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1、(北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室传热与能源利用北京市重点实验室,北京100022) 摘要:将硅藻土做成乳胶型涂料,并得到了不同湿度下这种涂料的吸放湿性能曲线,但是吸放湿能力不是很理想。为了提高涂料的吸放湿能力,在基料中加入无机成膜物质制成硅藻土复合涂料,结果表明,通过复合,最大吸湿能力从615%提高到11%,最大放湿能力从5%提高到10%,并且确定了无机成膜物质的比例。复合涂料符合建筑涂料的常规性能要求,在调节湿度的同时克服了传统空调能耗高的缺点,具有很好的应用前景。关键词:调湿涂料;乳胶型;复合型;吸放湿特性0引言空气湿度是一个与人们生活和生产有密切关系的重要环境参数,湿度对
2、人体舒适度、产品生产过程、产品质量和产品保存都有重要影响。在低湿环境下,人的呼吸系统黏膜变得干燥,易引发呼吸系统疾病。在许多工业部门,生产过程能否正常进行,在很大程度上取决于湿度,例如造纸、精密仪器的生产。物品在潮湿的环境里存放,由于霉菌的侵蚀而发霉变质;使金属生锈、仪表精度下降、绝缘参数降低。在过分干燥的环境里存放会发生开裂变形,造成经济损失。可见,湿度控制无论是对人类的居住环境,还是对生产和物品保护都显得十分重要。常见的湿度控制方法可分为机械性和非机械性两大类。在机械性湿度控制方法中,可用空调调节建筑物室内空气环境。但是空调要消耗大量的能源,而除湿的能耗占到空调能耗的20%40%,因此,开
3、发节能的湿度控制技术,对节能和环保有重要意义。非机械性湿度控制方法是利用调湿材料的性质来达到控湿的目的。调湿材料不需要借助任何人工能源和机械设备,依靠自身的吸放湿性能,感应所调空间空气湿度的变化,通过对空气中水分的吸附与解吸来自动调节密闭空间内的湿度,是一项可以减少空调湿负荷,实现建筑节能的重要技术。利用调湿材料来控制调节湿度的研究,在日本已有20多年历史1,技术领先于其他国家,尤其在机理研究方面,更是拥有相对先进的理论基础,很多调湿建材、调湿涂料已经形成市场。最近10多年来,随着人们对居住环境质量要求的提高,湿度对热舒适和空气质量的影响,对物品保存和空调负荷的影响引起了越来越多的人重视,我国
4、的研究者对调湿材料的被动式调湿进行了广泛的研究。1990年,清华大学土木系开展了调湿材料的研究2。1994年,冯乃谦利用沸石做实验,并撰写了论文,可使容器内的湿度维持在60%70%。1997年,上海博物馆的罗曦芸详细介绍了硅胶、无机盐、蒙托土、高分子材料的调湿特性,并对其机理进行了初步分析研究3。2001年华侨大学冉茂宇探讨了调湿材料的吸湿机理4,但是这些都是散装的调湿材料,用在调节房间内的湿度不现实。2004年北京工业大学李双林等人研究出新型调湿涂料,在封闭空间中应用,起到了很好的调湿作用5,但是这种涂料散发的有害物质较多,不是环保涂料。2005年,中国建筑材料科学研究院张连松等,在海泡石中
5、加入纳米材料制成具有抗菌,调湿功能的粉末涂料,在调节湿度的同时,兼具净化空气,抗菌作用6。2006年5月,山东科技大学科技产业公司王立华等研制成环保调湿乳胶漆,研究了各成分用量对涂膜性能的影响7,但是在涂覆美观方面欠佳。本实验室研究人员在借鉴前人研究成果的基础上,旨在研究一种吸放湿能力强、涂膜美观、符合建筑涂料标准的调湿涂料。使用调湿材料前后的效果如图1所示,从图1中可以看出,使用调湿材料可以避免璧面严重的结露现象8。图1 调湿涂料调节密闭空间的效果1调湿材料的饱和吸湿性能实验1.1实验材料国内外开发的调湿材料种类繁多,大致可以分为以下几种:硅胶、无机盐类、有机高分子类和复合型调湿材料。但是,
6、这些材料均不易做成水性涂料。本实验选取几种无机矿物材料做调湿涂料,各材料规格为沸石:人造沸石;海泡石:未经处理的原矿;活性炭:普通活性炭;硅藻土:经过特殊处理工艺后的硅藻土。1.2吸湿性能测试称取相同质量的几种无机材料(质量记为m1),放入相对湿度是80%,温度恒定为(200.2)的密闭环境中,每隔一定时间称取样品质量,直至样品每天的质量变化在0.05%之间,认为此时样品在该湿度下达到吸湿饱和,质量记为m2,其饱和吸湿量为m2-m1,调湿材料的饱和吸湿率为(m2-m1)/m1,以吸湿率对时间做图,即可得到调湿材料在该湿度下的吸湿性能曲线,结果如图2所示。从图2可以看出硅藻土和沸石的吸湿能力强,
7、饱和吸湿量可以达到15%16%,相比之下,相同实验条件下的海泡石和活性炭的饱和吸湿量还不到5%。而它们达到吸湿饱和所需要的时间却大致相当,因此,初步选定沸石和硅藻土作为调湿涂料的添加材料。另据报道9,硅藻土由于质轻、细腻、松散、多孔、吸着力和渗透性强、颗粒细小,使之成为环保建材的优良选材。日本的研究结果表明,用硅藻土生产的室内装修材料除了不会散发出对人体有害的化学物质外,还有改善居住环境的作用。首先,可以自动调节室内湿度。用硅藻土生产的壁材具有超纤维、多孔质等特性,其超微细孔比木炭还要多出50006000倍。在室内的湿度上升时,硅藻土壁材上的超微细孔能够自动吸收空气中的水分,将其储存起来。如果
8、室内空气中的水分减少、湿度下降,硅藻土壁材就能够将储存在超微细孔中的水分释放出来。其次,硅藻土壁材还具有消除异味的功能,保持室内清洁,在家庭和宾馆卫生间使用,可去除硫化氢和氨等臭味气体,杀灭有害细菌,并预防疾病的传播。因此,本实验最终确定选用硅藻土作为涂料的主要吸水材料。图2调湿材料吸湿曲线2乳胶型涂料的制备2.1实验仪器及配方2.1.1仪器恒温恒湿箱:北京吉海尔特产;高速分散机、电动搅拌机:姜堰市天力器械有限公司产;电子天平:感量0.00001g;洗刷试验机。2.1.2涂料配方涂料配方见表1。表1涂料配方2.2工艺流程制备乳胶型涂料的工艺流程为:工艺流程2.3涂料调湿性能的测试按照以上工艺流
9、程制备出几种不同硅藻土含量的乳胶型涂料(图中比例为硅藻土在填料中的质量分数),每种涂料各取10g样品,均匀涂抹于0.005m2的玻璃板上,充分干燥后,放入恒温恒湿箱中,设定箱内温度为(200.5),在不同的相对湿度下,测定它们的饱和吸湿量。然后做放湿实验,完全放湿称质量,计算放湿量。实验结果如图3和图4。图3 涂料的饱和吸湿量曲线图4 涂料的放湿曲线从图3、图4可知,硅藻土在填料中的比例为50%75%时,有较好的吸放湿效果。在RH=85时,75%硅藻土含量的涂料最大吸湿量达到6.5%;从RH=85%到RH=10%做放湿实验,最大放湿量为5.25%。随着硅藻土含量的增加,涂膜中的孔增多,吸湿能力
10、和放湿能力都增强了,但是当硅藻土的含量增加到75%以后,再增加时涂料的吸放湿性能反而下降,这可能是因为此时涂料中缺少了多种粒子的复配,使得硅藻土的微孔之间相互重叠,没有发挥出吸放湿作用。3复合涂料的研制3.1复合涂料调湿性能的测试从图3、图4的结果看出,乳液型涂料的调湿性能不是很理想。在成膜物质丙烯酸酯乳液中加入无机成膜物质(图中比例为无机成膜物质在成膜物质中的含量),制成复合涂料。如果单独使用无机成膜物质,由于它的固体含量低,干燥收缩大,容易引起涂膜开裂,使涂料中的多孔材料更多地与空气接触,涂料有很好的吸放湿能力,然而为了避免涂膜开裂,需要加入乳液与之复配。本实验通过控制无机成膜物质的比例,
11、使涂膜连续成膜,不能有开裂现象。复合涂料兼具有机涂料和无机涂料的性质,不但常规性能优良,还可以提高吸放湿能力。复合涂料的吸放湿性能测定实验条件和过程同2.3。结果如图5和图6。图5复合涂料吸湿曲线图6复合涂料放湿曲线从图5可知,随着无机成膜物质含量的增加,高湿度情况下涂料的吸湿量明显提高,在RH=85%时,饱和吸湿量由乳胶型涂料的5%提高到11%。可见,通过涂料基料的复合,大大提高了调湿涂料的吸湿性能。与乳胶型涂料的放湿性能相比,涂料的放湿量也随着无机成膜物质含量的增加而增加,最大放湿量,RH从85%到10%时,由5%提高到10%。3.2无机成膜物对涂料附着力的影响无机成膜物的加入直接影响涂膜
12、的附着力(如表2)。从表2可知,随着无机成膜物用量的增加,涂料的附着力变好,但用量太大,又会使附着力变差,这可能是因为,无机成膜物质中二氧化硅粒子对固体颗粒包覆层加厚,致使颗粒之间及颗粒与基层之间缺陷增多,所以无机成膜物质的最佳用量为35%60%10。综合吸放湿能力和附着力测试,确定无机成膜物质的最佳用量为50%60%,如果换算成每平方米的吸湿量,本实验中50%复合型涂料的最大吸湿量就可以分别达到75g/m2和70g/m2,符合同类产品的标准JISA69092003(规定吸放湿性能不低于70g/m2)。表2无机成膜物质用量对涂膜附着力的影响3.3复合涂料常规性能的检验按照GB/T9756200
13、1测定50%复合涂料的常规性能,结果见表3。表3复合涂料常规性能的测试结果4结语本文对几种吸湿材料的吸湿性能进行了实验研究,可以看出经过特殊工艺处理后的硅藻土吸湿性能优于其他材料,此外硅藻土还具有一些其他的优良性能,因此本实验选用硅藻土作为涂料的填料,制成了乳胶型涂料,通过测定这种涂料的吸放湿特性,确定了硅藻土在填料中的最佳含量。为了提高涂料的调湿能力,在基料中加入了无机成膜物质,实验结果表明,通过复合,大大提高了涂料的吸放湿能力,在对附着力实验比较中,得出了无机成膜在涂料中添加的比例。复合涂料满足该类产品的标准,而且也满足建筑涂料的常规标准。因而,复合型调湿涂料在建筑领域的应用中有良好的前景,对建筑节能有重要的意义。
