聚氨酯/集料界面粘附特性与薄层覆盖性能的分子动力学研究及工程应用

针对传统沥青薄层覆盖层耐久性不足、易开裂及抗滑性能衰减快等问题，研究人员通过分子动力学模拟分析聚氨酯(PU)分子结构对PU/集料界面粘附特性的影响，优选PU配方并测试其薄层覆盖性能。结果表明，PU薄层覆盖可显著提升路面抗滑性（摆值达76.7，较AC-13对照组提高50%），且经9万次磨损后性能趋于稳定，为低碳环保型路面材料设计提供新思路。

　　

在城市化进程加速的今天，沥青路面作为交通基础设施的核心组成部分，其维护技术面临严峻挑战。传统沥青薄层覆盖层虽能快速修复路面，却存在耐久性差、易开裂、抗滑性能快速衰减等固有缺陷。更令人担忧的是，沥青材料的高温拌和过程不仅能耗巨大，还加剧了碳排放，与全球低碳发展目标背道而驰。与此同时，石油资源的日益枯竭使得寻找可持续替代材料成为当务之急。在这一背景下，聚氨酯(Polyurethane, PU)材料因其卓越的机械性能、粘附力和环境适应性进入研究者视野——这种高分子材料能否突破传统沥青的技术瓶颈？

为回答这一问题，长安大学的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表了创新性研究。该团队采用分子动力学模拟(Molecular Dynamics Simulation, MD)技术，首次从分子层面解析PU/集料界面粘附机制，并优选配方开发出高性能PU薄层覆盖材料。研究通过构建PU-集料界面模型，系统分析了温度、软段分子结构（聚丙烯二醇PPG分子量差异）及硬段类型（二苯基甲烷二异氰酸酯MDI与甲苯二异氰酸酯TDI）对界面结合能的影响规律。同时考虑施工便利性，引入实验室自制的潜伏性固化剂（甲基异丁基酮MIBK与间苯二甲胺MXDA反应产物），最终制备的PU薄层覆盖层经摆式摩擦仪测试显示，其抗滑性能较传统AC-13沥青混合料提升50%，且在9万次磨损循环后性能稳定，展现出显著的工程应用价值。

关键技术方法
研究采用分子动力学模拟构建PU/花岗岩集料界面模型，通过Materials Studio软件计算结合能；选用不同分子量PPG（1000/2000）与MDI/TDI制备PU预聚体，以二甲基甲酰胺(DMF)调节粘度；采用自研潜伏性固化剂实现室温快速固化；通过摆值测试（BSM）、结构深度测定及加速磨损实验（3万-9万次循环）评价性能；对比AC-13对照组数据，所有实验重复三次确保可靠性。

研究结果

界面结合能模拟
分子动力学模拟揭示：软段分子量增加显著提升界面结合能，PPG2000体系结合能较PPG1000提高18%-25%；MDI硬段体系结合能普遍高于TDI体系（温差30°C时差异达12.3kJ/mol），证实MDI更适合作路面粘合剂；温度升高导致结合能下降，但PPG2000-MDI组合在60°C仍保持较高结合能（>85kJ/mol），体现优异的热稳定性。

PU预聚体优选
综合考虑施工粘度（DMF添加量≤15wt%）与模拟结果，选定PPG2000-MDI为最优组合，其25°C粘度为3200mPa·s，满足喷涂工艺要求。潜伏性固化剂的引入使固化时间缩短至4小时（传统水固化需24小时），且气泡率降低76%。

薄层覆盖性能
抗滑性能：PU覆盖层初始摆值达76.7（AC-13组仅51.2），湿润状态下仍保持62.4；结构深度1.25mm，超出规范要求42%。耐磨性：前3万次磨损周期内性能下降较快（摆值损失约15%），但后续趋于稳定，9万次后摆值维持在65±2，磨损速率仅为AC-13组的1/3。

结论与意义
该研究通过分子动力学模拟与实验验证相结合，首次阐明PU分子结构-界面性能-工程应用间的构效关系：①PPG2000-MDI组合通过增大分子链缠结密度和极性基团含量，显著提升界面结合能；②潜伏性固化剂技术攻克了PU现场施工起泡难题，使室温快速固化成为可能；③PU薄层覆盖层较传统沥青材料寿命预期延长3倍，全生命周期可减少CO₂
排放1.8kg/m²
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这项研究不仅为低碳路面材料设计提供分子级理论支撑，更推动PU材料从特种工程向普适性道路维护领域的跨越。正如通讯作者Kun Wei在讨论中指出："该技术已成功应用于甘肃机场跑道修复，未来通过优化骨料级配（如采用玄武岩集料），可进一步降低成本约20%。"随着中国"双碳"战略深入实施，这种兼具性能优势与环境友好特性的创新材料，或将成为绿色交通基础设施建设的新标杆。