水熱合成海泡石復合調濕材料的研究

摘 要：本研究以海泡石粉和竹屑為原料，添加適當添加劑，利用水熱固化技術，在低溫（<200℃）下合成了具有一定強度的多孔復合調濕材料。并研究了竹屑添加量，水熱反應溫度和水熱處理時間對材料固化及其調濕性能的影響。

關鍵詞：海泡石；水熱固化；托勃莫來石；調濕

1 概述

空氣相對濕度是衡量室內環境的一項重要參數，為了追求相對舒適的生活環境，人們采取了各種方法來控制濕度，不需要借助任何人工能源和機械設備，能夠依靠自身的吸放濕特性感應空氣的濕度變化并自動調節空氣相對濕度的“調濕材料”[1]應運而生。

調濕材料種類繁多，其中海泡石作為一種多孔無機礦物調濕材料已經被廣泛研究。郭振華等[2]采用物理和化學方法對天然海泡石材料進行纖維剝離和活化處理，使其具有理想的自調濕性能。呂榮超等[3，4]研究認為，海泡石和白水泥復合調濕材料可以使一定環境內濕度穩定在40%～50%，并對環境礦物材料海泡石、硅藻土、沸石等的吸放濕能力進行了比較系統的實驗研究，發現海泡石在強于同比條件下的沸石和硅藻土。而竹子等木材也因為其優良的調濕性能被廣泛應用于建筑及裝飾裝修材料中，而其碳化產物竹炭也由于其獨特的吸附性能被廣泛應用于日常生活中，其作為調濕材料的可能性也具有廣泛的研究前景。李文彥[5]等人以竹炭、硅藻土和粘土為原料，制備出孔洞規則均勻，具有高強度高吸水率的含炭建筑材料，有望成為一種新型的內墻功能裝飾材料。

本研究以海泡石和竹屑為原料，利用水熱固化技術在較低溫度（<200℃）下，合成具有一定調濕性能的復合材料，并研究了竹屑添加量，水熱反應溫度和水熱處理時間對材料固化及其調濕性能的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

200目未活化海泡石粉；氫氧化鈣（AR）；竹糠；MgCl2？6H2O（AR）、NaCl（AR）。

2.2 樣品制備與表征

將一定量干燥的海泡石粉、氫氧化鈣、竹屑，混合均勻，然后加入質量分數10%的去離子水，再次混合均勻，在30MPa的壓力下壓制成型。脫模后放入水熱反應釜，在不同溫度下水熱處理0～24h，得到所需樣品。

采用三點彎曲測試法測量樣品的抗折強度（XQ-106A型萬能材料試驗機）。對樣品進行X射線衍射測試（XRD）（Rigaku Ultima IV X射線衍射儀，Cu Kα，40mA，40KV，6°/min，2θ為5～65°）。場發射環境掃描電鏡 （FE-SEM），（FEI Quanta 200FEG）進行樣品微觀形貌分析。

2.3 調濕性能測試

用鋁箔紙將水熱處理后的樣品下表面及側面完全包裹，僅留出上表面作為水蒸氣吸放測試面，采用濕度應答法[6]進行樣品的吸放濕性能測試。試驗裝置示意圖如圖1所示，通過天平測得樣品質量變化表示樣品的吸放濕性能。

圖1 吸放濕性能測試實驗裝置示意圖

3 結果與討論

3.1 竹屑添加量對材料固化的影響

為研究竹屑添加量對材料固化的影響，使用的實驗條件為添加質量分數為28%的氫氧化鈣，添加質量分數為30%的水，成型壓力30MPa，水熱溫度200℃，反應12h。樣品抗折強度隨竹屑添加量變化如圖2所示。

圖2 不同竹屑添加量樣品的抗折強度

從圖2中可以看出，隨著竹屑添加量的增加，樣品強度逐漸降低。不添加竹屑固化的樣品強度最高，達15.6MPa，當添加5%竹屑時，樣品強度下降到10.7MPa，而當添加15%時，樣品強度僅為4.4MPa。

圖3 不同竹屑添加量樣品的XRD

不同竹屑添加量樣品的XRD圖譜分析見圖3。當樣品中竹屑添加量為0%時，XRD圖譜中可以看到明顯的托勃莫來石峰，當竹屑添加量逐漸增多時托勃莫來石峰強逐漸變弱。隨著竹屑添加量增大，生成的托勃莫來石相減少，可能為強度下降的主要原因。希望材料具有較高強度，因此選用5%竹屑添加量進行后續實驗研究。

3.2 水熱反應溫度對材料固化及調濕性能的影響

圖4 不同反應溫度樣品的抗折強度

圖4給出了反應溫度對固化體強度的影響。可以看出，150℃時樣品強度最低，僅有8.8MPa； 200℃時，樣品強度最高，達10.7MPa；220℃時強度又有下降，降為9.4MPa。

不同反應溫度樣品的XRD圖譜可見圖5。可以看出，在150℃時，反應生成水化硅酸鈣凝膠（CSH），此時樣品強度主要由CSH凝膠提供。200℃時，生成一定量托勃莫來石，托勃莫來石提供了最大強度。當反應溫度升為220℃時，托勃莫來石的峰變強，海泡石的衍射峰明顯減弱，說明此時生成了大量托勃莫來石，海泡石基本消失。大的托勃莫來石的生成以及其結晶度的提高，可能導致了強度下降。

圖6不同反應溫度樣品的調濕性能

圖6為150℃，200℃，220℃的反應溫度下樣品調濕性能的比較，150℃下反應的樣品吸濕量最大，220℃樣品其次，200℃樣品吸濕量相對較低。結合XRD圖進行分析，在150℃的溫度下，樣品中保留了大量多孔的海泡石礦物相，并且生成了CSH凝膠，此時材料的孔性能很好，具有較強的調濕性能；在200℃的溫度下，保留了一少部分海泡石，生成的托勃莫來石也不及220℃下生成的多，因此調濕性能相對較差；在220℃的溫度下，生成大量大塊的托勃莫來石，此時材料的孔性能較少依賴于未完全反應的海泡石，較多的依賴于生成的托勃莫來石的大量的晶間孔。

3.3 水熱反應時間對材料固化及調濕性能的影響

在220℃下，水熱反應時間對樣品抗折強度的影響如圖7所示，樣品抗折強度隨反應時間增長而增加，12h時達到最強，24h又有所降低。

圖7 不同反應時間樣品的抗折強度

不同反應時間樣品的XRD圖譜見圖8，6h時海泡石的峰明顯減弱，石英和氫氧化鈣的峰就已基本消失，托勃莫來石的開始生成，提供樣品的強度，12h時，托勃莫來石峰繼續增強，此時樣品強度達到最大，直到24h時，托勃莫來石的峰達到最強，此時，仍然保持有部分海泡石，此時強度下降則可能是由于大塊的托勃莫來石形成，體積膨脹使得致密度下降。

圖9是220℃下水熱反應24h的電鏡照片，在此溫度下，24h時樣品強度下降更明顯，結合電鏡照片分析原因，一方面由于托勃莫來石體積因素導致樣品強度降低，另一方面，添加的竹屑在此溫度下發生一定程度的氧化，導致二者界面處產生一定程度的坍塌，二者結合變差，而強度下降明顯。

圖9 220℃反應24h樣品的FESEM

圖10 不同反應時間樣品的調濕性能

圖10為220℃的水熱溫度下，反應不同時間的樣品的調濕性能。從圖中可以看出反應不同時間的樣品起始時的應答速度基本一致，而最大吸濕量，未水熱樣品略微低于其他三者。對于放濕性能，24h樣品明顯優于其它樣品。結合XRD及SEM圖推測可能由于24h樣品托勃莫來石晶體孔結構發育完全，利于吸放濕。

4 結合語

（1）通過水熱固化技術將海泡石與竹屑合成一種孔結構優良具有調濕性能的復合材料；（2）隨著竹屑添加量增多，樣品強度逐漸降低，海泡石反應程度降低；（3）不同水熱溫度下，200℃樣品強度最高，達10.7MPa，220℃樣品調濕性能最好；（4）220℃的反應溫度下，不同時間樣品最大吸濕量基本相同，略大于未水熱樣品，24h樣品的放濕性能最優。

參考文獻

[1]西藤宮野.屋內濕度變化と壁體材料[R].日本建筑學會研究報告，1949，3：21-25

[2]郭振華，尚德庫，梁金生，等.海泡石纖維自調濕性能的研究[J].功能材料，2004，35（Z1）：2603

[3]呂榮超，冀志江，張連松，等.海泡石應用于調濕材料的研究[J].巖石礦物學，2005，24（4）：32

[4]呂榮超.海泡石、硅藻土、沸石作為調濕建筑材料的基礎研究[D].北京：中國建筑材料科學研究總院，2005.

[5]李文彥，楊輝，郭興忠，等.用竹炭和硅藻土為原料制備含炭建筑材料[J].材料科學與工程學報，2011，29（1）：7-11.

[6]JISA1470-1.調濕建材の吸放濕試験方法[M].第1部：濕度応答法.日本規格協會.