園林景觀用新型納米復(fù)合材料的性能測試及效果分析

錢明琛

(西安交通大學(xué) 城市學(xué)院,陜西 西安 710018)

節(jié)約能源和減少排放是對人類社會有益的最重要的關(guān)鍵活動。如今,人們在園林景觀區(qū)域的時間越來越多,因此對舒適園林景觀設(shè)計需求比以往任何時候都要大[1]。因此,如何設(shè)計降低園林景觀墻面設(shè)計的能耗變得非常重要。且由于納米復(fù)合材料具有一定的力學(xué)性能和儲能能力,在園林景觀中已得到廣泛的應(yīng)用[2]。

對于園林景觀墻設(shè)計節(jié)能來說,考慮的首要因素是節(jié)熱,若溫度太高,會進(jìn)一步影響園林植物生長[3]。然而,對于節(jié)能材料來說,僅有節(jié)熱性能是不夠的,因為空氣的健康質(zhì)量和最佳的空氣濕度對人類及植物也非常重要。其中納米復(fù)合材料n-TiO2-HAp-PEEK在紫外光下能達(dá)到完美的凈化效果,而改性納米復(fù)合材料n-TiO2-HAp-PEEK能去除污染物,因此被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境工程。發(fā)現(xiàn)了異質(zhì)光催化中涉及的基本機(jī)制,如對氧物種和關(guān)鍵中間體的調(diào)查[4]。通過跟蹤氧的價態(tài)變化提出了活性氧化的原理[5]。合成了還原氧化石墨烯修飾的納米復(fù)合材料n-TiO2-HAp-PEEK異質(zhì)結(jié),驗證了光催化反應(yīng)過程中電荷載體的捕獲、重組和轉(zhuǎn)移[6]。上述研究均表明納米復(fù)合材料n-TiO2-HAp-PEEK具有一定的節(jié)能效果。但目前針對納米復(fù)合材料n-TiO2-HAp-PEEK在園林景觀設(shè)計中較少應(yīng)用[7],且隨著園林景觀設(shè)計著重研究建筑園林景觀的節(jié)能效果,將納米復(fù)合材料n-TiO2-HAp-PEEK應(yīng)用于園林景觀設(shè)計中具有一定可行性。

近年來,一些生物材料研究人員調(diào)查并報道了一些重要的合成聚合物,如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰胺(PA)、可堆疊的碳纖維增強(qiáng)聚合物[8],及聚醚醚酮樹脂(PEEK)被有效地應(yīng)用于墻面材料[9]。由此可見,PEEK是1種更活躍的合成高分子材料[10]。且已經(jīng)提出了許多技術(shù),通過使用生物活性納米顆粒的加入來提高聚醚醚酮樹脂的表面粗糙度。將納米級的羥基磷灰石和TiO2顆粒加入到PEEK結(jié)構(gòu)中,可以對園林景觀墻面材料的力學(xué)性能和生物活性產(chǎn)生積極影響。基于此在本研究中,設(shè)計了1種n-TiO2與磷灰石/PEEK(n-TiO2-HA/PEEK)的納米復(fù)合墻面材料,為園林景觀設(shè)計墻面提供參考。

1 新材料設(shè)計制備及應(yīng)用性能測試

1.1 n-TiO2-HAp-PEEK納米復(fù)合材料的設(shè)計

將20 g硝酸鈣(Ca(NO3)2.4H2O)加入250 mL去離子水中制備硝酸鈣懸浮液,然后在磁力攪拌下將質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的聚醚醚酮樹脂(PEEK-380G)加入上述制備的硝酸鈣懸浮液中[11-13],在溫度90 ℃下攪拌15 min。然后,將質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%磷酸水溶液加入混合溶液中,并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%氨水(NH4OH),以在反應(yīng)過程中提供基本條件。異丙醇鈦(Ti[OCH(CH3)2]4)溶液(純度97%)(1 mol/L)由異丙醇(純度99%)(0.7 mol/L)與乙酰丙酮(純度98%)(4 mol/L)作為水解調(diào)節(jié)劑以1∶0.70∶4的比例制備。最后,在連續(xù)攪拌下,將制備的異丙醇鈦混合物加入上述混合的HAp-PEEK溶液中,持續(xù)攪拌1 h。將制備的納米復(fù)合材料n-TiO2-HA-PEEK的膠體預(yù)制成空心圓柱形支柱。并在支架的壁上設(shè)計幾個直徑為1 mm的孔,為了加強(qiáng)與椎體的相互作用面[14],所制備的支柱的底部邊界有1個鋸齒狀的輪廓。

1.2 光催化性能測試

在園林景觀環(huán)境室中測試了納米復(fù)合材料n-TiO2-HA-PEEK的光催化性能。降解的反應(yīng)物是氣態(tài)的甲醛,初始質(zhì)量濃度為1 mg/m3。環(huán)境室的溫度為(25±0.5)℃,相對濕度為(45±5)%。環(huán)境室的容量為1 cm3,在石膏板上裝載2 g樣品。功率為100 W的太陽燈被放置在石膏板上方50 cm處。在環(huán)境室的頂部有1個風(fēng)扇,其運(yùn)行速度為0.4 m/s,以保持均勻的空氣速度。在環(huán)境室中的氣態(tài)甲醛穩(wěn)定后,打開陽光燈,開始進(jìn)行光催化降解試驗。標(biāo)準(zhǔn)化符合室內(nèi)空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),采用的分析方法是分光光度法。測試每小時的甲醛濃度需要空氣(1 L),實驗時間為6 h。

1.3 應(yīng)用測試

2個園林景觀封閉區(qū)域被用于測試園林景觀墻面材料,唯一的區(qū)別是內(nèi)墻的表面材料。實驗室墻面使用的是以納米復(fù)合材料n-TiO2-HAp-PEEK為基礎(chǔ)的功能材料,而對比房間則使用石膏作為內(nèi)墻的表面材料。每個園林景觀封閉區(qū)域的內(nèi)墻表面積約為45.51 m2、36.20 m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米復(fù)合材料性能效果分析

(a)PEEK

通過X射線衍射圖如圖1(b)研究了涂有二氧化鈦的HAp-PEEK納米復(fù)合材料的相結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度。X射線衍射圖中的尖銳峰和細(xì)小峰表明:TiO2-HAp-PEEK納米復(fù)合材料中存在結(jié)晶性的TiO2,而一些較小和較寬的峰則表明HAp相的無定形性質(zhì)。根據(jù)該XRD圖像,在25.5°(101)、47.8°(200)和54.4°(211)處檢測到的衍射峰表明了納米二氧化鈦顆粒的存在,通過這些衍射峰的強(qiáng)度和清晰度的提高,證實了在納米二氧化鈦的幫助下形成了更多的結(jié)晶性結(jié)構(gòu)。且TiO2嵌入HAp/PEEK的結(jié)果顯示了更廣泛的噪音峰,這可能是由于在納米復(fù)合材料基體中出現(xiàn)了大量的無定形聚醚醚酮樹脂聚合物化合物[16]。n-TiO2-HAp/PEEK納米復(fù)合材料的無定形峰也可能是由于n-TiO2和羥基磷灰石(HAp)納米顆粒被聚醚醚酮樹脂聚合物決定性地捕獲和結(jié)合,阻止了衍射過程。XRD結(jié)果表明:在合成過程中,結(jié)晶良好的TiO2和磷灰石顆粒被有效地包裹在無定形的聚醚醚酮樹脂(PEEK)材料上。

2.2 園林景觀對照室與試驗室的濕度性能效果分析

相對濕度是評價園林景觀設(shè)計中環(huán)境舒適度的另一個重要因素,特別是當(dāng)環(huán)境溫度高于或低于人類舒適范圍時。通常情況下,納米復(fù)合材料會阻止園林景觀設(shè)計墻面的濕度控制性能。且n-TiO2-HAp-PEEK復(fù)合材料是一種多孔材料,表面有大量的羥基,可以有效地提高了園林景觀墻的濕度控制性能[17]。

如圖2(a)所示,實驗室外墻外表面的相對濕度的波動非常大,主要在35.60%～70.80%內(nèi)波動,波動差為35.20%。與此相比,實驗室外墻內(nèi)表面的相對濕度在40.30%～60.10%。波動差為19.80%,明顯比園林景觀外墻的波動小。且外墻內(nèi)表面的最大(最小)相對濕度低于(高于)外表面,最大的相對濕度差異為7.50%(14.60%)[18]。因此,墻體可以防止過多的相對濕度波動,將內(nèi)表面的相對濕度保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。此外,相對濕度的范圍是在人類及植物舒適的范圍內(nèi)。因此納米復(fù)合材料為進(jìn)一步調(diào)整園林景觀空氣提供了一個有利的范圍。圖2(b)為對照室外墻外表面的相對濕度,其范圍也比實驗室外墻外表面的小,對照室最大相對濕度為64%,實驗室最大相對濕度為56%,下降約12.5%,這主要是由于墻體的隔離性和納米復(fù)合材料的控濕性能。此外,從圖2(b)還可以觀察到,對照室的最大和最小相對濕度的峰值都比實驗室的要高和低,其中對照室最小相對濕度為42%,實驗室最小相對濕度為40%,下降約4.7%。進(jìn)一步表明對照室外墻內(nèi)表面的相對濕度容易受到室外相對濕度的影響。因此,納米復(fù)合材料風(fēng)景園林墻體的防潮性能要優(yōu)于普通風(fēng)景園林墻體,使用納米復(fù)合材料的目的是為了控制園林空氣的相對濕度。

(a)實驗風(fēng)景、外墻相對濕度比較

2.3 園林景觀墻面材料的光催化性能效果分析

每個試驗室的體積為51.84 m3(4.8 m×3.6 m×3 m),設(shè)定每個園林景觀區(qū)域都充滿51.84 mL的氣態(tài)甲醛。2個園林景觀區(qū)域都保持關(guān)閉,以保持1 mL/m3的初始甲醛質(zhì)量濃度。且設(shè)定園林景觀墻面頂部的風(fēng)扇以0.4 m/s的速度運(yùn)行,以保持園林景觀區(qū)域內(nèi)的空氣流動。試驗結(jié)果如圖3所示。

(a)第1 d光催化速率

第1 d園林景觀實驗室的甲醛質(zhì)量濃度為0.314 4 mg/m3,而對比室為0.652 4 mg/m3(圖3(a))。因此,對比室中的甲醛濃度也有下降。這可能歸因于相變材料的多孔性,對甲醛有良好的吸附能力,通常是一個物理吸附過程,最終可以達(dá)到吸附-解吸平衡。隨著試驗時間增加,第10 d空氣中的甲醛含量較低時,園林景觀試驗室最低甲醛濃度為0.52 mg/m3,而園林景觀對照室最低甲醛質(zhì)量濃度為0.12 mg/m3,較第1 d甲醛質(zhì)量濃度分別下降16.72%、19.65%,主要由于納米復(fù)合材料中的甲醛會通過孔隙逸出,直到再次達(dá)到動態(tài)平衡[19]。而含有n-TiO2-HAp-PEEK微球的納米復(fù)合材料可以將甲醛分解為二氧化碳和水,有助于園林景觀植物生長。且這個過程對于甲醛遷移到納米復(fù)合材料的表面。因此,在相同的時間內(nèi),園林景觀實驗室的甲醛含量比對比室的甲醛含量低得多。試驗第10 d時,園林實驗室的甲醛質(zhì)量濃度為0.1724 mg/m3(圖3(b))。試驗結(jié)束后,僅有0.087 6 mg/m3,符合GBT 16127—1995標(biāo)準(zhǔn)的要求(0.080 0 mg/m3)。同時,園林對比室中的甲醛質(zhì)量濃度為0.431 6 mg/m3,幾乎沒有發(fā)生任何變化。在特定的環(huán)境條件下,達(dá)到了相變材料的平衡吸收狀態(tài)。與普通園林景觀墻體的比較表明,甲醛降解率可以稍低一些,但設(shè)置條件對降解率有很大影響。

2.4 園林景觀墻面材料吸光性能效果分析

園林景觀墻面材料吸光性能采用Ecotec軟件[20],構(gòu)建不同吸光模型,并使用Radi ance功能計算園林景觀墻面材料吸光性能。不同吸光下園林景觀墻面材料吸光性能的平面內(nèi)分布如圖4所示。對照室吸光分布與實驗室在四周相似;且沿墻體向園林景觀中心方向逐漸減小。且對照室下方區(qū)域的園林景觀吸光相對較低,分布均勻。在距墻面1.5～3.5 m的區(qū)域內(nèi),園林景觀墻面材料吸光沿墻體向園林景觀中心先逐漸增大后迅速降低。

(a)對照室

利用Ecotec軟件對園林景觀吸光性和日光均勻性進(jìn)行統(tǒng)計計算,進(jìn)一步比較各種吸光方案的優(yōu)缺點,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 不同吸光模式的平均吸光性值和日光均勻性值

由表1可知,帶有高側(cè)窗的平天窗條件下的吸光性和日光均勻性數(shù)值最高,表明對照室有利于光線均勻分布在園林景觀中,可以使游客充分借助陽光觀看植物,有效降低能耗。且可觀察到兩種情況下的平均吸光性相似,均滿足規(guī)范要求。日光均勻性最大值出現(xiàn)在對照室,其次是實驗室,而整個園林景觀空間的吸光性均勻性最好的是對照室。因此,納米復(fù)合材料n-TiO2-HAp-PEEK墻面可以為園林景觀展覽空間提供較為均勻的采光。

3 結(jié)語

在本文的研究中,成功地設(shè)計了n-TiO2-HAp-PEEK納米復(fù)合材料園林景觀墻面材料。所制備的n-TiO2的HAp/PEEK納米復(fù)合新型材料可為園林景觀墻面材料設(shè)計提供參考依據(jù)。通過對比園林景觀封閉區(qū)域,可以發(fā)現(xiàn)園林實驗室的室內(nèi)空氣相對濕度比對比室的更穩(wěn)定。使用納米復(fù)合材料的園林景觀設(shè)計會消耗更少的能源,有利于風(fēng)景園林設(shè)計節(jié)能環(huán)保,墻面材料具有較好的吸光性能,有利于植物更好的進(jìn)行光合作用。同時納米復(fù)合材料可以有效地降解初始質(zhì)量濃度為1 mg/m3的氣態(tài)甲醛。經(jīng)過不同時間的測試,降解率達(dá)到68%。該材料符合設(shè)計要求,是園林景觀用理想的材料之一。