復合溫濕調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，建筑節能材料受到越來越多的關注。相變溫濕調控材料是近年來開發的新型建筑節能材料，可用于增加建筑圍護結構的熱濕惰性，對室內溫濕度進行被動調節。溫濕調控材料可降低室外環境變化對室內的影響，起到緩和或抑制溫濕度變動的作用，無需外接電源，可降低能源消耗。

近年來，研究者對溫濕調控材料進行了大量的研究。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合多孔相變材料，其中海泡石/石蠟復合相變材料的熱濕性能最佳。此外，尚建麗等[2]還利用生物質多孔材料與相變材料進行復合，并摻入建筑石膏中，制備出具有較好儲熱儲濕能力的建筑材料。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-凝膠法制備調溫調濕復合材料，穩定性良好。宗志芳等[4]制備了二元脂肪酸(BFA)/SiO2相變儲濕復合材料，建立了結構參數與熱濕性能優選預測模型，得到了最優熱濕性能復合材料的制備工藝參數。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，并和硅藻土進行復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，金屬有機骨架材料為控濕材料，將兩者混合得到復合相變溫濕調控材料。進一步在系統層面上對復合溫濕調控材料的濕緩沖能力進行了測試，并利用單杯法對復合溫濕調控材料的傳濕系數進行了測試，以期為溫濕調控材料在被動式建筑中的應用提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料

甲基丙烯酸甲酯(化學純)、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)：國藥集團化學試劑有限公司；十八烷(分析純)：上海沃凱化學試劑有限公司；均苯三甲酸(分析純)：西格瑪奧德里奇貿易有限公司。

1.2 溫濕調控材料的制備

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，均苯三甲酸為有機配體，通過水熱合成反應制備得到金屬有機骨架材料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 的配比進行物理混合制得復合溫濕調控材料。

1.3 濕緩沖值測試

濕緩沖值(MBV)表示一定時間內當材料受到周圍空氣相對濕度變化時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)計算[8]：

式中：MBV——濕緩沖值，g/(m2·%RH)；

G——材料在周期內單位面積的吸濕量，g/m2；

△RH——測試條件下高低相對濕度濕度的差值；

bm——濕擴散系數，kg/m2·Pa·s1/2；

psat——飽和蒸汽壓，Pa；

tp——測試周期，s。

除理論計算外，濕緩沖值還可通過實驗測試得到，實驗測試裝置如圖1 所示。

圖1 濕緩沖值測試裝置

該實驗裝置內部設有溫濕度傳感器，通過PID 調節器控制加熱器的啟停及干、濕空氣的比例，使氣候室內溫濕度達到設定值，為增加氣候室內部溫濕度的均勻性，底部設有風扇。設定氣候室內溫度恒定為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，高低濕對應的相對濕度分別為75%和33%，氣候箱內的相對濕度變化如圖2 所示。測試時將四周密封、上部暴露的實驗試塊放置在懸掛天平上，試塊為圓柱體，直徑46 mm、厚15 mm。實驗過程中實時記錄試塊質量的變化，間隔為1 min。

圖2 氣候箱內的相對濕度變化情況

1.4 傳濕系數測試

材料的傳濕系數對應于材料的傳熱系數，其值的大小關系到水蒸氣擴散的快慢。水蒸氣的傳濕系數可通過經典單杯法進行測試[9]，單杯法測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。測試裝置如圖1 所示，測試時保持氣候箱內溫度為23 ℃，相對濕度為65.3%。由于容器內外水蒸氣分壓力差，水蒸氣透過試樣由容器內部滲透至外部環境中，測試過程中記錄容器整體質量的變化，待變化速率穩定后，通過式(2)計算材料的濕流密度，進而求出材料的傳濕系數。

式中：μ——材料的傳濕系數，kg/(m·s·Pa)；

g——單位時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 試驗結果與分析

2.1 濕緩沖值

建筑材料濕緩沖值從低到高可劃分為5 個等級[8]，其中MBV=0～0.25 為極差等級，其濕調節能力可忽略不計；MBV=0.25～0.50 為差等級，可實現有限的濕度調節；MBV=0.50～1.00為中等級，屬于可調控級別；MBV=1.00～2.00 為良等級，可實現較好的調節；MBV＞2.0 為優秀級別。

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

圖3 MIL-100(Fe)、相變微膠囊及復合溫濕調控材料的濕緩沖曲線

圖3 為穩定后試樣質量隨時間的變化情況，可以看出，當氣候箱內相對濕度提高到75%時，試樣開始吸濕，質量迅速增加，然后趨于平緩。當氣候箱內相對濕度降低為33%時，試樣開始放濕，質量迅速減小，然后趨于平緩。通過式(1)計算得到MIL-100(Fe)的濕緩沖值為3.05 g/(m2·%RH)，達到了MBV 等級的最高標準，具有非常好的濕度調節能力。相變微膠囊的濕緩沖值為0.27 g/(m2·%RH)，對應的MBV 等級為差，僅可實現有限的濕緩沖。復合溫濕調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，所制備的復合材料具有更高的濕緩沖能力。

2.2 傳濕系數

通過實驗結果計算得到MIL-100(Fe)、相變微膠囊、復合調控材料的傳濕系數分別為 8.25×10-8、0.37×10-8、4.20×10-8kg/(m·s·Pa)。可以發現，單純的相變微膠囊傳濕系數很小，添加MIL-100(Fe)的復合調控材料傳濕系數得到明顯提升，提升了約 10 倍，且為傳統石膏板傳濕系數[4.21×10-8kg/(m·s·Pa)]的1.75 倍。

3 結 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骨架材料MIL-100(Fe)，通過物理研磨相變微膠囊和金屬有機骨架材料充分混合，得到了新型復合溫濕調控材料。分別對相變微膠囊、MIL-100(Fe)及復合溫濕調控材料的濕緩沖值及傳濕系數進行了測試。結果表明，通過金屬有機骨架材料可提高相變材料的濕緩沖能力，當m(相變微膠囊)∶m[MIL-100(Fe)]=1∶1 時，復合溫濕調控材料的濕緩沖值提高到1.38 g(/m2·%RH)，傳濕系數較單純相變微膠囊提高了約10 倍。復合溫濕調控材料濕緩沖性能優于石膏等傳統建筑材料，具有良好的濕度調節能力。