復(fù)合溫濕調(diào)控材料的制備及濕緩沖特性研究

侯普民，毛維，邢哲理，李超峰，李娟

(軍事科學(xué)院 國防工程研究院，北京 100850)

0 引 言

隨著建筑能耗的增加，建筑節(jié)能材料受到越來越多的關(guān)注。相變溫濕調(diào)控材料是近年來開發(fā)的新型建筑節(jié)能材料，可用于增加建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕惰性，對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行被動(dòng)調(diào)節(jié)。溫濕調(diào)控材料可降低室外環(huán)境變化對(duì)室內(nèi)的影響，起到緩和或抑制溫濕度變動(dòng)的作用，無需外接電源，可降低能源消耗。

近年來，研究者對(duì)溫濕調(diào)控材料進(jìn)行了大量的研究。尚建麗和倪勃等[1]以海泡石作為吸濕材料，分別以十水硫酸鈉、石蠟和十二醇為相變材料，采用真空注入法制備了復(fù)合多孔相變材料，其中海泡石/石蠟復(fù)合相變材料的熱濕性能最佳。此外，尚建麗等[2]還利用生物質(zhì)多孔材料與相變材料進(jìn)行復(fù)合，并摻入建筑石膏中，制備出具有較好儲(chǔ)熱儲(chǔ)濕能力的建筑材料。朱大有和張浩[3]以SiO2為壁材，癸酸-棕櫚酸為芯材，利用超聲波輔助溶膠-凝膠法制備調(diào)溫調(diào)濕復(fù)合材料，穩(wěn)定性良好。宗志芳等[4]制備了二元脂肪酸(BFA)/SiO2相變儲(chǔ)濕復(fù)合材料，建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱濕性能優(yōu)選預(yù)測(cè)模型，得到了最優(yōu)熱濕性能復(fù)合材料的制備工藝參數(shù)。Chen[5-6]以二氧化硅為壁材，以烷烴混合物為芯材，利用溶膠凝膠法制備微膠囊相變材料，并和硅藻土進(jìn)行復(fù)合制備了相變控溫除濕材料。

本研究以相變微膠囊為控溫材料，金屬有機(jī)骨架材料為控濕材料，將兩者混合得到復(fù)合相變溫濕調(diào)控材料。進(jìn)一步在系統(tǒng)層面上對(duì)復(fù)合溫濕調(diào)控材料的濕緩沖能力進(jìn)行了測(cè)試，并利用單杯法對(duì)復(fù)合溫濕調(diào)控材料的傳濕系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，以期為溫濕調(diào)控材料在被動(dòng)式建筑中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

甲基丙烯酸甲酯(化學(xué)純)、十二烷基苯磺酸鈉(分析純)、過硫酸銨(分析純)、九水硝酸鐵(分析純)：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；十八烷(分析純)：上海沃凱化學(xué)試劑有限公司；均苯三甲酸(分析純)：西格瑪奧德里奇貿(mào)易有限公司。

1.2 溫濕調(diào)控材料的制備

以十八烷為芯材、甲基丙烯酸甲酯為壁材通過界面聚合法制備得到相變微膠囊。九水硝酸鐵提供金屬離子，均苯三甲酸為有機(jī)配體，通過水熱合成反應(yīng)制備得到金屬有機(jī)骨架材料MIL-100(Fe)[7]。隨后將相變微膠囊和MIL-100(Fe)分別在50 ℃和150 ℃條件下真空干燥至恒重，最后按照m(相變微膠囊)∶m[MIL-100(Fe)]=1∶1 的配比進(jìn)行物理混合制得復(fù)合溫濕調(diào)控材料。

1.3 濕緩沖值測(cè)試

濕緩沖值(MBV)表示一定時(shí)間內(nèi)當(dāng)材料受到周圍空氣相對(duì)濕度變化時(shí)單位面積的材料吸濕量或放濕量，代表了材料吸濕量的大小。MBV 理論值可通過式(1)計(jì)算[8]：

式中：MBV——濕緩沖值，g/(m2·%RH)；

G——材料在周期內(nèi)單位面積的吸濕量，g/m2；

△RH——測(cè)試條件下高低相對(duì)濕度濕度的差值；

bm——濕擴(kuò)散系數(shù)，kg/m2·Pa·s1/2；

psat——飽和蒸汽壓，Pa；

tp——測(cè)試周期，s。

除理論計(jì)算外，濕緩沖值還可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置如圖1 所示。

圖1 濕緩沖值測(cè)試裝置

該實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部設(shè)有溫濕度傳感器，通過PID 調(diào)節(jié)器控制加熱器的啟停及干、濕空氣的比例，使氣候室內(nèi)溫濕度達(dá)到設(shè)定值，為增加氣候室內(nèi)部溫濕度的均勻性，底部設(shè)有風(fēng)扇。設(shè)定氣候室內(nèi)溫度恒定為23 ℃，濕度呈方波周期性變化，高濕周期為8 h，低濕周期為16 h，高低濕對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度分別為75%和33%，氣候箱內(nèi)的相對(duì)濕度變化如圖2 所示。測(cè)試時(shí)將四周密封、上部暴露的實(shí)驗(yàn)試塊放置在懸掛天平上，試塊為圓柱體，直徑46 mm、厚15 mm。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄試塊質(zhì)量的變化，間隔為1 min。

圖2 氣候箱內(nèi)的相對(duì)濕度變化情況

1.4 傳濕系數(shù)測(cè)試

材料的傳濕系數(shù)對(duì)應(yīng)于材料的傳熱系數(shù)，其值的大小關(guān)系到水蒸氣擴(kuò)散的快慢。水蒸氣的傳濕系數(shù)可通過經(jīng)典單杯法進(jìn)行測(cè)試[9]，單杯法測(cè)試是指取一容器裝入硫酸鉀飽和鹽溶液，然后將塊狀試樣密封于容器口部，再將承載試塊的容器置于恒溫恒濕的氣候室內(nèi)。測(cè)試裝置如圖1 所示，測(cè)試時(shí)保持氣候箱內(nèi)溫度為23 ℃，相對(duì)濕度為65.3%。由于容器內(nèi)外水蒸氣分壓力差，水蒸氣透過試樣由容器內(nèi)部滲透至外部環(huán)境中，測(cè)試過程中記錄容器整體質(zhì)量的變化，待變化速率穩(wěn)定后，通過式(2)計(jì)算材料的濕流密度，進(jìn)而求出材料的傳濕系數(shù)。

式中：μ——材料的傳濕系數(shù)，kg/(m·s·Pa)；

g——單位時(shí)間單位面積通過試塊的水蒸氣量，g/(m2·s)；

p——水蒸氣分壓力，Pa；

x——試塊的厚度，m。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 濕緩沖值

建筑材料濕緩沖值從低到高可劃分為5 個(gè)等級(jí)[8]，其中MBV=0～0.25 為極差等級(jí)，其濕調(diào)節(jié)能力可忽略不計(jì)；MBV=0.25～0.50 為差等級(jí)，可實(shí)現(xiàn)有限的濕度調(diào)節(jié)；MBV=0.50～1.00為中等級(jí)，屬于可調(diào)控級(jí)別；MBV=1.00～2.00 為良等級(jí)，可實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)；MBV＞2.0 為優(yōu)秀級(jí)別。

MIL-100(Fe)、相變微膠囊及復(fù)合溫濕調(diào)控材料濕緩沖曲線如圖3 所示。

圖3 MIL-100(Fe)、相變微膠囊及復(fù)合溫濕調(diào)控材料的濕緩沖曲線

圖3 為穩(wěn)定后試樣質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況，可以看出，當(dāng)氣候箱內(nèi)相對(duì)濕度提高到75%時(shí)，試樣開始吸濕，質(zhì)量迅速增加，然后趨于平緩。當(dāng)氣候箱內(nèi)相對(duì)濕度降低為33%時(shí)，試樣開始放濕，質(zhì)量迅速減小，然后趨于平緩。通過式(1)計(jì)算得到MIL-100(Fe)的濕緩沖值為3.05 g/(m2·%RH)，達(dá)到了MBV 等級(jí)的最高標(biāo)準(zhǔn)，具有非常好的濕度調(diào)節(jié)能力。相變微膠囊的濕緩沖值為0.27 g/(m2·%RH)，對(duì)應(yīng)的MBV 等級(jí)為差，僅可實(shí)現(xiàn)有限的濕緩沖。復(fù)合溫濕調(diào)控材料的濕緩沖值介于兩者之間，為1.38 g/(m2·%RH)，與常用建筑材料石膏(0.26 g/m2·%RH)相比，所制備的復(fù)合材料具有更高的濕緩沖能力。

2.2 傳濕系數(shù)

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到MIL-100(Fe)、相變微膠囊、復(fù)合調(diào)控材料的傳濕系數(shù)分別為 8.25×10-8、0.37×10-8、4.20×10-8kg/(m·s·Pa)?？梢园l(fā)現(xiàn)，單純的相變微膠囊傳濕系數(shù)很小，添加MIL-100(Fe)的復(fù)合調(diào)控材料傳濕系數(shù)得到明顯提升，提升了約 10 倍，且為傳統(tǒng)石膏板傳濕系數(shù)[4.21×10-8kg/(m·s·Pa)]的1.75 倍。

3 結(jié) 論

通過界面聚合法和水熱合成法制備了相變微膠囊和金屬有機(jī)骨架材料MIL-100(Fe)，通過物理研磨相變微膠囊和金屬有機(jī)骨架材料充分混合，得到了新型復(fù)合溫濕調(diào)控材料。分別對(duì)相變微膠囊、MIL-100(Fe)及復(fù)合溫濕調(diào)控材料的濕緩沖值及傳濕系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，通過金屬有機(jī)骨架材料可提高相變材料的濕緩沖能力，當(dāng)m(相變微膠囊)∶m[MIL-100(Fe)]=1∶1 時(shí)，復(fù)合溫濕調(diào)控材料的濕緩沖值提高到1.38 g(/m2·%RH)，傳濕系數(shù)較單純相變微膠囊提高了約10 倍。復(fù)合溫濕調(diào)控材料濕緩沖性能優(yōu)于石膏等傳統(tǒng)建筑材料，具有良好的濕度調(diào)節(jié)能力。