建筑石膏復合材料的調溫調濕性能研究

尚建麗，宋冬毅，麻向龍，張 磊，張 浩，熊 磊

（西安建筑科技大學材料與礦資學院 陜西 西安 710055）

室內環境舒適度與室內環境的溫度、濕度密切相關[1]．因此，長期以來人們為了滿足室內環境舒適度的需求，采取了很多主動式的改善方法，如采取采暖、制冷和調濕設備進行溫度或濕度控制，這種極大的依賴主動調節方式必然會消耗大量能源，因此，為了降低主動調節方式對建筑能耗的影響，許多學者研究在建筑圍護結構材料中摻入相變材料[2]或多孔材料[3]，使建筑圍護材料具有相變儲能的作用，從而降低人們對于采暖、制冷及調濕設備的消耗，同時降低能耗，達到建筑節能的目的[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/膨脹石墨復合相變材料，將這種復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環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，調濕材料研究相對薄弱，無法同時有效調節室內環境溫濕度[7-10]．

鑒于上述分析，本文基于課題組前期的研究成果[11-14]，即具有制備調溫調濕性能的調節劑．旨在尋求價格低廉且適合建筑領域實際應用的調溫調濕建筑材料．以建筑石膏作為基體材料，將溫濕調節劑摻入石膏基體材料中，制備建筑石膏復合材料．并對建筑石膏復合材料進行調溫調濕性能測試與分析，為調溫調濕建筑材料在建筑節能中研究與應用提供依據．

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材料．以建筑石膏作為基體材料，具有一定的工程應用意義，本試驗選用西安市西京新型建材有限公司所生產的石膏．

自制溫濕調節劑：本文以多孔硅藻土吸附相變材料 CA-LA作為溫濕調節劑材料，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，該溫濕調節劑具有良好的熱性能和濕效應．

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型電熱鼓風干燥箱、CENTER304/309型熱電偶．

1.2 建筑石膏復合材料的制備

選用建筑石膏作為基體材料，稱取了不同質量分數（10%、20%、30%、40%）的溫濕調節劑，將其摻入到石膏基體材料中，經試驗對比，為了滿足合適的流動性以及孔結構的可比性，水膏比為0.66:1，攪拌均勻．

(1) 根據標準《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℃下養護24 h，作為調濕性測試試件．

(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℃下養護24 h，作為調溫性測試試件．

1.3 調濕調濕性能測試

1.3.1 調濕性能測試

具體測試步驟如下：①將試樣放入經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的連續三次稱量，當質量的變化小于總質量的0.1%，即認為達到了恒重．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．定期稱量試樣，直至試樣達到濕平衡．按照平衡含濕量計算公式進行計算．上述測試的相對濕度區間為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合材料組成；采用美國FEI公司生產的Quanta 200型掃描電鏡觀測復合材料形貌；采用美國TA 2910型差示掃描量熱儀及美國麥克公司生產的Auto Pore Ⅳ9500型壓汞儀分別測試復合材料的相變溫度、相變潛熱及孔結構、孔隙．

2 結果與討論

2.1 建筑石膏復合材料調溫性能結果與分析

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

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

為了進一步驗證 “時間-溫度”坐標系法對建筑石膏復合材料調溫性能的測試，本文采用 DSC對其相變溫度和相變潛熱進行測試，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，當測試溫度升高時，由于水分蒸發吸收熱量導致出現波動．

圖2(b)為建筑石膏復合材料的DSC曲線．可以看出，在升溫過程中，建筑石膏復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，將溫濕調節劑與石膏復合獲得建筑石膏復合材料，具有比石膏單純應用功能要優越的性能，可將其作為建筑內墻面深層材料，達到調濕控溫效果．

圖2 DSC測試結果Fig.2 DSC measurement results

2.2 建筑石膏復合材料調濕性能結果與分析

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

圖3 不同摻量建筑石膏復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，隨著溫濕調節劑摻量增加，建筑石膏復合材料的熱濕綜合性能也得到明顯提高，當溫調節劑摻量為40%時，建筑石膏復合材料具有較優的溫濕綜合性能．

2.3 建筑石膏復合材料組成分析

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

圖4 FT-IR測試結果Fig.4 FT-IR measurement results

2.4 建筑石膏復合材料孔結構分析

采用壓汞法測量的建筑石膏復合材料的孔徑分布情況如圖5所示，圖5(a)是建筑石膏復合材料正常的（歸一化）孔體積，圖5(b)是建筑石膏復合材料根據對數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，建筑石膏復合材料的孔徑近似呈現正態分布，在孔徑為7.8 μm處出現最可幾峰；從表2可看出，建筑石膏復合材料的孔隙率為 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．因此從孔結構分析，建筑石膏復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合材料表面吸附提供了大量空間，使建筑石膏復合材料具有了較好的吸放濕性能．

2.5 建筑石膏復合材料形貌分析

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

3 結論

(1) 當溫濕調節劑摻量為 40%時，所制備的建筑石膏復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)，滿足建筑室內人體對環境舒適度的要求．

圖5 MIP測試結果Fig.5 MIP measurement results

表2 建筑石膏復合材料的孔結構參數Tab. 2 Pore structural parameters of gypsum compound materials

圖6 SEM測試結果Fig.6 SEM measurement results

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

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

References

[1] HUYNH C K. Building energy saving techniques and indoor air quality: a dilemma [J]. International Journal of Ventilation, 2010,9(1):93-98.

[2] TOMMASO T, LIVIO M. Gypsum based composite materials with micro-encapsulated PCM: Experimental correlations for thermal properties estimation on the basis of the composition[J]. Energy and Buildings.2013, 57:227–236.

[3] 鄭佳宜, 陳振乾. 硅藻土基調濕建筑材料的應用仿真模擬[J]. 東南大學學報(自然科學版),2013.43 (4):840-844.ZHENG Jiayi, CHEN Zhenqian. Application analogue simulation of diatomite-based humidity control building material. Journal of southeast university ( Natural Science Edition), 2013.43 (4): 840-844.

[4] DENG A Z, LI S B, ZHUANG C L, et al．Research on lightweight PCM thermal-storing wall-material [J]. Journal of Building Materials,2008, 11(5):541-544.

[5] 施 韜,孫 偉,王倩楠.潛熱儲能石膏基建筑材料的制備及其儲(放)熱行為研究[J].功能材料,2009,40(6):970-973 SHI Tao , Sun Wei , Wang Qiannan. Study on preparation and thermal performance tests of latent heat storage gypsums. functional materials. 2009 ,40(6):970-973.

[6] Ana M B, Ignacio G, José L V, et al. Development of smart gypsum composites by incorporating thermo regulating microcapsules[J]. Energy and Buildings 2014,76 :631–639.

[7] Ahmet S. Composites of polyethylene glycol (PEG600)with gypsum and natural clay as new kinds of building PCMs for low temperature-thermal energy storage[J]. Energy and Buildings. 2014,69 :184–192.

[8] Alper B, Ahmet S. New kinds of energy-storing building composite PCMs for thermal energy storage [J]. Energy Conversion and Management.2013, 69: 148–156.

[9] 冉茂宇. 日本對調濕材料的研究及應用[J]. 材料導報,2002,16(11):42-44.RAN Maoyu. Review of Research and Application of Air Humidity Controlling Materials in JaPan. Materials Review. 2002, 16(11):42-44.

[10] 鄭希,居勝,馮華峰,等. 羧甲基纖維素鈉/甲殼素基復合調濕材料的制備與表征[J].2014, 45(21):21149-21153.ZHANG Xi, JU Sheng, FENG Huafeng, et al. Preparation and characterization of humidity-controlling materials of sodium carboxymethyl cellulose and chintin. functional materials. 2014,45(21):21149-21153.

[11] 尚建麗, 王思, 董莉. PAR/POL/SOD復合微膠囊的制備及熱濕性能研究[J]. 功能材料，2013,44(8)：1141-1144.SHANG Jianli,WANG Si,DONG Li. Prepared of PAR/POL/SOD-composite-wall microencapsulated and research of energy storage and humidity-control performance. functional materials. 2013,44(8):1141-1144.

[12] 尚建麗，張浩，董莉，等.雙殼微納米相變膠囊／石膏復合材料等溫吸放濕特性及機理研究[J].2015,46(2):2084-2088.SHANG Jianli, ZHANG Hao, DONG Li, et al. Study on isothermal sorption property and mechanism of gypsum-based composite with double-shell phase change micro-nano capsules. functional materials, 2015, 46(2):2084-2088.

[13] 尚建麗,李喬明, 王爭軍. 微膠囊相變儲能石膏基建筑材料制備及性能研究[J].太陽能學報，2012,33(12)：2140-2144.SHANG Jianli, LI Qiaoming, WANG Zhengjun. Preparation and thermal performance tests of microencapsulated gypsum-based phase change building material. Acta Energiae Solaris Sinica. 2012,33(12):2140-2144.

[14] SHANG Jianli, LI Qiaoming, WANG Zhengjun, et al.Preparing and studying of phase change energy storage materials[J]. Shanghai Jiaotong Univ. (Sci.), 2010, 15(6):668-670.