一种固固相变材料设计方法、固固相变材料及其配置方法

1.本技术涉及新型道路功能材料技术领域，具体涉及一种固固相变材料设计方法、固固相变材料及其配置方法。


背景技术：

2.目前，中国冬季道路70％以上受到冰雪天气的影响，道路表面积雪结冰导致道路湿滑，对行车安全造成严重影响易引发交通事故。道路表面积雪结冰后，路面摩擦系数大幅度降低，导致车辆易出现打滑、跑偏、刹车失灵等现象，从驾驶员角度出发，雪层覆盖于路面反射强光，会显著降低驾驶员注意力，干扰驾驶员正常行车。国内主流的道路融冰雪方法仍以化学融雪剂和机械清除为主，但两种方法均会造成环境污染、路面结构破损问题等问题。
3.相变材料因其具有潜热吸收/释放能力，加入路面混合料后可以对路面升/降温速率进行调控，起到延缓冬季路面积雪、凝冰时间，以及因低温冻害而造成的路面开裂和损伤的目的。传统的固液相变材料，应用于沥青混合料前需要进行物理封装处理，但封装后的固液相变材料存在相变材料封装工艺复杂、封装材料难以满足沥青路面施工要求、对相变材料包覆率低等问题。
4.固固相变材料主要是对固液相变材料进行化学处理，可以从根本上解决物理固液相变材料的缺陷。将固固相变材料应用于沥青混合料，可以有效对沥青混合料的温度进行调控，实现路面温度的自调温功能。
5.申请公布号为cn 110964174 a的中国专利公开了一种用于沥青路面主动降温的固固相变材料、制备方法及应用，通过以聚乙二醇、交联剂、异氰酸酯和氧化石墨烯为原材料制备了一种可以对高温沥青路面温度进行调温的固固相变材料，但专利中的方法，只能根据经验选择相变材料参数，这样制备出的相变材料对于某一区域的应用可能不存在针对性，不能很好的用于各复杂变化的气候条件下，容易出现区域的气候与相变材料性能不匹配，沥青路面温度调控效果不好的问题。
6.申请内容
7.为了解决目标区域的气候与相变材料性能不匹配的问题，本技术提供一种固固相变材料设计方法、固固相变材料及其配置方法。
8.为实现上述目的，本技术解决其技术问题所采用的设计方法为：
9.获取目标区域的气候数据及路面结构类型；
10.将获取的所述气候数据及路面结构类型输入到有限元软件内，构建路面温度场有限元模型；
11.通过路面温度场有限元模型，建立目标区域内气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数关系；
12.通过气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数关系，进行目标区域的固固相变材料设计。
13.可选的，所述目标区域内所述气候数据及所述路面结构类型与固固相变材料性能
参数关系构建方法：
14.将相变温度序列不同、相变焓值不同以及导热系数不同的固固相变材料参数，分别输入到所述路面温度场有限元模型中，模拟计算24小时内路面温度的变化状况，得出目标区域的固固相变材料性能参数。
15.可选的，所述气候数据包括太阳辐射条件、温度、风速以及地面温度。
16.可选的，所述固固相变材料性能参数包括相变温度、导热系数、比热容、密度、热稳定性、相变循环系数。
17.可选的，所述有限元软件为abaqus、ansys、comsol中的任意一种。
18.可选的，基于设计方法的设计结果得到所述固固相变材料配方包括：软段材料、硬段材料、交联剂、扩链剂、碳基材料；其中所述软段材料与所述硬段材料的摩尔比为1：1.5～1：3；所述软段材料和所述交联剂的摩尔比为1：3～1：6；所述碳基材料质量为所述软段材料和所述硬段材料总质量的0.5％～1.5％。
19.可选的，所述碳基材料可用硅基材料代替。
20.可选的，所述扩链剂为两个官能团的化合物。
21.可选的，所述碳基材料为：微米级膨胀石墨或碳纳米管。
22.可选的，基于固固相变材料配方，所述固固相变材料的配置方法：包括如下步骤：
23.步骤一、将所述软段材料溶于所述交联剂中，之后与所述碳基材料混合搅拌均匀形成待反应溶液；
24.步骤二、将所述硬段材料溶于所述交联剂中，待形成第一反应溶液后，将其加入所述步骤一的所述待反应溶液中，在70℃-80℃下进行加热反应，得到预聚体溶液，整个反应过程在氮气保护下进行；
25.步骤三、取部分步骤二得到的所述预聚体溶液，利用二正丁胺滴定法确定所述预聚体溶液中异氰酸酯的含量进而确定所述扩链剂用量；
26.步骤四、将所述扩链剂溶于所述交联剂中，形成均匀的第二反应溶液后将其加入所述步骤二中的所述预聚体溶液中，在80℃-85℃下进行加热反应，得到含有固固相变材料的成品溶液，整个反应过程在氮气保护下进行；
27.步骤五、将所述步骤四中的所述固固相变材料的成品溶液在80℃-85℃的干燥箱内干燥，72小时后得到成品的所述固固相变材料。
28.与现有技术相比，本技术的有益效果：
29.本发明根据目标区域的气候数据和路面结构类型来构建路面温度场有限元模型，确定固固相变材料性能参数，依据固固相变材料性能参数来进行固固相变材料配方精准地设计，从而使固固相变材料性能与目标区域的气候相匹配，大幅度提高沥青路面温度的调控效果。
附图说明
30.附图1为不同的相变温度下路面温度随时间的变化曲线；
31.附图2为附图1中a部分路面温度随时间的变化曲线；
32.附图3为附图1中b部分路面温度随时间的变化曲线；
33.附图4为不同相变温度与不同相变焓值下路面温度随时间的变化曲线；
34.附图5为不同相变温度和不同导热系数下路表温度曲线；
35.附图6为附图5中a部分路面温度随时间的变化曲线；
36.附图7为附图5中b部分路面温度随时间的变化曲线；
37.图中：11、已有路面；12、-6～2℃；13、-5～3℃；14、-4～4℃；15、-3～5℃；16、-2～6℃；17、-1～7℃；18、0～8℃；19、1～9℃；21、-2～6℃，低焓值；22、-1～7℃，高焓值；23、0～8℃，高焓值；24、1～9℃，高焓值；31、相变温度-2～6℃，导热系数1.4；32、相变温度-2～6℃，导热系数1.5；33、相变温度-2～6℃，导热系数1.6；34、相变温度-3～5℃，导热系数1.4；35、相变温度-3～5℃，导热系数1.5；36、相变温度-3～5℃，导热系数1.6；37、相变温度-4～4℃，导热系数1.4；38、相变温度-4～4℃，导热系数1.5；39、相变温度-4～4℃，导热系数1.6。
具体实施方式
38.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
39.本实施例提供一种固固相变材料设计方法，该方法包括以下步骤：
40.获取目标区域的气候数据及路面结构类型。目标区域指：新建路面所属的区域，该区域包含已有路面和新建路面，该区域的气候与相变材料性能要求能相匹配。所述气候数据根据国家的建筑气候分区图获取；所述路面结构类型为所述目标区域内路面结构类型，所述路面结构类型由路面结构类型的设计单位获取。所述气候数据包括太阳辐射条件、温度、风速以及地面温度。所述路面结构类型包括路面种类，路面厚度。
41.将获取的气候数据及路面结构类型输入到有限元软件内，构建路面温度场有限元模型。进一步，本技术实施例中的设计方法中有限元软件可以为abaqus、ansys、comsol的任意一种。通过以上任一软件进行路面温度场有限元模型构建，使得到的固固相变材料性能参数更加精确，大幅度提升了固固相变材料性能与目标区域中气候数据的适配能力。
42.通过路面温度场有限元模型，建立目标区域内气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数关系。所述目标区域内气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数关系构建方法：将相变温度序列不同、相变焓值不同以及导热系数不同的固固相变材料性能参数，分别输入到所述路面温度场有限元模型中，模拟计算24小时内路面温度的变化状况，得出目标区域的固固相变材料性能参数。所述固固相变材料性能参数包括相变温度、相变焓值、导热系数、比热容、密度、热稳定性、相变循环系数。
43.如图1～图3所示，其为不同的相变温度下路面温度随时间的变化曲线；其中11为已有路面，12为-6～2℃，13为-5～3℃,14为-4～4℃,15为-3～5℃,16为-2～6℃,17为-1～7℃,18为0～8℃,19为1～9℃。
44.如图4所示，其为不同相变温度与不同相变焓值下路面温度随时间的变化曲线，21为-2～6℃，低焓值；22为-1～7℃，高焓值；23为0～8℃，高焓值；24为1～9℃，高焓值。
45.如图5～图7所示，其为不同相变温度和不同导热系数下路表温度曲线，31、相变温度为-2～6℃，导热系数为1.4；32、相变温度为-2～6℃，导热系数为1.5；33、相变温度为-2～6℃，导热系数为1.6；34、相变温度为-3～5℃，导热系数为1.4；35、相变温度为-3～5℃，
导热系数为1.5；36、相变温度为-3～5℃，导热系数为1.6；37、相变温度为-4～4℃，导热系数为1.4；38、相变温度为-4～4℃，导热系数为1.5；39、相变温度为-4～4℃，导热系数为1.6。
46.通过图1～图7折线图，找出随时间变化下路面温度变化最小的相变温度，从而确定所需要的固固相变材料性能参数。
47.通过气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数关系，进行目标区域的固固相变材料设计。
48.本技术实施例中的设计方法中所述固固相变材料配方内容包括软段材料、硬段材料、交联剂、扩链剂、碳基材料。
49.进一步，所述软段材料为聚醚二醇，包括：聚四氢呋喃二醇250-3000中的一种或几种。所述硬段材料为异氰酸酯，其包括二苯基甲烷二异氰酸酯、六甲基二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯中一种或几种；所述软段材料与所述硬段材料的摩尔比为1：1.5～1：3。
50.所述交联剂一般为三官能度及以上的醇类化合物，如丙三醇、季戊四醇；所述软段材料和所述交联剂的摩尔比为1：1-5：1。
51.所述扩链剂为两个官能团的化合物，如小分子二元醇，二元胺；通过二正丁胺法滴定确定所述扩链剂用量。
52.所述碳基材料为：微米级膨胀石墨或碳纳米管等，此外，所述碳基材料可用硅基材料代替；所述碳基材料为所述软段材料和所述硬段材料总质量的0.5％～1.5％。所述碳基材料在固固相变材料制备的过程中，主要用于提高固固相变材料的导热能力，使其对温度的感知更加敏感和精准，从而提高对路面的调温效果。
53.所述固固相变材料的配置方法如下：
54.步骤一、将所述软段材料溶于所述交联剂中，之后与所述碳基材料混合搅拌均匀形成待反应溶液；
55.步骤二、将所述硬段材料溶于所述交联剂中，待形成第一反应溶液后，将其加入所述步骤一的所述待反应溶液中，在70℃-80℃下进行加热反应，得到预聚体溶液，整个反应过程在氮气保护下进行；
56.步骤三、取部分所述预聚体溶液，利用二正丁胺滴定法确定所述预聚体溶液中异氰酸酯的含量进而确定所述扩链剂用量；
57.步骤四、将所述扩链剂溶于所述交联剂中，形成均匀的第二反应溶液后将其加入所述步骤二中的所述预聚体溶液中，在80℃-85℃下进行加热反应，得到含有固固相变材料的成品溶液，整个反应过程在氮气保护下进行；
58.步骤五、将所述步骤四中的所述固固相变材料的成品溶液在80℃-85℃的干燥箱内干燥，72小时后得到成品的所述固固相变材料。
59.通过整个配置过程中氮气保护，来确保研制的所述固固相变材料能够满足通过构建路面温度场有限元模型得出的固固相变材料性能参数要求；此外，还能够保证所述固固相变材料在200℃的高温下保持较好的体积稳定性，在发生相态转变的过程中始终保持宏观上的固体状态，能够从根本上解决固液相变材料物理封装的弊端。且相变材料的制备简单，易于操作，便于量产。
60.以下通过实施例1、2来详细说明通过气候数据及路面结构类型设计固固相变材料的方法。
61.实施例1
62.以西安市某新建高速公路项目为例，按照本实施例的技术方案，本实施例的具体实施步骤如下：
63.获取西安已有或拟定的高速公路路面结构类型，该路面结构类型为：上面层为4cm的sma-13，沥青玛蹄脂碎石混合料；中面层为6cm的ac-20密级配沥青混凝土；下面层为8cm的ac-25沥青混凝土。按照路面结构类型，采用comsol建立1m
×
1m
×
18
㎝
路面结构模型。将其气候数据(温度-3～5℃，风速3m/s，降雨量15mm)作为路面温度场有限元模型边界条件，建立路面温度场有限元模型，用于计算固固相变材料性能参数。
64.通过路面温度场有限元模型，建立西安新建高速公路所处气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数之间的关系，得出适用于新建路面的固固相变材料的相变温度为0～3℃，相变焓值大于90j/g，导热率大于0.2w/(m
·
k)，比热容大于1.0j/(g℃)。
65.通过得到的固固相变材料性能参数，选用软段材料为聚四氢呋喃2000、硬段材料为二苯基甲烷二异氰酸酯、交联剂为n,n二甲基甲酰胺，扩链剂为小分子二元醇，碳基材料为碳纳米管来研究固固相变材料配方。
66.聚四氢呋喃2000和二苯基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为1:2.5，聚四氢呋喃2000和n,n二甲基甲酰胺的摩尔比为2；扩链剂用量由二正丁胺法滴定确定；碳纳米管掺量为0.5％wt。
67.步骤一、将聚四氢呋喃2000溶于n,n二甲基甲酰胺中，之后与碳纳米管混合搅拌均匀形成待反应溶液。
68.步骤二、将二苯基甲烷二异氰酸酯溶于n,n二甲基甲酰胺中，待形成均匀第一反应溶液后，将其加入步骤一所述待反应溶液中，在70℃～80℃下进行加热反应，得到预聚体溶液，整个反应过程在氮气保护下进行。
69.步骤三、取部分步骤二得到的预聚体溶液，利用二正丁胺滴定法确定异氰酸酯含量进而确定扩链剂用量。
70.步骤四、将扩链剂溶于n,n二甲基甲酰胺中，形成均匀的第二反应溶液后将其加入所述步骤二中的预聚体溶液中，在85℃下进行加热反应，得到含有固固相变材料的成品溶液，整个反应过程在氮气保护下进行。
71.步骤五、将所述步骤四中的固固相变材料的成品溶液在85℃的干燥箱内干燥，72小时后得到成品固固相变材料。
72.实施例2
73.以乌鲁木齐市某新建高速公路项目为例，按照本实施例的技术方案，本实施例的具体实施步骤如下：
74.获取乌鲁木齐已有或拟定的高速公路路面结构类型，该路面结构类型为：上面层为4cm的ac-10，沥青玛蹄脂碎石；中面层为5cm的ac-16密级配沥青混凝土；下面层为8cm的ac-25沥青混凝土。按照路面结构类型，采用abaqus建立1m
×
1m
×
17
㎝
路面结构模型，将其气候数据(温度-10～-3℃，风速10m/s，降雨量20mm)作为路面温度场有限元模型边界条件，建立路面温度场有限元模型，用于计算固固相变材料性能参数。
75.通过路面温度场有限元模型，建立乌鲁木齐新建高速公路所处气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数之间的关系，得出适用于新建路面的固固相变材料的相变温度为3～7℃，相变焓值大于95j/g，导热率大于0.4w/(m
·
k)，比热容大于1.2j/(g℃)。
76.通过得到的固固相变材料性能参数，选用软段材料为聚四氢呋喃2000、硬段材料为六亚甲基二异氰酸酯、交联剂为n,n二甲基甲酰胺，扩链剂为小分子二元醇，碳基材料为微米级膨胀石墨来研究固固相变材料配方。
77.聚四氢呋喃1800和六亚甲基二异氰酸酯的摩尔比为1:5，聚四氢呋喃2000和n,n二甲基甲酰胺的摩尔比为2.5；扩链剂用量由二正丁胺法滴定确定；微米级膨胀石墨掺量为1.2％wt。
78.步骤一、将聚四氢呋喃1800溶于n,n二甲基甲酰胺中，之后与微米级膨胀石墨混合搅拌均匀形成待反应溶液。
79.步骤二、将六亚甲基二异氰酸酯溶于n,n二甲基甲酰胺中，待形成均匀第一反应溶液后，将其加入步骤一所述待反应溶液中，在70℃～80℃下进行加热反应，得到预聚体溶液，整个反应过程在氮气保护下进行。
80.步骤三、取部分步骤二得到的预聚体溶液，利用二正丁胺滴定法确定异氰酸酯含量进而确定扩链剂用量。
81.步骤四、将扩链剂溶于n,n二甲基甲酰胺中，形成均匀的第二反应溶液后将其加入所述步骤二中的预聚体溶液中，在80℃下进行加热反应，得到含有固固相变材料的成品溶液，整个反应过程在氮气保护下进行。
82.步骤五、将所述步骤四中的固固相变材料的成品溶液在80℃的干燥箱内干燥，72小时后得到成品的固固相变材料。
83.综上所述，本技术根据目标区域的气候数据和路面结构类型来构建路面温度场有限元模型，确定应用于路面调温的固固相变材料性能参数，依据具体参数来进行固固相变材料配方精准地设计，使固固相变材料性能与目标区域的气候相匹配，从而针对具体应用场景来对沥青路面温度进行有效调控。
84.上面结合附图对本技术的实施方式作了详细说明，但是本技术并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本技术宗旨的前提下还可以作出各种变化。

技术特征：
1.一种固固相变材料的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：获取目标区域的气候数据及路面结构类型；将获取的所述气候数据及路面结构类型输入到有限元软件内，构建路面温度场有限元模型；通过路面温度场有限元模型，建立目标区域内气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数关系；通过气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数关系，进行目标区域的固固相变材料设计。2.根据权利要求1所述的一种固固相变材料的设计方法，其特征在于，所述目标区域内所述气候数据及所述路面结构类型与固固相变材料性能参数关系构建方法：将相变温度序列不同、相变焓值不同以及导热系数不同的固固相变材料参数，分别输入到所述路面温度场有限元模型中，模拟计算24小时内路面温度的变化状况，得出目标区域的固固相变材料性能参数。3.根据权利要求1所述的一种固固相变材料的设计方法，其特征在于，所述气候数据包括太阳辐射条件、温度、风速以及地面温度。4.根据权利要求1所述的一种固固相变材料的设计方法，其特征在于：所述固固相变材料性能参数包括相变温度、导热系数、比热容、密度、热稳定性、相变循环系数。5.根据权利要求1所述的一种固固相变材料的设计方法，其特征在于：所述有限元软件为abaqus、ansys、comsol中的任意一种。6.一种固固相变材料，其特征在于，基于如权利要求1-5任一项所述的设计结果得到所述固固相变材料的配方：软段材料、硬段材料、交联剂、扩链剂、碳基材料；其中所述软段材料与所述硬段材料的摩尔比为1：1.5～1：3；所述软段材料和所述交联剂的摩尔比为1：3～1：6；所述碳基材料质量为所述软段材料和所述硬段材料总质量的0.5％～1.5％。7.根据权利要求6所述的固固相变材料的设计方法，其特征在于，所述碳基材料可用硅基材料代替。8.根据权利要求6所述的固固相变材料的设计方法，其特征在于，所述扩链剂为两个官能团的化合物。9.根据权利要求6所述的固固相变材料的设计方法，其特征在于，所述碳基材料为微米级膨胀石墨或碳纳米管。10.一种固固相变材料，其特征在于：基于权利要求6所述固固相变材料的配置方法：包括如下步骤：步骤一、将所述软段材料溶于所述交联剂中，之后与所述碳基材料混合搅拌均匀形成待反应溶液；步骤二、将所述硬段材料溶于所述交联剂中，待形成第一反应溶液后，将其加入所述步骤一的所述待反应溶液中，在70℃-80℃下进行加热反应，得到预聚体溶液，整个反应过程在氮气保护下进行；步骤三、取部分步骤二得到的所述预聚体溶液，利用二正丁胺滴定法确定所述预聚体溶液中异氰酸酯的含量进而确定所述扩链剂用量；步骤四、将所述扩链剂溶于所述交联剂中，形成均匀的第二反应溶液后将其加入所述
步骤二中的所述预聚体溶液中，在80℃-85℃下进行加热反应，得到含有固固相变材料的成品溶液，整个反应过程在氮气保护下进行；步骤五、将所述步骤四中的所述固固相变材料的成品溶液在80℃-85℃的干燥箱内干燥，72小时后得到成品的所述固固相变材料。

技术总结
本申请涉及新型道路功能材料技术领域，具体涉及一种固固相变材料设计方法、固固相变材料及其配置方法，其方法包括获取目标区域的气候数据及路面结构类型，构建路面温度场有限元模型，建立气候数据及路面结构类型与固固相变材料性能参数关系，得出目标区域中的固固相变材料性能参数，固固相变材料配方包括：软段材料、硬段材料、交联剂、扩链剂、碳基材料。本申请根据目标区域的气候数据和路面结构类型来构建路面温度场有限元模型，确定固固相变材料性能参数，依据性能参数进行固固相变材料配方精准设计，使固固相变材料性能与目标区域的气候相匹配，大幅度提高沥青路面温度的调控效果。大幅度提高沥青路面温度的调控效果。


技术研发人员：焦文秀 沙爱民 李硕 贾猛 李新舟 宋瑞萌
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/8/23