CN102557507A

CN102557507A - 一种利用黄土或海泡石制备调湿材料的方法

Info

Publication number: CN102557507A
Application number: CN2012100482965A
Authority: CN
Inventors: 景镇子; 王镇龙; 范俊杰; 濮溧
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及一种利用黄土或海泡石制备调湿材料的方法。本发明的调湿材料包括黄土调湿材料和海泡石调湿材料。其中黄土调湿材料中黄土占80%~90%，消石灰占10%~20%；海泡石调湿材料中海泡石占50%~80%，消石灰占20%~50%。本发明的制备方法包括以下步骤：原材料配合、成型和水热合成处理。本发明利用水热技术合成黄土及海泡石制备的调湿材料具有优异的孔径分布和良好对室内湿度的调节功能。此材料可用于建筑物墙体或地面材料，能够对有效的调节室内的湿度，减少空调的使用量，节约能源。

Description

一种利用黄土或海泡石制备调湿材料的方法

技术领域

本发明属于无机材料合成领域，具体涉及一种利用将黄土或海泡石制备调湿材料的方法。

背景技术

空气相对湿度是衡量室内环境的一项重要参数，对人体健康、室内空气质量以及物品的存放都有重要意义。研究表明，人类感到最舒适的相对湿度范围是40%-70%。由于我国建筑物保温隔热性能相对较差，室内的温湿度随外界环境变化波动很大，每年夏季和冬季，为了调节室内的温湿度，我国城市中空调大量使用，造成巨大的能源消耗。

调湿材料的研制已有一些介绍，如中国专利《无机湿度调节面板及其制造方法》（公开日2006年6月21，公开号CN1788995）和中国专利《高效调湿材料》（公开日2008年1月23，公开号CN101108902）中公开的技术，但由于制成品的强度低及制备过程复杂等问题，使制备调湿材料受到了大的限制。材料的调湿性能的好坏与其多孔性有很大的关系。烧成制备会破坏原料的多孔结构，从而影响其调湿性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种黄土或海泡石制备调湿材料的方法，该方法过程简单，由于合成温度低，节约能源。

本发明提出的黄土或海泡石制备调试材料的方法，是利用水热技术将黄土、海泡石等合成为具有湿度调节作用的多孔材料的方法，具体步骤如下：

首先，在黄土或海泡石原料中分别添加含CaO的辅助原料混合；然后，在上述混合料中加入占混合料总重量5%~45%的水，搅拌均匀后，在5~40MPa的压力下压制成型；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在温度为150~200℃、压强为0.1~1.55MPa的饱和蒸汽压下水热处理1~72h后，得到最终样品。最后利用密闭箱法测定材料对水蒸气的吸放性能。

本发明中，当黄土中添加含CaO的辅助原料时，黄土占80wt%~90wt%，消石灰占10wt%~20wt%。

本发明中，当海泡石中添加含CaO的辅助原料时，海泡石占50wt%~80wt%，消石灰占20wt%~50wt%。

本发明中，所述辅助原料为消石灰。

本发明的特点还在于：原料包括黄土和海泡石，辅助原料为消石灰。

本发明的方法为水热法，与传统烧结工艺相比，水热合成在150~200℃条件下进行，既能保留原料本身固有的微孔结构，又能够控制大量纳米级微细孔生成，其材料可用于建筑物墙体或地面材料，能够有效的调节室内的湿度，减少空调的使用，节约能源。

本发明的特点在于，与传统的红砖及水泥等墙体材料相比，水热合成的调湿材料具有良好的调湿性能。

附图说明

图1为水热合成前后黄土样品的XRD衍射图谱。

图2为水热合成前后海泡石样品的XRD衍射图谱。

图3为水热合成前后海泡石样品的SEM图片，其中，a为水热合成前的样品图片，b为水热合成后样品的图片。

图4为不同水热固化时间合成的黄土材料的调湿性能。

图5为水热处理后黄土样品的孔径分布。

图6为水热固化的1小时最终样品与其他材料调湿性能比较。

图7为水热固化的12小时最终样品与其他材料调湿性能比较。

图8为水热固化的24小时最终样品与其他材料调湿性能比较。

图9为水热处理后海泡石样品的孔径分布变化。

图10为水热固化海泡石样品与其他材料调湿循环性能比较。

图11为水热固化海泡石最终样品与其他材料调湿模拟性能比较。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

首先，选取黄土为主要原料，选取工业用消石灰为辅助原料，将上述原料混合，使混合料中，消石灰占重量的18%；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量10%的水，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为30MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在200℃、1.55MPa饱和蒸汽压下水热处理12h，然后再干燥后得到最终的样品，其抗折强度为26.8MPa。

实施例2

首先，选取海泡石为主要原料，选取工业用消石灰为辅助原料，将上述原料混合，使混合料中消石灰质量占28%；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量30%的水，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为30MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在200℃、1.55MPa饱和蒸汽压下水热处理12h，得到最终的样品，其抗折强度为16.8MPa。

实施例3

首先，选取实施例1和2中得到的最终样品作为实验样品。将恒温恒湿箱设定为温度25℃，相对湿度75%，通过饱和盐溶液控制密闭箱内相对湿度为75%。达到稳定后，将最终样品迅速放入密闭箱内的样品架托盘，每隔10分钟记录一次样品的重量变化，测24h内的变化情况；然后，将恒温恒湿箱和密闭箱内的相对湿度调节为33%（密闭箱内通过更换饱和盐溶液来调节），再保持24h，记录过程中样品重量变化。至此可以得到样品在一次湿度变化循环中的吸放湿的量随时间变化的曲线，即材料吸放水蒸气的特性。

实施例4

首先，选取实施例1和2中得到的最终样品作为实验样品。将RH=54%的饱和盐溶液放入密闭箱内，再将密闭箱放入25℃，RH54%的恒温恒湿箱内。当密闭箱内温湿度达到稳定后取出饱和盐溶液，然后将恒温恒湿箱按表1的温度变化。每10min用温湿度记录仪记录下密闭箱内温湿度值。以时间为横坐标，温度或湿度为纵坐标绘制一天内（24h）调湿模拟曲线图，此图记录的是未加任何调湿材料时密闭箱的温湿度变化。

将实验样品在25℃，RH54%的条件下标定24h后放入密闭箱内，按上述方法操作，温度变化规律与不放样品时的相同，每隔一段时间测定干燥器内的温度和相对湿度，直至循环结束。将记录的数据绘制成放有调湿材料时干燥器内相对湿度随时间的变化曲线。

水热合成材料的硬化机理是在水热合成过程中，材料内生成了大量的水化硅酸钙（CaO-SiO₂-H₂O，C-S-H），特别是托勃莫来石（tobermorite, Ca₅(Si₆O₁₈H₂)·4H₂O）晶体，大量细杆状的托钵莫来石晶体生成，彼此之间互相交联，使材料致密度提高，从而使材料强度提高。

水热合成材料的具有优异的湿度调节作用是由于材料内有大量介孔级微细孔存在。黄土及海泡石原料本身具有大量的微细孔，这些微细孔具有一定的保温调湿作用，水热合成过程由于合成温度较低，不会破坏土质原料本身的微孔结构，另外由于水热合成过程中托勃莫来石晶体的生成，晶体之间产生了大量的介孔，正是由于水热合成材料中存在大量分布均匀的介孔级微细孔，使得材料具有优异的湿度调节作用。

下面以黄土与海泡石制备的最终产品结果作进一步说明本发明。

图1为水热合成前后黄土样品晶相变化的XRD衍射图。水热合成条件为消石灰添加量18%、水添加量10%、30MPa下成型，200℃温度下水热合成12h。水热合成前，样品中主要的晶相为石英和方解石，另外还有少量的伊利石、高岭土等粘土矿物以及少量的长石和白云母。水热合成后，出现了新的晶相托勃莫来石。水热合成后材料强度有很大的提高，主要就是由于托勃莫来石的生成。

图2为水热合成前后海泡石样品晶相变化的XRD衍射图。水热合成条件为消石灰添加量28%、水添加量30%、30MPa下成型，200℃温度下水热合成12h。从图中看出，经过水热处理后，同样出现了新的晶相托勃莫来石。水热合成后材料强度有很大的提高，主要也是由于托勃莫来石的生成，这与黄土样品结果相同。

图3为水热合成前后海泡石样品的SEM图片。a为未水热样品的形貌图片，b为固化12h样品的形貌图片。从图中对比可以看出，未水热时可以清楚地看到，纤维状的海泡石叠一起，松散地堆在一起，这也解释了未水热的样品强度低。当水热反应12 h，电镜照片看到密密麻麻的针状晶体交错生长，形成相互交织的网格状结构。这些针状托勃莫来石将颗粒间空隙填充得更加致密，大孔转变成了微孔。众多短棒状的托勃莫来石晶体，如同强劲交叉的树枝，形成了网状的结构，极大地改善了样品的孔结构。

图4为不同水热固化时间合成的黄土材料的调湿性能。水热合成条件为消石灰添加量28%、水添加量30%、30MPa下成型，200℃温度下水热合成0、6、12、24小时。从图上看出，水热固化得到的黄土样品都具有大的吸湿量和吸湿速度，综合考虑吸放湿量和吸放湿速度，认为12小时具有最佳的调湿性能，表明黄土自身及制备的材料具有比较优异的调湿性能。

图5为水热处理后黄土样品的孔径分布。可以看出，0h样品内的孔主要分布在两个区域（~3nm和>8nm），表明黄土自身即存在大量的微细孔；6h样品内~3nm和>8nm范围的孔增多，导致样品的比表面积和孔容积增大；12h样品内出现大量<30nm，尤其是孔径范围在2~30nm间的介孔，导致12h样品的比表面积和孔容积均有大幅度增加；24h样品内200nm内孔分布与0h相似，较12h的微细孔数量减少，因此，样品的比表面积和孔容积下降。

图6为水热合成的1小时黄土与海泡石最终样品与其他材料调湿性能比较。从图上看出，水热合成1小时的黄土和海泡石材料都据由于其他传统材料的吸放湿性能，其中刨木板是表面上漆的木质材料。

图7为水热固化的12小时黄土与海泡石最终样品与其他材料调湿性能比较。从图上看出，水热固化12小时的黄土和海泡石材料都具有好的对水蒸气的吸放性能。相反，普通的建筑红砖、混凝土和表面上漆的木质地板材料仅具有差的吸放性能。

图8为水热固化的24小时黄土最终样品与其他材料调湿性能比较。由图上可以看出，水热固化24小时的黄土材料仍具有优良的调湿性能，而其他传统的墙体材料调湿能力差。

图9为水热处理后海泡石样品的孔径分布变化。从图中可以看出，固化6h时样品中主要有20nm及100nm两部分孔分布。而固化12h后，样品中的孔主要集中在50nm的介孔区域，这与生成的托勃莫来石晶体有关。

图10为水热固化海泡石样品与其他材料调湿循环性能比较。图中考察了3种材料的循环吸放性，包括本研究合成12h强度最好的海泡石、水泥试块及刨木板。

从图上可以看出，水泥块和木质地板在经过多个吸放循环后，其吸附的水分都不能完全脱附，因此其循环曲线逐渐升高，因此这种材料在实际应用中不能够多次使用。而水热固化得到的海泡石材料具有最好的吸放性能及循环利用性，后面2个吸放循环基本能够将吸附的水分都脱附，是极佳的调湿材料。通过对水热固化后土质样品的吸放湿性能和循环利用性的考察发现，本研究制备的调湿材料不仅具有实际应用的强度，而且拥有优良的调湿性能，是极具价值的调湿材料，基本达到了本研究的目的。

图11为水热合成海泡石最终样品与其他材料调湿模拟性能比较，用于模拟室内相对湿度变化时（按余弦曲线变化），使用调试材料前后室内相对湿度变化规律。图中的温度曲线是根据表1的温度变化测定的。从图中可以看出，未添加任何材料时，密闭容器中的湿度随着温度的周期变化而发生类似于余弦函数的变化趋势，湿度变化比较大。当加入不同材料后，由于材料的调湿作用，密闭箱内的湿度变化幅度减小。从加入的3种材料对比可以看到，水热固化得到的海泡石样品的调湿性能最佳，能够使密闭箱内的湿度变化幅度降到最低，因此能够使空间内湿度趋于稳定，是一种极佳的调湿材料。

表1 实验温度变化周期

设定时间（h）	设定温度（℃）
		0	25.0
2	27.8
		4	30.5
6	31.5
		8	30.5
10	27.8
		12	25.0
14	20.3
		16	17.5
18	16.5
		20	17.5
22	20.3
		24	25.0

以上对本发明进行了详细的介绍，文中应用了具体的实例对本发明进行阐述，这是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在本发明的思想应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用黄土或海泡石制备调湿材料的方法，其特征在于具体步骤如下：

首先，在黄土或海泡石原料中分别添加含CaO的辅助原料混合，然后，在上述混合料中加入占混合料总重量5%~45%的水，搅拌均匀后，在5~40MPa的压力下压制成型；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在温度为150~200℃、压强为0.1~1.55MPa的饱和蒸汽压下水热处理1~72h后，得到最终样品。

2.根据权利要求1所述的利用黄土或海泡石制备调湿材料的方法，其特征在于当黄土中添加含CaO的辅助原料时，黄土占80wt%~90wt%，消石灰占10wt%~20wt%。

3.根据权利要求1所述的利用黄土或海泡石制备调湿材料的方法，其特征在于当海泡石中含CaO的辅助原料时，海泡石占50wt%~80wt%，消石灰占20wt%~50wt%。

4.根据权利要求1所述的利用黄土或海泡石制备调湿材料的方法，其特征在于所述辅助原料为消石灰。