调湿材料的国内外研究概况

1、调湿材料的国内外研究概况?78?材料导报2008年8月第22卷第8期调湿材料的国内外研究概况侯国艳,冀志江,王静,王继梅,王晓燕(中国建筑材料科学研究总院绿色建筑材料国家重点实验室,北京100024)摘要系统讨论了国内外调湿材料的调湿机理,性能评价方法以及产品的研究进展,提出了国内调湿材料行业应尽快建立完整的机理理论和科学的性能评价体系,调湿材料应向吸放湿能力强,速度快,成本低,节能无污染,健康环保的产品方向发展.关键词调湿材料室内环境吸放湿性能中图分类号: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引言空气相对湿度是衡量室内环境的一项重要参数,对人体健康,室内空气质量以及物品的存放都有重要意义.国家空气质量标准规定室内相对湿度标准值,夏季空调房间为4o%6o%,冬季采暖房间为3o6o.加拿大学者anthonyv.arundel等_l综合了各种因素,考虑湿度对微生物生长,人体发病以及物品变质等各种影响后,推荐最佳的相对湿度范围在4o6o之间.“调湿材料”这一概念是由日本学者西藤宫野等首先提出来的,是指不需要借助任何人工

5、能源和机械设备,依靠自身的吸放湿性能,感应所调空间空气温湿度的变化,从而自动调节空气相对湿度的材料.调湿材料是无需消耗电力等不可再生能源,具有良好自动调节空气湿度能力的材料,对节约能源,改善环境舒适性,促进生态环境的可持续发展等具有重要的实际意义.2o世纪8o年代起,日本成为最早开发发展调湿材料产品的国家,成果覆盖文物保存,纺织,化工,建筑材料等多个领域.继日本之后,近年来西班牙,德国等西方国家也先后展开了对调湿材料的研究.我国潮湿地区年平均相对湿度在7o%8o%,有时高达951003,北方干燥时期的相对湿度甚至可以达到1o以下.这些地区的建筑要达到室内环境的热舒适要求,就需要采取高效的方法解

6、决相对湿度带来的室内环境质量问题.因此,近1o年来我国相继开展了一些有关调湿材料的研究工作,大多集中在硅胶,高分子聚合物,无机矿物质以及复合材料上,但由于调湿机理的复杂性,这方面的研究进展缓慢,某些调湿产品存在制造工艺复杂,生产成本高,湿容量过小,调湿速度慢等缺点.因此,工艺简单,生产成本低廉且调湿性能优良的调湿材料,成为目前调湿材料研发的主要方向.1调湿材料的调湿机理调湿材料的作用机理因种类差别而不同,近几年国内外开发的调湿材料品种繁多,分类方法各异.罗曦芸l4认为调湿材料分为特种硅胶,无机盐类,蒙脱土类和有机高分子材料类4种;蒋正武_5认为可将调湿材料分为人工调湿材料与天然调湿材料两大类;

7、王吉会认为调湿材料分为硅胶,无机盐,无机矿物材料,有机高分子材料,复合调湿材料,生物质类调湿材料_6.笔者认为按照调湿材料的调湿基材及调湿机理可分为无机调湿材料,有机高分子调湿材料,生物质调湿材料和复合调湿材料4类.材料对水分子的吸附主要分为物理吸附和化学吸附两种.物理吸附与否或吸附量的多少主要取决于极性的相似性,发生在固体的整个自由表面.化学吸附一般为单分子层吸附,吸附稳定,不易脱附,调湿材料经化学吸湿过程而吸附的水分子容易滞留在结构内部.无机调湿材料的调湿性能主要是水蒸气分子在孑l道(或层状)结构以及在孑l(或层)中扩散.具有一定孑l径的无机调湿材料,当空气中的水蒸气分压高于其孑l内凹液面

8、上水的饱和蒸气压时,水蒸气被吸附,反之则脱附,以物理吸附为*国家”十一五”科技攻关计划资助项目(2006baj02a09;2oo6baj021302)侯国艳:女,1979年生,硕士,主要从事环境材料研究tel:01051167448e-mail:houguoyan调湿材料的国内外研究概况/侯国艳等?79?主.有机调湿材料的调湿机理为有机分子表面与水分子之间的范德华力相互作用,因水分子为极性分子,若有机分子材料的极性大,则与水分子的作用力就大,吸湿量也相应增大;反之,若有机分子材料为非极性分子,则吸湿量几乎为零.冉茂宇【7认为理想的调湿材料应具有如图1所示的吸放湿曲线,曲线的变化在某一湿度范围内

9、剧烈而在两端平缓.只要材料的含湿量处于uuz之间,室内空气相对湿度就自动维持在z范围内.图中曲线的斜率代表了材料的吸湿速率,uu2之间的垂直高度代表了材料的含湿量,滞后环的宽度应与材料的吸放湿反应速度有关.如果吸湿和放湿曲线间的滞后环宽度足够小,之间的斜率足够大,则材料可以使室内相对湿度稳定在相当窄的范围内.稠把婪葵相对湿度西,%图1调湿材料的理想调湿原理曲线f唔1theidealtheoryguleofhumiditycontrolformaterials2调湿材料性能的评价方法理想的调湿材料除了应具有上述特性的吸放湿曲线外,还应具有饱和平衡含湿量大,应答性好的特点.饱和平衡含湿量反映材料最

10、大蓄湿能力,应答性是衡量材料对周围湿度变化做出反应的快慢【8.对于调湿材料调湿性能的评价主要从湿容量和吸,放湿速度两个方面进行.2.1国外调湿材料性能的评价方法日本学者从理论角度对调湿材料进行了深入的研究.渡材信治等9对国际化学联合会(iupac)所划分的等温吸附曲线种类进行分析,指出具有型或v型等温吸附曲线的材料比较适合作为调湿材料,以两端开口的圆柱毛细孔为模型,考虑到吸附与脱附毛细管中弯月面有所不同,指出孔径在3.0-7.4din之间且分布均匀的材料,在相对湿度4070之间具有最佳的调湿性能.这是最早从理论角度研究调湿材料的文献.关于材料调湿性能的评价方法,日本学者提出了4种观点.(1)水

11、蒸气扩散系数一最大平衡含湿量法.牧福美r1蚰认为,材料水蒸气扩散系数d和最大平衡含湿量u一都大的材料,调湿性能好.只有传热传湿速度足够快,平衡含湿量才能反映动态变化过程中材料本身所具有的含湿量.(2)平衡吸放湿曲线法.池田哲朗1分析了材料平衡吸放湿曲线(x,11),为了能体现对温度引起的湿度变化的应答,用最大平衡含湿量和k,v两个变化率表示调湿性能的好坏.但是由于材料平衡吸放湿曲线反映的是一种静态热湿平衡关系,只有在空气温度或绝对湿度变化缓慢,即材料与空气之间时时处于湿热平衡状态时,k,v才反映材料对外界应答的快慢,(x,11)才代表材料的瞬时含湿量.(3)单位表面积吸放湿量法.小野公平1从实

12、测的角度提出了描述调湿性能指标的方法,将密闭窨中温度波动引起的材料单位表面积吸放湿量作为材料的调湿能力.只要将调湿材料贴于密闭的空间中,给予一定的初始条件和周期性温度变化,同时记录密闭空气温度和相对湿度的变化,就可计算出材料的调湿能力.(4)b值法.大釜敏正1钉发现密闭小箱中,绝对温度x()的对数与箱外平衡摄氏温度t有近似直线关系,提出了用参量b值来体现材料调湿能力的方法.b值越接近于零,对室内相对湿度稳定性越好,调湿能力越好.但b值是建立在热湿平衡或准平衡基础之上的,只适用于外界温度缓慢变化的情况.此外,2005年日本试行的tc163/sc1/wg8n024标准提出了利用”steprespo

13、nsemethod”和”fluctuationmethod”对材料的调湿性能进行测试.考虑到样品表面风力对测试结果的利弊,表面吸湿阻力值应控制在6.710_.-26.710mz?h?pa/mg之间.样品经过处理可确保样品的其它部位不会影响到待测表面的吸放湿性能.以24h的高相对湿度,24h的低相对湿度作为一个循环,分别在低,中,高3种状态下进行1个循环的测试.”stepresponsemethod”进行1次循环测试,记录数值,”fluctuationmethod”按照上面的实验方法进行4次循环,记录数值.根据计算结果作出吸放湿量曲线图,吸放湿速率曲线图,吸放湿量大,吸放湿量间的差值小且吸放湿速

14、率大的材料调湿性能好.美国floridasolarenergycentre(fsec)建立的常用建筑材料平衡含湿量曲线数据库时采用式(1)作为分析平衡含湿量曲线的表达式【1:u一面+面(1)式中:u为平衡含湿率;为相对湿度;n,6,f,d分别为试验常数.利用originprov7.5软件对测试数据进行拟合分析,得到n,b,f,d这4个系数,从而得出不同调湿材料的等温吸湿平衡曲线拟合关系式.2.2国内调湿材料性能的评价方法国内学者对于评价材料调湿性能的方法也进行了探讨.冉茂宇在这方面做了大量的工作,他在大釜敏正提出的b值法理论基础上,进一步研究论证了用密闭小箱观测到的实验现象,为b值提供了理论依

15、据【1.同时就b值的不足提出了更为合理的参数bt值,用于描述密闭空间调湿材料调湿性能,即:bt=()b(2)其中:11o为要调节的目标温度.通过研究,他得出3点主要结论:(1)bt值和b值的理论基础是热力学两相平衡理论;(2)b值和bt值都反映材料与水分的结合性质,取决于结合能的大小;(3)材料与水分的结合能越接近纯液态水分子间结合能,材料的调湿特性越好.3调湿材料的研究进展国外关于调湿材料的研究起步较早,其中又以日本的研究较为先进,尤其在调湿材料的开发应用领域更是走在世界的前列.西班牙,德国等西方国家也相继展开了调湿材料的研究与?80?材料导报2008年8月第22卷第8期应用.国内近几年开始

16、对调湿材料进行研究,目前研究的调湿材料主要集中在海泡石,高岭土,沸石等矿物材料,但还没有形成较成熟的产品.3.1无机调湿材料无机调湿材料种类较多包括有无机盐类调湿材料和无机矿物类调湿材料.应用于调湿材料的无机矿物比较多,如蒙脱土,硅藻土,沸石粉,海泡石,高岭土等无机矿物,这类无机矿物的主要特点是内部微孔多,比表面积大,吸附能力强.无机盐调湿材料的调湿作用完全由盐溶液所对应的饱和蒸气压所决定-1,但由于大部分易潮解,在常温下不稳定,对保存的物品空间产生污染,因此其应用受到一定的限制.町长治等.将3o的天然沸石与水泥及纤维混合,发泡成形后在高压蒸气中养护成”a型沸石板”.木村启一等开发出”b型沸石

17、板”将天然沸石的量增加到6o,与水泥及纤维混合后在室温下养护而成.寒河江昭夫等以天然沸石为原料,将其研磨成细小颗粒,与灰浆混合调制,开发出了一种称为”沸石灰浆护墙板”的新型调湿材料.清华大学土木系建材研究室在国内率先开展了调湿材料的研究_2,与日本大学的笠井芳夫等联合发表了”关于采用天然沸石作调湿材料的试验”的论文.岩佐宏等_21利用硅藻土制造出既简单又价廉的调湿材料.yoshidatakayuki等l2利用酸处理过的硅酸盐混合吸水物质制成湿度控制材料控制室内湿度.见城敏子博士研制的nikka是用蒙脱土经酸等工艺处理而成,具有许多能吸附和解析水蒸气的微孔,其湿度缓冲性能优于硅胶.rogatki

18、n等对蒙脱土类调湿材料也作了较为详细的研究.田福祯等l23_筛选了几种无机材料及合成的硅酸钙,并对其调湿性能进行了测试,复配r5种调湿材料,达到了日本样品的水平.王新江与渡村信泊进行了利用煤系高岭土制备自律型调湿材料的研究,其烧成品的吸湿量最高可达6.3.teramuratoshirumi等利用碳酸钙和无定性硅石复合制成调湿建筑材料.冉茂字口.研究了硅胶的吸放湿性能,同时探讨了材料的吸湿机理.naik等对沸石粉作为调湿材料进行了研究.日本一家公司开发出一种烧结多孔结构硅藻土陶瓷内部装饰材料l2,其具有湿气调节功能,对有害物质及臭味有吸附净化作用.w.p.crace公司chemicaldivis

19、ion生产的中等密度硅胶(id59),规则密度硅胶(rd)均具有较高的吸湿容量和较好的调湿性能.中国台湾将矽土和石灰,水泥等的细骨料混合_2,加水搅拌制成调湿涂料,自然硬化后能发挥防水性及呼吸性等性能.rogatkin等对蒙脱土类调湿材料也作了较为详细的研究.姜洪义等蜘采用酸性常温法制备介孔氧化硅材料sh,通过添加扩孔剂对其进行改性,结果表明,酸性条件下合成的介孔氧化硅sh有着很好的吸湿放湿性能,且添加扩孔剂后其湿度调节能力增大.3.2有机高分子类调湿材料有机高分子调湿材料大都具有高调湿容量.近年来关于高分子调湿材料的研究主要倾向于调湿容量高,形式多样化,适用于不同场合的产品开发,主要集中在纺

20、织业l3,采用高分子材料制成高吸湿性纤维,进而生产出可自动吸湿排汗的织物,使用这种材料制成的衣服具有吸湿排汗,自动调湿的功能.东洋纺织株式会社开发的商品名为”ekusu”纤维,是世界上最早实现吸湿性超过天然纤维这一愿望的合成纤维,具有很好的调节性能,可调湿,调温,又具有ph缓冲性,吸水,速干,抗菌,抗静电,阻燃,消臭,抗起球等性能.杜邦公司于1998年推出商品名为coolmax的异形截面涤纶新品,其表面有4道凹槽,具有芯吸效应.该纤维织成的面料能在身体刚开始发汗时就将湿气从皮肤排到织物表层,从而达到排湿导汗,降低体温的效果.日本旭化成公司首创的高吸放湿聚氨酷纤维,其特点是吸湿量大,放湿速度快,

21、保持穿着舒适感.日本东丽公司的quup是在尼龙中混入特殊的高吸湿性聚合物而制得的均匀相溶的聚合物混合体,具有很高的平衡吸湿量,既保持了尼龙原来的特性,又能使吸湿性提高6倍l3.日本东洋纺织公司成功地开发出具有调湿功能的复合聚酷spunbond,可以应用在任何需要调节湿度的领域内.黄季宜等_l33_分析了由高分子树脂吸收盐溶液后形成的凝胶制成的吸放湿板的调湿性能,在一4065之间的含水率之差可达270kg/rna,具有很好的蓄放湿能力,该调湿板材的吸放湿率是普通混凝土砌块的lol3倍.3.3生物质调湿材料随着人们环保意识的增强以及对木材,竹炭,农作物秸秆等可再生天然资源对水蒸气良好的吸附作用的认

22、识加深,各国研究人员纷纷加大了对生物质调湿材料的开发.这些研究主要集中在木材,竹炭,木炭,农作物秸秆等产品上.农作物秸秆因其可再生无亏染备受人们的青睐.木材依靠自身的吸附与解吸作用成为优良的天然调湿产品.牧福美等j研究了木质材料对环境湿度的调节作用,结果表明木质装饰材料比合成材料和无机材料的调湿效果更好.大釜敏正等13,357利用密制钢制箱体对木质装饰材料进行了研究,得出评价木材调湿性能大小的b值法.叶石猛夫3(通过实验得出:木制房间的调湿性能是混凝土房间的1.9倍.近江正阳等对吸湿性木质复合材料的调湿性进行了研究,结果表明,木粉复合材料的湿度调节能力等于或大于木材单板,其吸湿性可用对数值表示

23、,湿度平衡状态下,复合材料的湿度调节能力可通过吸湿等温线的特征加以预测.竹炭与木炭是竹子与木材在无氧高温炭化下烧制而成的,内部分布着大量的微细小孔,因此具有较好的调湿与调温效果,同时由于其具有良好的吸附陛,能起到除臭,杀菌的功能.鉴于竹子相对于木材可再生性较强,近年日本开发了大量竹炭调湿产品.曹金珍等研究了木材对环境湿度的调节功能37,385.陈冠益等3以农作物废弃物为主要原材料,与多孑l矿物材料等混合配制出一种调湿墙体材料.3.4复合调湿材料复合调湿材料是将不同类型的调湿材料与其它辅助材料混合反应后制得的.最常见的是高吸水性树脂与无机填料复合制备而成的调湿材料.用于复合的高分子材料通常具有较

24、高吸湿容量,但由于其分子的规整,被吸附的水分难以解析,放湿性能差.通过与无机填料的复合(通常为电解质或多孔载体),不仅调湿材料的国内外研究概况/侯国艳等?81?透气性好的薄层等特点,探索研制了一种成本低,能自动调节室内湿度,且耐湿擦性好的内墙涂料.kobayashletsuo4发明了可以抗菌的调湿材料及建筑材料.hanadakozol4利用经特殊处理过的炭化物颗粒加入粘结剂加热压制成炭化物调湿材料.美甘纯一等5将高分子树脂与无机材料复合制得复合型调湿剂,其调湿时间短,并且能恒湿于43相对湿度.杜尚丰等4il进行了智能型调湿陶瓷材料的研究与开发,其最大水蒸气吸附量高达18.梁金生等4利用海泡石,

25、木质纤维,复合磷酸盐,纤维素,活性炭,无机抗菌剂及防霉剂通过海泡石族矿物的酸洗,活化以及各组分的混合,制浆,成型,焙烧和破碎等工艺制成了一种具有自调湿功能的建材添加剂.李双林等4研制出的新型调湿涂料可使密闭空间内的相对湿度在40rain内由92.5%降低到了79.5%(理想的环境湿度应在4o%6o%之间).吕荣超_20l以纯海泡石和白水泥为主复配成的样品可使10l密闭容器内部湿度控制在4751%.张连松等l_4.研制成一种新型内墙粉末装饰涂料,具有净化空气,抗菌,调湿等多种健康功能,其吸放湿量达到5%6.李晓丽等49以聚丙烯酸树脂为调湿剂,制备出的内墙调湿涂料在rh>75%时吸湿效果较好

26、.笔者等50_利用硅藻土与海泡石配制出一种调湿腻子粉,与普通腻子相比吸湿能力高5,放湿能力高7%.尚建丽等_51以石膏为基础胶结材料,通过添加吸附性较好的植物纤维,活性炭和高岭土,研制出一种具有较好调湿能力的材料,同时利用计算机软件拟合得到调湿材料的等温吸湿曲线函数关系式.此外,旭硝子开发部的小野公平等】2以石灰或水泥和硅砂为主要原料,用不同的工艺过程相继开发出硅酸钙水合物调湿材料.纸类材料也具有一定的吸放湿能力,但调湿能力却不理想.中野修等5先后开发了酸,碱性吸湿纸,调湿能力最好的是被称为shc(superhumiditycontrollingpaper)的调湿纸.这种纸是以少量木质纤维和多

27、量的无机吸湿粉体为原料在水中混合分散,加入一定的粘接剂进行聚离子反应后,在掺纸金属网上压紧脱水成型而制成.yoshldashigeo等5研制出墙体调湿材料解决了普通可调湿石膏在绝热高湿度下不能调节湿度的难题.inax公司_5i_用石灰,铝英矾土,砂等通过混炼制成湿度控制抹面材料;前田雅喜将水玻璃和氢氧化铝与高岭土经8001150c共同烧结成型,制成具有湿度调节功能的铝基调湿材料;janis公司利用海泡石,硅藻土,沸石和轻质混凝土的一种或几种和无机粘结剂为原料,经过成型干燥制成湿度控制材料.日本森林综合研究所利用一种特殊薄膜,成功开发出一种有效除湿的环保装置5,如果使用2m2的这种薄膜,就可以使

28、厚度为5cm,面积为5orn2的地板湿度保持在6o%65%以下.这种除湿装置有利于提高建材的耐久性,日本建材厂家及房地产开发商计划在5年内使其市场化.日本还申请了多项关于湿度调节或控制材料的专利,奠定了日本作为调湿材料研究领域的主导地位2.4调湿材料的发展方向目前,我国对调湿材料在吸湿性研究方面的论着很多,但是对吸,放湿机理的研究还不多见,对调湿材料性能评价方法的研究还不足.相比于调湿材料发展较完善的日本,国内相关产品尚处于初开发阶段,且未见价格适中,性能良好的调湿材料产品推出.完整的吸,放湿机理理论的研究和科学系统的调湿材料性能评价体系的建立是国内行业发展的当务之急,吸放湿能力强,速度快,成

29、本低,节能无污染,健康环保的调湿产品必将成为今后国内外材料,建筑,纺织以及环境科学等领域发展的热点与重点方向之一.参考文献1anthonyvarundel,ellamsterling,judithhbiggin,eta1.indirecthealtheffectsofrelativehumidityinindoorenvironments.environmenthealthperspectivess,1986,65:3512西藤宫野,田中.屋内湿度变化壁体材料.日本建篥学会主编.日本建篥学会研究报告:第3集.福罔:秀巧社印刷株式会社,1949.213余晓平.夏热冬冷地区住宅新风能耗分析和降温除

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