CN102407093A

CN102407093A - 复合硅胶调湿剂

Info

Publication number: CN102407093A
Application number: CN2011102123623A
Authority: CN
Inventors: 张文清; 夏玮; 张楠; 张玉龙; 罗曦芸; 吴来明
Original assignee: SHANGHAI MUSEUM; East China University of Science and Technology
Current assignee: SHANGHAI MUSEUM; East China University of Science and Technology
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明为一种复合硅胶调湿剂，以硅胶为基质，通过与无机盐复合而制得，其中所述的无机盐的质量是复合硅胶调湿剂质量的3～20％。其特征在于：是将硅胶浸于一定浓度的无机盐水或醇溶液中，经过滤、干燥、过筛而制得的一种白色球型颗粒，粒径在1.0～5.0mm。优点是：复合硅胶调湿剂是一种精确的适度调控产品，在外界环境温湿度发生变化的情况下，可迅速做出反应，通过吸收和释放水蒸气可将一定空间范围内的湿度维持恒定。其湿容量达到并超过国内外同类调试产品；在常温下性质稳定，易于包装，便于携带，无毒无害，且使用后再生温度较低，可重复利用，是一种绿色，节能的产品。

Description

复合硅胶调湿剂

技术领域

本发明涉及一种湿度调控材料，尤其针对博物馆馆藏文物微环境相对湿度的调控具有较好的效果。复合硅胶调湿剂可将具有一定体积、相对密闭的空间的相对湿度控制在一定范围内，通过对环境温湿度变化的感应自动吸放湿来调节湿度，无需消耗电力，并且可以再生利用，是一种高精度、低碳、环保的新型调试材料。

背景技术

室内空气相对湿度是衡量室内环境的一个重要参数。适当的湿度对人体健康、室内空气质量、产品生产过程、产品质量及物品保护具有重要的意义。国家《空气质量标准》规定室内相对湿度标准值，夏季空调房间为40％～60％，冬季采暖房间为30％～60％。Brimblecombe P.等人提出，现代博物馆室内馆藏环境的空气湿度应维持在40～70％，其中金属物品保存环境的相对湿度应低于45％。

我国南北气候差异显著，潮湿地区年平均相对湿度在70～80％，有时高达95～100％，北方干燥时期的相对湿度甚至不足10％。这些地区就需要采取高效的方法解决相对湿度带来的室内环境质量问题。目前常见的调湿方法可分为机械性和非机械性两大类。机械性调湿主要是指传统的压缩式制冷，该技术虽较为完善，但存在能耗大且工作过程对环境不友好两大致命缺点。目前正在发展的吸附式除湿空调系统从保护环境、节约能源等方面来看是极具吸引力的新空调方式。非机械性调湿是利用调湿材料的性质来达到控湿的目的。调湿材料，即不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，感应所处空间空气温湿度的变化，从而自动调节空气相对湿度的材料。调湿材料是无需消耗电力等不可再生能源，具有良好自动调节空气湿度能力的材料，对节约能源、改善环境舒适性、促进生态环境的可持续发展等具有重要的实际意义。

硅胶是一种多孔的无定型的二氧化硅类物质，其化学组成为SiO₂·xH₂O。其内部具有多孔径，比表面积大等特性，经过活化处理，其有效面积可达100～1000m²/g。此外，硅胶体现了较好的平衡吸附量和较低的再生温度(150℃)，并且这一过程是可逆的。因此硅胶可作为调湿材料。

1硅胶类

硅胶表面有许多Si-OH键，有很好的亲水性，因此对水有很好的吸附能力。硅胶的吸潮是一种物理吸附现象，在一定相对湿度下只能吸附一定量的水蒸气。硅胶本身作为一种调湿材料已经得到较广泛的应用。Tomita Y等由水玻璃制备硅胶并对其调湿能力进行研究，发现所得硅胶的平衡吸湿量高达0.7g/g，并发现硅胶的调适性能与其孔径尺寸有很大关系。BelalD等对CaCl₂改性硅胶吸附水蒸气动力学进行的研究，结果表明盐的浸入使水在孔中的扩散动力增大，细孔硅胶水蒸气的平衡吸湿量是中孔硅胶的两倍，但是吸附速率略低。Larisa G等利用不同盐类对中孔硅胶进行改性，通过XRD分析和热重分析证明，不同的改性条件(pH等)所制备的改性硅胶的相态不同，主要分为晶相和X衍射非晶相，并以CaCl₂为例分析了改性硅胶对水的吸附性能与其相组成和制备条件的关系。Irina A S等将中孔硅胶浸泡在饱和Ca(NO₃)₂溶液进行改性，所得产物平衡吸湿量明显提高，且与CaCl₂、MgSO₄和LiBr改性产物相比，该改性硅胶更适合用于低温下空气湿度的被动调控。Chung等利用中子辐射对硅胶进行硼掺杂改性研究，结果表明，改性后硅胶由于微孔结构遭破坏导致内部微孔区增大，从而使每单位体积的吸-脱附量增加，且再生所需能量降低，改性硅胶的吸湿量比原有商业硅胶提高23％。Fang等制备的Al³⁺掺杂硅胶与普通硅胶比较，其平衡吸湿量高10％～25％左右。Si-O-Al键的形成，不仅增强了孔道骨架的支撑力，提高了材料的耐热性能，而且增强了吸附剂与陶瓷纤维的相互作用，提高了材料的机械强度。

2无机盐类

可以吸湿的无机盐材料很多，如MgCl₂、CaCl₂、NaCl、Na₂SiO₃、AlCl₃等。该调湿材料的调湿作用完全由盐溶液所对应的饱和蒸汽压所决定。在同样的温度下，饱和盐溶液的蒸汽压越低，所控制的相对湿度范围越小。虽然在差不多整个湿度范围内能通过选择适当的盐水饱和溶液来维持一定的相对湿度，但由于大部分无机盐类易潮解，在常温下不稳定，对保存的物品空间产生污染，因此其应用受到一定的限制。安部郁夫等人利用炭黑和各种无机金属盐以不同比例复合制成调湿剂，并通过实验证明NaCl和炭黑混合加热至115℃制得的调湿剂的调湿能力可达106.4％。

3无机矿物类

蒙脱土、沸石、硅藻土、膨润土等材料是具有层状或微孔状结构的铝硅酸盐矿物，且具有阳离子的可交换性，使得这些材料能够吸附和释放水蒸气，因而可作为调湿材料。此类材料造价低廉，无需任何添加剂，只需进行简单的加工就可以制成各种形状的调湿材料。但无机矿物材料的湿容量虽然可以通过表面改性、扩孔等手段得到改善，但很难得到大幅度的提高，仅为百分之几。此外，高岭土、海泡石、珍珠岩等矿物材料也具有一定的调湿作用。

日本已经以天然沸石为原料开发出多种板状吸放湿板，如A型沸石板、B型沸石板和灰浆护墙板3种。Yoshida Takayuki等利用酸处理过的硅酸盐混合吸水物质制成湿度控制材料控制室内湿度。Teramura Toshirumi等利用碳酸钙和无定性硅石复合制成调湿建筑材料。黄剑锋等制备出聚丙烯酰胺/膨润土复合调湿膜。郭振华等人采用物理和化学方法对天然海泡石材料进行纤维剥离和活化处理。Gonzalez J C等也利用海泡石制备成高效调湿材料。

4有机高分子类

有机高分子类调湿材料常由具有三维交联网状结构的超强吸水性树脂如淀粉、聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、丙烯腈等构成，其吸水容量大，可高达自身质量的数百至数千倍，但放湿性能很差，被吸附的水很难脱附。荒木忠志等人通过交联丙烯酸纳得到三维纤维结构并控制此结构在整个调湿材料中的比例以得到调湿性能最好的调湿材料。黄季宜等分析了由高分子树脂吸收盐溶液后形成的凝胶制成的吸放湿板的调湿性能，在相对湿度40％～65％之间的含水率之差可达270kg/m³，具有很好的吸放湿能力，该调湿板材的吸放湿率是普通混凝土砌块的10～13倍。

5复合调湿材料

针对单一调湿材料难以同时满足高吸湿容量、高吸放湿速度要求的现状，近年来人们开始着手将不同类型的调湿材料进行复合，或与其它无机材料反应混合制成复合调湿材料，如无机盐/有机高分子复合材料，无机矿物/有机高分子复合材料、多孔调湿陶瓷、生物质类等复合材料，使材料的吸湿容量和吸放湿速度得到大幅度地提高。舒小伟等利用煤系高岭土、氢氧化钠、聚丙烯酸、丙烯酰胺为原料，溶液聚合制备出高岭土/聚丙烯酸钠、高岭土/聚丙烯酸-丙烯酰胺复合材料。这种材料的成本虽然较低，但具有很高的吸湿性能(吸水量可达800％～960％)，因而在土木建筑等领域有着广阔的应用前景。Gao等在氮气气氛、600～850℃加热条件下，采用煅烧、炭化的方法对沸石进行了处理，得到了廉价的沸石/碳复合材料。经测试发现，这种材料含有大量的微孔和介孔，可吸收为20wt％的水分，特别适合用作调湿建筑材料。张文标等利用竹炭负载CaCl₂制备复合调湿剂，在高湿条件下(RH＝80％)吸湿量可达40％，在低湿条件下(RH＝40％)吸湿量可达24％。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：是提供一种美观、可重复利用、无毒无害、并适用于博物馆微环境调湿用的复合硅胶调湿剂。

本发明为一种复合硅胶调湿剂，其是硅胶与无机盐的复配的调试颗粒，其以介孔硅胶作为基质，制备依次包括以下步骤：

第一步：将硅胶在120℃下进行干燥处理，在干燥的环境下冷却至室温；

第二步：将硅胶浸入一定量无机盐的水或醇溶液中，其中无机盐溶液与硅胶的质量比为10∶1～10∶9，浸泡2-20h。

第三步：常压过滤，置于120℃下烘4h，过12目筛，得产品。

本发明方法的原理及特点是：硅胶是一种多孔性、大比表面积的材料，其表面有许多Si-OH键，有很好的亲水性，但吸湿量和湿容量较小。不同无机盐的调湿作用由盐溶液所对应的饱和蒸汽压决定，在同样的温度下，饱和盐溶液的蒸汽压越低，所控制的相对湿度范围越小，但由于大部分无机盐类易潮解，在常温下不稳定，对保存的物品空间产生污染，因此其应用受到一定的限制。因此，本发明以硅胶为基质，通过与氯化锂复合所得复合硅胶调湿剂，具有较大的吸湿量和湿容量，在常温下性质稳定，易于包装，便于携带，不会对保存物品的空间产生污染，而且能够反复使用，适用于博物馆馆藏文物微环境湿度的调控。

附图说明

图1为本发明在25℃、相对湿度80％条件下的吸湿曲线图。

图2为本发明在25℃、相对湿度60％条件下的吸湿曲线图。

图3为本发明在25℃、相对湿度80％～60％条件下的放湿曲线图。

图4为本发明在40℃、相对湿度65％条件下的重复使用的吸湿量对比图。

图5为本发明在一定密闭容器中的调湿曲线。

具体实施方式

称取400g B型硅胶置于鼓风干燥机中，在120℃下烘2h后取出，置于干燥器中冷却至室温。称取128.0g一水合氯化锂，溶于800mL(约640g无水乙醇中，静置20h后，过滤。置于120℃鼓风干燥机中烘4h。最后过12目筛，得产品。

Claims

1.一种博物馆馆藏文物用微环境复合硅胶调湿剂，其以硅胶为基质，与无机盐复合而成，制备依次包括下述步骤：

第二步：将硅胶浸于无机盐溶液中2-30h；

第三步：过滤，干燥，过筛，得产品。

2.根据权利要求1所述的硅胶，其特征在于：所述的硅胶为为乳白色透明或半透明球状颗粒，平均孔径为2.5～10.0nm，比表面积为200～1000m²/g，孔容为0.1～1.0mL/g。

3.根据权利要求1所述的复合硅胶调湿剂制备方法，其特征在于：所述第二步无机盐溶液为无机盐的醇或水溶液，所述的无机盐为氯化锂、碳酸钾、醋酸钾等

4.根据权利要求3所述的无机盐溶液，其特征在于：所述的无机盐溶液中无机盐的量按质量百分比计，溶液中无机盐的质量分数为3-20％。

5.根据权利要求1所述的复合硅胶调湿剂制备方法，其特征在于：所述将硅胶浸于一定量无机盐溶液中，使用无机盐溶液与硅胶的质量比为10∶1～10∶9。

6.根据权利要求1所述的复合硅胶调湿剂制备方法，其特征在于：所述第三步过滤为常压过滤。

7.根据权利要求1所述的复合硅胶调湿剂制备方法，其特征在于：所述第三步干燥为120℃下烘4h，之后过12目筛，得产品。

8.根据权利要求7所述产品，其特征在于：所述产品为白色球状颗粒，粒径在1.0～5.0mm。