調濕材料的國內外研究概況

1、調濕材料的國內外研究概況?78?材料導報2008年8月第22卷第8期調濕材料的國內外研究概況侯國艷,冀志江,王靜,王繼梅,王曉燕(中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室,北京100024)摘要系統討論了國內外調濕材料的調濕機理,性能評價方法以及產品的研究進展,提出了國內調濕材料行業(yè)應盡快建立完整的機理理論和科學的性能評價體系,調濕材料應向吸放濕能力強,速度快,成本低,節(jié)能無污染,健康環(huán)保的產品方向發(fā)展.關鍵詞調濕材料室內環(huán)境吸放濕性能中圖分類號:x82o.3domesticandabroadresearchstatusofhumiditycontrolmaterialshouguo

2、yan,jizhijiang,wangjing,wangjimei,wangxiaoyan(statekeylaboratoryofgreenbuildingmaterials,chinabuildingmaterialsacademy,beijing100024)abstractthehumidity-controlprinciple,themethodofperformanceevaluationandtheproductsresearchprogressarediscussedsystemically.itspointedoutthattheintegratedprincipletheo

3、ryandscientificperformanceevaluationsystemofhumidity-controlmaterialsshouldbesetupassoonaspossibleandthehumidity-controlmaterialsshouldbedevelopedwithhighmoisturesorption/desorptionperformance,highrateofmoisturesorption/desorption,lowcost,energysaving,nopollution,healthandenvironmentalprotection.key

4、wordshumidity-controlmaterial,indoorenvironment,moisturesorption/desorptionperformance0引言空氣相對濕度是衡量室內環(huán)境的一項重要參數,對人體健康,室內空氣質量以及物品的存放都有重要意義.國家空氣質量標準規(guī)定室內相對濕度標準值,夏季空調房間為4o%6o%,冬季采暖房間為3o6o.加拿大學者anthonyv.arundel等_l綜合了各種因素,考慮濕度對微生物生長,人體發(fā)病以及物品變質等各種影響后,推薦最佳的相對濕度范圍在4o6o之間.“調濕材料”這一概念是由日本學者西藤宮野等首先提出來的,是指不需要借助任何人工

5、能源和機械設備,依靠自身的吸放濕性能,感應所調空間空氣溫濕度的變化,從而自動調節(jié)空氣相對濕度的材料.調濕材料是無需消耗電力等不可再生能源,具有良好自動調節(jié)空氣濕度能力的材料,對節(jié)約能源,改善環(huán)境舒適性,促進生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展等具有重要的實際意義.2o世紀8o年代起,日本成為最早開發(fā)發(fā)展調濕材料產品的國家,成果覆蓋文物保存,紡織,化工,建筑材料等多個領域.繼日本之后,近年來西班牙,德國等西方國家也先后展開了對調濕材料的研究.我國潮濕地區(qū)年平均相對濕度在7o%8o%,有時高達951003,北方干燥時期的相對濕度甚至可以達到1o以下.這些地區(qū)的建筑要達到室內環(huán)境的熱舒適要求,就需要采取高效的方法解

6、決相對濕度帶來的室內環(huán)境質量問題.因此,近1o年來我國相繼開展了一些有關調濕材料的研究工作,大多集中在硅膠,高分子聚合物,無機礦物質以及復合材料上,但由于調濕機理的復雜性,這方面的研究進展緩慢,某些調濕產品存在制造工藝復雜,生產成本高,濕容量過小,調濕速度慢等缺點.因此,工藝簡單,生產成本低廉且調濕性能優(yōu)良的調濕材料,成為目前調濕材料研發(fā)的主要方向.1調濕材料的調濕機理調濕材料的作用機理因種類差別而不同,近幾年國內外開發(fā)的調濕材料品種繁多,分類方法各異.羅曦蕓l4認為調濕材料分為特種硅膠,無機鹽類,蒙脫土類和有機高分子材料類4種;蔣正武_5認為可將調濕材料分為人工調濕材料與天然調濕材料兩大類;

7、王吉會認為調濕材料分為硅膠,無機鹽,無機礦物材料,有機高分子材料,復合調濕材料,生物質類調濕材料_6.筆者認為按照調濕材料的調濕基材及調濕機理可分為無機調濕材料,有機高分子調濕材料,生物質調濕材料和復合調濕材料4類.材料對水分子的吸附主要分為物理吸附和化學吸附兩種.物理吸附與否或吸附量的多少主要取決于極性的相似性,發(fā)生在固體的整個自由表面.化學吸附一般為單分子層吸附,吸附穩(wěn)定,不易脫附,調濕材料經化學吸濕過程而吸附的水分子容易滯留在結構內部.無機調濕材料的調濕性能主要是水蒸氣分子在孑l道(或層狀)結構以及在孑l(或層)中擴散.具有一定孑l徑的無機調濕材料,當空氣中的水蒸氣分壓高于其孑l內凹液面

8、上水的飽和蒸氣壓時,水蒸氣被吸附,反之則脫附,以物理吸附為*國家”十一五”科技攻關計劃資助項目(2006baj02a09;2oo6baj021302)侯國艷:女,1979年生,碩士,主要從事環(huán)境材料研究tel:01051167448e-mail:houguoyan調濕材料的國內外研究概況/侯國艷等?79?主.有機調濕材料的調濕機理為有機分子表面與水分子之間的范德華力相互作用,因水分子為極性分子,若有機分子材料的極性大,則與水分子的作用力就大,吸濕量也相應增大;反之,若有機分子材料為非極性分子,則吸濕量幾乎為零.冉茂宇【7認為理想的調濕材料應具有如圖1所示的吸放濕曲線,曲線的變化在某一濕度范圍內

9、劇烈而在兩端平緩.只要材料的含濕量處于uuz之間,室內空氣相對濕度就自動維持在z范圍內.圖中曲線的斜率代表了材料的吸濕速率,uu2之間的垂直高度代表了材料的含濕量,滯后環(huán)的寬度應與材料的吸放濕反應速度有關.如果吸濕和放濕曲線間的滯后環(huán)寬度足夠小,之間的斜率足夠大,則材料可以使室內相對濕度穩(wěn)定在相當窄的范圍內.稠把婪葵相對濕度西,%圖1調濕材料的理想調濕原理曲線f唔1theidealtheoryguleofhumiditycontrolformaterials2調濕材料性能的評價方法理想的調濕材料除了應具有上述特性的吸放濕曲線外,還應具有飽和平衡含濕量大,應答性好的特點.飽和平衡含濕量反映材料最

10、大蓄濕能力,應答性是衡量材料對周圍濕度變化做出反應的快慢【8.對于調濕材料調濕性能的評價主要從濕容量和吸,放濕速度兩個方面進行.2.1國外調濕材料性能的評價方法日本學者從理論角度對調濕材料進行了深入的研究.渡材信治等9對國際化學聯合會(iupac)所劃分的等溫吸附曲線種類進行分析,指出具有型或v型等溫吸附曲線的材料比較適合作為調濕材料,以兩端開口的圓柱毛細孔為模型,考慮到吸附與脫附毛細管中彎月面有所不同,指出孔徑在3.0-7.4din之間且分布均勻的材料,在相對濕度4070之間具有最佳的調濕性能.這是最早從理論角度研究調濕材料的文獻.關于材料調濕性能的評價方法,日本學者提出了4種觀點.(1)水

11、蒸氣擴散系數一最大平衡含濕量法.牧福美r1蚰認為,材料水蒸氣擴散系數d和最大平衡含濕量u一都大的材料,調濕性能好.只有傳熱傳濕速度足夠快,平衡含濕量才能反映動態(tài)變化過程中材料本身所具有的含濕量.(2)平衡吸放濕曲線法.池田哲朗1分析了材料平衡吸放濕曲線(x,11),為了能體現對溫度引起的濕度變化的應答,用最大平衡含濕量和k,v兩個變化率表示調濕性能的好壞.但是由于材料平衡吸放濕曲線反映的是一種靜態(tài)熱濕平衡關系,只有在空氣溫度或絕對濕度變化緩慢,即材料與空氣之間時時處于濕熱平衡狀態(tài)時,k,v才反映材料對外界應答的快慢,(x,11)才代表材料的瞬時含濕量.(3)單位表面積吸放濕量法.小野公平1從實

12、測的角度提出了描述調濕性能指標的方法,將密閉窨中溫度波動引起的材料單位表面積吸放濕量作為材料的調濕能力.只要將調濕材料貼于密閉的空間中,給予一定的初始條件和周期性溫度變化,同時記錄密閉空氣溫度和相對濕度的變化,就可計算出材料的調濕能力.(4)b值法.大釜敏正1釘發(fā)現密閉小箱中,絕對溫度x()的對數與箱外平衡攝氏溫度t有近似直線關系,提出了用參量b值來體現材料調濕能力的方法.b值越接近于零,對室內相對濕度穩(wěn)定性越好,調濕能力越好.但b值是建立在熱濕平衡或準平衡基礎之上的,只適用于外界溫度緩慢變化的情況.此外,2005年日本試行的tc163/sc1/wg8n024標準提出了利用”steprespo

13、nsemethod”和”fluctuationmethod”對材料的調濕性能進行測試.考慮到樣品表面風力對測試結果的利弊,表面吸濕阻力值應控制在6.710_.-26.710mz?h?pa/mg之間.樣品經過處理可確保樣品的其它部位不會影響到待測表面的吸放濕性能.以24h的高相對濕度,24h的低相對濕度作為一個循環(huán),分別在低,中,高3種狀態(tài)下進行1個循環(huán)的測試.”stepresponsemethod”進行1次循環(huán)測試,記錄數值,”fluctuationmethod”按照上面的實驗方法進行4次循環(huán),記錄數值.根據計算結果作出吸放濕量曲線圖,吸放濕速率曲線圖,吸放濕量大,吸放濕量間的差值小且吸放濕速

14、率大的材料調濕性能好.美國floridasolarenergycentre(fsec)建立的常用建筑材料平衡含濕量曲線數據庫時采用式(1)作為分析平衡含濕量曲線的表達式【1:u一面+面(1)式中:u為平衡含濕率;為相對濕度;n,6,f,d分別為試驗常數.利用originprov7.5軟件對測試數據進行擬合分析,得到n,b,f,d這4個系數,從而得出不同調濕材料的等溫吸濕平衡曲線擬合關系式.2.2國內調濕材料性能的評價方法國內學者對于評價材料調濕性能的方法也進行了探討.冉茂宇在這方面做了大量的工作,他在大釜敏正提出的b值法理論基礎上,進一步研究論證了用密閉小箱觀測到的實驗現象,為b值提供了理論依

15、據【1.同時就b值的不足提出了更為合理的參數bt值,用于描述密閉空間調濕材料調濕性能,即:bt=()b(2)其中:11o為要調節(jié)的目標溫度.通過研究,他得出3點主要結論:(1)bt值和b值的理論基礎是熱力學兩相平衡理論;(2)b值和bt值都反映材料與水分的結合性質,取決于結合能的大小;(3)材料與水分的結合能越接近純液態(tài)水分子間結合能,材料的調濕特性越好.3調濕材料的研究進展國外關于調濕材料的研究起步較早,其中又以日本的研究較為先進,尤其在調濕材料的開發(fā)應用領域更是走在世界的前列.西班牙,德國等西方國家也相繼展開了調濕材料的研究與?80?材料導報2008年8月第22卷第8期應用.國內近幾年開始

16、對調濕材料進行研究,目前研究的調濕材料主要集中在海泡石,高嶺土,沸石等礦物材料,但還沒有形成較成熟的產品.3.1無機調濕材料無機調濕材料種類較多包括有無機鹽類調濕材料和無機礦物類調濕材料.應用于調濕材料的無機礦物比較多,如蒙脫土,硅藻土,沸石粉,海泡石,高嶺土等無機礦物,這類無機礦物的主要特點是內部微孔多,比表面積大,吸附能力強.無機鹽調濕材料的調濕作用完全由鹽溶液所對應的飽和蒸氣壓所決定-1,但由于大部分易潮解,在常溫下不穩(wěn)定,對保存的物品空間產生污染,因此其應用受到一定的限制.町長治等.將3o的天然沸石與水泥及纖維混合,發(fā)泡成形后在高壓蒸氣中養(yǎng)護成”a型沸石板”.木村啟一等開發(fā)出”b型沸石

17、板”將天然沸石的量增加到6o,與水泥及纖維混合后在室溫下養(yǎng)護而成.寒河江昭夫等以天然沸石為原料,將其研磨成細小顆粒,與灰漿混合調制,開發(fā)出了一種稱為”沸石灰漿護墻板”的新型調濕材料.清華大學土木系建材研究室在國內率先開展了調濕材料的研究_2,與日本大學的笠井芳夫等聯合發(fā)表了”關于采用天然沸石作調濕材料的試驗”的論文.巖佐宏等_21利用硅藻土制造出既簡單又價廉的調濕材料.yoshidatakayuki等l2利用酸處理過的硅酸鹽混合吸水物質制成濕度控制材料控制室內濕度.見城敏子博士研制的nikka是用蒙脫土經酸等工藝處理而成,具有許多能吸附和解析水蒸氣的微孔,其濕度緩沖性能優(yōu)于硅膠.rogatki

18、n等對蒙脫土類調濕材料也作了較為詳細的研究.田福禎等l23_篩選了幾種無機材料及合成的硅酸鈣,并對其調濕性能進行了測試,復配r5種調濕材料,達到了日本樣品的水平.王新江與渡村信泊進行了利用煤系高嶺土制備自律型調濕材料的研究,其燒成品的吸濕量最高可達6.3.teramuratoshirumi等利用碳酸鈣和無定性硅石復合制成調濕建筑材料.冉茂字口.研究了硅膠的吸放濕性能,同時探討了材料的吸濕機理.naik等對沸石粉作為調濕材料進行了研究.日本一家公司開發(fā)出一種燒結多孔結構硅藻土陶瓷內部裝飾材料l2,其具有濕氣調節(jié)功能,對有害物質及臭味有吸附凈化作用.w.p.crace公司chemicaldivis

19、ion生產的中等密度硅膠(id59),規(guī)則密度硅膠(rd)均具有較高的吸濕容量和較好的調濕性能.中國臺灣將矽土和石灰,水泥等的細骨料混合_2,加水攪拌制成調濕涂料,自然硬化后能發(fā)揮防水性及呼吸性等性能.rogatkin等對蒙脫土類調濕材料也作了較為詳細的研究.姜洪義等蜘采用酸性常溫法制備介孔氧化硅材料sh,通過添加擴孔劑對其進行改性,結果表明,酸性條件下合成的介孔氧化硅sh有著很好的吸濕放濕性能,且添加擴孔劑后其濕度調節(jié)能力增大.3.2有機高分子類調濕材料有機高分子調濕材料大都具有高調濕容量.近年來關于高分子調濕材料的研究主要傾向于調濕容量高,形式多樣化,適用于不同場合的產品開發(fā),主要集中在紡

20、織業(yè)l3,采用高分子材料制成高吸濕性纖維,進而生產出可自動吸濕排汗的織物,使用這種材料制成的衣服具有吸濕排汗,自動調濕的功能.東洋紡織株式會社開發(fā)的商品名為”ekusu”纖維,是世界上最早實現吸濕性超過天然纖維這一愿望的合成纖維,具有很好的調節(jié)性能,可調濕,調溫,又具有ph緩沖性,吸水,速干,抗菌,抗靜電,阻燃,消臭,抗起球等性能.杜邦公司于1998年推出商品名為coolmax的異形截面滌綸新品,其表面有4道凹槽,具有芯吸效應.該纖維織成的面料能在身體剛開始發(fā)汗時就將濕氣從皮膚排到織物表層,從而達到排濕導汗,降低體溫的效果.日本旭化成公司首創(chuàng)的高吸放濕聚氨酷纖維,其特點是吸濕量大,放濕速度快,

21、保持穿著舒適感.日本東麗公司的quup是在尼龍中混入特殊的高吸濕性聚合物而制得的均勻相溶的聚合物混合體,具有很高的平衡吸濕量,既保持了尼龍原來的特性,又能使吸濕性提高6倍l3.日本東洋紡織公司成功地開發(fā)出具有調濕功能的復合聚酷spunbond,可以應用在任何需要調節(jié)濕度的領域內.黃季宜等_l33_分析了由高分子樹脂吸收鹽溶液后形成的凝膠制成的吸放濕板的調濕性能,在一4065之間的含水率之差可達270kg/rna,具有很好的蓄放濕能力,該調濕板材的吸放濕率是普通混凝土砌塊的lol3倍.3.3生物質調濕材料隨著人們環(huán)保意識的增強以及對木材,竹炭,農作物秸稈等可再生天然資源對水蒸氣良好的吸附作用的認

22、識加深,各國研究人員紛紛加大了對生物質調濕材料的開發(fā).這些研究主要集中在木材,竹炭,木炭,農作物秸稈等產品上.農作物秸稈因其可再生無虧染備受人們的青睞.木材依靠自身的吸附與解吸作用成為優(yōu)良的天然調濕產品.牧福美等j研究了木質材料對環(huán)境濕度的調節(jié)作用,結果表明木質裝飾材料比合成材料和無機材料的調濕效果更好.大釜敏正等13,357利用密制鋼制箱體對木質裝飾材料進行了研究,得出評價木材調濕性能大小的b值法.葉石猛夫3(通過實驗得出:木制房間的調濕性能是混凝土房間的1.9倍.近江正陽等對吸濕性木質復合材料的調濕性進行了研究,結果表明,木粉復合材料的濕度調節(jié)能力等于或大于木材單板,其吸濕性可用對數值表示

23、,濕度平衡狀態(tài)下,復合材料的濕度調節(jié)能力可通過吸濕等溫線的特征加以預測.竹炭與木炭是竹子與木材在無氧高溫炭化下燒制而成的,內部分布著大量的微細小孔,因此具有較好的調濕與調溫效果,同時由于其具有良好的吸附陛,能起到除臭,殺菌的功能.鑒于竹子相對于木材可再生性較強,近年日本開發(fā)了大量竹炭調濕產品.曹金珍等研究了木材對環(huán)境濕度的調節(jié)功能37,385.陳冠益等3以農作物廢棄物為主要原材料,與多孑l礦物材料等混合配制出一種調濕墻體材料.3.4復合調濕材料復合調濕材料是將不同類型的調濕材料與其它輔助材料混合反應后制得的.最常見的是高吸水性樹脂與無機填料復合制備而成的調濕材料.用于復合的高分子材料通常具有較

24、高吸濕容量,但由于其分子的規(guī)整,被吸附的水分難以解析,放濕性能差.通過與無機填料的復合(通常為電解質或多孔載體),不僅調濕材料的國內外研究概況/侯國艷等?81?透氣性好的薄層等特點,探索研制了一種成本低,能自動調節(jié)室內濕度,且耐濕擦性好的內墻涂料.kobayashletsuo4發(fā)明了可以抗菌的調濕材料及建筑材料.hanadakozol4利用經特殊處理過的炭化物顆粒加入粘結劑加熱壓制成炭化物調濕材料.美甘純一等5將高分子樹脂與無機材料復合制得復合型調濕劑,其調濕時間短,并且能恒濕于43相對濕度.杜尚豐等4il進行了智能型調濕陶瓷材料的研究與開發(fā),其最大水蒸氣吸附量高達18.梁金生等4利用海泡石,

25、木質纖維,復合磷酸鹽,纖維素,活性炭,無機抗菌劑及防霉劑通過海泡石族礦物的酸洗,活化以及各組分的混合,制漿,成型,焙燒和破碎等工藝制成了一種具有自調濕功能的建材添加劑.李雙林等4研制出的新型調濕涂料可使密閉空間內的相對濕度在40rain內由92.5%降低到了79.5%(理想的環(huán)境濕度應在4o%6o%之間).呂榮超_20l以純海泡石和白水泥為主復配成的樣品可使10l密閉容器內部濕度控制在4751%.張連松等l_4.研制成一種新型內墻粉末裝飾涂料,具有凈化空氣,抗菌,調濕等多種健康功能,其吸放濕量達到5%6.李曉麗等49以聚丙烯酸樹脂為調濕劑,制備出的內墻調濕涂料在rh>75%時吸濕效果較好

26、.筆者等50_利用硅藻土與海泡石配制出一種調濕膩子粉,與普通膩子相比吸濕能力高5,放濕能力高7%.尚建麗等_51以石膏為基礎膠結材料,通過添加吸附性較好的植物纖維,活性炭和高嶺土,研制出一種具有較好調濕能力的材料,同時利用計算機軟件擬合得到調濕材料的等溫吸濕曲線函數關系式.此外,旭硝子開發(fā)部的小野公平等】2以石灰或水泥和硅砂為主要原料,用不同的工藝過程相繼開發(fā)出硅酸鈣水合物調濕材料.紙類材料也具有一定的吸放濕能力,但調濕能力卻不理想.中野修等5先后開發(fā)了酸,堿性吸濕紙,調濕能力最好的是被稱為shc(superhumiditycontrollingpaper)的調濕紙.這種紙是以少量木質纖維和多

27、量的無機吸濕粉體為原料在水中混合分散,加入一定的粘接劑進行聚離子反應后,在摻紙金屬網上壓緊脫水成型而制成.yoshldashigeo等5研制出墻體調濕材料解決了普通可調濕石膏在絕熱高濕度下不能調節(jié)濕度的難題.inax公司_5i_用石灰,鋁英礬土,砂等通過混煉制成濕度控制抹面材料;前田雅喜將水玻璃和氫氧化鋁與高嶺土經8001150c共同燒結成型,制成具有濕度調節(jié)功能的鋁基調濕材料;janis公司利用海泡石,硅藻土,沸石和輕質混凝土的一種或幾種和無機粘結劑為原料,經過成型干燥制成濕度控制材料.日本森林綜合研究所利用一種特殊薄膜,成功開發(fā)出一種有效除濕的環(huán)保裝置5,如果使用2m2的這種薄膜,就可以使

28、厚度為5cm,面積為5orn2的地板濕度保持在6o%65%以下.這種除濕裝置有利于提高建材的耐久性,日本建材廠家及房地產開發(fā)商計劃在5年內使其市場化.日本還申請了多項關于濕度調節(jié)或控制材料的專利,奠定了日本作為調濕材料研究領域的主導地位2.4調濕材料的發(fā)展方向目前,我國對調濕材料在吸濕性研究方面的論著很多,但是對吸,放濕機理的研究還不多見,對調濕材料性能評價方法的研究還不足.相比于調濕材料發(fā)展較完善的日本,國內相關產品尚處于初開發(fā)階段,且未見價格適中,性能良好的調濕材料產品推出.完整的吸,放濕機理理論的研究和科學系統的調濕材料性能評價體系的建立是國內行業(yè)發(fā)展的當務之急,吸放濕能力強,速度快,成

29、本低,節(jié)能無污染,健康環(huán)保的調濕產品必將成為今后國內外材料,建筑,紡織以及環(huán)境科學等領域發(fā)展的熱點與重點方向之一.參考文獻1anthonyvarundel,ellamsterling,judithhbiggin,eta1.indirecthealtheffectsofrelativehumidityinindoorenvironments.environmenthealthperspectivess,1986,65:3512西藤宮野,田中.屋內濕度變化壁體材料.日本建篥學會主編.日本建篥學會研究報告:第3集.福罔:秀巧社印刷株式會社,1949.213余曉平.夏熱冬冷地區(qū)住宅新風能耗分析和降溫除

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