北京工業(yè)大學(xué)傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室傳熱與能源利用北京市重點實驗室

1、.(北京工業(yè)大學(xué)傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室傳熱與能源利用北京市重點實驗室,北京100022)     摘要:將硅藻土做成乳膠型涂料,并得到了不同濕度下這種涂料的吸放濕性能曲線,但是吸放濕能力不是很理想。為了提高涂料的吸放濕能力,在基料中加入無機成膜物質(zhì)制成硅藻土復(fù)合涂料,結(jié)果表明,通過復(fù)合,最大吸濕能力從615%提高到11%,最大放濕能力從5%提高到10%,并且確定了無機成膜物質(zhì)的比例。復(fù)合涂料符合建筑涂料的常規(guī)性能要求,在調(diào)節(jié)濕度的同時克服了傳統(tǒng)空調(diào)能耗高的缺點,具有很好的應(yīng)用前景。    關(guān)鍵詞:調(diào)濕涂

2、料;乳膠型;復(fù)合型;吸放濕特性    0引言    空氣濕度是一個與人們生活和生產(chǎn)有密切關(guān)系的重要環(huán)境參數(shù),濕度對人體舒適度、產(chǎn)品生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品保存都有重要影響。在低濕環(huán)境下,人的呼吸系統(tǒng)黏膜變得干燥,易引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病。在許多工業(yè)部門,生產(chǎn)過程能否正常進行,在很大程度上取決于濕度,例如造紙、精密儀器的生產(chǎn)。物品在潮濕的環(huán)境里存放,由于霉菌的侵蝕而發(fā)霉變質(zhì);使金屬生銹、儀表精度下降、絕緣參數(shù)降低。在過分干燥的環(huán)境里存放會發(fā)生開裂變形,造成經(jīng)濟損失。可見,濕度控制無論是對人類的居住環(huán)境,還是對生產(chǎn)和物品保護

3、都顯得十分重要。    常見的濕度控制方法可分為機械性和非機械性兩大類。在機械性濕度控制方法中,可用空調(diào)調(diào)節(jié)建筑物室內(nèi)空氣環(huán)境。但是空調(diào)要消耗大量的能源,而除濕的能耗占到空調(diào)能耗的20%40%,因此,開發(fā)節(jié)能的濕度控制技術(shù),對節(jié)能和環(huán)保有重要意義。非機械性濕度控制方法是利用調(diào)濕材料的性質(zhì)來達到控濕的目的。調(diào)濕材料不需要借助任何人工能源和機械設(shè)備,依靠自身的吸放濕性能,感應(yīng)所調(diào)空間空氣濕度的變化,通過對空氣中水分的吸附與解吸來自動調(diào)節(jié)密閉空間內(nèi)的濕度,是一項可以減少空調(diào)濕負荷,實現(xiàn)建筑節(jié)能的重要技術(shù)。利用調(diào)濕材料來控制調(diào)節(jié)濕度的研究,在日本已有20多年歷史

4、1,技術(shù)領(lǐng)先于其他國家,尤其在機理研究方面,更是擁有相對先進的理論基礎(chǔ),很多調(diào)濕建材、調(diào)濕涂料已經(jīng)形成市場。最近10多年來,隨著人們對居住環(huán)境質(zhì)量要求的提高,濕度對熱舒適和空氣質(zhì)量的影響,對物品保存和空調(diào)負荷的影響引起了越來越多的人重視,我國的研究者對調(diào)濕材料的被動式調(diào)濕進行了廣泛的研究。1990年,清華大學(xué)土木系開展了調(diào)濕材料的研究2。1994年,馮乃謙利用沸石做實驗,并撰寫了論文,可使容器內(nèi)的濕度維持在60%70%。1997年,上海博物館的羅曦蕓詳細介紹了硅膠、無機鹽、蒙托土、高分子材料的調(diào)濕特性,并對其機理進行了初步分析研究3。2001年華僑大學(xué)冉茂宇探討了調(diào)濕材料的吸濕機理4,但是這些

5、都是散裝的調(diào)濕材料,用在調(diào)節(jié)房間內(nèi)的濕度不現(xiàn)實。2004年北京工業(yè)大學(xué)李雙林等人研究出新型調(diào)濕涂料,在封閉空間中應(yīng)用,起到了很好的調(diào)濕作用5,但是這種涂料散發(fā)的有害物質(zhì)較多,不是環(huán)保涂料。2005年,中國建筑材料科學(xué)研究院張連松等,在海泡石中加入納米材料制成具有抗菌,調(diào)濕功能的粉末涂料,在調(diào)節(jié)濕度的同時,兼具凈化空氣,抗菌作用6。2006年5月,山東科技大學(xué)科技產(chǎn)業(yè)公司王立華等研制成環(huán)保調(diào)濕乳膠漆,研究了各成分用量對涂膜性能的影響7,但是在涂覆美觀方面欠佳。本實驗室研究人員在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,旨在研究一種吸放濕能力強、涂膜美觀、符合建筑涂料標準的調(diào)濕涂料。使用調(diào)濕材料前后的效果如圖1所

6、示,從圖1中可以看出,使用調(diào)濕材料可以避免璧面嚴重的結(jié)露現(xiàn)象8。    圖1 調(diào)濕涂料調(diào)節(jié)密閉空間的效果    1調(diào)濕材料的飽和吸濕性能實驗    1.1實驗材料    國內(nèi)外開發(fā)的調(diào)濕材料種類繁多,大致可以分為以下幾種:硅膠、無機鹽類、有機高分子類和復(fù)合型調(diào)濕材料。但是,這些材料均不易做成水性涂料。本實驗選取幾種無機礦物材料做調(diào)濕涂料,各材料規(guī)格為沸石:人造沸石;海泡石:未經(jīng)處理的原礦;活性炭:普通活性炭;硅藻土:經(jīng)過特殊處理工藝后的

7、硅藻土。    1.2吸濕性能測試    稱取相同質(zhì)量的幾種無機材料(質(zhì)量記為m1),放入相對濕度是80%,溫度恒定為(20±0.2)的密閉環(huán)境中,每隔一定時間稱取樣品質(zhì)量,直至樣品每天的質(zhì)量變化在0.05%之間,認為此時樣品在該濕度下達到吸濕飽和,質(zhì)量記為m2,其飽和吸濕量為m2-m1,調(diào)濕材料的飽和吸濕率為(m2-m1)/m1,以吸濕率對時間做圖,即可得到調(diào)濕材料在該濕度下的吸濕性能曲線,結(jié)果如圖2所示。    從圖2可以看出硅藻土和沸石的吸濕能力強,飽和吸濕量

8、可以達到15%16%,相比之下,相同實驗條件下的海泡石和活性炭的飽和吸濕量還不到5%。而它們達到吸濕飽和所需要的時間卻大致相當,因此,初步選定沸石和硅藻土作為調(diào)濕涂料的添加材料。另據(jù)報道9,硅藻土由于質(zhì)輕、細膩、松散、多孔、吸著力和滲透性強、顆粒細小,使之成為環(huán)保建材的優(yōu)良選材。日本的研究結(jié)果表明,用硅藻土生產(chǎn)的室內(nèi)裝修材料除了不會散發(fā)出對人體有害的化學(xué)物質(zhì)外,還有改善居住環(huán)境的作用。首先,可以自動調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度。用硅藻土生產(chǎn)的壁材具有超纖維、多孔質(zhì)等特性,其超微細孔比木炭還要多出50006000倍。在室內(nèi)的濕度上升時,硅藻土壁材上的超微細孔能夠自動吸收空氣中的水分,將其儲存起來。如果室內(nèi)空氣中

9、的水分減少、濕度下降,硅藻土壁材就能夠?qū)Υ嬖诔⒓毧字械乃轴尫懦鰜?。其?硅藻土壁材還具有消除異味的功能,保持室內(nèi)清潔,在家庭和賓館衛(wèi)生間使用,可去除硫化氫和氨等臭味氣體,殺滅有害細菌,并預(yù)防疾病的傳播。因此,本實驗最終確定選用硅藻土作為涂料的主要吸水材料。圖2 調(diào)濕材料吸濕曲線2乳膠型涂料的制備    2.1實驗儀器及配方    2.1.1儀器    恒溫恒濕箱:北京吉海爾特產(chǎn);高速分散機、電動攪拌機:姜堰市天力器械有限公司產(chǎn);電子天平:感量0.00001g;

10、洗刷試驗機。    2.1.2涂料配方    涂料配方見表1。表1 涂料配方    2.2工藝流程    制備乳膠型涂料的工藝流程為:工藝流程    2.3涂料調(diào)濕性能的測試    按照以上工藝流程制備出幾種不同硅藻土含量的乳膠型涂料(圖中比例為硅藻土在填料中的質(zhì)量分數(shù)),每種涂料各取10g樣品,均勻涂抹于0.005m2的玻璃板上,充分干燥后,放入

11、恒溫恒濕箱中,設(shè)定箱內(nèi)溫度為(20±0.5),在不同的相對濕度下,測定它們的飽和吸濕量。然后做放濕實驗,完全放濕稱質(zhì)量,計算放濕量。實驗結(jié)果如圖3和圖4。圖3 涂料的飽和吸濕量曲線圖4 涂料的放濕曲線    從圖3、圖4可知,硅藻土在填料中的比例為50%75%時,有較好的吸放濕效果。在RH=85時,75%硅藻土含量的涂料最大吸濕量達到6.5%;從RH=85%到RH=10%做放濕實驗,最大放濕量為5.25%。隨著硅藻土含量的增加,涂膜中的孔增多,吸濕能力和放濕能力都增強了,但是當硅藻土的含量增加到75%以后,再增加時涂料的吸放濕性能反而下降,這可

12、能是因為此時涂料中缺少了多種粒子的復(fù)配,使得硅藻土的微孔之間相互重疊,沒有發(fā)揮出吸放濕作用。 3復(fù)合涂料的研制    3.1復(fù)合涂料調(diào)濕性能的測試    從圖3、圖4的結(jié)果看出,乳液型涂料的調(diào)濕性能不是很理想。在成膜物質(zhì)丙烯酸酯乳液中加入無機成膜物質(zhì)(圖中比例為無機成膜物質(zhì)在成膜物質(zhì)中的含量),制成復(fù)合涂料。如果單獨使用無機成膜物質(zhì),由于它的固體含量低,干燥收縮大,容易引起涂膜開裂,使涂料中的多孔材料更多地與空氣接觸,涂料有很好的吸放濕能力,然而為了避免涂膜開裂,需要加入乳液與之復(fù)配。本實驗通過控制無機成

13、膜物質(zhì)的比例,使涂膜連續(xù)成膜,不能有開裂現(xiàn)象。復(fù)合涂料兼具有機涂料和無機涂料的性質(zhì),不但常規(guī)性能優(yōu)良,還可以提高吸放濕能力。復(fù)合涂料的吸放濕性能測定實驗條件和過程同2.3。結(jié)果如圖5和圖6。圖5 復(fù)合涂料吸濕曲線圖6 復(fù)合涂料放濕曲線    從圖5可知,隨著無機成膜物質(zhì)含量的增加,高濕度情況下涂料的吸濕量明顯提高,在RH=85%時,飽和吸濕量由乳膠型涂料的5%提高到11%?？梢?通過涂料基料的復(fù)合,大大提高了調(diào)濕涂料的吸濕性能。與乳膠型涂料的放濕性能相比,涂料的放濕量也隨著無機成膜物質(zhì)含量的增加而增加,最大放濕量,RH從85%到10%

14、時,由5%提高到10%。3.2無機成膜物對涂料附著力的影響    無機成膜物的加入直接影響涂膜的附著力(如表2)。從表2可知,隨著無機成膜物用量的增加,涂料的附著力變好,但用量太大,又會使附著力變差,這可能是因為,無機成膜物質(zhì)中二氧化硅粒子對固體顆粒包覆層加厚,致使顆粒之間及顆粒與基層之間缺陷增多,所以無機成膜物質(zhì)的最佳用量為35%60%10。綜合吸放濕能力和附著力測試,確定無機成膜物質(zhì)的最佳用量為50%60%,如果換算成每平方米的吸濕量,本實驗中50%復(fù)合型涂料的最大吸濕量就可以分別達到75g/m2和70g/m2,符合同類產(chǎn)品的標準JISA69092003(規(guī)定吸放濕性能不低于70g/m2)。表2 無機成膜物質(zhì)用量對涂膜附著力的影響    3.3復(fù)合涂料常規(guī)性能的檢驗    按照GB/T97562001測定50%復(fù)合涂料的常規(guī)性能,結(jié)果見表3。表3 復(fù)合涂料常規(guī)性能的測試結(jié)果4結(jié)語    本文對幾種吸濕材料的吸濕性能進行了實驗研究,可以看出經(jīng)過特殊工藝處理后的硅藻土吸濕