調(diào)濕材料的研究現(xiàn)狀-

1、調(diào)濕材料的研究現(xiàn)狀Present research status of humidity-control materials侯國(guó)艷,冀志江,王繼梅,王曉燕(中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院,綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100024 摘要:本文闡述了發(fā)展調(diào)濕材料的意義,簡(jiǎn)要介紹了調(diào)濕材料的調(diào)濕機(jī)理以及國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。指出需進(jìn)一步加快調(diào)濕機(jī)理的理論研究以及發(fā)展經(jīng)濟(jì)且性 能良好的調(diào)濕建材產(chǎn)品。 關(guān)鍵詞:調(diào)濕材料;濕度調(diào)節(jié);節(jié)能中圖分類(lèi)號(hào):X820.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào): 1 引言現(xiàn)時(shí)社會(huì)中環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為公眾話題,相對(duì)于綠色無(wú)污染、可持續(xù)性發(fā)展等環(huán)保概念而言,濕度調(diào)節(jié)顯得陌生且往往容易被忽略

2、。近年來(lái),濕度的作用和危害在國(guó)內(nèi)日益受到關(guān)注,因此關(guān)于濕度控制和調(diào)節(jié)的研究也越來(lái)越受到重視。 空氣濕度是表示空氣中水汽多少亦即干濕程度的物理量。過(guò)高或者過(guò)低的濕度影響人居環(huán)境與人體健康,對(duì)物品的保存、儀器的壽命等等具有嚴(yán)重的危害性。濕度由過(guò)高(低至過(guò)低(高交替變化時(shí)的危害更為嚴(yán)重。國(guó)家“十一五”科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006BAJ02A09、2006BAJ02B02注:三角形的高度表示發(fā)生的量和程度圖1相對(duì)濕度對(duì)衛(wèi)生安全及健康的影響Fig 1 influence of air humidity on sanitation safety and health圖1是加拿大學(xué)者Anthony V.A

3、rundel等1考慮各種因素后,推薦的最佳相對(duì)濕度范圍:相對(duì)濕度在40%-60%之間,可使環(huán)境中細(xì)菌、病菌、霉菌, 寄生蟲(chóng)的總數(shù)量最少,將呼吸道感染和過(guò)敏癥、氣喘病、化學(xué)作用的可能性降至最小,且能保證空氣中臭氧的一定發(fā)生率,使空氣清新凈化。2目前調(diào)節(jié)濕度的辦法及展望外界溫度變化是引起濕度變化的主要原因之一,通過(guò)對(duì)溫度與濕度之間相互關(guān)系的研究表明2:如果在密閉系統(tǒng)中沒(méi)有任何吸附與解析水份的物質(zhì),當(dāng)短時(shí)間內(nèi)溫度由10-40變化時(shí),會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)相對(duì)濕度降低到原來(lái)的1/6的水平,反過(guò)來(lái)同樣如此。目前,實(shí)現(xiàn)濕度調(diào)節(jié)較為普遍的方法是利用當(dāng)今先進(jìn)的空調(diào)技術(shù),但是常用的空調(diào)技術(shù)要消耗大量能源,除直接或間接引起大

4、氣污染(如:溫室效應(yīng)、熱污染、破壞生態(tài)平衡外,還會(huì)引發(fā)“室內(nèi)空氣質(zhì)量”和“建筑綜合癥(SBS”等問(wèn)題。從可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略考慮,使用機(jī)械技術(shù)控制濕度并非長(zhǎng)久的根本方法,而只能作為輔助手段來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)熱濕環(huán)境。在日益要求與地球環(huán)境相協(xié)調(diào)、有效地利用有限資源為核心、建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會(huì)為目標(biāo)、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的形勢(shì)下,對(duì)具體實(shí)現(xiàn)具有自我修復(fù)、自我診斷、環(huán)境應(yīng)答或?qū)W習(xí)功能等特點(diǎn),與人為善的、可信賴(lài)的、節(jié)能的、省資源的智能化材料的期待日益高漲。研究具有自動(dòng)溫濕調(diào)節(jié)能力的材料具有重大的現(xiàn)實(shí)和歷史意義3。使用調(diào)濕材料是調(diào)節(jié)濕度的另一種方法,國(guó)內(nèi)早期大多采用的變色硅膠4,但因其價(jià)格較貴,且存在只能吸濕的不可逆現(xiàn)象,

5、不能廣泛使用。國(guó)內(nèi)目前關(guān)于調(diào)濕材料的研究仍然處于初級(jí)階段。未來(lái)系統(tǒng)建筑的智能型調(diào)濕材料特點(diǎn)就是智能化。智能調(diào)濕建材在周?chē)諝庵械乃羝麧舛壬仙龝r(shí),自身可感知并開(kāi)始吸收水蒸汽,防止室內(nèi)濕度的上升,相反濕度下降產(chǎn)生過(guò)干燥時(shí),材料自身可感知并開(kāi)始放出水蒸汽,防止室內(nèi)過(guò)干燥,從而能夠很好地將空氣濕度保持在比較適于人生存的范圍內(nèi)。3 濕度調(diào)節(jié)材料的研究現(xiàn)狀具有調(diào)濕功能的材料大多為一些多孔材料,以及通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)水份含量的一些化學(xué)材料,或者是兩者的復(fù)合材料。調(diào)濕材料首先是在日本發(fā)展和應(yīng)用起來(lái)。圖2是近十幾年來(lái)每年批準(zhǔn)的直接關(guān)于濕度調(diào)節(jié)方面的專(zhuān)利數(shù)目,資料源于歐洲專(zhuān)利網(wǎng)5。圖2專(zhuān)利數(shù)目年表Fig 2 c

6、hronological table of patents amount從圖中可以看出濕度調(diào)濕的研究從1982年開(kāi)始逐步趨于熱門(mén),在1990、1991年達(dá)到一個(gè)高峰,隨后熱度慢慢下降。直到1998年,關(guān)于濕度調(diào)節(jié)方法及材料的研究突然再次熱門(mén),并維持著較高熱度直到現(xiàn)在。3.1 調(diào)濕材料的分類(lèi)及作用機(jī)理的研究現(xiàn)狀調(diào)濕材料的作用機(jī)理因種類(lèi)差別而不同,調(diào)節(jié)濕度材料主要分為四類(lèi):無(wú)機(jī)調(diào)濕材料、有機(jī)高分子調(diào)濕材料、生物質(zhì)調(diào)濕材料和復(fù)合調(diào)濕材料。無(wú)機(jī)調(diào)濕材料和生物質(zhì)調(diào)濕材料主要用于建筑材料,硅膠和有機(jī)高分子調(diào)濕材料主要用于工業(yè)和食品包裝。硅膠調(diào)濕材料雖然吸濕能力比較大,但放濕再生能力較差;有機(jī)高分子調(diào)濕材料

7、的吸放濕能力都比較強(qiáng),但容易對(duì)環(huán)境造成污染;生物質(zhì)調(diào)濕材料吸濕量較強(qiáng),放濕能力較弱;無(wú)機(jī)調(diào)濕材料的吸濕量有限,放濕再生能力比較強(qiáng)。故研究考慮采用不同孔道結(jié)構(gòu)和尺寸的無(wú)機(jī)調(diào)濕材料進(jìn)行匹配,以達(dá)到高效吸放濕并快速再生的目的。無(wú)機(jī)非金屬調(diào)濕材料的調(diào)濕能力主要依靠?jī)?nèi)部較多的孔道與極大的比表面產(chǎn)生的水分子吸附、脫附作用。吸附現(xiàn)象主要有三類(lèi):物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附。有機(jī)高分子調(diào)濕材料的吸濕性主要取決于其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu),滲透分子進(jìn)入高分子內(nèi)取決于兩個(gè)因素:(1在聚合物內(nèi)有合適的孔徑;(2滲透分子與高分子之間的作用力。由于水分子是極性分子,高分子極性越大,與吸附物質(zhì)水分子的作用力也就越大,

8、吸濕量也越大;反之,如果是非極性分子,則吸濕量幾乎為零。理論上分子結(jié)構(gòu)中含有羧基、胺基、羥基等親水基團(tuán)的高分子材料都可以作為調(diào)濕劑,親水基團(tuán)越多,吸濕量就越大6。按照有關(guān)高分子結(jié)構(gòu)單元物理結(jié)構(gòu)中最重要的因素是結(jié)晶度,分子越規(guī)整就越不利于吸濕7。1997年,渡材信治等對(duì)國(guó)際化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC所劃分的等溫吸附曲線種類(lèi)進(jìn)行分析,并用開(kāi)爾文關(guān)于毛細(xì)管凝結(jié)理論,以?xún)啥碎_(kāi)口的圓柱毛細(xì)孔為模型,考慮到吸附與脫附毛細(xì)管中彎月面有所不同,得出:孔徑在3.0nm7.4nm之間且分布均勻的材料,在相對(duì)濕度40%70%之間具有最佳的調(diào)濕性能8。3.2 調(diào)濕材料研究的現(xiàn)狀事實(shí)上,任何無(wú)機(jī)或有機(jī)多孔材料都具有或多或少

9、的吸放濕性能,生物質(zhì)材料尤其是木材在我國(guó)古代就已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。最近十多年來(lái),人們開(kāi)始注意到了傳統(tǒng)材料(包括無(wú)機(jī)材料及生物質(zhì)材料的調(diào)濕性能。直到現(xiàn)在,一些傳統(tǒng)材料依然作為調(diào)濕材料而進(jìn)行改進(jìn)使用。傳統(tǒng)材料的吸放濕量有限,即平衡含濕量低,尤其是放濕能力較弱。同時(shí),還存在著吸放濕速度慢,耐久性和耐腐蝕性較差的問(wèn)題。因此,開(kāi)發(fā)新型的調(diào)濕材料勢(shì)在必行。新型無(wú)機(jī)非金屬類(lèi)調(diào)濕材料的研究,起源并主要集中在日本。國(guó)內(nèi)關(guān)于調(diào)濕材料的研究仍然停留在初級(jí)階段, 1990年7月清華大學(xué)土木系建材研究室開(kāi)展了調(diào)濕材料的研究。上海博物館羅曦蕓(1997論述了調(diào)濕材料的開(kāi)發(fā)7,詳細(xì)介紹了特種硅膠、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)、蒙脫土類(lèi)及

10、有機(jī)高分子類(lèi)調(diào)濕材料的調(diào)濕特性,并初步研究其作用機(jī)理。華僑大學(xué)建筑系冉茂宇(2001研究了硅膠的吸放濕性能,同時(shí)探討了材料的吸濕機(jī)理9。2003年河北工業(yè)大學(xué)梁金生、梁廣川等人利用海泡石、木質(zhì)纖維、復(fù)合磷酸鹽、纖維素、活性炭、無(wú)機(jī)抗菌劑及防霉劑通過(guò)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(diào)濕功能的建材添加劑10。呂榮超等(2005以純海泡石和白水泥為主復(fù)配成的樣品可使10L密閉容器內(nèi)部濕度控制在47%-51%11。侯國(guó)艷,冀志江等(2007利用硅藻土與海泡石配制出一種調(diào)濕膩?zhàn)臃?與普通膩?zhàn)酉啾任鼭衲芰Ω?%,放濕能力高7%12。總的來(lái)說(shuō),國(guó)內(nèi)的研究

11、中目前被用做濕度調(diào)節(jié)的材料有海泡石、高嶺土、蒙脫土、沸石等,但都沒(méi)有形成較大的研究氣候和成熟的建材產(chǎn)品。從1980年開(kāi)始至1987年,日本在大約近百項(xiàng)工程中使用了調(diào)濕材料,對(duì)文物及重要的美術(shù)書(shū)刊的保護(hù)與保管起了很大的作用。近幾年日本的調(diào)濕材料研究專(zhuān)利呈上升的趨勢(shì),主要是無(wú)機(jī)調(diào)濕材料。日本的INAX公司(2002用石灰、鋁英礬土、砂等通過(guò)混煉制成濕度控制抹面材料;國(guó)立產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)研究所前田雅喜將水玻璃和氫氧化鋁與高嶺土經(jīng)800-1150共同燒結(jié)成型,制成具有濕度調(diào)節(jié)功能的鋁基調(diào)濕材料;JANIS公司(2002利用海泡石、硅藻土、沸石和輕質(zhì)混凝土的一種或幾種和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為原料,經(jīng)過(guò)成型干燥制成濕度

12、控制材料。日本INAX公司最近研制開(kāi)發(fā)出一種健康建材,不僅降低了有害化學(xué)成分的含量,且更具有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度作用13。此外,日本還申請(qǐng)了多項(xiàng)關(guān)于濕度調(diào)節(jié)或控制材料的專(zhuān)利,奠定了日本作為調(diào)濕材料研究領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。近幾年來(lái)美國(guó)在調(diào)濕薄膜方面的研究報(bào)道,主要是用做航天器的冷凝器涂層,用于水分回收。西班牙F. Caturla和M. Molina-Sabio(2003對(duì)海泡石以及與活性炭復(fù)合材料做為調(diào)濕材料進(jìn)行了研究14。Rogatkin, M. V. Malle等學(xué)者對(duì)蒙脫土類(lèi)調(diào)濕材料也作了較為詳細(xì)的研究15,16。4結(jié)語(yǔ)國(guó)外關(guān)于調(diào)濕材料的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi),日本的研究又遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他的國(guó)家,尤其在基礎(chǔ)

13、理論的研究上更是擁有相對(duì)先進(jìn)的理論基礎(chǔ),在所能查閱到的資料看來(lái),歐美的國(guó)家對(duì)調(diào)濕材料的機(jī)理做的研究遠(yuǎn)不如日本來(lái)的詳細(xì)和具體。目前,日本所選用的濕度調(diào)節(jié)建材有硅藻土、沸石、海泡石、蛭石、水鋁英石等等。目前,具有濕度調(diào)節(jié)建筑材料的種類(lèi)有地板、墻體隔板、天花板、墻體材料等。但從當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看,既經(jīng)濟(jì)又具備良好調(diào)濕性能的建材的出現(xiàn)仍需科研工作者進(jìn)一步努力。參考文獻(xiàn)1Anthony V.Arundel, Elia M.Sterling, Judith H.Biggin, and Theodor D.Sterling. 1986. Indirect health effects of relative hum