調(diào)濕材料應(yīng)用的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

王倩，魏太兵，李華偉，劉飛宇

（武夷學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，福建 武夷山 354300）

建筑是人們生產(chǎn)和生活的重要場(chǎng)所，建筑室內(nèi)環(huán)境的的舒適性直接影響人們的居住品質(zhì)。建筑室內(nèi)濕度是影響室內(nèi)環(huán)境舒適性的重要因素，影響人們居住舒適度、身體健康，建筑結(jié)構(gòu)耐久性以及建筑能耗，與人民的生活質(zhì)量、健康、心情息息相關(guān)。

調(diào)濕材料的研究最早起源于日本，由西藤宮野提出，至今已有幾十年歷史。調(diào)濕材料是指依靠自身結(jié)構(gòu)具有的吸放濕性能，自動(dòng)感知空氣相對(duì)濕度并進(jìn)行調(diào)節(jié)的材料[1]。調(diào)濕材料不僅可以改善室內(nèi)濕度，還可以降低能耗，符合國家節(jié)能減排的雙碳目標(biāo)，得到了很多專家學(xué)者的推崇。

1 空氣濕度對(duì)人類生產(chǎn)生活的影響

空氣濕度影響人體健康。空氣濕度過大時(shí)無論溫度高低人體都會(huì)感到不適。夏季溫度高時(shí)，空氣濕度大，影響人體散熱功能，使人體血管擴(kuò)張、皮膚呼吸不暢，體溫不易下降，增加人的熱感而易發(fā)生中暑[2]。冬季氣溫低時(shí)，空氣濕度大，空氣中的水蒸氣會(huì)吸收人體的熱量，加快熱損失，使人體感溫度降低，加劇人的冷感覺。室內(nèi)相對(duì)濕度低時(shí)，空氣干燥，人體的水分蒸發(fā)加快，上呼吸道粘膜和鼻腔黏膜干燥易受刺激從而引發(fā)過敏及呼吸系統(tǒng)疾病[3]。室內(nèi)相對(duì)濕度高時(shí)，空氣潮濕，人們長期生活在空氣濕度較大的環(huán)境下，增大了患風(fēng)濕，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的概率。

空氣濕度影響微生物的生存。建筑室內(nèi)環(huán)境中，常見的微生物主要有病毒、細(xì)菌、過敏原和真菌。空氣濕度低時(shí)，空氣干燥，會(huì)使流感病毒擴(kuò)散，加大人們患感冒等呼吸系統(tǒng)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。空氣濕度高時(shí)，會(huì)加快霉菌等微生物的生長，影響食品的加工和保存。研究表明，室內(nèi)空氣濕度在40%～60%時(shí)，細(xì)菌、霉菌是最少的，引起疾病不適的概率也最低。

空氣濕度對(duì)倉儲(chǔ)、建筑物、工業(yè)生產(chǎn)等方面也影響很大?？諝鉂穸却螅绊懯称?，文物古跡，畫作的保存，還會(huì)引起建筑物表面外墻脫落。許多工廠車間對(duì)濕度要求比較嚴(yán)格，濕度過大會(huì)使儀器設(shè)備電路結(jié)露，導(dǎo)致電路的絕緣性下降甚至短路?？諝鉂穸冗^大，還會(huì)使金屬生銹，加快設(shè)備腐蝕老化，影響儀器設(shè)備使用壽命?？諝鉂穸冗^低時(shí)，空氣干燥，容易產(chǎn)生靜電現(xiàn)象，損害儀器設(shè)備的電路和可靠性，可引起火災(zāi)，甚至有可能使某些工廠車間發(fā)生爆炸事故。

2 調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的方法及調(diào)濕原理

2.1 調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的方法

調(diào)節(jié)空氣濕度的方法目前主要有兩種，一種是主動(dòng)式調(diào)節(jié)，主要是采用空調(diào)、吸濕器和加濕器等設(shè)備進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)；另一種是被動(dòng)式調(diào)節(jié)，主要是利用天然的或合成的調(diào)濕材料進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)。第一種調(diào)節(jié)方法耗能大，浪費(fèi)資源，不符合節(jié)約能源和綠色發(fā)展的要求。第二種調(diào)節(jié)方法是利用材料自身的吸放濕性能，來感知空氣中的濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而將空氣的相對(duì)濕度穩(wěn)定在一定的范圍[4-5]。這種調(diào)節(jié)方法具有能耗低、無污染的優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的調(diào)節(jié)濕度的方法，符合雙碳的目標(biāo)。

2.2 調(diào)濕原理

調(diào)濕材料是智能調(diào)節(jié)空氣濕度的材料。當(dāng)室內(nèi)空氣濕度較高時(shí)，調(diào)濕材料開始吸附環(huán)境中的水蒸氣，從而使空氣變得干燥，避免空氣濕度進(jìn)一步增大；而當(dāng)室內(nèi)空氣濕度較低時(shí)，調(diào)濕材料脫附自身吸附的水分使空氣變得濕潤，避免空氣濕度進(jìn)一步降低[6]。調(diào)濕材料通過感知室內(nèi)濕度而自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使建筑室內(nèi)環(huán)境濕度維持在合適的范圍內(nèi)。

3 調(diào)濕材料的分類及研究現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)濕材料選用的調(diào)濕原材，可將調(diào)濕材料分為生物質(zhì)調(diào)濕材料、無機(jī)鹽調(diào)濕材料、無機(jī)礦物調(diào)濕材料、有機(jī)高分子調(diào)濕材料、復(fù)合調(diào)濕材料等[7]，具體介紹如下。

（1）生物質(zhì)調(diào)濕材料

生物質(zhì)調(diào)濕材料，包括木材、稻草、秸稈等，這些材料是天然的自然界植物，具有來源廣、價(jià)格低、生物降解性好的優(yōu)點(diǎn)，且材料本身結(jié)構(gòu)具有比較大的比表面積和孔隙，具有優(yōu)質(zhì)的調(diào)濕性能，可用作綠色環(huán)保調(diào)濕材料的原材。Sun 等[8]通過多種活化方式對(duì)玉米穗進(jìn)行活化改性制備活性炭并進(jìn)行一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明生物質(zhì)活性炭具有微孔結(jié)構(gòu)，有很好的調(diào)濕效果。Park 等[9]利用油菜和混合軟木制備生物炭，將制備的生物炭以2%～8%的比例添加到砂漿中制備生物炭-砂漿建筑材料，并對(duì)其濕熱性能進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)表明該材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著生物炭添加量的增加而降低，與素水泥砂漿相比，生物炭摻量為8% 時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低57.6%。該材料的水蒸氣阻力系數(shù)隨著生物炭添加量的增加而增加，生物炭摻量為8% 時(shí)，材料的水蒸氣阻力系數(shù)與素水泥砂漿相比增加50.9%。試驗(yàn)證明，生物炭-砂漿建筑材料有助于濕度控制，可以提高砂漿的濕熱性能。張秀梅[10]利用生物質(zhì)，添加劑和水泥來生產(chǎn)調(diào)濕墻體材料并進(jìn)行一系列的調(diào)濕性能試驗(yàn)，得出生物質(zhì)和添加劑的比例在1∶1～2∶1 時(shí)具有良好的調(diào)濕性能，且能滿足強(qiáng)度和熱工性能的要求。倪海燕等[11]利用竹筍殼纖維為原材料，通過對(duì)吸放濕性能和吸濕膨脹性能測(cè)定，證明竹筍殼纖維作為調(diào)濕材料的可行性。

（2）無機(jī)鹽調(diào)濕材料

無機(jī)鹽調(diào)濕材料常用的有LiCl、CaCl2、KCl 等，這類材料的調(diào)濕作用主要是由其飽和鹽溶液的飽和蒸氣壓決定。相同溫度下，飽和鹽溶液的蒸氣壓越高，相應(yīng)的空氣相對(duì)濕度越高[6]。無機(jī)鹽調(diào)濕材料具有調(diào)節(jié)濕度范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，幾乎整個(gè)濕度范圍都有合適的飽和鹽溶液。但是無機(jī)鹽具有易潮解，不穩(wěn)定，易鹽析等缺點(diǎn)，限制了它的使用范圍。

（3）無機(jī)礦物調(diào)濕材料

無機(jī)礦物調(diào)濕材料應(yīng)用較廣的有蒙脫土、海泡石、硅藻土、沸石等，這類材料具有多孔結(jié)構(gòu)，有很大的比表面積和較多的孔道，有較強(qiáng)的吸附作用。無機(jī)礦物調(diào)濕材料主要是通過多孔結(jié)構(gòu)吸附和脫附水分子達(dá)到調(diào)節(jié)濕度的目的。這類調(diào)濕材料調(diào)濕作用，主要是以物理吸附為主，水分子容易吸附，也容易脫附。但無機(jī)礦物調(diào)濕材料具有濕容量小，調(diào)濕能力弱的特點(diǎn)，這在一定程度上限制了它的應(yīng)用。Vu 等[12]通過煅燒硅藻土和火山灰制備調(diào)濕材料，并分析材料的水分吸附-解吸性能和孔徑特征。試驗(yàn)表明該調(diào)濕材料具有多孔結(jié)構(gòu)，孔徑趨于2～50 nm，比表面積為（14.1±1）～（65±3）m2/g，孔隙率為（65.23±3）%～（70.84±5）%，同時(shí)該調(diào)濕材料的水分吸附-解吸能力隨著硅藻土的含量增加而增加，由90%硅藻土、8%火山灰和2%過硼酸鈉的混合物在1000 °C 的燒結(jié)溫度下制成的產(chǎn)品性能最優(yōu)異，吸附水分為（65±4）g/m2。胡明玉等[13]以硅藻土為調(diào)濕原材，通過添加無機(jī)改性摻合料釩鐵渣制備調(diào)濕材料，通過試驗(yàn)測(cè)試調(diào)濕材料的吸放濕平衡含濕率和吸放濕速率并通過SEM 掃描電鏡對(duì)其調(diào)濕機(jī)理進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)釩鐵渣摻量為15%～20%時(shí)，調(diào)濕材料具有較高的強(qiáng)度和調(diào)濕性能，最大平衡含濕率為19.9%～20.8%。

（4）有機(jī)高分子調(diào)濕材料

有機(jī)高分子調(diào)濕材料常見的有甲基纖維素、淀粉、聚丙烯酸鈉等[14]，其吸濕性能主要是由材料本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的。有機(jī)高分子調(diào)濕材料通常具有羥基(-OH)、羧基（-COOH）、胺基(-NH2)等親水基團(tuán)，能吸收大量的水分。親水基團(tuán)的數(shù)量和極性與吸濕性能密切相關(guān)，分子鏈上親水基團(tuán)越多，親水基團(tuán)極性越強(qiáng)，則材料的吸濕量就越大。反之，親水基團(tuán)數(shù)量少，極性弱，則材料的吸濕性越差。由于有機(jī)高分子調(diào)濕材料吸濕主要是化學(xué)吸附，吸附作用強(qiáng)，水分子難脫附，因此其放濕性能差，作為調(diào)濕材料受到很大限制。蔣夢(mèng)蘭等[15]以馬鈴薯多孔淀粉為填料，以苯丙乳液為成膜物制備了調(diào)濕涂料，通過SEM 觀察涂料涂層發(fā)現(xiàn)其具有疏松結(jié)構(gòu)，且富含孔道和孔隙，具有較強(qiáng)的調(diào)濕性能，符合調(diào)濕涂料的要求。

（5）復(fù)合調(diào)濕材料

理想的調(diào)濕材料要求具有高濕容量和高吸放濕速率，但單一種類調(diào)濕材料難以同時(shí)具備這兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，近年來人們開始將目光轉(zhuǎn)向復(fù)合調(diào)濕材料。復(fù)合調(diào)濕材料是指將上述不同種類的材料進(jìn)行復(fù)合或反應(yīng)制得的具有高濕容量和高吸放速率的調(diào)濕材料。復(fù)合調(diào)濕材料將各組分優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，因此具有更好的調(diào)濕性能。Yang 等[16]利用羧甲基纖維素、海泡石和丙烯酸（AA）/丙烯酰胺（AM）共聚物制備一種具有優(yōu)異調(diào)濕性能的復(fù)合調(diào)濕材料。該調(diào)濕材料具有吸濕能力強(qiáng)、對(duì)濕度變化響應(yīng)快等特點(diǎn),能將相對(duì)濕度維持在較小的范圍，適用于博物館等需要保持穩(wěn)定濕度的場(chǎng)所。陳偉等[17]利用水泥為膠凝材料，以稻桿，花生殼磨碎后作為骨料，加入酸化的海泡石按一定比例混合，經(jīng)熱壓成型，并蒸汽養(yǎng)護(hù)后制得復(fù)合調(diào)濕砌塊，并通過吸濕性能試驗(yàn)得出材料的飽和吸濕率為130%。肖力光等[18]以生物質(zhì)材料秸稈和無機(jī)礦物材料硅藻土為調(diào)濕原材料，硫鋁酸鹽水泥為主要膠凝材料制備秸稈纖維水泥基復(fù)合板材，通過吸放濕性能試驗(yàn)研究硅藻土對(duì)復(fù)合板材調(diào)濕性能的影響。結(jié)果表明添加硅藻土可提高秸稈纖維復(fù)合板材的調(diào)濕性能，且調(diào)濕性能隨摻量增加而提高。

4 研究調(diào)濕材料的意義

氣候變化，資源枯竭是人類面臨的重大問題，隨著石油和煤炭的開采使用，帶來環(huán)境污染及能源的大量消耗問題，給人類可持續(xù)發(fā)展帶來巨大威脅。因此能源與資源危機(jī)，環(huán)境與氣候惡化問題受到廣泛的關(guān)注，也成為影響我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的障礙。2021 年兩會(huì)，碳達(dá)峰和碳中和首次寫入政府工作報(bào)告中，我國承諾2030 年前二氧化碳的排放達(dá)到峰值，此后不再增長。這要求我們要通過節(jié)能減排，綠化植樹等方式實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放，達(dá)到碳中和的要求。由此可見，尋找新型能源及開發(fā)綠色環(huán)保建筑材料已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)和發(fā)展節(jié)能環(huán)保型社會(huì)的重要研究課題。

我國是能源消耗大國，能源消耗一直是我國面臨的重大難題，降低能耗，合理利用能源成為迫切解決的問題，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能源消耗已經(jīng)占總能源消耗的近四分之一。建筑節(jié)能是發(fā)展節(jié)能環(huán)保社會(huì)的一個(gè)重要組成部分，超低能耗建筑正逐步成為行業(yè)趨勢(shì)，未來建筑節(jié)能和減排將會(huì)在“碳達(dá)峰，碳中和”的工作中起到重要的作用。如何開發(fā)綠色節(jié)能建筑調(diào)濕材料改善建筑室內(nèi)環(huán)境，創(chuàng)造具有舒適性的低能耗健康節(jié)能建筑，已成為材料界學(xué)者普遍關(guān)注和研究的課題。

5 調(diào)濕材料的發(fā)展方向

隨著時(shí)代的進(jìn)步和人們生活水平的提高，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的要求越來越高，不僅要有舒適的溫濕度，還要有健康，無菌的空氣，這就使調(diào)濕材料向多功能方向發(fā)展。

（1）調(diào)濕材料能將室內(nèi)濕度控制在相對(duì)舒適的濕度范圍，但此濕度范圍也是細(xì)菌滋生的適宜濕度，因此將調(diào)濕材料與抗菌劑進(jìn)行結(jié)合，制備既有調(diào)濕功能又有抑菌功能的抑菌調(diào)濕多功能材料。如將具有抗菌作用的金屬離子（銀、銅、鋅）等負(fù)載于無機(jī)礦物調(diào)濕材料的孔道中，通過金屬離子的交換作用，達(dá)到長期抑菌的目的。

（2）室內(nèi)環(huán)境不僅要有舒適的濕度，也要具備舒適的溫度，將調(diào)濕材料與溫度調(diào)節(jié)材料復(fù)合，將調(diào)溫材料吸附到調(diào)濕材料的孔隙和孔道中，在濕度調(diào)節(jié)的同時(shí)，也能進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。如將相變材料和調(diào)濕材料合成微膠囊相變調(diào)濕材料。

（3）室內(nèi)裝修會(huì)產(chǎn)生甲醛、苯等有害氣體，使空氣質(zhì)量變差，嚴(yán)重影響人們的健康。將調(diào)濕材料與吸附材料進(jìn)行復(fù)合，制備既有調(diào)濕功能又具有吸附甲醛等有害氣體功能的復(fù)合材料，在調(diào)節(jié)濕度的同時(shí)又能吸附有害氣體。如在調(diào)濕材料中加入TiO2、ZnO，利用其光催化性，將裝修產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行氧化分解，從而達(dá)到凈化空氣，改善人居環(huán)境的目的。

隨著人們對(duì)調(diào)濕材料的深入研究和不斷創(chuàng)新，以及各學(xué)科之間的交叉研究，未來調(diào)濕材料將向能改善人類居住環(huán)境和生活質(zhì)量的多功能方向發(fā)展，更好的滿足人們的使用和需求。