王漢青 楊榮郭 王正祥 康良麒 周慧文

1湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2湖南工業(yè)大學(xué)包裝與材料工程學(xué)院

0 引言

人的一生有90%的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)[1]，室內(nèi)空氣質(zhì)量與人們的身體健康密切相關(guān)?？諝鉂穸仁且粋€(gè)與人們生活和生產(chǎn)有密切關(guān)系的重要環(huán)境參數(shù)，濕度對(duì)人體舒適度、室內(nèi)空氣質(zhì)量、家具、圖書及文物的養(yǎng)護(hù)都有重要意義[2]。按是否消耗人工能源，可將濕度控制調(diào)節(jié)方法分為主動(dòng)式方法和被動(dòng)式方法[3]。主動(dòng)式方法主要是現(xiàn)有的空調(diào)技術(shù)，是目前濕度控制普遍采用的方法。被動(dòng)式濕度控制調(diào)節(jié)即利用可再生能源或材料的吸放濕特性控制調(diào)節(jié)濕度。相對(duì)于主動(dòng)式調(diào)濕方法，調(diào)濕材料作為調(diào)節(jié)室內(nèi)相對(duì)濕度的手段，具有不消耗人工能源，利用自身的吸放濕性能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度的優(yōu)勢(shì)。研究調(diào)濕材料，在不消耗任何外界能量的情況下，自動(dòng)調(diào)節(jié)居住環(huán)境或物品保持環(huán)境濕度，必然將成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。

海泡石屬斜房晶系粘土礦物，理論分子式為Si12O30Mg8(OH)4·8H2O[4]，理論化學(xué)成分：SiO2，55.56%；MgO，24.89%；H2O+，8.34%；H2O-，11.12%。一般海泡石含雜質(zhì)較多，產(chǎn)地不同，海泡石所含氧化物成分也不相同。海泡石是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的鎂硅酸鹽，其結(jié)構(gòu)是由滑石狀板條與兩個(gè)硅氧四面體單元片組成。海泡石的特殊結(jié)構(gòu)決定了它擁有包括貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)的沸石水通道和孔洞以及極大的表面積[5]，說(shuō)明海泡石具有一定的吸濕性能。本文簡(jiǎn)單分析了海泡石的表面特征，重點(diǎn)研究了海泡石作為調(diào)濕材料的吸放濕性能及調(diào)濕性能的改性研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與試劑

海泡石（編號(hào)B）：工業(yè)品，粒度200目，純度70%，購(gòu)自湖南瀏陽(yáng)某海泡石加工廠；海泡石（編號(hào)C）：工業(yè)品，粒度200目，純度60%，購(gòu)自湖南湘潭某海泡石科技有限公司；NaOH：分析純；CaCl2：分析純；H2SO4：分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JA2003型電子天平；HH-WO型水浴鍋；D971型電動(dòng)攪拌器；SHB-Ⅲ型抽濾機(jī)；101-1AB型鼓風(fēng)干燥箱；DZF-6090型真空干燥箱；HT402型恒溫恒濕箱；自動(dòng)比表面積分析儀：QUADRASORBSI型，美國(guó)某公司產(chǎn)；掃描電子顯微鏡：6360LV型，日本某公司產(chǎn)。

1.3 改性樣品的制備

1.3.1 海泡石堿化處理

稱取一定量的B、C樣品，分別加入到濃度為3%的NaOH水溶液的燒瓶中（海泡石的含量大約在20%），在常溫并在電磁攪拌下浸泡10h，所得樣品抽濾干燥，得到堿化處理樣品，樣品分別命名為B1、C1，貯于干燥塔中備用。

1.3.2 海泡石酸化改性

稱取一定量的樣品B1分別加入到含不同濃度的硫酸溶液（10%，15%，20%，固液比按1:2計(jì)）的三口瓶中，在80℃下進(jìn)行攪拌3h，然后將懸浮物抽濾，洗滌并于100℃下烘干至恒重，取出，粉碎，得到酸化改性樣品，分別命名為B11、B12、B13；按同樣的操作，對(duì)樣品C1 酸化改性，得到樣品 C11、C12、C13。

為便于比較，對(duì)樣品C（即沒(méi)經(jīng)堿化處理的海泡石樣品）直接進(jìn)行酸化改性，處理方法同樣品C1，所得樣品分別命名為 C01、C02、C03。

1.3.3 海泡石氯化鈣改性

稱取一定量的無(wú)水氯化鈣加入到帶攪拌裝置的三口燒瓶中并加入蒸餾水配制成50%溶液，按海泡石與無(wú)水氯化鈣質(zhì)量比分別為1:0.5、1:1、1:2、1:4進(jìn)行原料配比，得到四份相同溶度不同量的CaCl2溶液，稱取四份一定量的樣品B1（約20g），分別加入到相同溶度不同量的CaCl2溶液中，在常溫下攪拌0.5h，然后靜置2h后，抽濾，得到濾餅，再干燥，得到氯化鈣改性樣品，分別命名為 B14、B15、B16、B17。

將樣品C1在100℃下烘干至恒重備用，稱取四份20g 樣品 B1，分別稱取 10g、20g、40g、80g 無(wú)水氯化鈣（使海泡石與無(wú)水氯化鈣質(zhì)量比分別為1:0.5、1:1、1:2、1:4），加水配置不同溶度的 CaCl2溶液，將4份B1樣品分別加入相同量不同溶度的CaCl2溶液中，在常溫下攪拌0.5h，靜置2h后，再進(jìn)行抽濾，得到濾餅，干燥，得到樣品分別命名為 C14、C15、C16、C17。

為了驗(yàn)證堿化處理對(duì)氯化鈣改性的影響，現(xiàn)做一對(duì)比組，對(duì)樣品B直接進(jìn)行氯化鈣改性，改性方法同B1，設(shè)置的對(duì)照組為三份，三份海泡石與無(wú)水氯化鈣質(zhì)量比分別為1:0.5、1:1、1:2，得到樣品分別命名為B04、B05、B06。

1.4 測(cè)試與表征

樣品的比表面積采用QUADRASORBSI型自動(dòng)比表面積分析儀進(jìn)行常規(guī)測(cè)定；樣品的表面形貌在6360LV型掃描電子顯微鏡上測(cè)定。

樣品的吸濕性能測(cè)試采用常規(guī)方法，具體測(cè)定如下：將原樣及改性所得所有樣品用100目的分子篩進(jìn)行篩選，稱取5～10g分別用培養(yǎng)皿盛放，測(cè)試各個(gè)樣品的原重，再放在真空干燥箱中真空干燥6～8h，每隔2h稱重一次，直到樣品干燥達(dá)到恒重。將干燥后的所有樣品放入恒溫恒濕箱中進(jìn)行吸濕，恒溫恒濕箱的參數(shù)設(shè)置為：溫度為25℃，濕度設(shè)置為95%，每隔一段時(shí)間稱取各個(gè)樣品的重量，算出各個(gè)樣品的吸濕量及吸濕率。假設(shè)樣品原重為W1，吸濕若干小時(shí)后重量為W2，則樣品吸濕量為W2-W1，樣品吸濕率為[(W2-W1)/W1]×100%。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣品的時(shí)間點(diǎn)為 2.5h、15h、27h、50h。

2 結(jié)果與討論

2.1 比表面積及電鏡掃描

2.1.1 海泡石原樣的比表面積測(cè)試

海泡石樣品B和C的比表面積測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，從表格可以看出，海泡石樣品B的比表面積比樣品C的大30%，本實(shí)驗(yàn)采用的海泡石樣品比表面積都在100m2/g以下，說(shuō)明不同產(chǎn)地的海泡石的比表面積存在差異，但相差不是很大。

表1 海泡石原樣的比表面積

2.1.2 海泡石原樣的電鏡SEM分析

對(duì)海泡石樣品B和樣品C進(jìn)行掃面電鏡分析，放大倍數(shù)為2000倍及20000倍，樣品的微觀形貌見(jiàn)圖1至圖4。

圖1 樣品B放大2000倍的掃描電鏡圖

圖2 樣品B放大20000倍的掃描電鏡圖

圖3 樣品C放大2000倍的掃描電鏡圖

圖4 樣品C放大20000倍的掃描電鏡圖

圖1 和圖2是海泡石樣品B的2000倍和20000倍的掃描電鏡圖，圖3和圖4是樣品C的2000倍和20000倍的掃描電鏡圖。從圖1和圖3可以看出，海泡石粉末主要以不規(guī)則顆粒狀形式存在，并且海泡石粒徑存在較大的變化范圍，大粒徑顆粒海泡石附近存在很多粒度不同的小顆粒；從圖2可知，海泡石樣品B的表面呈片麟狀，而從圖4中可知，海泡石樣品C的表面呈纖維狀，并以松散的束狀形式存在。從圖中可知，海泡石存在大量空隙，表明海泡石有一定的吸濕能力。

2.2 樣品吸濕性能測(cè)試

測(cè)出所有樣品在不同時(shí)間點(diǎn)的吸濕量，算出所有樣品在不同時(shí)刻的吸濕率，最后結(jié)果見(jiàn)表2。將不同樣品的吸濕率進(jìn)行對(duì)比，繪制成吸濕率隨時(shí)間變化關(guān)系圖，所得結(jié)果如圖5至圖10所示。

表2 不同海泡石樣品在不同時(shí)間點(diǎn)的吸濕率

圖5 樣品 B、B1、B11、B12、B13 吸濕率

圖6 樣品 C、C1、C11、C12、C13 吸濕率

圖7 樣品 C、C1、C14、C15、C16、C17 吸濕率

圖8 樣品 B、B1、B14、B15、B16、B17 吸濕率

圖9 樣品 C01、C02、C03 及 C11、C12、C13 吸濕率

圖10 樣品 B04、B05、B06 及 B14、B15、B16 吸濕率

2.2.1 堿化處理對(duì)海泡石吸濕性能的影響

從圖5可知，樣品B1的吸濕率相對(duì)于樣品B并沒(méi)有太大的變化，從圖6可知，樣品C1的吸濕率相對(duì)于樣品C并沒(méi)有太大的變化，說(shuō)明NaOH浸泡海泡石對(duì)其吸濕性能并沒(méi)有太大的影響，對(duì)海泡石只起到去除雜質(zhì)的作用。

2.2.2 酸化改性對(duì)海泡石吸濕性能的影響

從圖5可知，樣品B11、B12、B13的吸濕率相對(duì)于樣品B1的吸濕率有明顯提高；從圖6可知，樣品C11、C12、C13的吸濕率相對(duì)于樣品C1的吸濕率也有明顯提高。說(shuō)明樣品B1、C1經(jīng)酸化改性后，吸濕率有明顯的提高，并且樣品吸濕率隨著酸化改性硫酸濃度的升高（10%，15%，20%）而升高。從表2中可知，樣品B13的吸濕率最高達(dá)到38.497%，是樣品B1吸濕率（7.073%）的5.44倍，樣品C13的吸濕率最高達(dá)到27.723%，是樣品C1吸濕率（6.143%）的4.51倍。

從圖9和表2中可知，吸濕50h后，酸化處理所得樣品 C01、C02、C03的吸濕率是 21.890%、28.832%、43.288%，分別是樣品 C（6.246%）吸濕率的 3.5、4.62、6.93倍，同樣驗(yàn)證了樣品的吸濕率隨著酸化改性硫酸濃度的升高（10%，15%，20%）而升高。

2.2.3 氯化鈣改性對(duì)海泡石吸濕性能的影響

從圖7中可以看出，采用不同溶度相同量的CaCl2溶液對(duì)海泡石改性的方法能夠提高海泡石的吸濕率，改性所得樣品 C14、C15、C16、C17吸濕率隨著 CaCl2溶液濃度的升高先升高后降低，但所得樣品吸濕率都比改性前樣品C1的吸濕率高。從表2可知，吸濕50h后，樣品 C14、C15、C16、C17 的吸濕率分別為 7.752%、8.268%、14.4%、7.378%，分別是樣品 C1吸濕率的1.26、1.35、2.34、1.2 倍，說(shuō)明 CaCl2溶液浸泡海泡石，能夠提高海泡石的吸濕率，CaCl2溶液濃度不同，對(duì)吸濕率的提高倍數(shù)不同，提高倍數(shù)隨著CaCl2溶液濃度的升高，先升高后降低，當(dāng)海泡石與無(wú)水氯化鈣質(zhì)量比為1:2時(shí)，CaCl2溶液改性海泡石的吸濕率達(dá)到最大的14.4%。

從圖8中可以看出，采用相同溶度不同量的CaCl2溶液對(duì)海泡石改性的方法對(duì)其吸濕率有明顯的提高，并且樣品吸濕率隨著 CaCl2質(zhì)量份（1:0.5、1:1、1:2、1:4）的增加而升高；從表2可知，吸濕50h后，樣品B14、B15、B16、B17 的吸濕率分別為 17.735%、20.253%、36.858%、66.215%，分別是樣品 B1吸濕率的 2.51、2.86、5.21、9.36 倍。

對(duì)比圖7和圖8可知，采用相同溶度不同量的CaCl2溶液對(duì)海泡石改性的方法對(duì)提高海泡石的吸濕率更有利。

2.2.4 堿化處理對(duì)酸化改性海泡石吸濕性能的影響

從圖9中可知，吸濕相同時(shí)間，樣品C01、C02、C03的吸濕率分別高于堿化處理所得樣品C11、C12、C13的吸濕率，樣品C01、C02、C03的吸濕率分別為21.890%、28.832%、43.288%，而樣品 C11、C12、C13 的吸濕率只有18.868%、21.562%、27.723%?？芍?，堿化處理后再進(jìn)行酸化改性所得樣品的吸濕率分別下降13.8%、25.2%、35.96%，說(shuō)明堿化處理對(duì)酸化改性效果有阻礙作用，并且酸化濃度越高，阻礙作用越大?？赡茉蚴牵簤A化處理后，樣品中殘留有NaOH，酸化改性時(shí)發(fā)生了中和反應(yīng)，降低了酸化處理過(guò)程中酸的濃度，故酸化改性效果有所下降。

2.2.5 堿化處理對(duì)氯化鈣改性海泡石吸濕性能的影響

從圖10中可以看出，吸濕10h后，樣品B14、B16的吸濕率高于樣品B04、B06的吸濕率，而樣品B15的吸濕率略低于樣品B05的吸濕率；吸濕50h后，樣品B04、B05、B06 的吸濕率分別為 13.819%、21.725%、27.919%，樣品 B14、B15、B16吸濕率分別為 17.735%、20.253%、36.858%，堿化處理后再進(jìn)行CaCl2改性所得樣品吸濕率分別提高28.3%、-6.7%、32%。總體上來(lái)說(shuō)，NaOH浸泡處理對(duì)CaCl2改性效果是有利的。

3 結(jié)論

1）產(chǎn)地不同，海泡石的比表面積存在差異，但比表面積相差不是很大。本文中，海泡石樣品B的比表面積比樣品C的比表面積大30%，但均低于100 m2/g。200目的海泡石粒度存在較大的變化范圍，但海泡石表面都存在大量空隙，具有一定的吸濕能力。

2）未進(jìn)行改性處理的海泡石吸濕率較低。吸濕50h后，樣品B的吸濕率僅為6.847%，樣品C的吸濕率僅為6.246%；

3）酸化改性可以大大提高海泡石的吸濕率，并且海泡石的吸濕率隨著硫酸濃度的升高而升高。本文中，吸濕 50h后，樣品 C01、C02、C03吸濕率為21.890%、28.832%、43.288%，吸濕率是樣品C吸濕率的 3.5、4.62、6.93 倍；

4）相同溶度不同量的CaCl2溶液改性海泡石可以提高海泡石的吸濕率，吸濕率的提高幅度隨著CaCl2的量的增多先升高后降低。不同溶度相同量的CaCl2溶液改性海泡石可以大大提高海泡石的吸濕率，故采用不同溶度相同量的CaCl2溶液改性海泡石的方案為最佳改性方案。

5）NaOH浸泡處理可去除海泡石中所含雜質(zhì)，但對(duì)海泡石的吸濕性能沒(méi)有太大影響；NaOH浸泡處理對(duì)酸化改性效果有阻礙作用，并且酸化濃度越高，阻礙作用越大?？傮w上，NaOH浸泡處理對(duì)CaCl2改性效果是有利的。

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