1、調濕材料的研究現狀Present research status of humidity-control materials侯國艷,冀志江,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:本文闡述了發展調濕材料的意義,簡要介紹了調濕材料的調濕機理以及國內外研究的現狀。指出需進一步加快調濕機理的理論研究以及發展經濟且性 能良好的調濕建材產品。 關鍵詞:調濕材料;濕度調節;節能中圖分類號:X820.3 文獻標識碼:B 文章編號: 1 引言現時社會中環境保護已經成為公眾話題,相對于綠色無污染、可持續性發展等環保概念而言,濕度調節顯得陌生且往往容易被忽略

2、。近年來,濕度的作用和危害在國內日益受到關注,因此關于濕度控制和調節的研究也越來越受到重視。 空氣濕度是表示空氣中水汽多少亦即干濕程度的物理量。過高或者過低的濕度影響人居環境與人體健康,對物品的保存、儀器的壽命等等具有嚴重的危害性。濕度由過高(低至過低(高交替變化時的危害更為嚴重。國家“十一五”科技攻關計劃資助項目(2006BAJ02A09、2006BAJ02B02注:三角形的高度表示發生的量和程度圖1相對濕度對衛生安全及健康的影響Fig 1 influence of air humidity on sanitation safety and health圖1是加拿大學者Anthony V.A

3、rundel等1考慮各種因素后,推薦的最佳相對濕度范圍:相對濕度在40%-60%之間,可使環境中細菌、病菌、霉菌, 寄生蟲的總數量最少,將呼吸道感染和過敏癥、氣喘病、化學作用的可能性降至最小,且能保證空氣中臭氧的一定發生率,使空氣清新凈化。2目前調節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,通過對溫度與濕度之間相互關系的研究表明2:如果在密閉系統中沒有任何吸附與解析水份的物質,當短時間內溫度由10-40變化時,會使系統內相對濕度降低到原來的1/6的水平,反過來同樣如此。目前,實現濕度調節較為普遍的方法是利用當今先進的空調技術,但是常用的空調技術要消耗大量能源,除直接或間接引起大

4、氣污染(如:溫室效應、熱污染、破壞生態平衡外,還會引發“室內空氣質量”和“建筑綜合癥(SBS”等問題。從可持續發展戰略考慮,使用機械技術控制濕度并非長久的根本方法,而只能作為輔助手段來調節室內熱濕環境。在日益要求與地球環境相協調、有效地利用有限資源為核心、建設可持續發展社會為目標、促進科學技術發展的形勢下,對具體實現具有自我修復、自我診斷、環境應答或學習功能等特點,與人為善的、可信賴的、節能的、省資源的智能化材料的期待日益高漲。研究具有自動溫濕調節能力的材料具有重大的現實和歷史意義3。使用調濕材料是調節濕度的另一種方法,國內早期大多采用的變色硅膠4,但因其價格較貴,且存在只能吸濕的不可逆現象,

5、不能廣泛使用。國內目前關于調濕材料的研究仍然處于初級階段。未來系統建筑的智能型調濕材料特點就是智能化。智能調濕建材在周圍空氣中的水蒸汽濃度上升時,自身可感知并開始吸收水蒸汽,防止室內濕度的上升,相反濕度下降產生過干燥時,材料自身可感知并開始放出水蒸汽,防止室內過干燥,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。3 濕度調節材料的研究現狀具有調濕功能的材料大多為一些多孔材料,以及通過化學反應來調節水份含量的一些化學材料,或者是兩者的復合材料。調濕材料首先是在日本發展和應用起來。圖2是近十幾年來每年批準的直接關于濕度調節方面的專利數目,資料源于歐洲專利網5。圖2專利數目年表Fig 2 c

6、hronological table of patents amount從圖中可以看出濕度調濕的研究從1982年開始逐步趨于熱門,在1990、1991年達到一個高峰,隨后熱度慢慢下降。直到1998年,關于濕度調節方法及材料的研究突然再次熱門,并維持著較高熱度直到現在。3.1 調濕材料的分類及作用機理的研究現狀調濕材料的作用機理因種類差別而不同,調節濕度材料主要分為四類: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。無機調濕材料和生物質調濕材料主要用于建筑材料,硅膠和有機高分子調濕材料主要用于工業和食品包裝。硅膠調濕材料雖然吸濕能力比較大,但放濕再生能力較差;有機高分子調濕材料

7、的吸放濕能力都比較強,但容易對環境造成污染;生物質調濕材料吸濕量較強,放濕能力較弱;無機調濕材料的吸濕量有限,放濕再生能力比較強。故研究考慮采用不同孔道結構和尺寸的無機調濕材料進行匹配,以達到高效吸放濕并快速再生的目的。無機非金屬調濕材料的調濕能力主要依靠內部較多的孔道與極大的比表面產生的水分子吸附、脫附作用。吸附現象主要有三類:物理吸附、化學吸附和離子交換吸附。有機高分子調濕材料的吸濕性主要取決于其本身的化學結構和物理結構,滲透分子進入高分子內取決于兩個因素:(1在聚合物內有合適的孔徑;(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。理論上分子結構中含有羧基、胺基、羥基等親水基團的高分子材料都可以作為調濕劑,親水基團越多,吸濕量就越大6。按照有關高分子結構單元物理結構中最重要的因素是結晶度,分子越規整就越不利于吸濕7。1997年,渡材信治等對國際化學聯合會(IUPAC所劃分的等溫吸附曲線種類進行分析,并用開爾文關于毛細管凝結理論,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,得出:孔徑在3.0nm7.4nm之間且分布均勻的材料,在相對濕度40%70%之間具有最佳的調濕性能8。3.2 調濕材料研究的現狀事實上,任何無機或有機多孔材料都具有或多或少

9、的吸放濕性能,生物質材料尤其是木材在我國古代就已經得到了相當廣泛的應用。最近十多年來,人們開始注意到了傳統材料(包括無機材料及生物質材料的調濕性能。直到現在,一些傳統材料依然作為調濕材料而進行改進使用。傳統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,還存在著吸放濕速度慢,耐久性和耐腐蝕性較差的問題。因此,開發新型的調濕材料勢在必行。新型無機非金屬類調濕材料的研究,起源并主要集中在日本。國內關于調濕材料的研究仍然停留在初級階段, 1990年7月清華大學土木系建材研究室開展了調濕材料的研究。上海博物館羅曦蕓(1997論述了調濕材料的開發7,詳細介紹了特種硅膠、無機鹽類、蒙脫土類及

10、有機高分子類調濕材料的調濕特性,并初步研究其作用機理。華僑大學建筑系冉茂宇(2001研究了硅膠的吸放濕性能,同時探討了材料的吸濕機理9。2003年河北工業大學梁金生、梁廣川等人利用海泡石、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10。呂榮超等(2005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47%-51%11。侯國艷,冀志江等(2007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%12?？偟膩碚f,國內的研究

11、中目前被用做濕度調節的材料有海泡石、高嶺土、蒙脫土、沸石等,但都沒有形成較大的研究氣候和成熟的建材產品。從1980年開始至1987年,日本在大約近百項工程中使用了調濕材料,對文物及重要的美術書刊的保護與保管起了很大的作用。近幾年日本的調濕材料研究專利呈上升的趨勢,主要是無機調濕材料。日本的INAX公司(2002用石灰、鋁英礬土、砂等通過混煉制成濕度控制抹面材料;國立產業綜合技術研究所前田雅喜將水玻璃和氫氧化鋁與高嶺土經800-1150共同燒結成型,制成具有濕度調節功能的鋁基調濕材料;JANIS公司(2002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

12、控制材料。日本INAX公司最近研制開發出一種健康建材,不僅降低了有害化學成分的含量,且更具有調節室內濕度作用13。此外,日本還申請了多項關于濕度調節或控制材料的專利,奠定了日本作為調濕材料研究領域的主導地位。近幾年來美國在調濕薄膜方面的研究報道,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對海泡石以及與活性炭復合材料做為調濕材料進行了研究14。Rogatkin, M. V. Malle等學者對蒙脫土類調濕材料也作了較為詳細的研究15,16。4結語國外關于調濕材料的研究遠遠領先于國內,日本的研究又遠遠領先于其他的國家,尤其在基礎

13、理論的研究上更是擁有相對先進的理論基礎,在所能查閱到的資料看來,歐美的國家對調濕材料的機理做的研究遠不如日本來的詳細和具體。目前,日本所選用的濕度調節建材有硅藻土、沸石、海泡石、蛭石、水鋁英石等等。目前,具有濕度調節建筑材料的種類有地板、墻體隔板、天花板、墻體材料等。但從當前國內市場的實際應用情況來看,既經濟又具備良好調濕性能的建材的出現仍需科研工作者進一步努力。參考文獻1Anthony V.Arundel, Elia M.Sterling, Judith H.Biggin, and Theodor D.Sterling. 1986. Indirect health effects of relative hum