摘 要：本研究以海泡石粉和竹屑為原料，添加適當(dāng)添加劑，利用水熱固化技術(shù)，在低溫（<200℃）下合成了具有一定強(qiáng)度的多孔復(fù)合調(diào)濕材料。并研究了竹屑添加量，水熱反應(yīng)溫度和水熱處理時(shí)間對(duì)材料固化及其調(diào)濕性能的影響。

關(guān)鍵詞：海泡石；水熱固化；托勃莫來(lái)石；調(diào)濕

1 概述

空氣相對(duì)濕度是衡量室內(nèi)環(huán)境的一項(xiàng)重要參數(shù)，為了追求相對(duì)舒適的生活環(huán)境，人們采取了各種方法來(lái)控制濕度，不需要借助任何人工能源和機(jī)械設(shè)備，能夠依靠自身的吸放濕特性感應(yīng)空氣的濕度變化并自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣相對(duì)濕度的“調(diào)濕材料”[1]應(yīng)運(yùn)而生。

調(diào)濕材料種類(lèi)繁多，其中海泡石作為一種多孔無(wú)機(jī)礦物調(diào)濕材料已經(jīng)被廣泛研究。郭振華等[2]采用物理和化學(xué)方法對(duì)天然海泡石材料進(jìn)行纖維剝離和活化處理，使其具有理想的自調(diào)濕性能。呂榮超等[3，4]研究認(rèn)為，海泡石和白水泥復(fù)合調(diào)濕材料可以使一定環(huán)境內(nèi)濕度穩(wěn)定在40%～50%，并對(duì)環(huán)境礦物材料海泡石、硅藻土、沸石等的吸放濕能力進(jìn)行了比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)海泡石在強(qiáng)于同比條件下的沸石和硅藻土。而竹子等木材也因?yàn)槠鋬?yōu)良的調(diào)濕性能被廣泛應(yīng)用于建筑及裝飾裝修材料中，而其碳化產(chǎn)物竹炭也由于其獨(dú)特的吸附性能被廣泛應(yīng)用于日常生活中，其作為調(diào)濕材料的可能性也具有廣泛的研究前景。李文彥[5]等人以竹炭、硅藻土和粘土為原料，制備出孔洞規(guī)則均勻，具有高強(qiáng)度高吸水率的含炭建筑材料，有望成為一種新型的內(nèi)墻功能裝飾材料。

本研究以海泡石和竹屑為原料，利用水熱固化技術(shù)在較低溫度（<200℃）下，合成具有一定調(diào)濕性能的復(fù)合材料，并研究了竹屑添加量，水熱反應(yīng)溫度和水熱處理時(shí)間對(duì)材料固化及其調(diào)濕性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

200目未活化海泡石粉；氫氧化鈣（AR）；竹糠；MgCl2？6H2O（AR）、NaCl（AR）。

2.2 樣品制備與表征

將一定量干燥的海泡石粉、氫氧化鈣、竹屑，混合均勻，然后加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的去離子水，再次混合均勻，在30MPa的壓力下壓制成型。脫模后放入水熱反應(yīng)釜，在不同溫度下水熱處理0～24h，得到所需樣品。

采用三點(diǎn)彎曲測(cè)試法測(cè)量樣品的抗折強(qiáng)度（XQ-106A型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)）。對(duì)樣品進(jìn)行X射線(xiàn)衍射測(cè)試（XRD）（Rigaku Ultima IV X射線(xiàn)衍射儀，Cu Kα，40mA，40KV，6°/min，2θ為5～65°）。場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡 （FE-SEM），（FEI Quanta 200FEG）進(jìn)行樣品微觀形貌分析。

2.3 調(diào)濕性能測(cè)試

用鋁箔紙將水熱處理后的樣品下表面及側(cè)面完全包裹，僅留出上表面作為水蒸氣吸放測(cè)試面，采用濕度應(yīng)答法[6]進(jìn)行樣品的吸放濕性能測(cè)試。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，通過(guò)天平測(cè)得樣品質(zhì)量變化表示樣品的吸放濕性能。

圖1 吸放濕性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 竹屑添加量對(duì)材料固化的影響

為研究竹屑添加量對(duì)材料固化的影響，使用的實(shí)驗(yàn)條件為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%的氫氧化鈣，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水，成型壓力30MPa，水熱溫度200℃，反應(yīng)12h。樣品抗折強(qiáng)度隨竹屑添加量變化如圖2所示。

圖2 不同竹屑添加量樣品的抗折強(qiáng)度

從圖2中可以看出，隨著竹屑添加量的增加，樣品強(qiáng)度逐漸降低。不添加竹屑固化的樣品強(qiáng)度最高，達(dá)15.6MPa，當(dāng)添加5%竹屑時(shí)，樣品強(qiáng)度下降到10.7MPa，而當(dāng)添加15%時(shí)，樣品強(qiáng)度僅為4.4MPa。

圖3 不同竹屑添加量樣品的XRD

不同竹屑添加量樣品的XRD圖譜分析見(jiàn)圖3。當(dāng)樣品中竹屑添加量為0%時(shí)，XRD圖譜中可以看到明顯的托勃莫來(lái)石峰，當(dāng)竹屑添加量逐漸增多時(shí)托勃莫來(lái)石峰強(qiáng)逐漸變?nèi)?。隨著竹屑添加量增大，生成的托勃莫來(lái)石相減少，可能為強(qiáng)度下降的主要原因。希望材料具有較高強(qiáng)度，因此選用5%竹屑添加量進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 水熱反應(yīng)溫度對(duì)材料固化及調(diào)濕性能的影響

圖4 不同反應(yīng)溫度樣品的抗折強(qiáng)度

圖4給出了反應(yīng)溫度對(duì)固化體強(qiáng)度的影響?？梢钥闯?，150℃時(shí)樣品強(qiáng)度最低，僅有8.8MPa； 200℃時(shí)，樣品強(qiáng)度最高，達(dá)10.7MPa；220℃時(shí)強(qiáng)度又有下降，降為9.4MPa。

不同反應(yīng)溫度樣品的XRD圖譜可見(jiàn)圖5?？梢钥闯觯?50℃時(shí)，反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠（CSH），此時(shí)樣品強(qiáng)度主要由CSH凝膠提供。200℃時(shí)，生成一定量托勃莫來(lái)石，托勃莫來(lái)石提供了最大強(qiáng)度。當(dāng)反應(yīng)溫度升為220℃時(shí)，托勃莫來(lái)石的峰變強(qiáng)，海泡石的衍射峰明顯減弱，說(shuō)明此時(shí)生成了大量托勃莫來(lái)石，海泡石基本消失。大的托勃莫來(lái)石的生成以及其結(jié)晶度的提高，可能導(dǎo)致了強(qiáng)度下降。

圖6不同反應(yīng)溫度樣品的調(diào)濕性能

圖6為150℃，200℃，220℃的反應(yīng)溫度下樣品調(diào)濕性能的比較，150℃下反應(yīng)的樣品吸濕量最大，220℃樣品其次，200℃樣品吸濕量相對(duì)較低。結(jié)合XRD圖進(jìn)行分析，在150℃的溫度下，樣品中保留了大量多孔的海泡石礦物相，并且生成了CSH凝膠，此時(shí)材料的孔性能很好，具有較強(qiáng)的調(diào)濕性能；在200℃的溫度下，保留了一少部分海泡石，生成的托勃莫來(lái)石也不及220℃下生成的多，因此調(diào)濕性能相對(duì)較差；在220℃的溫度下，生成大量大塊的托勃莫來(lái)石，此時(shí)材料的孔性能較少依賴(lài)于未完全反應(yīng)的海泡石，較多的依賴(lài)于生成的托勃莫來(lái)石的大量的晶間孔。

3.3 水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)材料固化及調(diào)濕性能的影響

在220℃下，水熱反應(yīng)時(shí)間對(duì)樣品抗折強(qiáng)度的影響如圖7所示，樣品抗折強(qiáng)度隨反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)而增加，12h時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，24h又有所降低。

圖7 不同反應(yīng)時(shí)間樣品的抗折強(qiáng)度

不同反應(yīng)時(shí)間樣品的XRD圖譜見(jiàn)圖8，6h時(shí)海泡石的峰明顯減弱，石英和氫氧化鈣的峰就已基本消失，托勃莫來(lái)石的開(kāi)始生成，提供樣品的強(qiáng)度，12h時(shí)，托勃莫來(lái)石峰繼續(xù)增強(qiáng)，此時(shí)樣品強(qiáng)度達(dá)到最大，直到24h時(shí)，托勃莫來(lái)石的峰達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)，仍然保持有部分海泡石，此時(shí)強(qiáng)度下降則可能是由于大塊的托勃莫來(lái)石形成，體積膨脹使得致密度下降。

圖9是220℃下水熱反應(yīng)24h的電鏡照片，在此溫度下，24h時(shí)樣品強(qiáng)度下降更明顯，結(jié)合電鏡照片分析原因，一方面由于托勃莫來(lái)石體積因素導(dǎo)致樣品強(qiáng)度降低，另一方面，添加的竹屑在此溫度下發(fā)生一定程度的氧化，導(dǎo)致二者界面處產(chǎn)生一定程度的坍塌，二者結(jié)合變差，而強(qiáng)度下降明顯。

圖9 220℃反應(yīng)24h樣品的FESEM

圖10 不同反應(yīng)時(shí)間樣品的調(diào)濕性能

圖10為220℃的水熱溫度下，反應(yīng)不同時(shí)間的樣品的調(diào)濕性能。從圖中可以看出反應(yīng)不同時(shí)間的樣品起始時(shí)的應(yīng)答速度基本一致，而最大吸濕量，未水熱樣品略微低于其他三者。對(duì)于放濕性能，24h樣品明顯優(yōu)于其它樣品。結(jié)合XRD及SEM圖推測(cè)可能由于24h樣品托勃莫來(lái)石晶體孔結(jié)構(gòu)發(fā)育完全，利于吸放濕。

4 結(jié)合語(yǔ)

（1）通過(guò)水熱固化技術(shù)將海泡石與竹屑合成一種孔結(jié)構(gòu)優(yōu)良具有調(diào)濕性能的復(fù)合材料；（2）隨著竹屑添加量增多，樣品強(qiáng)度逐漸降低，海泡石反應(yīng)程度降低；（3）不同水熱溫度下，200℃樣品強(qiáng)度最高，達(dá)10.7MPa，220℃樣品調(diào)濕性能最好；（4）220℃的反應(yīng)溫度下，不同時(shí)間樣品最大吸濕量基本相同，略大于未水熱樣品，24h樣品的放濕性能最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

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