多孔矿物基复合调湿材料的制备及性能

【摘要】调湿材料是指依靠自身吸放湿性能,自动调节空气相对湿度的材料,调湿材料的研究和应用对改善人居环境、提高物品的保存质量、降低能耗有着重要的意义。本文以硅藻土、沸石、海泡石等天然多孔矿物材料为基础,通过无机盐改性和PAA复合的方式制备多孔矿物基复合调湿材料。通过干燥器法测定各复合材料在不同相对湿度下的最大平衡含湿量和吸放湿动力学曲线,并采用BET、SEM、XRD、IR等手段表征分析多孔材料的孔结构、微观形貌、晶相结构及官能团,探讨多孔矿物材料的改性及调湿机制。选取CaCl2、MgCl2和NaCl三种无机氯盐分别对硅藻土、沸石、海泡石进行改性,考察无机盐种类、无机盐浓度及矿物种类对复合材料调湿性能的影响。结果表明,经无机盐改性后多孔矿物的吸放湿量和吸放湿速度均明显提高,选择CaCl2改性多孔矿物能获得最优的调湿性能,其中CaCl2改性对海泡石的调湿效果最优,在同一相对湿度下复合材料的吸放湿量随CaCl2含量的增加而增大。未经改性前,硅藻土、沸石、海泡石在相对湿度为75%的环境下的最大平衡含湿量为0.32%、3.51%、0.39%,经浓度为20wt%的CaCl2改性后三者在相对湿度为75%的环境下的最大平衡含湿量分别为为88.59%、82.96%、98.12%,在相对湿度为33%的环境下的饱和放湿率为29.12%、27.68%、30.46%。改性后样品表面包覆了一层连续均匀的颗粒,比表面积和孔容有所下降,平均孔径增大,这些结构上的变化导致了材料调湿性能的提高。无机盐改性多孔矿物在吸湿过程中发生多孔矿物的物理吸附和无机盐的化学吸附,物理吸附和化学吸附相互促进,从而导致了吸附量的提高。无机盐改性多孔矿物兼具了无机盐广湿度范围调节和多孔矿物较好的放湿能力。选取以不同方法改性的多孔矿物和丙烯酸为原料,通过反相悬浮聚合的方法制备出多孔矿物／聚丙烯酸钠复合调湿材料,研究了改性矿物含量、分散剂和中和度等变量因素对产物的吸放湿速度以及吸放湿容量的影响。结果表明,硅藻土、沸石和海泡石复合了聚丙烯酸钠后湿容量和吸放湿速度得到提高,三者复合后的最优配方分别为硅藻土40wt%、司班15wt%、中和度90%,沸石10wt%、司班10wt%、中和度80%,海泡石10wt%、司班5wt%、中和度90%。三种配方在相对湿度为75%的环境下的饱和吸湿率为50.12%、51.55%、58.91%,在相对湿度为33%的环境下的饱和放湿率为29.14%、32.38%、38.69%。复合多孔矿物材料表面存在凹坑状并覆盖有高分子聚合物,矿物材料的晶体结构并没有被破坏,有机高分子与多孔矿物发生了聚合反应。多孔矿物和聚丙烯酸钠的复合结合了多孔矿物优良的放湿性能和有机高分子聚丙烯树脂的高吸湿性能,聚合物包裹下的矿物材料起到了水蒸气通道的作用,有利于水分子的进出,提高了调湿容量和吸放湿速率。本文还初步研究了多孔矿物材料在水泥砂浆中的应用。制备了沸石含量分别为0、10%、20%、30%的干混砂浆,在保证稠度基本一致的条件下,测试了砂浆的施工性能、力学性能和调湿性能。结果表明,沸石掺量增大了砂浆的用水量和2h稠度损失,对保水性影响不大,粘结强度、28d抗折抗压强度均在沸石含量为20%时最大。对沸石含量为0和20%的砂浆进行模拟室内调湿实验,并与涂料进行对比,结果表明：在湿度急剧变化的条件下,涂料没有调湿效果,水泥砂浆则可以通过吸收或释放水蒸气起到良好的调湿作用,掺入沸石后调湿效果更好。通过无机盐改性和有机复合的方式,可以对硅藻土、沸石、海泡石等天然多孔材料进行改性,这是提高其调湿性能的有效途径。多孔矿物调湿材料有望在水泥砂浆中获得应用,使其在内墙装饰时发挥良好的调节室内湿度的功能。
【作者】邓妮；
【导师】陈胡星；
【作者基本信息】浙江大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】多孔矿物；调湿材料；无机盐改性；PAA复合；调湿机制；

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