园林景观用新型纳米复合材料的性能测试及效果分析

钱明琛

(西安交通大学 城市学院,陕西 西安 710018)

节约能源和减少排放是对人类社会有益的最重要的关键活动。如今,人们在园林景观区域的时间越来越多,因此对舒适园林景观设计需求比以往任何时候都要大[1]。因此,如何设计降低园林景观墙面设计的能耗变得非常重要。且由于纳米复合材料具有一定的力学性能和储能能力,在园林景观中已得到广泛的应用[2]。

对于园林景观墙设计节能来说,考虑的首要因素是节热,若温度太高,会进一步影响园林植物生长[3]。然而,对于节能材料来说,仅有节热性能是不够的,因为空气的健康质量和最佳的空气湿度对人类及植物也非常重要。其中纳米复合材料n-TiO2-HAp-PEEK在紫外光下能达到完美的净化效果,而改性纳米复合材料n-TiO2-HAp-PEEK能去除污染物,因此被广泛地应用于环境工程。发现了异质光催化中涉及的基本机制,如对氧物种和关键中间体的调查[4]。通过跟踪氧的价态变化提出了活性氧化的原理[5]。合成了还原氧化石墨烯修饰的纳米复合材料n-TiO2-HAp-PEEK异质结,验证了光催化反应过程中电荷载体的捕获、重组和转移[6]。上述研究均表明纳米复合材料n-TiO2-HAp-PEEK具有一定的节能效果。但目前针对纳米复合材料n-TiO2-HAp-PEEK在园林景观设计中较少应用[7],且随着园林景观设计着重研究建筑园林景观的节能效果,将纳米复合材料n-TiO2-HAp-PEEK应用于园林景观设计中具有一定可行性。

近年来,一些生物材料研究人员调查并报道了一些重要的合成聚合物,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰胺(PA)、可堆叠的碳纤维增强聚合物[8],及聚醚醚酮树脂(PEEK)被有效地应用于墙面材料[9]。由此可见,PEEK是1种更活跃的合成高分子材料[10]。且已经提出了许多技术,通过使用生物活性纳米颗粒的加入来提高聚醚醚酮树脂的表面粗糙度。将纳米级的羟基磷灰石和TiO2颗粒加入到PEEK结构中,可以对园林景观墙面材料的力学性能和生物活性产生积极影响。基于此在本研究中,设计了1种n-TiO2与磷灰石/PEEK(n-TiO2-HA/PEEK)的纳米复合墙面材料,为园林景观设计墙面提供参考。

1 新材料设计制备及应用性能测试

1.1 n-TiO2-HAp-PEEK纳米复合材料的设计

将20 g硝酸钙(Ca(NO3)2.4H2O)加入250 mL去离子水中制备硝酸钙悬浮液,然后在磁力搅拌下将质量分数15%的聚醚醚酮树脂(PEEK-380G)加入上述制备的硝酸钙悬浮液中[11-13],在温度90 ℃下搅拌15 min。然后,将质量分数85%磷酸水溶液加入混合溶液中,并加入质量分数25%氨水(NH4OH),以在反应过程中提供基本条件。异丙醇钛(Ti[OCH(CH3)2]4)溶液(纯度97%)(1 mol/L)由异丙醇(纯度99%)(0.7 mol/L)与乙酰丙酮(纯度98%)(4 mol/L)作为水解调节剂以1∶0.70∶4的比例制备。最后,在连续搅拌下,将制备的异丙醇钛混合物加入上述混合的HAp-PEEK溶液中,持续搅拌1 h。将制备的纳米复合材料n-TiO2-HA-PEEK的胶体预制成空心圆柱形支柱。并在支架的壁上设计几个直径为1 mm的孔,为了加强与椎体的相互作用面[14],所制备的支柱的底部边界有1个锯齿状的轮廓。

1.2 光催化性能测试

在园林景观环境室中测试了纳米复合材料n-TiO2-HA-PEEK的光催化性能。降解的反应物是气态的甲醛,初始质量浓度为1 mg/m3。环境室的温度为(25±0.5)℃,相对湿度为(45±5)%。环境室的容量为1 cm3,在石膏板上装载2 g样品。功率为100 W的太阳灯被放置在石膏板上方50 cm处。在环境室的顶部有1个风扇,其运行速度为0.4 m/s,以保持均匀的空气速度。在环境室中的气态甲醛稳定后,打开阳光灯,开始进行光催化降解试验。标准化符合室内空气中甲醛的卫生标准,采用的分析方法是分光光度法。测试每小时的甲醛浓度需要空气(1 L),实验时间为6 h。

1.3 应用测试

2个园林景观封闭区域被用于测试园林景观墙面材料,唯一的区别是内墙的表面材料。实验室墙面使用的是以纳米复合材料n-TiO2-HAp-PEEK为基础的功能材料,而对比房间则使用石膏作为内墙的表面材料。每个园林景观封闭区域的内墙表面积约为45.51 m2、36.20 m2。

2 结果与讨论

2.1 纳米复合材料性能效果分析

(a)PEEK

通过X射线衍射图如图1(b)研究了涂有二氧化钛的HAp-PEEK纳米复合材料的相结构和结晶度。X射线衍射图中的尖锐峰和细小峰表明:TiO2-HAp-PEEK纳米复合材料中存在结晶性的TiO2,而一些较小和较宽的峰则表明HAp相的无定形性质。根据该XRD图像,在25.5°(101)、47.8°(200)和54.4°(211)处检测到的衍射峰表明了纳米二氧化钛颗粒的存在,通过这些衍射峰的强度和清晰度的提高,证实了在纳米二氧化钛的帮助下形成了更多的结晶性结构。且TiO2嵌入HAp/PEEK的结果显示了更广泛的噪音峰,这可能是由于在纳米复合材料基体中出现了大量的无定形聚醚醚酮树脂聚合物化合物[16]。n-TiO2-HAp/PEEK纳米复合材料的无定形峰也可能是由于n-TiO2和羟基磷灰石(HAp)纳米颗粒被聚醚醚酮树脂聚合物决定性地捕获和结合,阻止了衍射过程。XRD结果表明:在合成过程中,结晶良好的TiO2和磷灰石颗粒被有效地包裹在无定形的聚醚醚酮树脂(PEEK)材料上。

2.2 园林景观对照室与试验室的湿度性能效果分析

相对湿度是评价园林景观设计中环境舒适度的另一个重要因素,特别是当环境温度高于或低于人类舒适范围时。通常情况下,纳米复合材料会阻止园林景观设计墙面的湿度控制性能。且n-TiO2-HAp-PEEK复合材料是一种多孔材料,表面有大量的羟基,可以有效地提高了园林景观墙的湿度控制性能[17]。

如图2(a)所示,实验室外墙外表面的相对湿度的波动非常大,主要在35.60%～70.80%内波动,波动差为35.20%。与此相比,实验室外墙内表面的相对湿度在40.30%～60.10%。波动差为19.80%,明显比园林景观外墙的波动小。且外墙内表面的最大(最小)相对湿度低于(高于)外表面,最大的相对湿度差异为7.50%(14.60%)[18]。因此,墙体可以防止过多的相对湿度波动,将内表面的相对湿度保持在一个稳定的范围内。此外,相对湿度的范围是在人类及植物舒适的范围内。因此纳米复合材料为进一步调整园林景观空气提供了一个有利的范围。图2(b)为对照室外墙外表面的相对湿度,其范围也比实验室外墙外表面的小,对照室最大相对湿度为64%,实验室最大相对湿度为56%,下降约12.5%,这主要是由于墙体的隔离性和纳米复合材料的控湿性能。此外,从图2(b)还可以观察到,对照室的最大和最小相对湿度的峰值都比实验室的要高和低,其中对照室最小相对湿度为42%,实验室最小相对湿度为40%,下降约4.7%。进一步表明对照室外墙内表面的相对湿度容易受到室外相对湿度的影响。因此,纳米复合材料风景园林墙体的防潮性能要优于普通风景园林墙体,使用纳米复合材料的目的是为了控制园林空气的相对湿度。

(a)实验风景、外墙相对湿度比较

2.3 园林景观墙面材料的光催化性能效果分析

每个试验室的体积为51.84 m3(4.8 m×3.6 m×3 m),设定每个园林景观区域都充满51.84 mL的气态甲醛。2个园林景观区域都保持关闭,以保持1 mL/m3的初始甲醛质量浓度。且设定园林景观墙面顶部的风扇以0.4 m/s的速度运行,以保持园林景观区域内的空气流动。试验结果如图3所示。

(a)第1 d光催化速率

第1 d园林景观实验室的甲醛质量浓度为0.314 4 mg/m3,而对比室为0.652 4 mg/m3(图3(a))。因此,对比室中的甲醛浓度也有下降。这可能归因于相变材料的多孔性,对甲醛有良好的吸附能力,通常是一个物理吸附过程,最终可以达到吸附-解吸平衡。随着试验时间增加,第10 d空气中的甲醛含量较低时,园林景观试验室最低甲醛浓度为0.52 mg/m3,而园林景观对照室最低甲醛质量浓度为0.12 mg/m3,较第1 d甲醛质量浓度分别下降16.72%、19.65%,主要由于纳米复合材料中的甲醛会通过孔隙逸出,直到再次达到动态平衡[19]。而含有n-TiO2-HAp-PEEK微球的纳米复合材料可以将甲醛分解为二氧化碳和水,有助于园林景观植物生长。且这个过程对于甲醛迁移到纳米复合材料的表面。因此,在相同的时间内,园林景观实验室的甲醛含量比对比室的甲醛含量低得多。试验第10 d时,园林实验室的甲醛质量浓度为0.1724 mg/m3(图3(b))。试验结束后,仅有0.087 6 mg/m3,符合GBT 16127—1995标准的要求(0.080 0 mg/m3)。同时,园林对比室中的甲醛质量浓度为0.431 6 mg/m3,几乎没有发生任何变化。在特定的环境条件下,达到了相变材料的平衡吸收状态。与普通园林景观墙体的比较表明,甲醛降解率可以稍低一些,但设置条件对降解率有很大影响。

2.4 园林景观墙面材料吸光性能效果分析

园林景观墙面材料吸光性能采用Ecotec软件[20],构建不同吸光模型,并使用Radi ance功能计算园林景观墙面材料吸光性能。不同吸光下园林景观墙面材料吸光性能的平面内分布如图4所示。对照室吸光分布与实验室在四周相似;且沿墙体向园林景观中心方向逐渐减小。且对照室下方区域的园林景观吸光相对较低,分布均匀。在距墙面1.5～3.5 m的区域内,园林景观墙面材料吸光沿墙体向园林景观中心先逐渐增大后迅速降低。

(a)对照室

利用Ecotec软件对园林景观吸光性和日光均匀性进行统计计算,进一步比较各种吸光方案的优缺点,统计结果如表1所示。

表1 不同吸光模式的平均吸光性值和日光均匀性值

由表1可知,带有高侧窗的平天窗条件下的吸光性和日光均匀性数值最高,表明对照室有利于光线均匀分布在园林景观中,可以使游客充分借助阳光观看植物,有效降低能耗。且可观察到两种情况下的平均吸光性相似,均满足规范要求。日光均匀性最大值出现在对照室,其次是实验室,而整个园林景观空间的吸光性均匀性最好的是对照室。因此,纳米复合材料n-TiO2-HAp-PEEK墙面可以为园林景观展览空间提供较为均匀的采光。

3 结语

在本文的研究中,成功地设计了n-TiO2-HAp-PEEK纳米复合材料园林景观墙面材料。所制备的n-TiO2的HAp/PEEK纳米复合新型材料可为园林景观墙面材料设计提供参考依据。通过对比园林景观封闭区域,可以发现园林实验室的室内空气相对湿度比对比室的更稳定。使用纳米复合材料的园林景观设计会消耗更少的能源,有利于风景园林设计节能环保,墙面材料具有较好的吸光性能,有利于植物更好的进行光合作用。同时纳米复合材料可以有效地降解初始质量浓度为1 mg/m3的气态甲醛。经过不同时间的测试,降解率达到68%。该材料符合设计要求,是园林景观用理想的材料之一。