CN107098665B - 一种具有光催化调温调湿性能的石膏板材及其制备方法 - Google Patents

一种具有光催化调温调湿性能的石膏板材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有光催化调温调湿性能的石膏板材及其制备方法，属于多功能建筑材料和建筑节能技术领域。该石膏板材包含光‑热‑湿复合填料、建筑石膏粉、水以及凝结时间调节剂，所述光‑热‑湿复合填料为棕榈醇‑棕榈酸‑月桂酸/TiO2@SiO2，其粒径为300nm～500nm；所述建筑石膏为α半水石膏粉；所述凝结时间调节剂按重量百分比配方为：三乙醇胺10％、元明粉20％、硫代硫酸钠7.5％、尿素27.5％和水35.0％。本发明具有光催化调温调湿性能的石膏板材可以光催化降解甲醛气体和调节室内温湿度，有效地提高了室内环境舒适度及改善室内空气品质，降低了建筑能耗，符合国家绿色生态建筑材料的发展趋势。

Description

一种具有光催化调温调湿性能的石膏板材及其制备方法
技术领域
本发明属于多功能建筑材料和建筑节能技术领域，具体涉及一种具有光催化调温调湿性能的石膏板材及其制备方法。
背景技术
室内环境作为人生80％时间活动的空间，其舒适度至关重要，长期以来为了满足人们对室内环境舒适度的要求，采用了大量装饰材料和多种主动方式，如：人造板营造优美的室内空间、供暖和制冷设备调节室内温度、加湿器控制室内湿度等。然而依赖人工制热、制冷及加湿等设备虽可提供较为舒适的室内环境，但需要消耗大量的能源，而且设备在使用过程中需要对室内环境的自然通风条件进行限制，易引起“室内综合症”病害；此外设备运行期内难以对其管道进行有效的清洁，长期使用后容易造成微生物滋生，导致室内环境二次污染的问题。
目前，围绕室内环境安全性、舒适度与建筑节能协同理论的研究已陆续展开并得到高度重视，其中建筑材料(具有“被动调节能力”)和N型半导体材料(具有“低温深度氧化能力”)引起了建筑、材料、环境和安全领域的兴趣，尤其是激发了对新型功能石膏板的探索，以满足人们对建筑居住环境的要求。利用材料的“被动调节能力”或“低温深度氧化能力”而开发的具有节能、环保性能的建筑石膏板有多种，将其应用于建筑物可较好地发挥调节室内温湿度、净化空气的效果。以期为切实降低建筑能耗、提高室内环境舒适度及改善室内空气品质提供一定的技术支持和理论依据。
发明内容
为了克服现有技术不足，本发明提供了一种具有光催化调温调湿性能的石膏板材及其制备方法，以期得到生产成本低廉，可以光催化降解甲醛气体和调节室内温湿度的石膏板材。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明一种具有光催化调温调湿性能的石膏板材，该石膏板材按重量百分比配方如下：
所述光-热-湿复合填料为棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2，其粒径为300nm～500nm；所述建筑石膏为α半水石膏粉；所述凝结时间调节剂按重量百分比配方为三乙醇胺10％、元明粉20％、硫代硫酸钠7.5％、尿素27.5％和水35.0％。
本发明同时提供了上述具有光催化调温调湿性能的石膏板材的制备方法，包括如下步骤：
(1)棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶的制备：将3g～6g的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸、5mL～15mL的钛酸丁酯与75mL～125mL的无水乙醇进行混合，调节pH值2～3，经超声分散20min～30min，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶。所述棕榈醇-棕榈酸-月桂酸中棕榈醇、棕榈酸和月桂酸按质量分数比30％:20％:50％。
(2)棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2的制备：将1g～2g的十六烷基氯化铵加入棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶，经超声分散5min～15min；再加入5mL～10mL的正硅酸四乙酯与40mL～70mL的无水乙醇进行混合，调节pH值3～4，经超声分散20min～30min，放置于60℃水浴中陈化2h，在80℃真空干燥箱烘干，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2。
(3)具有光催化调温调湿性能石膏板材的制备：按照上述配方比例，将建筑石膏粉、光-热-湿复合填料搅拌均匀制成粉料；将凝结时间调节剂加入水中，搅拌制成溶液。将粉料与溶液混合均匀，凝结固化成型，形成具有光催化调温调湿性能石膏板材。
本发明的科学原理：
(1)棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶制备机理：以钛酸丁酯、无水乙醇和去离子水作为前驱体、溶剂和分散剂，在超声波的作用下形成多孔隙的聚集体，可以有效的包裹棕榈醇-棕榈酸-月桂酸。同时酸性条件有助于TiO2从无定形向锐钛矿转化，提高棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶中TiO2的光催化性能。
(2)棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2制备机理：正硅酸四乙酯水解反应迅速生成SiO2，添加十六烷基氯化铵与超声分散有利于SiO2在棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶中均匀分散，并且附着在棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2的表面，形成棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2。一方面棕榈醇-棕榈酸-月桂酸发生相变时需要吸收(或放出)大量热量的性质来储存或放出热能；另一方面TiO2发生光催化反应降解甲醛气体；同时利用SiO2表面的大量微孔和羟基，对空气中的水分进行吸(放)湿。
(3)光-湿协同机理：在TiO2的作用下H2O产生的·OH－自由基能将甲醛氧化生成·CHO自由基，生成的·CHO进一步反应生成中间产物HCOOH，而后HCOOH与自由基活性氧(·O2 －、·O2、·HO2)发生进一步氧化反应，使甲酸氧化成碳酸，从而分解成水和二氧化碳。该过程的反应步骤可以概括为：
H2O→OH－+H+
h+ vb+OH－→·OH
e－ cb+O2→·O2 －
HCHO+·OH→·CHO+H2O
·CHO+·OH→HCOOH
·CHO+·O2 －→HCO3 －+H+→HCOOOH+HCHO→2HCOOH
其中：e－ cb为导带电子，h+ vb为价带空穴。
在上述反应步骤中H2O即是反应物也是生成物，同时SiO2与TiO2因具有吸放湿性能，从而加速TiO2的光催化性能。当H2O作为反应物，SiO2与TiO2表面局部的湿度降低，SiO2与TiO2的湿性能表现为放湿，推动H2O→OH－+H+向右反应，有利于·OH－自由基的产生；当H2O作为生成物，SiO2与TiO2表面局部的湿度升高，SiO2与TiO2的湿性能表现为吸湿，推动向右反应，从而加速甲酸氧化成碳酸，以及碳酸分解成水和二氧化碳。同时建筑石膏的吸放湿性能也能够促进光-湿协同作用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明实现了光催化性能与调温调湿性能一体化，丰富了石膏板材的功能性，全面提高产品市场竞争力，带来良好的经济效益；
2、本发明符合国家绿色生态建筑材料的政策要求，有效地提高了室内环境舒适度及改了善室内空气品质，减少了供暖和制冷设备、加湿器和空气净化设备的使用，降低了建筑能耗，开拓了新型功能石膏板材的途径。
附图说明
图1为HJC-1型环境测试舱模拟紫外光源下室内环境示意图。
图中：1、温湿度传感器；2、采样口；3、风扇；4、紫外光源；a、甲醛气体；b、具有光催化调温调湿性能的石膏板材。
具体实施方式
以下结合具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
一、本发明具有光催化调温调湿性能的石膏板材的制备
实施例1
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
(1)将3g的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸、5mL的钛酸丁酯与75mL的无水乙醇进行混合，调节pH值2，经超声分散20min，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶。所述棕榈醇-棕榈酸-月桂酸中棕榈醇、棕榈酸和月桂酸按质量分数比30％:20％:50％。
(2)将1g的十六烷基氯化铵加入棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶，经超声分散5min；再加入10mL的正硅酸四乙酯与40mL的无水乙醇进行混合，调节pH值3，经超声分散20min，放置于60℃水浴中陈化2h，在80℃真空干燥箱烘干，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2。
(3)将建筑石膏粉、光-热-湿复合填料搅拌均匀制成粉料；将凝结时间调节剂加入水中，搅拌制成溶液。将粉料与溶液混合均匀，凝结固化成型，形成具有光催化调温调湿性能石膏板材。
实施例2
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
(1)将6g的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸、10mL的钛酸丁酯与125mL的无水乙醇进行混合，调节pH值3，经超声分散25min，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶。所述棕榈醇-棕榈酸-月桂酸中棕榈醇、棕榈酸和月桂酸按质量分数比30％:20％:50％。
(2)将2g的十六烷基氯化铵加入棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶，经超声分散10min；再加入5mL的正硅酸四乙酯与60mL的无水乙醇进行混合，调节pH值4，经超声分散25min，放置于60℃水浴中陈化2h，在80℃真空干燥箱烘干，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2。
(3)将建筑石膏粉、光-热-湿复合填料搅拌均匀制成粉料；将凝结时间调节剂加入水中，搅拌制成溶液。将粉料与溶液混合均匀，凝结固化成型，形成具有光催化调温调湿性能石膏板材。
实施例3
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
(1)将4g的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸、15mL的钛酸丁酯与100mL的无水乙醇进行混合，调节pH值2，经超声分散30min，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶。所述棕榈醇-棕榈酸-月桂酸中棕榈醇、棕榈酸和月桂酸按质量分数比30％:20％:50％。
(2)将1.5g的十六烷基氯化铵加入棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶，经超声分散15min；再加入5mL的正硅酸四乙酯与50mL的无水乙醇进行混合，调节pH值3，经超声分散30min，放置于60℃水浴中陈化2h，在80℃真空干燥箱烘干，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2。
(3)将建筑石膏粉、光-热-湿复合填料搅拌均匀制成粉料；将凝结时间调节剂加入水中，搅拌制成溶液。将粉料与溶液混合均匀，凝结固化成型，形成具有光催化调温调湿性能石膏板材。
实施例4
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
(1)将5g的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸、5mL的钛酸丁酯与100mL的无水乙醇进行混合，调节pH值3，经超声分散20min，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶。所述棕榈醇-棕榈酸-月桂酸中棕榈醇、棕榈酸和月桂酸按质量分数比30％:20％:50％。
(2)将1g的十六烷基氯化铵加入棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶，经超声分散15min；再加入10mL的正硅酸四乙酯与70mL的无水乙醇进行混合，调节pH值4，经超声分散20min，放置于60℃水浴中陈化2h，在80℃真空干燥箱烘干，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2。
(3)将建筑石膏粉、光-热-湿复合填料搅拌均匀制成粉料；将凝结时间调节剂加入水中，搅拌制成溶液。将粉料与溶液混合均匀，凝结固化成型，形成具有光催化调温调湿性能石膏板材。
对比例1
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
光-热-湿复合填料 19％
建筑石膏粉 46％
水 35％
(1)将5g的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸、5mL的钛酸丁酯与100mL的无水乙醇进行混合，调节pH值3，经超声分散20min，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶。所述棕榈醇-棕榈酸-月桂酸中棕榈醇、棕榈酸和月桂酸按质量分数比30％:20％:50％。
(2)将1g的十六烷基氯化铵加入棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶，经超声分散15min；再加入10mL的正硅酸四乙酯与70mL的无水乙醇进行混合，调节pH值4，经超声分散20min，放置于60℃水浴中陈化2h，在80℃真空干燥箱烘干，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2。
(3)将建筑石膏粉、光-热-湿复合填料搅拌均匀制成粉料；将粉料与水混合均匀，凝结固化成型，形成具有光催化调温调湿性能石膏板材。
对比例2
以制备本发明产品100g为例所用的组分及其质量配比为：
建筑石膏粉 64.9％
水 35％
凝结时间调节剂 0.1％
将建筑石膏粉搅拌均匀制成粉料；将凝结时间调节剂加入水中，搅拌制成溶液。将粉料与溶液混合均匀，凝结固化成型，形成普通石膏板材。
二、本发明具有光催化调温调湿性能的石膏板材的性能测试
将实施例1～4和对比例1制备的具有光催化调温调湿性能的石膏板材，以及对比例2制备的普通石膏板材进行调温性能、调湿性能和空气净化性能检测，其过程如下：
1、本发明石膏板材的调温性能测试
采用美国TA 2910型差示扫描量热仪测试具有光催化调温调湿性能的石膏板材的相变温度和相变焓。实施例1～4以及对比例1、2产物的相变温度和相变焓列入表1。
表1具有光催化调温调湿性能的石膏板材的相变温度和相变焓
2、本发明石膏板材的调湿性能测试
将具有光催化调温调湿性能的石膏板材制成尺寸为50mm×50mm×5mm的试样，放入经干燥处理并称量的称量杯中(不盖杯盖)，放入真空干燥箱中干燥。在干燥器内盛入合适的饱和盐溶液(见表2)，使干燥器内维持所需的湿度，然后将干燥至恒重的试样称重记录，把称量杯(不盖杯盖)分别放入不同相对湿度的干燥器内。定期称量直至试样质量前后变化满足要求(质量前后之差不大于0.01％)为止。同理，按照湿度递减进行了放湿过程的试验，直到放湿过程结束。试样的平衡含湿量为u，其计算见式：
式中：m0为干燥状态下试样的质量，g；m为吸放湿后的试样质量，g。
表2不同相对湿度饱和溶液配制表(25℃)
本发明实施例1～4以及对比例1、2产物的平衡含湿量列入表3。
表3具有光催化调温调湿性能的石膏板材的平衡含湿量
3、本发明石膏板材的空气净化性能测试
利用欧盟普遍采用的HJC-1型环境测试舱模拟可见光源下室内环境(如图1所示)。利用温湿度传感器1，温度设置在23±0.5℃，湿度设置在45±3％。把2.5μL浓度为37％～40％的甲醛分析纯溶液滴加在培养皿上，放入环境测试舱，使其在环境测试舱中充分挥发，利用风扇3使整个环境测试舱中的甲醛气体a浓度为1mg/m3。将30cm×30cm×3cm的具有光催化调温调湿性能的石膏板材b负载到0.1m2的玻璃上，利用紫外光源4进行激发，使其产生光催化作用。采用乙酰丙酮分光光度法(GB/T15516－1995)，利用采样口2，选择每隔60min采样10L舱内的气体，检测环境测试舱中甲醛气体的浓度变化,从而可以计算出具有光催化调温调湿性能的石膏板材光催化降解甲醛气体的效率。
本发明实施例1～4以及对比例1、2产物的光催化降解甲醛气体效率列入表4。
表4.具有光催化调温调湿性能的石膏板材的光催化降解甲醛气体效率(％)

Claims (1)

1.一种具有光催化调温调湿性能的石膏板材，其特征在于，该石膏板材按重量百分比配方如下：
光-热-湿复合填料 15.5%~22.5%
建筑石膏粉 45%~54%
水 30%～35%
凝结时间调节剂 0.1%～0.3%；
所述光-热-湿复合填料为棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2，其粒径为300nm～500nm；
所述建筑石膏为α半水石膏粉；
所述凝结时间调节剂按重量百分比配方如下：
三乙醇胺10%、元明粉20%、硫代硫酸钠7.5%、尿素27.5%和水35.0%；
所述石膏板材的制备包括如下步骤：
a、棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶的制备：将3~6g的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸、5mL~15mL的钛酸丁酯与75mL~125mL的无水乙醇进行混合，调节pH值2~3，经超声分散20min~30min，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶；所述棕榈醇-棕榈酸-月桂酸中棕榈醇、棕榈酸和月桂酸的质量分数比为30 : 20 : 50；
b、棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2的制备：将1~2g的十六烷基氯化铵加入步骤（a）制备的棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2溶胶，经超声分散5~15min；再加入5~10mL的正硅酸四乙酯与40~70mL的无水乙醇进行混合，调节pH值3~4，经超声分散20~30min，放置于60℃水浴中陈化2h，在80℃真空干燥箱烘干，获得棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2；
c、具有调温调湿光催化性能石膏板材的制备：按照配方比例，将建筑石膏粉、棕榈醇-棕榈酸-月桂酸/TiO2@SiO2搅拌均匀制成粉料；将凝结时间调节剂加入水中，搅拌制成溶液；将粉料与溶液混合均匀，凝结固化成型，形成具有光催化调温调湿性能石膏板材。
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建筑石膏复合材料的调温调湿性能研究;尚建丽等;《西安建筑科技大学学报（自然科学版）》;20160831;第601-605页

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