海泡石/聚丙烯酸钠复合调湿涂料的制备及性能研究

王汉青，杨荣郭，王正祥，康良麒，周慧文

（1. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2. 湖南工业大学 包装与材料工程学院，湖南 株洲 412007）

0 引言

随着社会的进步，物质生活水平的提高，人们对于室内空气品质、人居环境舒适度的要求逐渐提高，希望获得一个舒适健康的人居环境。人的一生当中，有90%的时间是在室内度过的[1]，因此，室内空气品质的好坏直接关系到人们的身体健康。尤其是对夏热冬冷地区室内外气候环境而言，湿度的控制调节与温度的控制调节处于同等地位[2]。根据相关统计资料表明[3]，空调系统中，用于除湿所消耗的能源占到整个空调能耗的20%～40%。借助调湿材料的吸放湿特性实现空气湿度的调节，是一种被动式生态环保性方法，不需要消耗不可再生能源[4]。研究开发与应用具有较好自动调节空气湿度的调湿涂料，对提高人居环境舒适度、节约不可再生能源、促进生态环境的可持续发展等具有十分重要的意义[5]。

本文根据建筑涂料的配方设计原则及涂料制备工艺，制备了16组无机高分子复合调湿涂料样品，对制得的样品进行涂刷，测试了涂料样品的调湿性能。

1 试验原料及仪器

1.1 原料及试剂

苯丙乳液购自衡阳冯氏黏合剂有限公司； 海泡石购自湖南浏阳光大海泡石厂；TiO2化学纯；CaCO3化学纯；高吸水性树脂（supper absorbent polymer，SAP）聚丙烯酸钠购自湖南汉润材料发展有限公司；PE40NV和CP40分散剂购自浙江林安科达涂料化工研究所；PE100润湿剂；NS801，SD20消泡剂；AB718，PU40增稠剂。

1.2 试验仪器

JA2003型电子天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；HH-WO型水浴锅：巩义市予华仪器有限责任公司；D971型电动搅拌器：郑州长城科工贸有限公司；101-1AB型鼓风干燥箱：天津市泰斯特仪器有限公司；DZF-6090型真空干燥箱：上海三发科学仪器有限公司；HT402型恒温恒湿箱：无锡伯乐达试验设备有限公司；SDF400型分散研磨机：常州市腾蛟机械厂；玻璃片规格为114mm×133mm。

2 试验方法与检测步骤

2.1 复合调湿涂料样品的制取方案

本文采用正交化试验方案设计原则制备涂料样品[6]，将涂料组成成分作为影响涂料性能的因素，每个因素选择4个水平，因素水平设计如表1所示。根据5因素4水平选择正交设计表格，最后选择正交表L16（45），制取16组样品，试验配方比例见表2。

表1 复合调湿涂料配方水平表Table1 Formulation levels for composite humidity-controlling coatings

表2 复合调湿涂料配方试验正交表Table2 Formulation test orthogonal table of composite humidity-controlling coatings

2.2 复合调湿涂料样品制取步骤

以试验编号1为例，说明复合调湿涂料样品制取的试验步骤，其它试验样品制取步骤一样。1号试验配方为：120g苯丙乳液+1g SAP+20g海泡石+40g TiO2+60gCaCO3+助剂，试验步骤如下。

1）分散颜填料和海泡石

用天平称取20g海泡石、40gTiO2、60gCaCO3，混合倒入700mL的烧杯中，加适量蒸馏水，在分散研磨机上研磨，转速为800r/min，分散10min，期间用滴液管滴加2g CP40分散剂、2g PE40NV分散剂和2g PE100润湿剂

2）加入高吸水性树脂聚丙烯酸钠

用精密天平称取1g SAP聚丙烯酸钠，将其加入到100mL 80℃的蒸馏水中，搅拌溶解后加入上述分散研磨的颜填料中，提高转速至2500r/min，高速分散15～20min，期间加入2g NS801和SD20消泡剂。

3）调漆

待颜填料分散均匀，细度达到要求后，降低分散研磨机转速至500r/min，用天平称取120g苯丙乳液，加入低速分散的颜填料中，低速搅拌5min。根据涂料的黏稠度，加入适量的AB718增稠剂和微量的NS801，SD20消泡剂，将涂料调节至适当黏稠度并消除涂料中的泡沫。最终得到涂料成品，用广口试剂瓶盛放，样品编号命名为1号。

2.3 无机矿物高分子复合调湿涂料吸湿性能检测

1）样品预处理

涂料样品放置48h后，即可进行涂覆。将16块尺寸为114mm×133mm的玻璃片擦拭干净，在干燥箱烘干，用精度为0.001g的精密电子天平称取各块玻璃片的净重m0i（i=1, 2,…, 16）。将16个样品分别涂覆在16块玻璃片上，自然环境下干燥成膜，再置于真空干燥箱中充分干燥后，用电子天平称取各样品的初始质量m1i（i=1, 2,…, 16）。

2）吸湿性能测试

将16个样品先后置于相对湿度为40%，60%，70%，90%，温度为25℃的恒温恒湿箱中进行吸湿，选取若干个时间点称取样品的质量m2i（i=1, 2,…, 16），算出各个样品的吸湿量m2i-m1i。40%湿度环境中的时间点为0, 2, 5, 18h ；60%湿度环境中的时间点为0, 5,8, 18 h ；70%湿度环境中的时间点为0, 10, 25 h ；90%湿度环境中的时间点为0, 8, 26, 47, 51 h。在各湿度环境中，最后的吸湿时间点的样品质量m2i变化不大，说明样品达到吸湿饱和，在90%湿度环境中吸湿51h后，样品的质量趋于稳定，表示样品吸湿达到饱和。此时，称取样品吸湿饱和后的质量m′3i。

根据玻璃片净重m0i和样品干燥后玻璃片质量m1i，算出各样品试样中涂料干燥后的质量m2i-m0i；根据涂料样品在不同湿度环境下各时间点记录的样品质量m2i，算出各样品的吸湿量m2i-m1i，并算出其相应的吸湿率ij，即

3）放湿性能测试

样品在90%湿度环境下吸湿饱和后，将样品先后置于相对湿度为50%, 45%, 35%，温度为25℃的恒温恒湿箱进行放湿，选取若干个时间点称取样品质量m4i，算出其放湿量m3i-m4i。50%湿度环境下时间点为0, 20, 24h ；45%湿度环境下时间点为0, 20h ；35%湿度环境下时间点为0, 3, 22, 32h。

根据样品吸湿饱后总质量m′3i和玻璃片净质量m0i，算出饱和涂料总重M总=m′3i-m0i；根据涂料样品在不同湿度环境下各个时间点记录的样品质量m4i，算出各样品的放湿量m′3i-m4i，并算出各个样品的放湿率ηij，即

3 试验结果与分析

3.1 样品的吸湿/放湿曲线

在此仅列出各样品在不同湿度环境下的饱和吸湿率和饱和放湿率，所得结果见表3，相应的等温吸湿率曲线如图1所示，等温放湿率曲线如图2所示。

表3 样品饱和吸湿率/放湿率数据Table3 Moisture absorption/ desorption rate of samples

图1 样品的等温吸湿曲线Fig.1 Isothermal moisture curve of samples

由表3和图1可知，16个样品的吸湿率随着相对湿度的增大而提高，且湿度为90%环境中，最后时间点51h时，涂料样品的质量趋于稳定，表示样品达到吸湿饱和；当空气的相对湿度低于60%时，涂料样品的吸湿能力较低，样品吸湿率介于1%～3%之间；当空气的相对湿度达到70%以上，涂料的吸湿能力明显提高，并且随着湿度的增大，涂料吸湿能力越强；4号样品的吸湿率在90%湿度环境中达到了14.941%；吸湿效果较好的样品编号依次为4, 14, 6，吸湿效果较差的样品编号依次为7, 3, 8。

图2 样品的等温放湿曲线Fig.2 Isothermal desorption curve of samples

由表3和图2可得知，涂料样品的放湿率随着相对湿度的降低而升高，且在各湿度环境下，最后时间点的样品质量趋于稳定，表明此时样品放湿达到饱和，在35%湿度环境下放湿32h后，涂料样品质量趋于稳定，说明样品放湿达到稳定；在50%湿度环境中，除了样品4外，样品放湿率介于1%～4%；而在35%湿度环境中，涂料样品的放湿率明显提高，介于2%～5%，样品4的放湿率更是达到了12.222%，样品4的放湿能力明显优于其它样品，为其它样品的3～4倍，在50%湿度环境中就已经达到10.347%，为其它样品的4～5倍；样品中，放湿能力较强的依次为4, 14, 6；放湿能力较弱的依次为7, 3, 8。

对比涂料样品的等温吸湿曲线和等温放湿曲线可知：涂料样品的吸湿率高于放湿率，说明涂料样品的吸湿性能优于涂料样品的放湿性能；吸湿性能和放湿性能最好的是4号样品，具有较好吸放湿性能的还有14, 6号样品。4号样品配方为：120g苯丙+2g SAP+40g海泡石+20g TiO2+ 20g CaCO3。

3.2 样品的吸湿/放湿速度曲线

16个样品吸湿速度曲线如图3所示。

图3 样品的吸湿速度曲线Fig.3 Absorbent velocity curve of samples

从图3可以看出：在整个湿度环境中，多数样品（除了4号样品）的吸湿速度变化不明显；湿度为60%和70%的环境下，涂料吸湿速度较40%环境下有所提高；湿度为90%的环境下，各样品的吸湿速度有较大提高；所有样品中，4号样品的吸湿速度增长最快，湿度为70%的环境下吸湿25h后，吸湿率为4.807%，湿度为90%环境下吸湿51h后，吸湿率更是高达14.941%，且4号样品的吸湿速度一直优于其它样品；整个湿度环境中，吸湿速度较快的样品依次为4, 14, 6 ；吸湿速度较慢的样品为7, 3, 8。

16个样品放湿速度曲线如图4所示。由图可知，在整个放湿湿度环境中，多数样品（除了4号样品）的放湿速度变化不明显；所有样品中，4号样品的放湿速度最快，该样品在湿度为50%的环境下放湿24h后，放湿率为10.347%，35%湿度环境下放湿32h后，放湿率为12.222%；所有样品中，4号样品的放湿速度增长最快，并且4号样品的放湿速度一直优于其它样品。在相对湿度由45% 转变为35% 后的一段时间内，各样品的放湿率出现增加现象，随后又随着时间增长放湿率逐渐降低。分析其原因：可能是由于试验过程中，在时间点为44h时，将样品取出恒温恒湿箱，置于实验室空气中称量时，样品的放置时间过长，导致样品吸收空气中的水分，致使各样品在初期的放湿率出现不减反而增加的现象。

图4 样品的放湿速度曲线Fig.4 Desorption velocity curve of samples

4 结论

本文以高吸水性树脂（SAP）聚丙烯酸钠和海泡石为吸湿材料，添加TiO2, CaCO3, 助剂，采用正交化试验设计方案，制得16组复合调湿涂料样品，测试了样品的调湿性能，得到如下结论：

1）涂料样品的吸湿率随着相对湿度的升高而升高。当空气的相对湿度低于60%时，涂料样品的吸湿能力较低，样品吸湿率介于1%～3%之间；当空气的相对湿度达到70%以上后，涂料的吸湿能力明显提高，并且随着湿度的增大，涂料吸湿能力越强；4号样品的吸湿率在90%环境中达到了14.941%。

2）涂料样品的放湿率随着相对湿度的降低而升高。多数样品的放湿率均低于5%，而样品4的放湿率却达到了12.222%。

3）对比各样品的最大吸湿率与最大放湿率可知，样品的吸湿率高于放湿率，说明涂料样品的吸湿性能优于涂料样品的放湿性能。

4）在整个湿度环境中，多数样品（除了4号样品）的吸湿/放湿速度变化不明显。所有样品中，4号样品的吸湿/放湿速度增长最快，在70%湿度环境下吸湿25h后吸湿率为4.807%，90%湿度环境下吸湿51h后吸湿率更是高达14.941%，而50%湿度环境下放湿24h后放湿率为10.347%，35%湿度环境下放湿32h后放湿率为12.222%，而且4号样品的吸湿/放湿速度一直优于其它样品。4号样品的吸放湿性能明显优于其它样品，故4号样品为最佳样品。样品配方为：120g苯丙+2g SAP+40g海泡石+20g TiO2+20g CaCO3。此外，吸放湿性能较好的样品为14, 6；吸放湿性能较差的样品为7, 3, 8。

[1]American Society of Heating， Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ASHRAE Handbook Fundamentals[M]. State of California：Atlanta，1993：43-48

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