尚建麗，宋冬毅，麻向龍，張 磊，張 浩，熊 磊

（西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院 陜西 西安 710055）

室內(nèi)環(huán)境舒適度與室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度密切相關(guān)[1]．因此，長期以來人們?yōu)榱藵M足室內(nèi)環(huán)境舒適度的需求，采取了很多主動式的改善方法，如采取采暖、制冷和調(diào)濕設(shè)備進(jìn)行溫度或濕度控制，這種極大的依賴主動調(diào)節(jié)方式必然會消耗大量能源，因此，為了降低主動調(diào)節(jié)方式對建筑能耗的影響，許多學(xué)者研究在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料中摻入相變材料[2]或多孔材料[3]，使建筑圍護(hù)材料具有相變儲能的作用，從而降低人們對于采暖、制冷及調(diào)濕設(shè)備的消耗，同時降低能耗，達(dá)到建筑節(jié)能的目的[4]．如施韜[5]等用膨脹石墨做載體，硬脂酸丁酯作為相變材料，制得硬脂酸丁酯/膨脹石墨復(fù)合相變材料，將這種復(fù)合材料摻入石膏中制備潛熱儲能石膏建材．Ana M.B[6]等將相變微膠囊摻入到石膏中制備具有良好熱穩(wěn)定性的潛熱儲能石膏建材．雖然，通過使用相變材料改善室內(nèi)環(huán)境溫度的研究已有幾十年的研究歷史，但存在儲能材料研究較成熟，調(diào)濕材料研究相對薄弱，無法同時有效調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境溫濕度[7-10]．

鑒于上述分析，本文基于課題組前期的研究成果[11-14]，即具有制備調(diào)溫調(diào)濕性能的調(diào)節(jié)劑．旨在尋求價格低廉且適合建筑領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的調(diào)溫調(diào)濕建筑材料．以建筑石膏作為基體材料，將溫濕調(diào)節(jié)劑摻入石膏基體材料中，制備建筑石膏復(fù)合材料．并對建筑石膏復(fù)合材料進(jìn)行調(diào)溫調(diào)濕性能測試與分析，為調(diào)溫調(diào)濕建筑材料在建筑節(jié)能中研究與應(yīng)用提供依據(jù)．

1 試驗

1.1 試驗材料及儀器

建筑石膏：又稱二水石膏，是一種具有廣泛用途的建筑材料和工業(yè)材料．以建筑石膏作為基體材料，具有一定的工程應(yīng)用意義，本試驗選用西安市西京新型建材有限公司所生產(chǎn)的石膏．

自制溫濕調(diào)節(jié)劑：本文以多孔硅藻土吸附相變材料 CA-LA作為溫濕調(diào)節(jié)劑材料，其相變溫度在17.92～22.20℃，相變潛熱在30.88～32.97 J/g，平衡含濕量為0.060 3～0.060 8 g/g，該溫濕調(diào)節(jié)劑具有良好的熱性能和濕效應(yīng)．

試驗主要儀器：AUW120D型精密電子天平（精度為 0.000 01g），JY92-Ⅱ型超聲波細(xì)胞破碎儀，DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，DZ-2BCⅡ型真空恒溫干燥箱、101-2AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱、CENTER304/309型熱電偶．

1.2 建筑石膏復(fù)合材料的制備

選用建筑石膏作為基體材料，稱取了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10%、20%、30%、40%）的溫濕調(diào)節(jié)劑，將其摻入到石膏基體材料中，經(jīng)試驗對比，為了滿足合適的流動性以及孔結(jié)構(gòu)的可比性，水膏比為0.66:1，攪拌均勻．

(1) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《抹灰石膏》（GBT 28627-2012）將配好的25g料漿制作成50 mm×50 mm×2 mm的試樣，并在45±2℃下養(yǎng)護(hù)24 h，作為調(diào)濕性測試試件．

(2) 配好的50 g料漿制作成高80 mm、直徑20 mm中心含有孔洞的圓柱狀試樣．并在 45±2℃下養(yǎng)護(hù)24 h，作為調(diào)溫性測試試件．

1.3 調(diào)濕調(diào)濕性能測試

1.3.1 調(diào)濕性能測試

具體測試步驟如下：①將試樣放入經(jīng)干燥處理并稱量的稱量杯中(不蓋杯蓋)，置于真空干燥箱中，若間隔至少24 h的連續(xù)三次稱量，當(dāng)質(zhì)量的變化小于總質(zhì)量的0.1%，即認(rèn)為達(dá)到了恒重．②將干燥后裝有試樣的稱量杯一同分別放入不同相對濕度的干燥器內(nèi)．定期稱量試樣，直至試樣達(dá)到濕平衡．按照平衡含濕量計算公式進(jìn)行計算．上述測試的相對濕度區(qū)間為32.78%～97.30%，具體見表1．放濕試驗步驟同上，按照相對濕度遞減進(jìn)行放濕試驗．

表1 飽和鹽溶液的相對濕度（25℃）Tab. 1 Relative humidity of saturated salt in water (25℃)

1.3.2 調(diào)溫性能測試

測試步驟如下：首先將中心含有孔洞的圓柱狀試樣放入試管中，熱電偶的溫度探頭放入試樣的孔洞中，將試管放入 30 ℃恒溫水浴中，待試樣溫度恒定時開始降溫，溫度降至 15 ℃時停止降溫．降溫過程中，熱電偶每5 s記錄一次試樣的溫度，用30～15 ℃降溫過程的時間表示試樣的調(diào)溫性能．

1.4 表征

采用德國BRUKER UECIOR 22型傅里葉變換紅外光譜儀分析復(fù)合材料組成；采用美國FEI公司生產(chǎn)的Quanta 200型掃描電鏡觀測復(fù)合材料形貌；采用美國TA 2910型差示掃描量熱儀及美國麥克公司生產(chǎn)的Auto Pore Ⅳ9500型壓汞儀分別測試復(fù)合材料的相變溫度、相變潛熱及孔結(jié)構(gòu)、孔隙．

2 結(jié)果與討論

2.1 建筑石膏復(fù)合材料調(diào)溫性能結(jié)果與分析

從圖1可知，溫濕調(diào)節(jié)劑摻量的增加可以有效增加建筑石膏復(fù)合材料的調(diào)溫時長，則由此可表明石膏基復(fù)合材料的調(diào)溫性能取決于溫濕調(diào)節(jié)劑的用量．當(dāng)溫濕調(diào)節(jié)劑的摻量為10%時，調(diào)溫時常為575 s，盡管具有一定的調(diào)溫性，但效果有限；當(dāng)溫濕調(diào)節(jié)劑的摻量為40%時，調(diào)溫時常為685 s，其調(diào)溫性能明顯提升．同時建筑石膏復(fù)合材料在溫度降至24～25 ℃附近出現(xiàn)明顯的相變平臺，說明建筑石膏復(fù)合材料的相變溫度滿足人體舒適溫度區(qū)間要求，適合在建筑領(lǐng)域應(yīng)用．

圖1 不同摻量建筑石膏復(fù)合材料的步冷曲線圖Fig.1 Cooling curves of different amount of gypsum compound materials

為了進(jìn)一步驗證 “時間-溫度”坐標(biāo)系法對建筑石膏復(fù)合材料調(diào)溫性能的測試，本文采用 DSC對其相變溫度和相變潛熱進(jìn)行測試，通過儲熱能力來反映材料的熱性能．

圖2(a)為純石膏的DSC曲線．可以看出，石膏的DSC曲線近似平直，沒有相變吸收峰，說明石膏不是相變材料，不具有相變潛熱，進(jìn)一步分析圖2(a)可知，石膏的DSC曲線只是近似平直，還是存在一定的波動，這是由于石膏材料是無機多孔材料，其孔隙中吸附有水分子，當(dāng)測試溫度升高時，由于水分蒸發(fā)吸收熱量導(dǎo)致出現(xiàn)波動．

圖2(b)為建筑石膏復(fù)合材料的DSC曲線．可以看出，在升溫過程中，建筑石膏復(fù)合材料的相變溫度范圍為21.36～34.52℃，相變潛熱為10.72 J/g；在降溫過程中，建筑石膏復(fù)合材料相變溫度范圍為20.86～32.52 ℃，相變潛熱為12.61 J/g．綜上所述，將溫濕調(diào)節(jié)劑與石膏復(fù)合獲得建筑石膏復(fù)合材料，具有比石膏單純應(yīng)用功能要優(yōu)越的性能，可將其作為建筑內(nèi)墻面深層材料，達(dá)到調(diào)濕控溫效果．

圖2 DSC測試結(jié)果Fig.2 DSC measurement results

2.2 建筑石膏復(fù)合材料調(diào)濕性能結(jié)果與分析

從圖3(a)中看出，在吸濕性能方面的表現(xiàn)為：隨著溫濕調(diào)節(jié)劑摻量增加，建筑石膏復(fù)合材料的平衡吸濕量不斷增強，從圖3(b)中看出，在放濕性能方面的表現(xiàn)為：隨著溫濕調(diào)節(jié)劑摻量增加，建筑石膏復(fù)合材料的平衡放濕量也不斷增強，由此可知，隨著溫濕調(diào)節(jié)劑摻量的增加，建筑石膏復(fù)合材料的平衡吸放濕量都較優(yōu)．當(dāng)溫濕調(diào)節(jié)劑的摻量為40%時，其平衡含濕量為0.046 4～0.047 3 g/g，建筑石膏復(fù)合材料具有較優(yōu)的吸放濕性能．

圖3 不同摻量建筑石膏復(fù)合材料的等溫吸放濕平衡曲線Fig.3 Equilibrium moisture content of different amount of gypsum compound materials

綜上所述，隨著溫濕調(diào)節(jié)劑摻量增加，建筑石膏復(fù)合材料的熱濕綜合性能也得到明顯提高，當(dāng)溫調(diào)節(jié)劑摻量為40%時，建筑石膏復(fù)合材料具有較優(yōu)的溫濕綜合性能．

2.3 建筑石膏復(fù)合材料組成分析

圖4(a)為溫濕調(diào)節(jié)劑的FT-IR測試結(jié)果，可以看出溫濕調(diào)節(jié)劑在2 919.40 cm-1、1 698.91 cm-1、1 433.25 cm-1處出現(xiàn)CA-LA的吸收峰，即反對稱伸縮振動引起的伸縮振動峰、伸縮振動吸收峰、面內(nèi)彎曲振動引起的吸收峰；溫濕調(diào)節(jié)劑在 1 066.47 cm-1和797.30 cm-1出現(xiàn)硅藻土的吸收峰．圖4(b)為水花石膏的FT-IR測試結(jié)果，可以看出在3 543.84 cm-1、3 400.01 cm-1出現(xiàn)H2O的伸縮振動引起的吸收峰；在1 435.93 cm-1出現(xiàn)H2O的彎曲振動引起的吸收峰；在1 111.68 cm-1出現(xiàn)SO42-的不對稱伸縮振動引起的吸收峰，在669.50 cm-1出現(xiàn)吸收峰，歸屬為SO42-的彎曲振動吸收帶．圖4(c)為建筑石膏復(fù)合材料的FT-IR測試結(jié)果，可以看出建筑石膏復(fù)合材料在 2 918.89 cm-1、2 851.05 cm-1、1 709.42 cm-1、1 485.91 cm-1、1 042.07 cm-1、797.96 cm-1均出現(xiàn)了溫濕調(diào)節(jié)劑和水化石膏的吸收峰，建筑石膏復(fù)合材料中出現(xiàn)的水化石膏和溫濕調(diào)節(jié)劑的吸收峰只是位置發(fā)生了轉(zhuǎn)移或強弱發(fā)生了變化，并沒有新特征峰的產(chǎn)生和消失．綜上所述，溫濕調(diào)節(jié)劑通過物理嵌合的方式包裹于水化石膏內(nèi)，并未與溫濕調(diào)節(jié)劑發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)，具有較好的相容性，說明溫濕調(diào)節(jié)劑保持原有的較好的溫濕性，從而實現(xiàn)了建筑石膏復(fù)合材料具有良好的溫濕綜合性能．

圖4 FT-IR測試結(jié)果Fig.4 FT-IR measurement results

2.4 建筑石膏復(fù)合材料孔結(jié)構(gòu)分析

采用壓汞法測量的建筑石膏復(fù)合材料的孔徑分布情況如圖5所示，圖5(a)是建筑石膏復(fù)合材料正常的（歸一化）孔體積，圖5(b)是建筑石膏復(fù)合材料根據(jù)對數(shù)微分入侵體積確定的孔徑分布曲線．從圖5(a)中可知，建筑石膏復(fù)合材料的孔體積主要分布在6～80 μm之間；從圖5(b)中可知，建筑石膏復(fù)合材料的孔徑近似呈現(xiàn)正態(tài)分布，在孔徑為7.8 μm處出現(xiàn)最可幾峰；從表2可看出，建筑石膏復(fù)合材料的孔隙率為 61.86%，總孔容積為0.813 5 mL/g,總孔比表面積為1.356 m2/g，表觀密度為1.994 0 g/mL，平均孔徑2.399 7 μm．因此從孔結(jié)構(gòu)分析，建筑石膏復(fù)合材料中依然存在較多大孔徑孔隙，從而為水分子在建筑石膏復(fù)合材料表面吸附提供了大量空間，使建筑石膏復(fù)合材料具有了較好的吸放濕性能．

2.5 建筑石膏復(fù)合材料形貌分析

圖6(a)和圖6(b)分別為溫濕調(diào)節(jié)劑和建筑石膏復(fù)合材料的SEM測試結(jié)果，從圖6(a)中看出，以硅藻土作為載體的溫濕調(diào)節(jié)劑呈現(xiàn)圓盤狀，說明硅藻土較好的保持了原有的形態(tài)，相變材料通過表面張力和毛細(xì)管的作用吸附進(jìn)硅藻土表面孔隙中，從而形成溫濕調(diào)節(jié)劑．從圖6(b)中看出，溫濕調(diào)節(jié)劑與石膏復(fù)合時，硅藻土吸附 CA-LA形成的定型材料嵌填到了石膏基體孔內(nèi)，并且較為均勻的填充于石膏晶體之間，使建筑石膏復(fù)合材料同時具有熱濕綜合性能．

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)溫濕調(diào)節(jié)劑摻量為 40%時，所制備的建筑石膏復(fù)合材料具有適宜的相變溫度(20.86～34.52℃)和相變潛熱(10.72～12.61 J/g)，滿足建筑室內(nèi)人體對環(huán)境舒適度的要求．

圖5 MIP測試結(jié)果Fig.5 MIP measurement results

表2 建筑石膏復(fù)合材料的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 2 Pore structural parameters of gypsum compound materials

圖6 SEM測試結(jié)果Fig.6 SEM measurement results

(2) 建筑石膏中摻入溫濕調(diào)節(jié)劑為40%時，所制備的建筑石膏復(fù)合材料具有較大的孔隙率(61.86%),且平均孔徑為2.399 7 μm，說明建筑石膏復(fù)合材料中依然存在較大孔徑及孔隙，從而為建筑石膏復(fù)合材料表面吸附水分提供了大量空間，使建筑石膏復(fù)合材料具有了更好的吸放濕性能．

(3) 從FT-IR和SEM的測試結(jié)果表明，溫濕調(diào)節(jié)劑能夠較好的與建筑石膏復(fù)合，并且較為均勻的填充于石膏晶體之間，使建筑石膏復(fù)合材料同時具有熱濕綜合性能．

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