调湿材料的研究进展

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1、调湿材料的研究进展蒋正武(同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海200092)摘要系统讨论了调湿材料的作用原理、性能评价指标以及分类，重点论述了国内外各类调湿材料的最新研究进展，并提出了调湿材料的发展趋势与研究方向。调温材料不断向着智能化、复合化、多功能化、高性能化、实用化、多样化方向发展。关键词调湿材料进展趋势0前言随着材料不断向着高性能化、功能化、智能化、生态化的方向发展[1]，现代建筑技术，不仅要求建筑材料本身具有安全、轻质、高强、耐久等特征，而且要求建筑材料在制备、使用与废弃等过程中对环境负荷小，对资源、能源消耗少。开发出具有自清洁、自调湿、自调温、吸波等功

2、能的生态建材对改善人类生活环境、促进循环经济、可持续发展具有重要的意义[1~4]。建筑室内环境的舒适性一直是人们追求的热点。空气湿度是影响居住环境舒适度的重要因素之一，直接影响人们的身心健康、各种物品的保存以及采暖空调能耗等，尤其对湿热地区人居环境而言，湿度控制调节与温度控制调节同等重要。目前，按是否消耗人工能源可将湿度控制调节方法分为主动式方法和被动式方法。前者即空调技术，是目前普遍采用的方法，要消耗大量电能，污染环境和破坏生态，引发“建筑室内综合症”等问题，不符合可持续发展战略。后者是利用可再生能源或材料的吸放湿特性来控制调节湿度，无需消耗任何人工能源，是一种生态性控制

3、调节方法。调湿材料属于被动式材料，最早由日本人提出，是指不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身吸放空气湿度的性能，感应所调空间空气温湿度的变化，自动调节空气相对湿度的材料。调湿材料又称为自调湿材料或智能调湿材料。利用调湿材料的吸放湿特性来控制调节湿度，是一种被动式生态性方法，无需消耗不可再生能源。开发与应用具有良好自动调节空气湿度能力的调湿材料，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。国外对调湿材料的研究已经开展了20多年，许多研究成果也已经广泛应用于建筑、化工、文物保护等领域[3~7]。目前，国内在这一领域的研究也逐渐增多[8~12]

4、。本文系统论述了调湿材料的基本原理、性能评价指标与分类，并根据调湿材料的分类，总结了国内外调湿材料的研究进展与发展方向。1调湿材料的调湿原理、评价指标与类型1.1调湿原理一般室内环境相对湿度的变化主要来自两个方面:一方面是室内环境温度的变化使水蒸气的饱和蒸气压发生改变;另一方面则是由于水蒸气通过门、窗等途径直接流入或流出致使室内环境湿度发生变化。调湿材料由于其自身的吸放湿特性，能感应环境内空气温湿度的变化，当环境湿度发生变化时能起到缓和或抑制相对湿度变动的作用。调湿材料的调湿原理[13]可从图1所示的调湿材料的吸放湿曲线来说明，当空气相对湿度超过某一值Ф2时，平衡含湿量急剧

5、增加，材料吸收空气中水分，阻止空气相对湿度增加;当空气相对湿度低于某一值Ф1时，平衡含湿量迅速降低，材料放出水分加湿空气，阻止空气相对湿度下降。因此，只要材料的含湿量处于U1~U2之间，室内空气相对湿度就自动维持在Ф1~Ф2范围内。若吸放湿曲线间滞后环宽度足够小，在Ф1~Ф2之间斜率足够大，则材料可使室内相对湿度稳定在相当窄小的范围内。调湿材料的具体作用机理因种类差别而不同，硅胶或蒙脱土类等无机调湿材料的调湿性能是由孔结构以及水蒸气分子在孔中的扩散情况来决定的。对于一定孔径(r)的这类调湿材料当空气中的水蒸气分压高于其孔内凹液面上水的饱和蒸气压时，水蒸气被吸附;反之则脱附[

6、14]。因此，在一定的相对湿度下，达到吸附平衡的调湿材料就具有控制和调节湿度的作用这类调湿材料的湿容量可通过表面改性、扩孔、优化孔径分布等手段得到改善。有机调湿材料的调湿机理可理解为有机分子表面与水分子间多种类型的范德华力的相互作用，如偶极—偶极作用、氢键作用等。高分子调湿材料的吸湿性主要取决于其本身的化学结构和物理结构。从无机调湿材料的吸放湿机理来看，实质上是材料细孔中水蒸气的凝聚化与其液体汽化的过程，这个过程取决于材料细孔半径的大小。根据开尔文(Kelvin)毛细管凝聚理论，可计算出此半径，定义为开尔文半径，见式1:式中:rk为开尔文半径，即细孔充水的最大半径，R为因气

7、体凝聚而液态化的水表面张力，M为液态水的分子量，H为接触角，为气体比重，h为孔中相对湿度，R为理想气体常数，T为绝对温度。细孔内气体凝聚主要因为细孔内部吸附的气体覆盖整个孔壁而形成吸附层引起。因此，这种情况下的接触角为0。人类居住适宜的环境相对湿度一般是40%~70%，而环境温度为5~30℃。因此，根据这种情况，可计算出适宜相对湿度范围内，材料开尔文孔半径的范围为2~20nm左右，即在此孔径范围内，水蒸气具有可逆吸附的功能。当环境相对湿度较高时，能够吸附环境中的水蒸气;当相对湿度降低时，能够排放出自身吸附的水蒸气。