改性漂珠的调湿性能研究

辛银花

(青岛职业技术学院，山东青岛 266555)

空气湿度作为一个重要的环境参数正越来越受到人们的重视。人们生产、生活的环境需要适宜的空气湿度，湿度过高的或过低均会对人的生活及生产产生不利的影响。控制适宜的湿度对人的健康及生产有积极的作用。目前调节湿度的方法有传统的除湿、加湿及空调设备等，随着科学技术的发展，各种被动式调湿材料相继开发问世。所谓被动式调湿材料是指无需消耗人工能源，能依靠自身的吸湿、放湿性能自动调节空气相对湿度的材料［1］。其研究开发对于改善人居环境、保障人体健康，改善生产及产品环境，节能降耗，保持生态环境的可持续发展有着重要的意义。目前开发的调湿材料主要包括:特种硅胶、无机盐类、无机矿物类、有机高分子类、复合调湿材料等，各种材料的调湿性能各有特点，其中无机矿物类调湿材料是运用得最多的一类调湿材料，如硅藻土、沸石、海泡石等［2］。本文研究的漂珠是从燃煤废渣－粉煤灰中提取的一种空心微珠材料，用HF改性将其制成改性漂珠［3］，研究了改性前后其微观形貌变化以及吸、放湿性能随时间的变化，吸放湿效果随时间的变化等，并与硅藻土进行对比，探讨改性漂珠作为一种新型的调湿材料的可行性。

1 实验部分

1．1 原料与试剂

漂珠100目，河北邢台某漂珠有限公司。

1．2 实验仪器

精密天平、BSC－150恒温恒湿箱、减压抽滤装置、JSM－7500场发射扫描电镜(日本电子)、温湿度计、培养皿。

1．3 改性样品制备

称取一定质量筛选后的漂珠，按下列步骤对漂珠进行改性处理。

粉煤灰漂珠→酸处理→碱中和→清洗→减压抽滤→干燥→改性漂珠

2 测试方法

2．1 样品的外观形貌

样品的表观形貌在JSM－7500扫描电镜测定。

2．2 样品吸湿性能的测试

称取一定量的改性漂珠样品，置于培养皿(质量m0)中，称重记为m1;在干燥箱中干燥(105℃ ±2℃)至恒重记为m2。将样品置于恒温恒湿箱中，保持高湿(20℃，90%RH)环境，每间隔1 h分别称重，记为m，计算吸湿率={(m－m2)/(m2－m0)}×100%。分别作出吸湿率对时间的变化曲线，进行对比。

2．3 样品放湿性能的测试

将吸湿至恒重m的样品置于恒温恒湿箱中，调至高温低湿(50℃，10%RH)条件进行放湿，每间隔1 h分别称重mi，计算放湿率。放湿率={(m－mi)/(m2－m0)}×100%。分别作出放湿率对时间的变化曲线，即为各种材料的放湿曲线，并加以比较。

3 结果与讨论

3．1 改性漂珠的微观形貌

图1 改性前后漂珠的微观形貌

图1 是改性前后漂珠的微观形貌SEM图。图1a是改性前的图片，图1b是改性后的图片，很明显改性后的漂珠表面形成的微孔数量增加。这是因为漂珠在改性过程中，HF酸将表面侵蚀，将原有的微孔扩大，同时又在漂珠表面侵蚀形成新的微孔。因此，改性后的漂珠微孔数量、大小及比表面积均增加。

3．2 改性漂珠的吸湿性能

在相同实验条件下，分别对漂珠原样和改性漂珠、硅藻土等样品进行吸湿性测试，结果发现:随着吸湿时间的增加，漂珠原样及改性漂珠的吸湿率均增加，但未改性漂珠的吸湿率增加量少，饱和吸湿量仅为2．443%;而改性漂珠样品吸湿率增加明显，饱和吸湿量为9．589%。说明改性漂珠的吸湿性改善明显。主要原因是改性漂珠中的表面形成微孔结构，增大了比表面积，使样品吸湿性增加，但随着吸湿时间增加到一定值，吸湿达到平衡状态，吸湿量达到饱和。实验表明:改性漂珠在吸湿4 h左右基本达到饱和吸湿量9．589%。而硅藻土在3 h左右基本达到饱和吸湿量，最大吸湿量为5．183%。改性漂珠的吸湿率明显高于硅藻土。图2是各种样品的吸湿率随时间变化的曲线。

3．3 改性漂珠的放湿性能

按照实验条件在样品达到饱和吸湿后，再在相同实验条件下，分别对样品进行放湿率测试，分别作出样品放湿率随时间变化的曲线如图3。由图3可见:随着放湿时间的增加，漂珠原样及改性样品的放湿率均增加，未改性漂珠的最大放湿量为2．436%，达到饱和吸湿率的99%;改性漂珠样品的最大放湿量分别为9．426%，达到饱和吸湿率的98%。说明改性前后漂珠的放湿性明显。实验表明:改性漂珠在放湿1 h左右，放湿速度最快，3 h左右基本达到最大放湿量。而硅藻土放湿在2 h左右基本达到最大放湿量5．268%。

图3 改性漂珠的放湿性能曲线

3．4 改性漂珠调湿性能与时间的关系

表1 改性漂珠调湿性能与时间的关系

将样品在20℃，90%RH条件下吸湿4 h，测其吸湿率，然后在50℃，10%RH条件下放湿4 h，测其放湿率;然后将样品在室温下分别放置24、48 h后再在相同条件下测其吸放湿率，结果见表1。由表1可见:随着时间的变化，改性漂珠的吸放湿性能变化不明显，说明其吸放湿性能持续性好，主要原因是:改性漂珠对水分子的吸附以物理吸附为主，在特定条件下水分子能尽快吸附和脱附［4］。

3．5 改性漂珠的调湿机理

决定材料吸放湿能力的主要因素是材料的结构和表面性质。材料对水分子的吸附包括化学吸附和物理吸附，化学吸附与材料的组成构有关。在化学吸附上面再吸附水分形成多层物理吸附，对调湿有着重要作用。物理吸附的特点是速度较快，易达到平衡态，且当外界湿度降低时，有较好的放湿能力。物理吸附的强弱主要与材料的比表面积的大小和孔径大小的分布有关［4］。漂珠的主要成分为 Si、Al、O和其他金属与碱土金属离子，材料与空气中水分子接触时表面会产生羟基化反应吸附水分子，此为化学吸附［5］。漂珠在改性过程将原有的微孔扩大，同时又在漂珠表面侵蚀形成新的微孔，因此改性漂珠的微孔数量、大小均增加，从而增大了漂珠表面的比表面积，增大了改性漂珠的物理吸附能力。因此，改性后漂珠其吸放湿能力有很大提高。因改性漂珠的结构不同于硅藻土等其他无机调湿材料，对其调湿机理的研究有待于进一步开展。

4 结论

(1)HF处理后的改性漂珠，表面形成明显微孔结构，微孔数量及比表面积明显增加。增加了漂珠的物理吸附性能。

(2)改性漂珠吸、放湿性能较改性前有明显改善。吸湿率由原来的2．443%增加到9．589%，增加了193%;放湿率由2．436%增加到9．426%，增加了187%。在相同条件下测试硅藻土的吸放湿率分别是5．183%，5．069%。改性漂珠的吸、放湿性能优于硅藻土。且吸、放湿速度快，效率较高。

(3)改性漂珠的连续吸、放湿性能测试发现，其吸、放湿率改变不明显，说明调湿性能持续性好。

(4)材料对水分子的吸附有化学吸附和物理吸附，改性后的漂珠的微观结构发生改变，增加了物理吸附效果，改善了调湿性能，但因其结构不同于其他无机调湿材料，对其调湿机理的研究有待于进一步开展。

(5)改性漂珠的吸、放湿性能改善显著，作为调湿材料应用具有可行性。