本研究报告向学界介绍了一篇由Dong Zhang、Meizhu Chen、Zongwu Chen、Pengxiang Li、Zhuhai Shao、Xingfei Liu和Pinpin Liu（通讯作者）合作完成的研究。该研究发表于《Construction and Building Materials》期刊的第491卷（2025年），论文标题为“Hydrogen-bonded PEG/functionalized expanded graphite composite phase change material (PEG/FEG CPCM) for pavement thermal regulation: Fabrication and performance”。
这项研究隶属于道路工程与材料科学交叉领域，特别是针对沥青路面热管理技术。其核心学术背景源于城市化进程带来的严峻城市热岛效应（Urban Heat Island effect, UHI）。研究表明，占城市地表约40%的沥青路面由于其高吸热性（太阳吸收率>0.9），是加剧UHI效应的主要人工基础设施之一，夏季路面温度可超过60°C。极端高温不仅加剧UHI，还会导致路面出现车辙、推移和温缩裂缝等病害，损害结构完整性与交通安全。因此，降低沥青路面温度具有双重紧迫意义：缓解UHI效应与减轻热致结构损伤。在各种缓解策略中，相变材料（Phase Change Material, PCM）增强型沥青路面因其通过潜热交换实现动态热调节而展现出巨大潜力，可将路面表面温度降低5-8°C。
在众多有机PCM中，聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）因其高潜热（180-220 J/g）和可调相变温度（5-80°C）而在热储能领域应用广泛。然而，其固有的两大缺陷——相变过程中的液相泄漏和低导热性（<0.3 W/(m·K)）——严重限制了其实用化。液相泄漏不仅降低路面中PEG有效含量、削弱热调节效率，还会影响沥青与集料的粘附性，损害路面性能。低导热性则阻碍PEG的均匀相变，延迟热响应。传统的封装方法，如使用聚合物或无机多孔基质（二氧化硅、沸石等），虽能改善泄漏问题，但其自身导热系数极低（λ < 1.00 W/(m·K)），导致复合相变材料（Composite PCM, CPCM）的传热效率受限。而高导热性的碳基基质（如膨胀石墨，Expanded Graphite, EG）虽能提升传热，但主要依赖范德华力和毛细作用吸附PEG，界面结合力不足，长期热循环下仍有泄漏风险。
近期研究表明，对碳基基质进行功能化改性可以引入特定的表面官能团，使其与PCM之间形成氢键。氢键的键能远高于常规分子间作用力，有望同时提升吸附稳定性和导热性。基于此，本研究旨在：（1）对EG基质进行功能化改性，使其与PEG建立稳定的氢键作用；（2）系统评估所得复合相变材料（PEG/FEG CPCM）的综合性能，验证其在封装稳定性和传热特性方面的改进，并最终评估其在沥青路面热调节应用中的效果。
本研究详细的工作流程可划分为三大阶段：材料制备与改性、综合表征分析、以及应用性能验证。第一阶段为材料的制备。首先，通过酸氧化法制备功能化膨胀石墨（functionalized expanded graphite, FEG）。具体步骤包括：将原始EG在105°C下干燥16小时以去除水分；随后将5.0 g EG分散在300 mL硫酸与硝酸的混合酸溶液（H2SO4:HNO3 = 2:1，体积比）中，于70°C水浴搅拌4小时进行氧化处理；反应后的产物用去离子水反复洗涤至中性；最后在105°C下再次干燥16小时，得到FEG。接下来，采用物理混合与真空浸渍法（添加草酸二水合物作为催化剂）将PEG封装入FEG基质中，制备出PEG/FEG CPCM。作为对比，使用原始EG通过相同方法制备了PEG/EG CPCM，并准备了纯PEG样品。
第二阶段是对所有材料（EG, FEG, PEG, PEG/EG CPCM, PEG/FEG CPCM）进行全面的表征。这一阶段包含多种分析测试，旨在从结构、化学组成、结晶能力、热学性能和热稳定性等多维度揭示材料的特性。具体实验包括：1）使用扫描电子显微镜（SEM）结合能谱仪（EDS）观察样品的表面形貌并分析元素组成。2）利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学官能团及相互作用。3）采用X射线衍射（XRD）研究材料的结晶能力和层间距。4）通过差示扫描量热法（DSC）精确测定相变参数，包括熔点（Tm）、结晶温度（Tc）、潜热（δHm, δHc）和过冷度（δT）。5）使用热盘法（Hot Disk）测量材料在30°C至70°C范围内的导热系数（λ）和比热容（Cp）。6）通过热重分析（TGA）评估材料的热稳定性，获取初始分解温度（Ti）、10%质量损失温度（T10%）等参数。7）进行加速热循环测试（100次，25–65°C循环），随后再次进行DSC和FTIR测试，以评估CPCM的封装耐久性。
第三阶段是应用性能验证，即模拟沥青路面环境下的热调节性能测试。研究团队基于前期研究，制备了三块AC-13沥青混合料板试件：不含PCM的原始混合料（A0）、掺加20 vol% PEG/EG CPCM的混合料（A1）以及掺加20 vol% PEG/FEG CPCM的混合料（A2）。使用500W汞灯模拟太阳辐射，并在试件中嵌入温度传感器监测不同深度的温度梯度。记录试件在程序控温加热（从25°C至65°C）和自然冷却过程中的温度变化曲线，以此评估CPCM对路面升温速率和降温过程的调节效果。
本研究获得了系统且富有洞察力的结果，各阶段结果环环相扣，共同支撑了最终结论。在形貌与元素组成方面，SEM显示FEG基质保持了EG的蠕虫状多孔结构，但层间发生膨胀，这为PEG吸附提供了更有利的空间。EDS元素分析是关键的定量证据：原始EG表面氧含量仅为2.66 wt%，而FEG的氧含量显著增加至12.33 wt%，且分布均匀，证实酸氧化成功引入了大量含氧官能团。SEM观察进一步发现，PEG/FEG CPCM表面分布的PEG晶体密度高于PEG/EG CPCM，直观表明FEG基质对PEG的吸附能力更强。
化学组成分析（FTIR）结果揭示了氢键形成的直接证据。对比纯PEG、FEG及PEG/FEG CPCM的红外光谱发现，PEG/FEG CPCM中PEG的-OH伸缩振动峰（从3428 cm⁻¹移至3417 cm⁻¹）和C-O-C伸缩振动峰（从1109 cm⁻¹移至1091 cm⁻¹）均发生系统性红移（向低波数移动），同时FEG的-C=O和-OH弯曲振动峰也发生了移动。这些特征峰的位移表明PEG中的-OH与FEG中的-COOH之间，以及PEG中的C-O-C与FEG中的-OH之间形成了氢键（键能约为20–35 kJ/mol）。而在PEG/EG CPCM光谱中，仅观察到各组分的峰叠加，未出现新峰或位移，表明其相互作用主要为物理吸附（范德华力）。这一结果为后续性能差异提供了根本性的化学机制解释。
结晶能力分析（XRD）提供了结构变化的证据。XRD图谱显示，FEG的（002）晶面衍射峰从EG的26.36°移至25.89°，对应的层间距d002从0.3379 nm扩大至0.3439 nm，这证实了氧化过程导致晶格膨胀。在CPCM中，PEG的结晶峰强度减弱、半高宽增加，表明基质限制了PEG分子链的迁移和结晶。特别地，PEG/FEG CPCM中PEG的结晶抑制效应比PEG/EG CPCM更显著，这归因于氢键的额外约束作用。同时，CPCM中EG/FEG的（002）峰进一步左移，证明PEG成功插层进入石墨片层之间。
热学性能是本研究评估的核心。DSC测试结果显示，与纯PEG相比，两种CPCM的相变温度（Tm）均略有下降，这得益于基质的高导热性加速了热传递。更重要的是，PEG/FEG CPCM的结晶温度（Tc，41.70°C）显著高于纯PEG（39.20°C）和PEG/EG CPCM（40.04°C）。这归因于FEG提供了异相成核位点，且界面氢键促进了PEG的有序结晶。因此，PEG/FEG CPCM的过冷度（δT = Tm - Tc）降至11.39°C，比纯PEG（15.17°C）降低了24.9%，表明其相变过程更高效、可控。在潜热方面，两种CPCM的δHm和δHc值因含有非相变成分而低于纯PEG，但计算得到的浸渍效率（E）和浸渍比（R）均超过79%，热存储容量（η）接近99%，证明被封装的PEG几乎全部参与了有效的相变储能。
传热性能测试结果令人瞩目。在30°C时，PEG/FEG CPCM的导热系数高达3.6257 W/(m·K)，是纯PEG（0.3132 W/(m·K)）的11.58倍。这归功于FEG构建的高效导热网络。尽管因含氧官能团增多引起的声子散射使其导热系数略低于PEG/EG CPCM（3.7566 W/(m·K)），但提升幅度依然巨大。比热容测试显示，所有材料在相变区间附近出现峰值，而CPCM的Cp值由于基质贡献较低而系统性低于纯PEG，这是提升导热性所带来的一个边际权衡。
热稳定性分析（TGA）表明封装显著提升了材料的热稳定性。PEG/FEG CPCM的初始分解温度（Ti）达到306.4°C，比纯PEG（295.7°C）提高了10.7°C。这归因于FEG的物理屏障作用和氢键对PEG分子挥发的抑制。封装稳定性与耐久性测试是验证实用性的关键。可视化泄漏测试显示，经过100次热循环后，纯PEG完全泄漏，PEG/EG CPCM在80循环后开始出现局部渗漏，而PEG/FEG CPCM在100次循环后仍保持完好，无泄漏迹象。循环后的DSC和FTIR分析提供了深入解释：纯PEG在循环后出现氧化降解（FTIR显示新生成C=O峰），导致潜热大幅下降（>7.5%）；PEG/EG CPCM因物理吸附失效和PEG降解，潜热损失严重（>24.4%）；而PEG/FEG CPCM的相变温度和潜热损失极微（Tc仅降0.9%，δHc仅降1.0%），FTIR谱图在循环前后几乎无变化。这强有力地证明了界面氢键不仅能防止泄漏，还能有效抑制PEG分子链在热应力下的氧化降解，从而赋予CPCM卓越的长期耐久性。
最后，模拟路面测试结果验证了材料的实际应用效能。在加热阶段，掺加PEG/FEG CPCM的沥青混合料（A2）升温至65°C所需时间（96分钟）比对照组（A0，94分钟）延长了2.1%，并在45-55°C区间出现明显的升温速率放缓平台，这是PEG相变吸热产生的“热缓冲”效应。相比之下，PEG/EG CPCM（A1）因更高的导热性和稍差的封装稳定性，升温反而更快。在冷却阶段，A2的降温时间延长至184分钟，比A0（160分钟）延长了15.0%，表明PEG/FEG CPCM在结晶放热阶段有效延缓了路面冷却。这证明了该材料具备双向热调节能力，能有效平抑路面温度波动。
本研究的主要结论是：通过酸氧化法成功制备了FEG基质，并基于氢键作用构建了高性能的PEG/FEG CPCM。该材料实现了封装稳定性、高导热性和优异相变性能的结合：其潜热值接近理论值，过冷度降低24.9%，导热系数提升11.58倍，热循环后性能衰减极微。模拟应用表明，该材料能有效延长沥青路面升/降温时间，缓解高温病害。本研究的科学价值在于，首次系统论证了通过功能化碳基质与PCM间构建氢键策略，来协同解决有机PCM泄漏和低导热性两大难题的可行性，并提供了从微观机制到宏观性能的完整证据链。其应用价值体现在为开发高性能路面热管理材料、缓解城市热岛效应、提升道路耐久性提供了创新的材料解决方案和坚实的理论与实验依据。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先是研究方法的创新性，创造性地采用酸氧化法对EG进行功能化改性，并利用氢键这一强相互作用来增强PEG的封装稳定性，这超越了传统依赖物理吸附的封装策略。其次是研究工作的系统性，从材料设计、制备、多尺度表征（形貌、化学、晶体、热学）到模拟应用验证，构成了一个完整且严谨的闭环研究体系。第三是研究发现的显著性，所制备的PEG/FEG CPCM在导热系数（>3.6 W/(m·K)）和热循环耐久性（100次循环后性能几乎无损）方面均达到了非常优异的水平，显著优于文献中报道的许多同类材料。第四是应用导向的明确性，所有研究均紧密围绕沥青路面热调节这一具体工程问题展开，最后的模拟路面测试直接将材料性能转化为工程效果，体现了从基础研究到潜在应用的清晰路径。
此外，文中提供的Table 1对文献中各类PEG基CPCM的性能进行了详尽的汇总比较，为读者和后续研究者提供了宝贵的背景资料和数据参考，凸显了本研究工作在当前领域中所处的先进位置。