楊華，溫倩影，周穎

（河北工業(yè)大學 能源與環(huán)境工程學院，天津 300401）

0 引言

隨著技術和社會的發(fā)展，人們對建筑室內物理環(huán)境的要求日益重視，而室內居住環(huán)境的熱舒適感不僅取決于室內空氣溫度，同時也受空氣相對濕度的影響[1-2]。目前，濕度調節(jié)的主要方式是依靠空調技術，但空調系統(tǒng)耗能大、污染環(huán)境，且易引發(fā)“建筑綜合癥”，不符合建筑節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[3]。利用調濕材料的吸放濕特性來合理調控室內濕度，對節(jié)約能源、改善環(huán)境舒適性、促進生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展等具有重要的實際意義[4]。硅藻泥是近幾年新興的一種功能型墻面裝飾環(huán)保涂料，以硅藻土為主要功能性原料，添加多種助劑而成的粉末狀涂料，硅藻土是一種生物質成因硅沉積巖，具有孔隙率大，體積大，耐化學腐蝕，比表面積大，吸附能力強等特點[5]。陳作義[6]將硅藻土和白水泥作為基體材料，并添加改性淀粉進行復合以此獲得5種調濕材料，測試其在恒溫恒濕環(huán)境和帶有間歇式空調環(huán)境下的調濕性能，結果表明，改性淀粉復合的硅藻土/白水泥調濕材料 能夠顯著地提高調濕性能，且能夠在間歇式空調輔助下節(jié)能22%以上。楊永和吳志強[7]以天然硅藻土和工業(yè)廢渣粉煤灰為原料，添加少量助熔劑過硼酸鈉燒結制備無機調濕材料，并對其進行微觀結構表征以及調濕性能測試，結果表明，隨著燒結溫度的升高，材料的調濕性能呈現先增強后減弱的趨勢，且當燒結溫度為1000℃時，調濕材料最大吸濕率和放濕率分別達到了7.8%和5.86%。張言武等[8]以3種典型常用的建筑材料硅藻泥抹面板、紙面石膏板、玻鎂板作為調濕材料，并搭建了實驗箱模擬室內環(huán)境，分析不同調濕材料對室內的調濕作用，其結果表明，調濕材料良好的調濕能力能夠控制室內相對濕度平穩(wěn)變化，玻鎂板效果最好，控制實驗箱內相對濕度在60%左右，硅藻泥次之，石膏板較差。

目前國內外學者對調濕材料的研究多集中在新材料的開發(fā)及調濕機理的研究上[9-14]，為了得到硅藻泥的實際調濕效果，本研究針對硅藻泥的調濕性能及效果進行了一系列的即時測試，以期為硅藻泥的推廣應用提供參考。

1 試驗

1.1 主要試驗材料

通過對各種品牌硅藻泥的對比分析，選取遼寧營口盼盼環(huán)保硅藻材料有限公司生產的3種不同粒度及施工工藝的硅藻泥：樂壁系列、海洋生態(tài)系列細、粗硅藻泥為試驗材料，分別編為1#、2#、3#，將其噴涂于以耐水膩子粉打底的石膏板上，制成硅藻泥調濕樣板，樣板尺寸為400 mm×400 mm，硅藻泥噴涂厚度為4mm。將乳膠漆噴涂于相同尺寸的以耐水膩子粉打底的石膏板上，制成對照樣板，編號為4#，乳膠漆噴涂厚度同樣為4 mm。將2#硅藻泥噴涂于相變板材上，編號為5#，相變板材粘結劑為苯丙乳液。制作完成后將樣板置于室內養(yǎng)護7 d后備用。

1.2 主要儀器設備

（1）溫濕度調控實驗箱：以實際空間1/10的比例建立溫濕度調節(jié)模擬實驗箱，其材質為透明有機玻璃，厚度為5 mm，其內部空間尺寸為450 mm×450 mm，為方便實驗過程中控制溫度，實驗箱底層與四周留有15mm的空氣夾層，如圖1所示。在夾層內通入恒溫水控制水溫，進而控制箱體內部空間溫度，控制恒溫水的裝置為德國Vivo RT2標準型加熱制冷恒溫循環(huán)水浴，精度±0.05℃如圖2所示；采用U12-012溫濕度采集記錄儀采集溫濕度數據，溫度控制精度±0.35℃，濕度控制精度±2.5%。

圖1 密閉實驗箱效果示意

圖2 RT2型加熱制冷恒溫循環(huán)水浴

（2）場發(fā)射電子顯微鏡：Nova Nano SEM450型，美國FEI公司生產。

（3）物理化學吸附分析儀：Autosorb iQ，美國Quantachrome Corportion生產，用于BET比表面積及孔徑分析。

1.3 試驗內容及方案

針對試驗箱內模擬環(huán)境，研究在不同濕度和溫度工況下硅藻泥對環(huán)境的濕度調控性能，研究內容分為以下2個部分：

（1）測量在不同的溫度、相對濕度和濕源下，實驗箱內的相對濕度變化情況，了解3種硅藻泥板材的調濕性能，并對比乳膠漆的調濕狀況，分析硅藻泥的可應用性。試驗方案見表1。

表1 試驗方案

（2）利用硅藻泥耦合相變板材，通過測試試驗箱內的溫濕度變化，分析其對環(huán)境溫度和相對濕度的綜合調控效果。

2 硅藻泥微觀結構表征

2.1 微觀形貌

調濕材料的微觀結構特征是決定調濕材料調濕能力的重要因素，對硅藻土原礦和3種硅藻泥樣品進行掃描電鏡分析，從硅藻泥的微觀結構、孔結構特性等方面初步觀察分析其調濕性能的優(yōu)劣。圖3～圖5為3種硅藻泥分別在高倍率和較低倍率的掃描電鏡照片。較低放大倍率的照片可以看出硅藻土顆粒的完整度及大致含量，較高放大倍率的照片則可觀察到硅藻顆粒的孔結構狀態(tài)。

圖3 1#硅藻泥的SEM照片

圖4 2#硅藻泥的SEM照片

圖5 3#硅藻泥的SEM照片

由圖3可見，1#硅藻泥的組成物質粒徑較小，存在很多堆積孔，硅藻土含量較高，但硅藻表面孔結構被細小雜質堵塞，一定程度上影響了硅藻泥的吸附性能。由圖4可見，2#硅藻泥的硅藻土含量是3種硅藻泥里最高的，硅藻土顆粒的完整度也是最好的，但是與1#硅藻泥存在同樣的問題，即硅藻土顆粒上排列整齊的微孔不可避免的被硅藻泥的其他填加成分所堵塞，降低了其功能性。從圖5可以看出，3#硅藻泥的物質顆粒大小較不均勻，硅藻土顆粒大多破損，這可能導致3#硅藻泥的吸放濕性能較差。

2.2 BET孔徑分析

低溫氮氣吸附脫附測試主要表征硅藻泥樣品表面的物理吸附性能，Autosorb iQ物理化學吸附分析儀進行測試，吸附氣體為氮氣。3種樣品的等溫吸附-脫附曲線如圖6所示。

圖6 3種樣品的等溫吸附-脫附曲線

由圖6可知，3組樣品的等溫吸附脫附曲線都屬于IUPAC曲線分類中的第Ⅳ類吸附等溫線，其吸附開始主要是單分子吸附，隨后是多層吸附，在中比壓區(qū)發(fā)生毛細凝聚現象。由于介孔中的毛細冷凝-蒸發(fā)是不可逆的，其對應的毛細凝聚脫附在不同的比壓下發(fā)生，所以介孔材料的吸附等溫線出現了遲滯環(huán)[15－16]。3個樣品的吸附脫附曲線在比壓的中壓段都出現了吸附回滯環(huán)，其對應的是多孔材料出現的多層毛細孔凝聚吸附現象，說明3種樣品中都存在較多的小于50 nm的介孔結構。其中，3#硅藻泥的回滯環(huán)較為明顯，1#和2#硅藻泥的回滯環(huán)較為狹長，回滯環(huán)的類型為H3和H4的混合型，說明樣品中既存在排列不規(guī)則的堆積孔也存在排列規(guī)則的狹隙孔。1#～3#硅藻泥在低比壓區(qū)吸附量少的原因可能是制備過程中的高溫燒制導致了微孔的坍塌。

3 硅藻泥對環(huán)境濕度調控的試驗研究

為方便準確的控制實驗中可變參數，深度細致了解不同溫濕度參數對硅藻泥調濕性能的影響，研究硅藻泥在不同工況下對空間溫濕度的調控效果，本文將在小型實驗箱中進行一系列的模擬實驗。

3.1 不同溫度工況

首先將樣板置于相對濕度30%的環(huán)境下放濕至平衡，將循環(huán)水浴溫度調至25℃，利用迷你加濕器將實驗箱內相對濕度加濕至90%，上述條件準備就緒后，關閉加濕器，快速將樣板和溫濕度記錄儀放入實驗箱中，隨后將實驗箱密封。10 h后，取出記錄儀，讀取數據，結束試驗。不同溫度下4種板材的調濕曲線如圖7所示。

圖7 不同環(huán)境溫度下試驗箱內的濕度變化曲線

由圖7（a）可知，10℃環(huán)境下，4#乳膠漆板在高濕環(huán)境下也有一定的降濕能力，箱體內的相對濕度從初始的90%降到了87.5%，相對濕度降低了2.5個百分點。1#～3#硅藻泥板的降濕性能均優(yōu)于乳膠漆板，其中，1#硅藻泥板的調濕性能最好，環(huán)境的相對濕度降低了7.2個百分點，是乳膠漆板的近2倍；2#硅藻泥板與3#硅藻泥板的調濕能力相近，最終環(huán)境相對濕度分別穩(wěn)定在了84.0%和84.5%。由圖7（b）可以看出，25℃環(huán)境下，4種樣板對箱內環(huán)境相對濕度的調節(jié)的優(yōu)劣效果與10℃相差不大，1#硅藻泥板的調濕能力仍然最強，環(huán)境相對濕度下降了6.9個百分點，2#硅藻泥板與3#硅藻泥板次之，乳膠漆板降濕效果最差。2#硅藻泥板與3#硅藻泥板調濕能力相差仍然不大，2#硅藻泥板箱內濕度最終為84.7%，3#硅藻泥板箱內濕度最終為85.0%。3#硅藻泥板的相對濕度雖略高于2#硅藻泥板濕度，但其環(huán)境濕度的下降速度要高于2#硅藻泥板。由圖7（c）可知，40℃環(huán)境下，1#硅藻泥板箱內的相對濕度降到了83.8%，仍然是4組樣板中調濕性能最佳的；2#硅藻泥板與3#硅藻泥板的調濕效果出現了較為明顯的差距，2#硅藻泥板箱內相對濕度的下降速度和下降幅度都優(yōu)于3#硅藻泥板，說明3#硅藻泥板的調濕能力受溫度升高的影響較大，而2#硅藻泥板的箱內相對濕度最終穩(wěn)定在85%。

綜上可知，無論是在10、25℃還是40℃環(huán)境溫度下，1#硅藻泥板的調濕性能均優(yōu)于2#、3#硅藻泥板。隨著溫度的升高，同一樣板的環(huán)境濕度下降幅度有所減小，即溫度的升高不利于硅藻泥表面對水分子的吸附。其根本原因在于，硅藻泥的吸附以表面物理吸附為主，化學吸附為輔，物理吸附主要為單分子吸附、多層吸附和毛細凝聚，溫度的升高使氣態(tài)水分子運動碰撞加強，水分子在硅藻泥表面停留時間減少，直接影響的到在介孔中的毛細凝聚，導致硅藻泥的濕容量減小，從而對環(huán)境的調濕能力下降。

3.2 不同濕度工況

選取1#硅藻泥樣板，試驗箱內溫度設定為25℃，起始相對濕度分別為75%、85%和90%，觀察箱內濕度變化情況，圖8為不同起始相對濕度環(huán)境下1#樣板箱內的濕度變化曲線。

圖8 不同起始濕度下1#樣板試驗箱內的濕度變化曲線

由圖8可以看出，起始相對濕度為90%和85%時，2條濕度變化曲線的變化趨勢相差不大，其降濕速率比較相當，環(huán)境濕度的下降幅度相對濕度90%的工況略高于85%；而起始濕度75%的曲線降濕速率則較快，達到降濕平衡的時間較短，降濕幅度也較小。由此可以得知，在相對濕度環(huán)境高于80%時，1#硅藻泥樣板的吸濕速度和吸濕量差別不大，環(huán)境濕度的下降幅度在6%左右。當環(huán)境濕度低于80%后，硅藻泥的吸濕量變小，對環(huán)境濕度的降濕能力有所減小，環(huán)境濕度下降幅度約為4個百分點。

3.3 變濕源工況

為模擬現實生活中人體的水分蒸發(fā)及其它一些濕源存在時，硅藻泥涂料對環(huán)境濕度的調控效果以及對溫度的影響，在實驗箱中放置一個裝有100℃水的燒杯作為變化的濕源，隨著水溫的降低，水的蒸發(fā)量隨之降低。分別將相同的濕源與調濕樣板放入試驗箱內，恒溫水浴溫度設定在25℃，每隔10 min記錄1次試驗箱內的溫度與濕度，10 h后結束試驗，試驗結果如圖9所示。

圖9 變濕源時4種樣板的溫濕度變化曲線

由圖9可以看出，加入相同濕源后4種樣板箱內的溫度變化區(qū)別不大，都是先升高到28℃左右再下降，最后溫度基本穩(wěn)定在26.3℃。4種樣板的箱內濕度變化差別較大，試驗初始階段由于濕源的蒸發(fā)量較大，環(huán)境的相對濕度徒升出現一個峰值，1#～4#樣板的濕度峰值分別為89.7%、93%、90.6%和93.6%。此峰值的差異說明在濕源蒸發(fā)量較大，環(huán)境濕度增加的階段，1#硅藻泥樣板和3#硅藻泥樣板吸收了一部分的水蒸氣，一定程度上抑制了環(huán)境濕度的上升，相較而言，3#硅藻泥板在此階段吸附的水蒸氣量較少。隨后，隨著濕源溫度的逐漸降低，水蒸氣的蒸發(fā)量漸漸減少，材料樣板對環(huán)境的吸濕量逐漸大于濕源的放濕量，環(huán)境相對濕度開始下降。最終濕源與環(huán)境達到熱濕平衡，材料樣板表面吸附脫附也達到平衡后，環(huán)境相對濕度漸漸趨于一條直線。箱內環(huán)境濕度曲線穩(wěn)定后，1#和2#硅藻泥板的環(huán)境相對濕度比較低，3#次之，4#最差，1#和4#樣板之間最后相對濕度相差3個百分點左右，2#硅藻泥板初始階段吸濕量雖然較小，但在整個過程中吸濕時間最長，最后的吸濕效果也超過了3#硅藻泥板。同時，試驗結果表明，硅藻泥涂料在調濕過程中，對環(huán)境溫度的影響非常小，不會產生太大的溫度波動。

4 硅藻泥耦合相變板材對環(huán)境溫濕度調控試驗研究

4.1 硅藻泥耦合相變板材制備及試驗方法

相變材料是利用自身在相態(tài)變化過程中的吸熱和放熱來完成能量的儲存與釋放，進而實現對溫度調控的一類功能材料。試驗所用相變蓄熱板材是以石蠟為相變材料，膨脹珍珠巖為多孔介質，利用真空吸附法，將石蠟填充于膨脹珍珠巖內部的多孔結構中形成復合相變顆粒，然后將其與一定比例苯丙乳液混合利用定模壓制法制備相變蓄能板材。相變材料石蠟的相變溫度為25.8℃，相變焓為107.6 J/g[17]。

由上述試驗可知，3#硅藻泥的調濕性能受溫度影響較大，故選取2#硅藻泥噴涂于相變板材正面，制成尺寸為400 mm×400 mm的硅藻泥-石蠟/珍珠巖相變板材，硅藻泥噴涂厚度為4 mm，相變板材背面用保鮮膜將其密封，防止其吸濕放濕影響試驗結果，編號為5#（見圖10）。

圖10 硅藻泥-石蠟/膨脹珍珠巖相變板材

濕度調控試驗試驗步驟如下：

（1）首先將試驗箱內溫度調至15℃，相對濕度調至85%，將預先在30%相對濕度環(huán)境下放濕平衡的5#樣板置于試驗箱內，將實驗箱密封；

（2）約2 h后，相變材料完全凝固，此時將恒溫水浴溫度設置為40℃；

（3）待試驗箱內溫度穩(wěn)定，2 h后將恒溫水浴溫度設置為15℃，待相變材料完全凝固，結束試驗。

每隔15 min記錄1次數據，觀察1次溫度循環(huán)后箱內的溫濕度變化。并將4#樣板作為對照組，重復上述試驗。

4.2 硅藻泥耦合相變板材的溫濕度調控效果

（見圖11）

圖11 硅藻泥結合相變板材對溫濕度的調控曲線

由圖11可見，從15～40℃的升溫過程中，5#樣板箱內的溫度一直低于4#樣板箱內的，而40～15℃的降溫過程中，5#樣板的箱內的溫度又高于4#樣板箱內的，溫度變化有明顯的滯后性，這是由于相變材料石蠟從固態(tài)到液態(tài)融化過程中吸收了箱內空氣熱量，而從液態(tài)到固態(tài)凝結過程又吸收了熱量，致使箱內氣溫變化較為緩慢，說明石蠟珍珠巖相變板材能夠很好的儲存轉移熱量，達到節(jié)能的目的。在升溫前，5#樣板箱內處于高濕環(huán)境，硅藻泥吸收空氣中的水分，當溫度從15℃開始升溫，硅藻泥表面溫度隨之升高，被吸附的水分子部分脫附，因而在300～400 min恒溫階段相變板箱內相對濕度略高于4#樣板。需要指出的是，升溫過程中相變板內石蠟融化吸收熱量，減緩了硅藻泥的表面溫度的上升，一定程度上也減慢了被吸附分子的脫附過程。隨著外部環(huán)境溫度的又一次降低，箱內空氣濕度上升，硅藻泥再次吸附水分子，因此最終狀態(tài)下相變板箱內濕度低于石膏板，相對濕度濕度差約為2%。同時，由于硅藻泥表面對水分子的吸附過程為低放熱過程，一定程度上增強了相變板的放熱效果，延緩了室溫的下降。由此可見，相變板材與硅藻泥的耦合，對各自的功能效果都能夠正向加強，兩者相互作用，有效調節(jié)室內的溫濕度達到節(jié)能目的。

5 結語

（1）從掃描電鏡分析得知，2#硅藻泥中的硅藻土含量較高，硅藻土顆粒的完整度也最好。3種硅藻泥的微孔不同程度地被雜質堵塞，影響其吸濕能力，其等溫吸附脫附曲線都屬于IUPAC曲線分類中的第Ⅳ類吸附等溫線，并且出現了大小不同的遲滯環(huán)，說明3種樣品中都存在較多的小于50 nm的介孔結構。

（2）隨著溫度的升高，同一樣板的環(huán)境濕度下降幅度有所減小，即溫度的升高不利于硅藻泥表面對水分子的吸附。環(huán)境起始濕度越高，硅藻泥對環(huán)境的降濕效果也越好，在相對濕度環(huán)境高于80%時，硅藻泥的吸濕速度和吸濕量差別不大，環(huán)境濕度的下降幅度也比較接近。當環(huán)境濕度低于80%后，硅藻泥的吸濕量變小，對環(huán)境濕度的降濕能力有所減小。

（3）相變板材與硅藻泥耦合，對各自的功能效果都有所加強，二者相互作用，能夠有效調節(jié)室內的溫濕度并且轉移儲存熱量，最終達到節(jié)能目的。

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