性沥青165°C）以1000 rpm的转速高速剪切30分钟，制备得到系列MPCM改性沥青样品，并分别标记为70-3、70-6、70-9、70-12以及SBS-3、SBS-6、SBS-9、SBS-12。

第三阶段：MPCM改性沥青的性能评价 1. 流变性能测试：采用动态剪切流变仪（DSR）对改性沥青进行频率扫描（FS）和温度扫描（TS）试验，构建主曲线，分析复数模量（G）、储存模量（G‘）、损耗模量（G’‘）随频率和温度的变化，并计算车辙因子（G/sinδ）、疲劳因子（G*·sinδ）和黏温敏感性（Viscosity-Temperature Susceptibility, VTS）。 2. 多重应力蠕变恢复（MSCR）试验：在34°C至70°C温度范围内，施加0.1 kPa和3.2 kPa两种应力水平，评估改性沥青的高温抗变形能力和应力敏感性，计算蠕变恢复率（R）和非恢复蠕变柔量（Jnr）及其差值（Rdiff和Jnr-diff）。 3. 低温性能测试：采用弯曲梁流变仪（BBR）在-12°C下测试改性沥青的低温性能，获取蠕变劲度（S）和蠕变速率（m）值，以评价其低温抗裂性能。

三、 主要研究结果

1. MPCMs的性能表征结果： * 热性能：DSC测试表明，三种MPCMs的相变焓值分别为PW@MUF: 94.8 J/g， SA@MUF: 87.26 J/g， PA@MUF: 78.29 J/g。PW@MUF的封装效率（EeN）和储热效率（EeS）最高，分别为50.59%和52.84%，显示出最佳的储热潜力。 * 热稳定性：TGA分析显示，PW@MUF在170°C时质量损失仅为0.67%，表现出优异的热稳定性，完全能够承受沥青混合料的高温拌和与施工过程。SA@MUF和PA@MUF在170°C的质量损失分别为5.1%和6.5%，稳定性相对较差。 * 泄漏抗性与机械强度：在120°C真空干燥2小时后，PW@MUF的泄漏率（Lr）最低，仅为4%，远低于SA@MUF（10%）和PA@MUF（15%）。高速剪切试验表明，PW@MUF在1000 rpm剪切30分钟后，焓值损失率仅为3.1%，展现出最好的机械强度和抗剪切破坏能力。 * 形貌与结构：FTIR光谱证实，微胶囊的制备是物理封装过程，未产生新的化学键。显微镜观察显示，三种微胶囊粒径分布在20-200 μm之间，呈均匀球形。其中，PW@MUF形貌最规整、分散性最好；SA@MUF存在明显孔洞结构；PA@MUF则出现明显团聚和粘连现象，这与其较低的封装效率相符。

2. MPCM改性沥青的流变性能结果： * 高温性能提升：DSR和MSCR试验结果一致表明，掺入PW@MUF能显著提升沥青的高温性能。随着微胶囊掺量的增加，改性沥青的复数模量（G）和车辙因子（G/sinδ）显著增大，表明其抗变形能力增强。例如，在46°C时，掺量12%的基质沥青改性样（70-12）的车辙因子比原样提高了354.41%。MSCR试验中，改性沥青的蠕变恢复率（R）显著提高，非恢复蠕变柔量（Jnr）降低，证实了其在高应力下的永久变形抵抗能力得到改善。 * 疲劳性能改善：疲劳因子（G*·sinδ）测试表明，MPCMs的加入提高了沥青的疲劳寿命。对于基质沥青，在34°C至58°C范围内，疲劳因子随掺量增加而显著提升；对于SBS改性沥青，改善效果同样存在，但过量掺加（如12%）对疲劳性能的进一步提升有限。 * 温度与应力敏感性降低：通过黏温敏感性（VTS）分析发现，掺加MPCMs后，沥青的VTS绝对值减小，表明其对温度的敏感性降低。同时，MSCR的应力敏感性指标（Rdiff和Jnr-diff）分析显示，在微胶囊的相变温度区间（46-52°C）内，沥青的应力敏感性有所缓解，相变过程吸收了部分热能，减缓了沥青的软化。 * 低温性能影响：BBR试验结果表明，PW@MUF的加入会增大沥青的低温蠕变劲度（S），降低蠕变速率（m），即降低了沥青的低温松弛能力，使其低温抗裂性能有所下降。当掺量达到12 wt%时，-12°C下的S和m值已接近AASHTO M320规范的下限，在更低温度（如-18°C）下存在不符合PG分级要求的风险。

四、 研究结论与价值

本研究成功制备了三种以MUF为外壳的脂肪族相变微胶囊（PW@MUF、SA@MUF、PA@MUF），并通过系统表征筛选出综合性能最优的PW@MUF用于沥青改性。主要结论如下： 1. PW@MUF微胶囊具有最高的相变焓（94.8 J/g）、最佳的热稳定性（170°C下质量保留率99.33%）、最强的泄漏抗性（泄漏率4%）和最规整的球形结构，是用于沥青温控改性的理想候选材料。 2. 将PW@MUF掺入沥青中，能显著提升基质沥青和SBS改性沥青的高温抗车辙能力和抗疲劳性能，并降低其对温度和荷载应力的敏感性。这主要归因于微胶囊外壳的物理增强作用以及芯材相变过程对路面温度的调节作用。 3. MPCMs的加入会略微损害沥青的低温性能，表现为低温劲度增加、应力松弛能力下降。因此，在实际应用中需谨慎优化掺量，以平衡高温性能增益与低温性能损失。

本研究的科学价值在于，首次系统比较了三种常见脂肪族PCMs经MUF封装后的综合性能，并深入揭示了MPCMs对沥青流变性能（特别是高温和疲劳性能）的增强机理。其应用价值在于为开发具有主动温度调节功能的“智能”沥青路面提供了关键的材料选择依据和性能数据支撑，对于缓解路面高温病害、降低城市热岛效应具有重要的工程实践意义。

五、 研究亮点

1. 系统性的材料筛选与表征：研究并未止步于单一MPCM的制备，而是对三种具有代表性的脂肪族PCMs进行了平行制备与全面对比（热性能、稳定性、力学、形貌），明确了PW@MUF的综合优势，为后续应用研究奠定了坚实的材料学基础。
2. 多尺度、多角度的性能评价体系：研究从微胶囊本身的理化性能，到其改性后沥青的宏观流变性能，构建了完整的评价链条。特别是综合运用了DSR主曲线分析、MSCR和BBR试验，从抗车辙、抗疲劳、应力敏感性到低温性能，对MPCM改性沥青进行了全方位、多温度的流变学表征，结论全面而可靠。
3. 揭示了性能改善与潜在问题的平衡关系：研究不仅肯定了MPCMs对沥青高温性能的显著改善，也客观地指出了其对低温性能的不利影响，并给出了掺量上限的警示（如12%掺量可能危及低温PG等级）。这种辩证的分析对工程应用中的配方设计具有重要指导意义。
4. 对相变温控机理的间接验证：通过分析在相变温度区间（46-52°C）内沥青应力敏感性指标（Rdiff, Jnr-diff）出现下降的趋势，间接印证了微胶囊相变吸热对沥青材料内部热力学状态的调节作用，将材料性能与相变功能联系起来。

六、 其他有价值内容

论文在讨论部分还对比了本研究结果与既往文献的差异。例如，指出本研究中PW@MUF的封装效率（50.59%）和潜热值（94.8 J/g）优于Han等人报道的MUF封装石蜡微胶囊（封装效率35.8%，潜热75.1 J/g），体现了本研究在制备工艺上的优化。此外，作者在结论部分展望了未来研究方向，包括进一步研究MPCMs在沥青胶浆中的微观形貌与泄漏行为，以及评估含MPCMs的沥青混合料在实际道路条件下的路用性能和温控效果，为后续研究指明了方向。