复合温湿调控材料的制备及湿缓冲特性研究

侯普民，毛维，邢哲理，李超峰，李娟

(军事科学院 国防工程研究院，北京 100850)

0 引 言

随着建筑能耗的增加，建筑节能材料受到越来越多的关注。相变温湿调控材料是近年来开发的新型建筑节能材料，可用于增加建筑围护结构的热湿惰性，对室内温湿度进行被动调节。温湿调控材料可降低室外环境变化对室内的影响，起到缓和或抑制温湿度变动的作用，无需外接电源，可降低能源消耗。

近年来，研究者对温湿调控材料进行了大量的研究。尚建丽和倪勃等[1]以海泡石作为吸湿材料，分别以十水硫酸钠、石蜡和十二醇为相变材料，采用真空注入法制备了复合多孔相变材料，其中海泡石/石蜡复合相变材料的热湿性能最佳。此外，尚建丽等[2]还利用生物质多孔材料与相变材料进行复合，并掺入建筑石膏中，制备出具有较好储热储湿能力的建筑材料。朱大有和张浩[3]以SiO2为壁材，癸酸-棕榈酸为芯材，利用超声波辅助溶胶-凝胶法制备调温调湿复合材料，稳定性良好。宗志芳等[4]制备了二元脂肪酸(BFA)/SiO2相变储湿复合材料，建立了结构参数与热湿性能优选预测模型，得到了最优热湿性能复合材料的制备工艺参数。Chen[5-6]以二氧化硅为壁材，以烷烃混合物为芯材，利用溶胶凝胶法制备微胶囊相变材料，并和硅藻土进行复合制备了相变控温除湿材料。

本研究以相变微胶囊为控温材料，金属有机骨架材料为控湿材料，将两者混合得到复合相变温湿调控材料。进一步在系统层面上对复合温湿调控材料的湿缓冲能力进行了测试，并利用单杯法对复合温湿调控材料的传湿系数进行了测试，以期为温湿调控材料在被动式建筑中的应用提供参考。

1 实 验

1.1 原材料

甲基丙烯酸甲酯(化学纯)、十二烷基苯磺酸钠(分析纯)、过硫酸铵(分析纯)、九水硝酸铁(分析纯)：国药集团化学试剂有限公司；十八烷(分析纯)：上海沃凯化学试剂有限公司；均苯三甲酸(分析纯)：西格玛奥德里奇贸易有限公司。

1.2 温湿调控材料的制备

以十八烷为芯材、甲基丙烯酸甲酯为壁材通过界面聚合法制备得到相变微胶囊。九水硝酸铁提供金属离子，均苯三甲酸为有机配体，通过水热合成反应制备得到金属有机骨架材料MIL-100(Fe)[7]。随后将相变微胶囊和MIL-100(Fe)分别在50 ℃和150 ℃条件下真空干燥至恒重，最后按照m(相变微胶囊)∶m[MIL-100(Fe)]=1∶1 的配比进行物理混合制得复合温湿调控材料。

1.3 湿缓冲值测试

湿缓冲值(MBV)表示一定时间内当材料受到周围空气相对湿度变化时单位面积的材料吸湿量或放湿量，代表了材料吸湿量的大小。MBV 理论值可通过式(1)计算[8]：

式中：MBV——湿缓冲值，g/(m2·%RH)；

G——材料在周期内单位面积的吸湿量，g/m2；

△RH——测试条件下高低相对湿度湿度的差值；

bm——湿扩散系数，kg/m2·Pa·s1/2；

psat——饱和蒸汽压，Pa；

tp——测试周期，s。

除理论计算外，湿缓冲值还可通过实验测试得到，实验测试装置如图1 所示。

图1 湿缓冲值测试装置

该实验装置内部设有温湿度传感器，通过PID 调节器控制加热器的启停及干、湿空气的比例，使气候室内温湿度达到设定值，为增加气候室内部温湿度的均匀性，底部设有风扇。设定气候室内温度恒定为23 ℃，湿度呈方波周期性变化，高湿周期为8 h，低湿周期为16 h，高低湿对应的相对湿度分别为75%和33%，气候箱内的相对湿度变化如图2 所示。测试时将四周密封、上部暴露的实验试块放置在悬挂天平上，试块为圆柱体，直径46 mm、厚15 mm。实验过程中实时记录试块质量的变化，间隔为1 min。

图2 气候箱内的相对湿度变化情况

1.4 传湿系数测试

材料的传湿系数对应于材料的传热系数，其值的大小关系到水蒸气扩散的快慢。水蒸气的传湿系数可通过经典单杯法进行测试[9]，单杯法测试是指取一容器装入硫酸钾饱和盐溶液，然后将块状试样密封于容器口部，再将承载试块的容器置于恒温恒湿的气候室内。测试装置如图1 所示，测试时保持气候箱内温度为23 ℃，相对湿度为65.3%。由于容器内外水蒸气分压力差，水蒸气透过试样由容器内部渗透至外部环境中，测试过程中记录容器整体质量的变化，待变化速率稳定后，通过式(2)计算材料的湿流密度，进而求出材料的传湿系数。

式中：μ——材料的传湿系数，kg/(m·s·Pa)；

g——单位时间单位面积通过试块的水蒸气量，g/(m2·s)；

p——水蒸气分压力，Pa；

x——试块的厚度，m。

2 试验结果与分析

2.1 湿缓冲值

建筑材料湿缓冲值从低到高可划分为5 个等级[8]，其中MBV=0～0.25 为极差等级，其湿调节能力可忽略不计；MBV=0.25～0.50 为差等级，可实现有限的湿度调节；MBV=0.50～1.00为中等级，属于可调控级别；MBV=1.00～2.00 为良等级，可实现较好的调节；MBV＞2.0 为优秀级别。

MIL-100(Fe)、相变微胶囊及复合温湿调控材料湿缓冲曲线如图3 所示。

图3 MIL-100(Fe)、相变微胶囊及复合温湿调控材料的湿缓冲曲线

图3 为稳定后试样质量随时间的变化情况，可以看出，当气候箱内相对湿度提高到75%时，试样开始吸湿，质量迅速增加，然后趋于平缓。当气候箱内相对湿度降低为33%时，试样开始放湿，质量迅速减小，然后趋于平缓。通过式(1)计算得到MIL-100(Fe)的湿缓冲值为3.05 g/(m2·%RH)，达到了MBV 等级的最高标准，具有非常好的湿度调节能力。相变微胶囊的湿缓冲值为0.27 g/(m2·%RH)，对应的MBV 等级为差，仅可实现有限的湿缓冲。复合温湿调控材料的湿缓冲值介于两者之间，为1.38 g/(m2·%RH)，与常用建筑材料石膏(0.26 g/m2·%RH)相比，所制备的复合材料具有更高的湿缓冲能力。

2.2 传湿系数

通过实验结果计算得到MIL-100(Fe)、相变微胶囊、复合调控材料的传湿系数分别为 8.25×10-8、0.37×10-8、4.20×10-8kg/(m·s·Pa)。可以发现，单纯的相变微胶囊传湿系数很小，添加MIL-100(Fe)的复合调控材料传湿系数得到明显提升，提升了约 10 倍，且为传统石膏板传湿系数[4.21×10-8kg/(m·s·Pa)]的1.75 倍。

3 结 论

通过界面聚合法和水热合成法制备了相变微胶囊和金属有机骨架材料MIL-100(Fe)，通过物理研磨相变微胶囊和金属有机骨架材料充分混合，得到了新型复合温湿调控材料。分别对相变微胶囊、MIL-100(Fe)及复合温湿调控材料的湿缓冲值及传湿系数进行了测试。结果表明，通过金属有机骨架材料可提高相变材料的湿缓冲能力，当m(相变微胶囊)∶m[MIL-100(Fe)]=1∶1 时，复合温湿调控材料的湿缓冲值提高到1.38 g(/m2·%RH)，传湿系数较单纯相变微胶囊提高了约10 倍。复合温湿调控材料湿缓冲性能优于石膏等传统建筑材料，具有良好的湿度调节能力。