硅藻泥调湿性能试验研究

杨华，温倩影，周颖

（河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

0 引言

随着技术和社会的发展，人们对建筑室内物理环境的要求日益重视，而室内居住环境的热舒适感不仅取决于室内空气温度，同时也受空气相对湿度的影响[1-2]。目前，湿度调节的主要方式是依靠空调技术，但空调系统耗能大、污染环境，且易引发“建筑综合症”，不符合建筑节能和可持续发展战略[3]。利用调湿材料的吸放湿特性来合理调控室内湿度，对节约能源、改善环境舒适性、促进生态环境的可持续发展等具有重要的实际意义[4]。硅藻泥是近几年新兴的一种功能型墙面装饰环保涂料，以硅藻土为主要功能性原料，添加多种助剂而成的粉末状涂料，硅藻土是一种生物质成因硅沉积岩，具有孔隙率大，体积大，耐化学腐蚀，比表面积大，吸附能力强等特点[5]。陈作义[6]将硅藻土和白水泥作为基体材料，并添加改性淀粉进行复合以此获得5种调湿材料，测试其在恒温恒湿环境和带有间歇式空调环境下的调湿性能，结果表明，改性淀粉复合的硅藻土/白水泥调湿材料 能够显著地提高调湿性能，且能够在间歇式空调辅助下节能22%以上。杨永和吴志强[7]以天然硅藻土和工业废渣粉煤灰为原料，添加少量助熔剂过硼酸钠烧结制备无机调湿材料，并对其进行微观结构表征以及调湿性能测试，结果表明，随着烧结温度的升高，材料的调湿性能呈现先增强后减弱的趋势，且当烧结温度为1000℃时，调湿材料最大吸湿率和放湿率分别达到了7.8%和5.86%。张言武等[8]以3种典型常用的建筑材料硅藻泥抹面板、纸面石膏板、玻镁板作为调湿材料，并搭建了实验箱模拟室内环境，分析不同调湿材料对室内的调湿作用，其结果表明，调湿材料良好的调湿能力能够控制室内相对湿度平稳变化，玻镁板效果最好，控制实验箱内相对湿度在60%左右，硅藻泥次之，石膏板较差。

目前国内外学者对调湿材料的研究多集中在新材料的开发及调湿机理的研究上[9-14]，为了得到硅藻泥的实际调湿效果，本研究针对硅藻泥的调湿性能及效果进行了一系列的即时测试，以期为硅藻泥的推广应用提供参考。

1 试验

1.1 主要试验材料

通过对各种品牌硅藻泥的对比分析，选取辽宁营口盼盼环保硅藻材料有限公司生产的3种不同粒度及施工工艺的硅藻泥：乐壁系列、海洋生态系列细、粗硅藻泥为试验材料，分别编为1#、2#、3#，将其喷涂于以耐水腻子粉打底的石膏板上，制成硅藻泥调湿样板，样板尺寸为400 mm×400 mm，硅藻泥喷涂厚度为4mm。将乳胶漆喷涂于相同尺寸的以耐水腻子粉打底的石膏板上，制成对照样板，编号为4#，乳胶漆喷涂厚度同样为4 mm。将2#硅藻泥喷涂于相变板材上，编号为5#，相变板材粘结剂为苯丙乳液。制作完成后将样板置于室内养护7 d后备用。

1.2 主要仪器设备

（1）温湿度调控实验箱：以实际空间1/10的比例建立温湿度调节模拟实验箱，其材质为透明有机玻璃，厚度为5 mm，其内部空间尺寸为450 mm×450 mm，为方便实验过程中控制温度，实验箱底层与四周留有15mm的空气夹层，如图1所示。在夹层内通入恒温水控制水温，进而控制箱体内部空间温度，控制恒温水的装置为德国Vivo RT2标准型加热制冷恒温循环水浴，精度±0.05℃如图2所示；采用U12-012温湿度采集记录仪采集温湿度数据，温度控制精度±0.35℃，湿度控制精度±2.5%。

图1 密闭实验箱效果示意

图2 RT2型加热制冷恒温循环水浴

（2）场发射电子显微镜：Nova Nano SEM450型，美国FEI公司生产。

（3）物理化学吸附分析仪：Autosorb iQ，美国Quantachrome Corportion生产，用于BET比表面积及孔径分析。

1.3 试验内容及方案

针对试验箱内模拟环境，研究在不同湿度和温度工况下硅藻泥对环境的湿度调控性能，研究内容分为以下2个部分：

（1）测量在不同的温度、相对湿度和湿源下，实验箱内的相对湿度变化情况，了解3种硅藻泥板材的调湿性能，并对比乳胶漆的调湿状况，分析硅藻泥的可应用性。试验方案见表1。

表1 试验方案

（2）利用硅藻泥耦合相变板材，通过测试试验箱内的温湿度变化，分析其对环境温度和相对湿度的综合调控效果。

2 硅藻泥微观结构表征

2.1 微观形貌

调湿材料的微观结构特征是决定调湿材料调湿能力的重要因素，对硅藻土原矿和3种硅藻泥样品进行扫描电镜分析，从硅藻泥的微观结构、孔结构特性等方面初步观察分析其调湿性能的优劣。图3～图5为3种硅藻泥分别在高倍率和较低倍率的扫描电镜照片。较低放大倍率的照片可以看出硅藻土颗粒的完整度及大致含量，较高放大倍率的照片则可观察到硅藻颗粒的孔结构状态。

图3 1#硅藻泥的SEM照片

图4 2#硅藻泥的SEM照片

图5 3#硅藻泥的SEM照片

由图3可见，1#硅藻泥的组成物质粒径较小，存在很多堆积孔，硅藻土含量较高，但硅藻表面孔结构被细小杂质堵塞，一定程度上影响了硅藻泥的吸附性能。由图4可见，2#硅藻泥的硅藻土含量是3种硅藻泥里最高的，硅藻土颗粒的完整度也是最好的，但是与1#硅藻泥存在同样的问题，即硅藻土颗粒上排列整齐的微孔不可避免的被硅藻泥的其他填加成分所堵塞，降低了其功能性。从图5可以看出，3#硅藻泥的物质颗粒大小较不均匀，硅藻土颗粒大多破损，这可能导致3#硅藻泥的吸放湿性能较差。

2.2 BET孔径分析

低温氮气吸附脱附测试主要表征硅藻泥样品表面的物理吸附性能，Autosorb iQ物理化学吸附分析仪进行测试，吸附气体为氮气。3种样品的等温吸附-脱附曲线如图6所示。

图6 3种样品的等温吸附-脱附曲线

由图6可知，3组样品的等温吸附脱附曲线都属于IUPAC曲线分类中的第Ⅳ类吸附等温线，其吸附开始主要是单分子吸附，随后是多层吸附，在中比压区发生毛细凝聚现象。由于介孔中的毛细冷凝-蒸发是不可逆的，其对应的毛细凝聚脱附在不同的比压下发生，所以介孔材料的吸附等温线出现了迟滞环[15－16]。3个样品的吸附脱附曲线在比压的中压段都出现了吸附回滞环，其对应的是多孔材料出现的多层毛细孔凝聚吸附现象，说明3种样品中都存在较多的小于50 nm的介孔结构。其中，3#硅藻泥的回滞环较为明显，1#和2#硅藻泥的回滞环较为狭长，回滞环的类型为H3和H4的混合型，说明样品中既存在排列不规则的堆积孔也存在排列规则的狭隙孔。1#～3#硅藻泥在低比压区吸附量少的原因可能是制备过程中的高温烧制导致了微孔的坍塌。

3 硅藻泥对环境湿度调控的试验研究

为方便准确的控制实验中可变参数，深度细致了解不同温湿度参数对硅藻泥调湿性能的影响，研究硅藻泥在不同工况下对空间温湿度的调控效果，本文将在小型实验箱中进行一系列的模拟实验。

3.1 不同温度工况

首先将样板置于相对湿度30%的环境下放湿至平衡，将循环水浴温度调至25℃，利用迷你加湿器将实验箱内相对湿度加湿至90%，上述条件准备就绪后，关闭加湿器，快速将样板和温湿度记录仪放入实验箱中，随后将实验箱密封。10 h后，取出记录仪，读取数据，结束试验。不同温度下4种板材的调湿曲线如图7所示。

图7 不同环境温度下试验箱内的湿度变化曲线

由图7（a）可知，10℃环境下，4#乳胶漆板在高湿环境下也有一定的降湿能力，箱体内的相对湿度从初始的90%降到了87.5%，相对湿度降低了2.5个百分点。1#～3#硅藻泥板的降湿性能均优于乳胶漆板，其中，1#硅藻泥板的调湿性能最好，环境的相对湿度降低了7.2个百分点，是乳胶漆板的近2倍；2#硅藻泥板与3#硅藻泥板的调湿能力相近，最终环境相对湿度分别稳定在了84.0%和84.5%。由图7（b）可以看出，25℃环境下，4种样板对箱内环境相对湿度的调节的优劣效果与10℃相差不大，1#硅藻泥板的调湿能力仍然最强，环境相对湿度下降了6.9个百分点，2#硅藻泥板与3#硅藻泥板次之，乳胶漆板降湿效果最差。2#硅藻泥板与3#硅藻泥板调湿能力相差仍然不大，2#硅藻泥板箱内湿度最终为84.7%，3#硅藻泥板箱内湿度最终为85.0%。3#硅藻泥板的相对湿度虽略高于2#硅藻泥板湿度，但其环境湿度的下降速度要高于2#硅藻泥板。由图7（c）可知，40℃环境下，1#硅藻泥板箱内的相对湿度降到了83.8%，仍然是4组样板中调湿性能最佳的；2#硅藻泥板与3#硅藻泥板的调湿效果出现了较为明显的差距，2#硅藻泥板箱内相对湿度的下降速度和下降幅度都优于3#硅藻泥板，说明3#硅藻泥板的调湿能力受温度升高的影响较大，而2#硅藻泥板的箱内相对湿度最终稳定在85%。

综上可知，无论是在10、25℃还是40℃环境温度下，1#硅藻泥板的调湿性能均优于2#、3#硅藻泥板。随着温度的升高，同一样板的环境湿度下降幅度有所减小，即温度的升高不利于硅藻泥表面对水分子的吸附。其根本原因在于，硅藻泥的吸附以表面物理吸附为主，化学吸附为辅，物理吸附主要为单分子吸附、多层吸附和毛细凝聚，温度的升高使气态水分子运动碰撞加强，水分子在硅藻泥表面停留时间减少，直接影响的到在介孔中的毛细凝聚，导致硅藻泥的湿容量减小，从而对环境的调湿能力下降。

3.2 不同湿度工况

选取1#硅藻泥样板，试验箱内温度设定为25℃，起始相对湿度分别为75%、85%和90%，观察箱内湿度变化情况，图8为不同起始相对湿度环境下1#样板箱内的湿度变化曲线。

图8 不同起始湿度下1#样板试验箱内的湿度变化曲线

由图8可以看出，起始相对湿度为90%和85%时，2条湿度变化曲线的变化趋势相差不大，其降湿速率比较相当，环境湿度的下降幅度相对湿度90%的工况略高于85%；而起始湿度75%的曲线降湿速率则较快，达到降湿平衡的时间较短，降湿幅度也较小。由此可以得知，在相对湿度环境高于80%时，1#硅藻泥样板的吸湿速度和吸湿量差别不大，环境湿度的下降幅度在6%左右。当环境湿度低于80%后，硅藻泥的吸湿量变小，对环境湿度的降湿能力有所减小，环境湿度下降幅度约为4个百分点。

3.3 变湿源工况

为模拟现实生活中人体的水分蒸发及其它一些湿源存在时，硅藻泥涂料对环境湿度的调控效果以及对温度的影响，在实验箱中放置一个装有100℃水的烧杯作为变化的湿源，随着水温的降低，水的蒸发量随之降低。分别将相同的湿源与调湿样板放入试验箱内，恒温水浴温度设定在25℃，每隔10 min记录1次试验箱内的温度与湿度，10 h后结束试验，试验结果如图9所示。

图9 变湿源时4种样板的温湿度变化曲线

由图9可以看出，加入相同湿源后4种样板箱内的温度变化区别不大，都是先升高到28℃左右再下降，最后温度基本稳定在26.3℃。4种样板的箱内湿度变化差别较大，试验初始阶段由于湿源的蒸发量较大，环境的相对湿度徒升出现一个峰值，1#～4#样板的湿度峰值分别为89.7%、93%、90.6%和93.6%。此峰值的差异说明在湿源蒸发量较大，环境湿度增加的阶段，1#硅藻泥样板和3#硅藻泥样板吸收了一部分的水蒸气，一定程度上抑制了环境湿度的上升，相较而言，3#硅藻泥板在此阶段吸附的水蒸气量较少。随后，随着湿源温度的逐渐降低，水蒸气的蒸发量渐渐减少，材料样板对环境的吸湿量逐渐大于湿源的放湿量，环境相对湿度开始下降。最终湿源与环境达到热湿平衡，材料样板表面吸附脱附也达到平衡后，环境相对湿度渐渐趋于一条直线。箱内环境湿度曲线稳定后，1#和2#硅藻泥板的环境相对湿度比较低，3#次之，4#最差，1#和4#样板之间最后相对湿度相差3个百分点左右，2#硅藻泥板初始阶段吸湿量虽然较小，但在整个过程中吸湿时间最长，最后的吸湿效果也超过了3#硅藻泥板。同时，试验结果表明，硅藻泥涂料在调湿过程中，对环境温度的影响非常小，不会产生太大的温度波动。

4 硅藻泥耦合相变板材对环境温湿度调控试验研究

4.1 硅藻泥耦合相变板材制备及试验方法

相变材料是利用自身在相态变化过程中的吸热和放热来完成能量的储存与释放，进而实现对温度调控的一类功能材料。试验所用相变蓄热板材是以石蜡为相变材料，膨胀珍珠岩为多孔介质，利用真空吸附法，将石蜡填充于膨胀珍珠岩内部的多孔结构中形成复合相变颗粒，然后将其与一定比例苯丙乳液混合利用定模压制法制备相变蓄能板材。相变材料石蜡的相变温度为25.8℃，相变焓为107.6 J/g[17]。

由上述试验可知，3#硅藻泥的调湿性能受温度影响较大，故选取2#硅藻泥喷涂于相变板材正面，制成尺寸为400 mm×400 mm的硅藻泥-石蜡/珍珠岩相变板材，硅藻泥喷涂厚度为4 mm，相变板材背面用保鲜膜将其密封，防止其吸湿放湿影响试验结果，编号为5#（见图10）。

图10 硅藻泥-石蜡/膨胀珍珠岩相变板材

湿度调控试验试验步骤如下：

（1）首先将试验箱内温度调至15℃，相对湿度调至85%，将预先在30%相对湿度环境下放湿平衡的5#样板置于试验箱内，将实验箱密封；

（2）约2 h后，相变材料完全凝固，此时将恒温水浴温度设置为40℃；

（3）待试验箱内温度稳定，2 h后将恒温水浴温度设置为15℃，待相变材料完全凝固，结束试验。

每隔15 min记录1次数据，观察1次温度循环后箱内的温湿度变化。并将4#样板作为对照组，重复上述试验。

4.2 硅藻泥耦合相变板材的温湿度调控效果

（见图11）

图11 硅藻泥结合相变板材对温湿度的调控曲线

由图11可见，从15～40℃的升温过程中，5#样板箱内的温度一直低于4#样板箱内的，而40～15℃的降温过程中，5#样板的箱内的温度又高于4#样板箱内的，温度变化有明显的滞后性，这是由于相变材料石蜡从固态到液态融化过程中吸收了箱内空气热量，而从液态到固态凝结过程又吸收了热量，致使箱内气温变化较为缓慢，说明石蜡珍珠岩相变板材能够很好的储存转移热量，达到节能的目的。在升温前，5#样板箱内处于高湿环境，硅藻泥吸收空气中的水分，当温度从15℃开始升温，硅藻泥表面温度随之升高，被吸附的水分子部分脱附，因而在300～400 min恒温阶段相变板箱内相对湿度略高于4#样板。需要指出的是，升温过程中相变板内石蜡融化吸收热量，减缓了硅藻泥的表面温度的上升，一定程度上也减慢了被吸附分子的脱附过程。随着外部环境温度的又一次降低，箱内空气湿度上升，硅藻泥再次吸附水分子，因此最终状态下相变板箱内湿度低于石膏板，相对湿度湿度差约为2%。同时，由于硅藻泥表面对水分子的吸附过程为低放热过程，一定程度上增强了相变板的放热效果，延缓了室温的下降。由此可见，相变板材与硅藻泥的耦合，对各自的功能效果都能够正向加强，两者相互作用，有效调节室内的温湿度达到节能目的。

5 结语

（1）从扫描电镜分析得知，2#硅藻泥中的硅藻土含量较高，硅藻土颗粒的完整度也最好。3种硅藻泥的微孔不同程度地被杂质堵塞，影响其吸湿能力，其等温吸附脱附曲线都属于IUPAC曲线分类中的第Ⅳ类吸附等温线，并且出现了大小不同的迟滞环，说明3种样品中都存在较多的小于50 nm的介孔结构。

（2）随着温度的升高，同一样板的环境湿度下降幅度有所减小，即温度的升高不利于硅藻泥表面对水分子的吸附。环境起始湿度越高，硅藻泥对环境的降湿效果也越好，在相对湿度环境高于80%时，硅藻泥的吸湿速度和吸湿量差别不大，环境湿度的下降幅度也比较接近。当环境湿度低于80%后，硅藻泥的吸湿量变小，对环境湿度的降湿能力有所减小。

（3）相变板材与硅藻泥耦合，对各自的功能效果都有所加强，二者相互作用，能够有效调节室内的温湿度并且转移储存热量，最终达到节能目的。

[1]VuDinh-Hieu，WangKuen-Sheng，BacBuiHoang.Humidity control porous ceramics prepared from waste and porous materials[J].Materials Letters，2011，65（6）：940-943.

[2] Zhang X J，Xiao F，LiS.Performance study ofa constant temperature and humidity air-conditioning system with temperature and humidity independent control device[J].Energy and Buildings，2012，49：640-646.

[3] YANG Hailiang，PENG Zhiqin，ZHOU Yang，etal.Preparation and performances of a novel intelligent humidity control composite material[J].Energy and Buildings，2011，43（2）：386-392.

[4] Ran M.Review of research and application of air humidity controlling materials in Japan[J].Materials Review，2002，16（11）：3－7.

[5] 吕荣超．海泡石、硅藻土、沸石作为调湿建筑材料的基础研究［D］．北京：中国建筑材料科学研究院，2005．

[6] 陈作义.硅藻土复合调湿材料的调湿性能研究[J].化工新型材料，2011，39（5）：48-49.

[7] 杨永，吴志强.硅藻土基无机调湿材料的制备及其调湿性能研究[J].新型建筑材料，2016，43（11）：108-111.

[8] 张言武，陈剑波，梁煦，等.调湿材料对室内湿环境影响的实验研究[J].建筑节能，2016（2）：48-51.

[9] EP Ng，Svetlana Mintova.Nanoporous materials with enhanced hydrophilicity and high water sorption capacity[J].Microporous&Mesoporous Materials.2008，114：1-3.

[10] 雷盼盼.沸石基调湿材料的制备与性能研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[11] 田福祯，孙晓强，李波，等.调湿材料的研究及应用[J].新材料产业，2010（1）：54-57.

[12] 胡明玉，付超.硅藻土调湿材料的性能及调湿机理研究[J].功能材料，2017，48（4）：4007-4012.

[13] Truong ThiHanh，Nguyen ThiThu，Le Anh Quoc，etal.Synthesis and characterization of silver/diatomite nanocomposite by electron beam irradiation[J].Radiation Physics&Chemistry，2017，139：10-13.

[14] 胡志波，郑水林，赵成博，等.孔结构特性对硅藻土调湿性能的影响[J].非金属矿，2015（5）：17-20.

[15] 崔静洁，何文，廖世军，等．多孔材料的孔结构表征及其分析[J]．材料导报，2009，23（13）：82－86．

[16] 冀志江，侯国艳，王静，等．多孔结构无机材料比表面积和孔径分布对调湿性的影响[J]．岩石矿物学，2009，28（6）：653－660．

[17] 孔祥飞，钟俞良，戎贤，等.复合相变颗粒蓄热板材的制备及性能研究[J].新型建筑材料，2016，43（3）：85-89.