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硅藻土建筑材料湿度控制性能试验研究
嘉义郑 a,b，胡娟 a，强马 a，戴小莉 a，陈振谦 a,uArr;
aIIUSE，东南大学能源与环境学院能源热能转化与控制教育部重点实验室，南京210096
b南京理工大学能源与动力工程学院，南京210094
强调
- 准备硅藻土基湿度控制建筑材料。
- 表征DBHCBM的多孔结构参数。
- 分析了表面能对材料湿度控制性能的影响。
- 检查温度和湿度对材料性能的影响。
文章信息
文章历史：
2016年3月29日收到
2016年11月25日修订
2016年11月30日接受
2016年12月1日在线提供
关键词：
湿度调节性能
硅藻土基建筑材料
吸湿
放湿
接触角
孔结构
摘 要
对三种硅藻土基建筑材料的湿度控制性能进行了实验研究。 硅藻土基湿度控制建筑材料（DBHCBMs）的孔隙和基质的分布通过显微照片和统计分析方法在视觉上进行表征。 使用光学接触角测量装置测量DBHCBM的表面接触角以评估表面自由能。 饱和溶液法用于测量DBHCBM的湿度控制性能。 研究了孔隙参数（孔隙率，孔径分布，表面接触角），环境温度和相对湿度（RH）对DBHCBMs湿度控制性能的影响。 实验结果表明，DBHCBMs的湿度控制性能受到孔隙参数和表面接触角的强烈影响。 具有微孔径，大孔径微孔和大表面接触角的DBHCBMs具有较高的吸附能力。 环境温度和RH对DBHCBM的吸附性能也有相当大的影响。
- 引言
室内空气的过高或过低的相对湿度（RH）会引起人们生活中的各种问题，例如居住者的舒适性，商品的存储，建筑物外壳的耐久性以及能量消耗。 采暖，通风和空调（HVAC）系统通常用于控制室内空气的相对湿度，并且是建筑能耗的主要组成部分。 湿度控制材料（HCM）可以在不使用任何电源或机械设备的情况下自动吸附或释放湿气，因为它对环境RH的变化敏感。 因此，HCM的使用对于室内环境，节能和生态环境的可持续发展具有重要意义。
由于使用HCM最初是由日本学者提出的 [1]在国内外受到了很大的关注。 开发了各种HCM，包括生物质HCM [2–4]，无机HCM [5–9]，和有机HCM [10]。 Horikawa等人 [2] 研究了竹子活性炭的湿度控制能力。 获得了最佳的处理条件（竹子在873 K下用K2CO3活化，浸渍比为1.0）以获得最高的湿度控制能力。 Vu等人 [5] 在添加和不添加过硼酸钠的情况下通过烧结硅藻土和火山灰的混合物来研究湿度控制材料。 获得最佳的烧结条件和最佳混合部分，以为建筑材料提供优异的湿度控制性能。 Wang等人 [10] 制备丙烯酸酯基共聚物乳液并研究了内墙涂料中的湿度控制特性。
上述研究实验在宏观尺度上对HCM进行了实验表征，主要检查了HCM
原材料选择，最佳处理和原材料的最佳混合部分，以及HCM的湿度控制性能测量。 作为典型的多孔介质，HCM的微观结构（例如孔隙率，孔径分布，孔分形维数和孔形态）可能对HCM的湿度控制性能有影响。 据我们所知，只有少数报告描述了这方面的研究。 Tomita等人 [11] 研究了整体式双峰多孔硅胶的调湿能力。 通过改变其中孔尺寸来控制凝胶的湿度控制性能。 由于单块凝胶体中的快速气体扩散，宏孢子的存在使得凝胶能够快速响应湿度变化。 Watanabe等人 [12] 调查了异音酮，硅胶和三水铝石（其具有中孔）的湿度控制能力。 结果表明，三水铝石和粘土矿物的混合物适合用作内墙建筑材料，并且这些材料表现出优异的去除甲醛的行为。
上述研究从孔径的角度分析了HCM的湿度控制能力。 结果表明，HCM的湿度控制性能随介孔大小而变化。 然而，需要研究影响HCM中热量或湿度迁移的详细微孔结构参数。 因此，这项工作将通过混合矿物硅藻土，水泥，粉煤灰，杨树纤维素，防霉和抗菌剂来制备DBHCBMs。 将研究微孔结构，孔径分布和表面自由能对DBHCBM中热湿迁移的影响。
-
DBHCBMs的准备
- 通过煅烧优化硅藻土性能
硅藻土是世界上蕴藏丰富的硅质沉积岩，由于其独特的组合 -
物理和化学性质（如高孔隙率，高渗透性，重量轻，小粒径，高比表面积，低导热率，化学惰性和发达的微孔结构） [13]。 硅藻土广泛应用于化工，石油，建材，食品，环保等领域 [14–18]。 而且，硅藻土可以是HCM的原料之一 [19].
图。1 显示使用扫描电子显微镜（SEM）拍摄的原始和煅烧硅藻土的显微照片。 如图所示 图。1（a）中观察到粗硅藻土具有均匀孔径和分布的圆板结构。 它被发现在 图。1（b）中，硅藻土的微孔形态在500℃煅烧3小时后发生变化。 毛孔变小，小孔的数量增加。 孔的最小直径可以达到约50nm。 另外，在硅藻土表面发现裂纹。 如图所示 图。1（c）和（d），杂质元素（Fe，Al）的能谱在500℃煅烧3小时后几乎消失，这意味着煅烧后硅藻土的纯度增加。
在煅烧后展现小而致密的孔隙的硅藻土可以改善硅藻土的调湿性能。 原料硅藻土和煅烧硅藻土的吸附和解吸性能的比较显示在 图2。 可以看出，煅烧硅藻土的吸附量高于原硅藻土，说明煅烧硅藻土对建筑物室内相对湿度的调控能力较强。 这种能力归因于这样一个事实，即小且致密的孔可以提供更高的毛细作用力。 同时，煅烧的硅藻土表现出较慢的释放过量水分的速度，因为小且致密的孔隙促进水分保持。 缓慢而均匀的解吸速度可为人们创造更舒适的室内环境。 因此，煅烧可以提高硅藻土的吸附和解吸性能。
（a）o
原硅藻土
(c)
硅
Fe Na Al
500 /3h
(b)
1 2 3 4 5
能源/千电子伏
o (d)
硅
娜
1 2 3 4 5
能源/千电子伏
图1.原始和煅烧硅藻土的SEM和EDS。
25
原硅藻土煅烧硅藻土
T 20 1
RH 85 2%
20
吸附量/％
15
10
5
0
0 40 80 120 160
t /h
0
-4
解吸量/％
-8
-12
-16
-20
原硅藻土煅烧硅藻土
T 20 1
RH 33 2％
0 30 60 90 120 150
t /h
-
-
- 吸附 （b）解吸
-
图2.原料和煅烧硅藻土的吸附和解吸附量。
（a）＃1（孔隙率= 0.80） （b）＃2（孔隙率= 0.21） （c）＃3（孔隙率= 0.11）
图3. DBHCBM的显微照片和二值图像（黑色部分表示孔隙，白色部分表示框架）。
-
- DBHCBM的制备
在准备DBHCBMs时，几种原料按一定比例混合。 天然矿物硅藻土被用作主要调节水分的成分。 重要的是硅藻土的煅烧应该在特定的温度下进行一定的时间以增加DBHCBM的孔隙度和孔隙连通性，如第 2.1。 水泥用于结构支撑。 煤粉燃烧产生的工业废物粉煤灰用作复合材料的补充剂。 由于粉煤灰是产品污染物，使用粉状燃料不仅可以提供利用废物，促进生态环境可持续发展的途径，而且可以减少水泥和水的消耗，从而降低建材成本。 白杨纤维素被用作辅助湿度控制材料。 杨树纤维素发育良好的纤维微孔结构能够保持平衡
在DBHCBMs的吸附和解吸性能之间。 防霉和抗菌物质被添加到DBHCBM中进行保存。 将所有上述组分混合，制浆并倒入模具中。 复合材料成形后，将试块从模具中取出并保持在一定的温度和相对湿度下，以达到最佳强度。 最终的结果是DBHCBM块的形成 [20].
- DBHCBMs的结构表征和表面自由能
研究了微孔结构（物理因子）和表面自由能（化学因子）对DBHCBMs湿度控制性能的影响。 发现孔径分布与DBHCBMs的毛细管力直接相关，
而表面自由能直接影响空气中的水蒸气与DBHCBMs之间的相互作用力。 因此孔隙结构和表面自由能对DBHCBM的湿度控制性能有显着影响。
-
- 孔结构
为了阐明DBHCBMs的微观结构对其湿度控制性能的影响，显微照片和不同孔隙度水平的DBHCBM的二值图像 图3 是使用显微镜和图像分析方法获得的。 当制备块（＃1，＃2和＃3）时，原料的比例和搅拌速度相同，而三个块的搅拌时间分别为5分钟，10分钟和15分钟。 因此，每个块的微观结构是不同的。 如图所示 图3，黑色部分代表毛孔，白色部分代表骨架。 随着搅拌时间的增加，块的孔隙度水平下降，因为这些原料混合得更好。 相应的孔隙分布采用图1所示的统计分析方法进行表征 图4。 随着搅拌时间的增加，DBHCBMs的孔径变得更均匀。
-
- 表面自由能
0.7
0.6
0.5
分配比例
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.4
0.3
分配比例
0.2
20 40 60 80 100
孔径（mu;m）
-
-
- #1
-
表面自由能主要受表面温度，表面形状和曲率，表面分散力和偶极力的影响。 因此，不同材料或材料的不同部分在周围空气中吸附或解吸水分的能力是不同的。 如图所示，三个块的接触角用光学接触角测量装置（DSA100）测量 图5。 具有大孔隙度水平的样品表现出对水的小接触角。 水接触角小的样品表面自由能高，DBHCBM吸附液态水的能力强，吸附水蒸气的能力弱。
-
DBHCBM的湿度控制性能测量
- 实验装置
在该测试中使用的实验装置的示意图如图所示 图6。 该设备主要由三个系统组成：恒定的T＆RH系统，数据采集系统和块加权系统。 HS-150L恒温恒
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