调湿材料应用的研究现状及进展

王倩，魏太兵，李华伟，刘飞宇

（武夷学院 土木工程与建筑学院，福建 武夷山 354300）

建筑是人们生产和生活的重要场所，建筑室内环境的的舒适性直接影响人们的居住品质。建筑室内湿度是影响室内环境舒适性的重要因素，影响人们居住舒适度、身体健康，建筑结构耐久性以及建筑能耗，与人民的生活质量、健康、心情息息相关。

调湿材料的研究最早起源于日本，由西藤宫野提出，至今已有几十年历史。调湿材料是指依靠自身结构具有的吸放湿性能，自动感知空气相对湿度并进行调节的材料[1]。调湿材料不仅可以改善室内湿度，还可以降低能耗，符合国家节能减排的双碳目标，得到了很多专家学者的推崇。

1 空气湿度对人类生产生活的影响

空气湿度影响人体健康。空气湿度过大时无论温度高低人体都会感到不适。夏季温度高时，空气湿度大，影响人体散热功能，使人体血管扩张、皮肤呼吸不畅，体温不易下降，增加人的热感而易发生中暑[2]。冬季气温低时，空气湿度大，空气中的水蒸气会吸收人体的热量，加快热损失，使人体感温度降低，加剧人的冷感觉。室内相对湿度低时，空气干燥，人体的水分蒸发加快，上呼吸道粘膜和鼻腔黏膜干燥易受刺激从而引发过敏及呼吸系统疾病[3]。室内相对湿度高时，空气潮湿，人们长期生活在空气湿度较大的环境下，增大了患风湿，类风湿关节炎的概率。

空气湿度影响微生物的生存。建筑室内环境中，常见的微生物主要有病毒、细菌、过敏原和真菌。空气湿度低时，空气干燥，会使流感病毒扩散，加大人们患感冒等呼吸系统疾病的风险。空气湿度高时，会加快霉菌等微生物的生长，影响食品的加工和保存。研究表明，室内空气湿度在40%～60%时，细菌、霉菌是最少的，引起疾病不适的概率也最低。

空气湿度对仓储、建筑物、工业生产等方面也影响很大。空气湿度大，影响食品，文物古迹，画作的保存，还会引起建筑物表面外墙脱落。许多工厂车间对湿度要求比较严格，湿度过大会使仪器设备电路结露，导致电路的绝缘性下降甚至短路。空气湿度过大，还会使金属生锈，加快设备腐蚀老化，影响仪器设备使用寿命。空气湿度过低时，空气干燥，容易产生静电现象，损害仪器设备的电路和可靠性，可引起火灾，甚至有可能使某些工厂车间发生爆炸事故。

2 调节室内空气相对湿度的方法及调湿原理

2.1 调节室内空气相对湿度的方法

调节空气湿度的方法目前主要有两种，一种是主动式调节，主要是采用空调、吸湿器和加湿器等设备进行湿度调节；另一种是被动式调节，主要是利用天然的或合成的调湿材料进行湿度调节。第一种调节方法耗能大，浪费资源，不符合节约能源和绿色发展的要求。第二种调节方法是利用材料自身的吸放湿性能，来感知空气中的湿度进行调节，从而将空气的相对湿度稳定在一定的范围[4-5]。这种调节方法具有能耗低、无污染的优点，是一种绿色环保的调节湿度的方法，符合双碳的目标。

2.2 调湿原理

调湿材料是智能调节空气湿度的材料。当室内空气湿度较高时，调湿材料开始吸附环境中的水蒸气，从而使空气变得干燥，避免空气湿度进一步增大；而当室内空气湿度较低时，调湿材料脱附自身吸附的水分使空气变得湿润，避免空气湿度进一步降低[6]。调湿材料通过感知室内湿度而自动进行调节，从而使建筑室内环境湿度维持在合适的范围内。

3 调湿材料的分类及研究现状

根据调湿材料选用的调湿原材，可将调湿材料分为生物质调湿材料、无机盐调湿材料、无机矿物调湿材料、有机高分子调湿材料、复合调湿材料等[7]，具体介绍如下。

（1）生物质调湿材料

生物质调湿材料，包括木材、稻草、秸秆等，这些材料是天然的自然界植物，具有来源广、价格低、生物降解性好的优点，且材料本身结构具有比较大的比表面积和孔隙，具有优质的调湿性能，可用作绿色环保调湿材料的原材。Sun 等[8]通过多种活化方式对玉米穗进行活化改性制备活性炭并进行一系列试验，试验结果表明生物质活性炭具有微孔结构，有很好的调湿效果。Park 等[9]利用油菜和混合软木制备生物炭，将制备的生物炭以2%～8%的比例添加到砂浆中制备生物炭-砂浆建筑材料，并对其湿热性能进行测定，试验表明该材料的导热系数随着生物炭添加量的增加而降低，与素水泥砂浆相比，生物炭掺量为8% 时，材料的导热系数降低57.6%。该材料的水蒸气阻力系数随着生物炭添加量的增加而增加，生物炭掺量为8% 时，材料的水蒸气阻力系数与素水泥砂浆相比增加50.9%。试验证明，生物炭-砂浆建筑材料有助于湿度控制，可以提高砂浆的湿热性能。张秀梅[10]利用生物质，添加剂和水泥来生产调湿墙体材料并进行一系列的调湿性能试验，得出生物质和添加剂的比例在1∶1～2∶1 时具有良好的调湿性能，且能满足强度和热工性能的要求。倪海燕等[11]利用竹笋壳纤维为原材料，通过对吸放湿性能和吸湿膨胀性能测定，证明竹笋壳纤维作为调湿材料的可行性。

（2）无机盐调湿材料

无机盐调湿材料常用的有LiCl、CaCl2、KCl 等，这类材料的调湿作用主要是由其饱和盐溶液的饱和蒸气压决定。相同温度下，饱和盐溶液的蒸气压越高，相应的空气相对湿度越高[6]。无机盐调湿材料具有调节湿度范围广的优点，几乎整个湿度范围都有合适的饱和盐溶液。但是无机盐具有易潮解，不稳定，易盐析等缺点，限制了它的使用范围。

（3）无机矿物调湿材料

无机矿物调湿材料应用较广的有蒙脱土、海泡石、硅藻土、沸石等，这类材料具有多孔结构，有很大的比表面积和较多的孔道，有较强的吸附作用。无机矿物调湿材料主要是通过多孔结构吸附和脱附水分子达到调节湿度的目的。这类调湿材料调湿作用，主要是以物理吸附为主，水分子容易吸附，也容易脱附。但无机矿物调湿材料具有湿容量小，调湿能力弱的特点，这在一定程度上限制了它的应用。Vu 等[12]通过煅烧硅藻土和火山灰制备调湿材料，并分析材料的水分吸附-解吸性能和孔径特征。试验表明该调湿材料具有多孔结构，孔径趋于2～50 nm，比表面积为（14.1±1）～（65±3）m2/g，孔隙率为（65.23±3）%～（70.84±5）%，同时该调湿材料的水分吸附-解吸能力随着硅藻土的含量增加而增加，由90%硅藻土、8%火山灰和2%过硼酸钠的混合物在1000 °C 的烧结温度下制成的产品性能最优异，吸附水分为（65±4）g/m2。胡明玉等[13]以硅藻土为调湿原材，通过添加无机改性掺合料钒铁渣制备调湿材料，通过试验测试调湿材料的吸放湿平衡含湿率和吸放湿速率并通过SEM 扫描电镜对其调湿机理进行了研究。试验结果表明当钒铁渣掺量为15%～20%时，调湿材料具有较高的强度和调湿性能，最大平衡含湿率为19.9%～20.8%。

（4）有机高分子调湿材料

有机高分子调湿材料常见的有甲基纤维素、淀粉、聚丙烯酸钠等[14]，其吸湿性能主要是由材料本身的化学结构决定的。有机高分子调湿材料通常具有羟基(-OH)、羧基（-COOH）、胺基(-NH2)等亲水基团，能吸收大量的水分。亲水基团的数量和极性与吸湿性能密切相关，分子链上亲水基团越多，亲水基团极性越强，则材料的吸湿量就越大。反之，亲水基团数量少，极性弱，则材料的吸湿性越差。由于有机高分子调湿材料吸湿主要是化学吸附，吸附作用强，水分子难脱附，因此其放湿性能差，作为调湿材料受到很大限制。蒋梦兰等[15]以马铃薯多孔淀粉为填料，以苯丙乳液为成膜物制备了调湿涂料，通过SEM 观察涂料涂层发现其具有疏松结构，且富含孔道和孔隙，具有较强的调湿性能，符合调湿涂料的要求。

（5）复合调湿材料

理想的调湿材料要求具有高湿容量和高吸放湿速率，但单一种类调湿材料难以同时具备这两项优点，近年来人们开始将目光转向复合调湿材料。复合调湿材料是指将上述不同种类的材料进行复合或反应制得的具有高湿容量和高吸放速率的调湿材料。复合调湿材料将各组分优势互补，因此具有更好的调湿性能。Yang 等[16]利用羧甲基纤维素、海泡石和丙烯酸（AA）/丙烯酰胺（AM）共聚物制备一种具有优异调湿性能的复合调湿材料。该调湿材料具有吸湿能力强、对湿度变化响应快等特点,能将相对湿度维持在较小的范围，适用于博物馆等需要保持稳定湿度的场所。陈伟等[17]利用水泥为胶凝材料，以稻杆，花生壳磨碎后作为骨料，加入酸化的海泡石按一定比例混合，经热压成型，并蒸汽养护后制得复合调湿砌块，并通过吸湿性能试验得出材料的饱和吸湿率为130%。肖力光等[18]以生物质材料秸秆和无机矿物材料硅藻土为调湿原材料，硫铝酸盐水泥为主要胶凝材料制备秸秆纤维水泥基复合板材，通过吸放湿性能试验研究硅藻土对复合板材调湿性能的影响。结果表明添加硅藻土可提高秸秆纤维复合板材的调湿性能，且调湿性能随掺量增加而提高。

4 研究调湿材料的意义

气候变化，资源枯竭是人类面临的重大问题，随着石油和煤炭的开采使用，带来环境污染及能源的大量消耗问题，给人类可持续发展带来巨大威胁。因此能源与资源危机，环境与气候恶化问题受到广泛的关注，也成为影响我国经济和社会发展的障碍。2021 年两会，碳达峰和碳中和首次写入政府工作报告中，我国承诺2030 年前二氧化碳的排放达到峰值，此后不再增长。这要求我们要通过节能减排，绿化植树等方式实现二氧化碳的零排放，达到碳中和的要求。由此可见，寻找新型能源及开发绿色环保建筑材料已经成为环境保护和发展节能环保型社会的重要研究课题。

我国是能源消耗大国，能源消耗一直是我国面临的重大难题，降低能耗，合理利用能源成为迫切解决的问题，根据统计，建筑能源消耗已经占总能源消耗的近四分之一。建筑节能是发展节能环保社会的一个重要组成部分，超低能耗建筑正逐步成为行业趋势，未来建筑节能和减排将会在“碳达峰，碳中和”的工作中起到重要的作用。如何开发绿色节能建筑调湿材料改善建筑室内环境，创造具有舒适性的低能耗健康节能建筑，已成为材料界学者普遍关注和研究的课题。

5 调湿材料的发展方向

随着时代的进步和人们生活水平的提高，人们对室内环境的要求越来越高，不仅要有舒适的温湿度，还要有健康，无菌的空气，这就使调湿材料向多功能方向发展。

（1）调湿材料能将室内湿度控制在相对舒适的湿度范围，但此湿度范围也是细菌滋生的适宜湿度，因此将调湿材料与抗菌剂进行结合，制备既有调湿功能又有抑菌功能的抑菌调湿多功能材料。如将具有抗菌作用的金属离子（银、铜、锌）等负载于无机矿物调湿材料的孔道中，通过金属离子的交换作用，达到长期抑菌的目的。

（2）室内环境不仅要有舒适的湿度，也要具备舒适的温度，将调湿材料与温度调节材料复合，将调温材料吸附到调湿材料的孔隙和孔道中，在湿度调节的同时，也能进行温度调节。如将相变材料和调湿材料合成微胶囊相变调湿材料。

（3）室内装修会产生甲醛、苯等有害气体，使空气质量变差，严重影响人们的健康。将调湿材料与吸附材料进行复合，制备既有调湿功能又具有吸附甲醛等有害气体功能的复合材料，在调节湿度的同时又能吸附有害气体。如在调湿材料中加入TiO2、ZnO，利用其光催化性，将装修产生的有害气体进行氧化分解，从而达到净化空气，改善人居环境的目的。

随着人们对调湿材料的深入研究和不断创新，以及各学科之间的交叉研究，未来调湿材料将向能改善人类居住环境和生活质量的多功能方向发展，更好的满足人们的使用和需求。