CN107129224B - 一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料及其制备方法和应用，功能性材料由以下组份组成：15份～30份的水泥，20份～40份的调湿剂，15份～20份的粉煤灰，10份～20份的复合相变胶囊，5份～15份的轻质陶粒，2份～5份的玉米淀粉胶稳定剂，2份～5份的抗菌剂，2份～5份的防霉剂，130份～160份水。本发明的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料为利用可再生资源木粉和玉米淀粉胶，工业固体废料粉煤灰和轻质陶粒的环境友好型相变调温调湿材料，原材料易得、成本低廉、生产施工工艺简单、调温调湿效果优异，能够变能源消耗型的主动调温调湿方式为资源节约型的被动调温调湿方式，可应用于室内温湿度调节领域中。

Description

一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料及其制备方法和 应用

技术领域

本发明涉及一种具有潜热调温和被动调湿的功能性智能环保的建筑材料，属于被动室内温湿度调节领域。

背景技术

适宜的室内温湿度对人类的居住环境和物品的保存至关重要。为了控制室内环境温湿度符合人体舒适度或生产工艺的要求，传统方式通常采取采暖、空调、通风、冷凝除湿、转轮除湿、加湿器加湿等方法主动调节室内温湿度。以上方法虽然高效，但是可能会带来一系列弊端，例如机械运行时的噪声污染，水***滋生细菌从而产生“室内空气品质”问题以及能源消耗量大。因此，能够依靠自身的吸放湿性能，感应空气温湿度的变化，自动调节空气相对湿度的材料应运而生。

相变储能是利用物质相变过程需要吸收和释放潜热的特性来蓄热，可以将暂时不用或多余的热能通过相变材料储存起来，需要时加以利用。与其它蓄热技术相比，相变储能技术具有化学和机械稳定性好、安全性高、蓄热密度大、蓄热过程近似等温等优点。

中国专利201410315121.5公开了一种生物质多孔相变调温调湿材料及其制备方法，其中起调湿作用的部分为经物理活化的核桃壳和建筑石膏胶凝材料，该种材料孔隙尺寸单一，缺乏不同孔径材料之间的互补，因而对室内相对湿度调节的范围有限。中国专利201310184849.4的发明专利公开了一种环保型被动式控温调湿材料及其制备方法，其中对温度控制的部分仅依靠这种材料本身的热容量，蓄热能力差，温度调节能力较弱。中国专利201110445847.7公开了一种具有被动调节室内相对湿度的材料及其制备方法和应用，利用可再生资源木粉和工业固体废料粉煤灰，改善硅藻土基调湿材料的调湿能力，但是该方法只能对湿度进行调节，无法同时实现温度的调节。

综上所述，在室内温湿度调节材料领域中，需要进一步发展调温调湿双性能兼顾，调温能力和调湿能力均良好的功能性材料。

发明内容

为了进一步提高硅藻土基调湿材料的调湿性能，以及同时实现材料的调温性能，本发明提供了一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，添加不同的多孔介质，包括杨木粉、硅藻土、粉煤灰和轻质陶粒，通过孔径和粒度的阶梯式分布进一步提高了硅藻土基调湿材料的调湿性能，并以胶囊的形式在硅藻土基调湿材料中加入复合相变调温材料进行温度调控。本发明利用可再生资源木粉和玉米淀粉胶，以及工业固体废料粉煤灰和轻质陶粒，变能源消耗式的主动调温调湿为资源节约型的被动调温调湿的手段，实现了室内温度和相对湿度的自动调控，满足人们对舒适度的要求和达到节约能源的目的，同时对促进生态环境的可持续发展具有重要的实际意义。

本发明的技术方案如下：

一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，按重量配比由以下组份组成：15份～30份的水泥，20份～40份的调湿剂，15份～20份的粉煤灰，10份～20份的复合相变胶囊，5份～15份的轻质陶粒，2份～5份的玉米淀粉胶稳定剂，2份～5份的抗菌剂，2份～5份的防霉剂，130份～160份水。

所述的水泥型号为32.5型、32.5R型、42.5型或42.5R型。

所述的调湿剂为按重量配比由3份～4份硅藻土和1份～2份木粉组成。

所述的硅藻土为经过500～800℃的高温下煅烧1～8h所得，细度为100目～200目。

所述的木粉为吸水性木材经过干燥粉碎处理所得，细度为300目～400目，所述的吸水性木材为竹木或杨木。

所述的粉煤灰为燃煤火力发电厂、燃煤锅炉或煤燃烧过程中收集的粉尘，细度为100目。

所述的复合相变胶囊为膨胀石墨与石蜡按质量比为1～4份:100份的比例进行均匀混合后所得，其中石蜡为将固体石蜡与液体石蜡按质量比为5～8份:3份配制的二元混合物，相变温度为22～29℃。所述的复合相变胶囊可采用封装技术将复合相变材料密封制成，其中封装技术为采用固化剂使水性环氧树脂在复合相变材料表面聚合、固化所得。

所述的固化剂为酸酐型固化剂、聚酰胺型固化剂或合成树脂型固化剂。

所述的轻质陶粒为粒径1～5mm的300～400级超轻生物污泥陶粒、垃圾陶粒、煤矸石陶粒、粉煤灰陶粒或河底泥陶粒。

所述的抗菌剂为纳米二氧化钛或银系抗菌剂。

所述的防霉剂为OBPA防霉剂或稻糠粉木塑防霉剂。

本发明还提供上述具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，硅藻土的预处理：将硅藻土在500～800℃的高温下煅烧1～8h；

步骤2，复合相变胶囊的制备：将固体石蜡与液体石蜡按比例配制成二元混合物，膨胀石墨与二元混合物按比例均匀混合，配制相变温度为22～29℃的复合相变芯材，将复合相变芯材凝固成固态颗粒后与水性环氧树脂搅拌混合，使环氧树脂充分包覆在石蜡颗粒表面，最后加入固化剂并搅拌，静置使环氧树脂聚合并固化，制得复合相变胶囊；

步骤3，功能性材料的制备：将水泥、粉煤灰、预处理过的硅藻土、木粉、抗菌剂、防霉剂、稳定剂按配比搅拌混合均匀后，边搅拌边加水，待原材料混合成均匀浆料后，按比例加入轻质陶粒及复合相变胶囊并通过搅拌使其均匀分布在浆料中，然后将混合均匀的浆料倒入模具内，在模具表面覆盖保鲜膜，静置后拆模，放入养护箱养护，即制得具有潜热调温和被动调湿的功能性材料。

优选地，步骤3中，所述的静置时间为1～2天。

优选地，步骤3中，养护时间为20～28天。

本发明的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，可应用于室内温湿度调节中，将功能性材料贴于承重墙或非承重墙的内侧，使室内外间接性和不稳定性的热能能够储存在相变调温调湿材料内，实现能量的供需平衡，同时在40％～70％的范围内对室内相对湿度进行调节。

与现有技术相比，本发明具有以下显著效果：

1.本发明采用可再生资源木粉和玉米淀粉胶，工业固体废料粉煤灰和轻质陶粒，煅烧处理的硅藻土以及复合相变胶囊为主要原材料，轻质陶粒利用了生物污泥、垃圾、煤矸石、粉煤灰或河底污泥等固体废料，实现废物再利用，陶粒的闭孔结构使材料的保温、隔音性能大大增强，主要原材料易得、成本低廉且制备工艺简单，节能环保；

2.本发明以300目～400目的木粉作为超细料，100目～200目的硅藻土作为中细料，50目～100目的粉煤灰作为细料，粒径1～5mm的300～400级的轻质陶粒作为骨架材料，这种孔径和粒度的阶梯式分布和相互填充的作用，相应拓宽了材料的调湿范围，复合相变材料的添加大大增强了材料的蓄热能力和热容量，进而增强了材料的温度调节能力；

3.本发明改善了调湿材料在吸湿过程中导热系数增大的情况，在相同温湿度边界条件下，调湿材料中添加复合相变材料，一方面，添加的复合相变材料在相变过程中吸收了大量的热，使得整个固体结构的导热系数在相变过程中大大降低，另一方面，复合相变材料的添加使得调湿材料的比例相对降低，而且复合相变材料为绝湿材料，调湿材料因吸湿过程导热系数增大的情况将会缓解，使得具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的保温性能较单纯的调湿材料有所提高。

本发明的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料具有湿度响应快、吸放湿量大、蓄热能力强、热容量大，调温调湿效果好的优点，在室内温湿度调节领域中具有重要的应用价值。

附图说明

图1为调湿材料中添加和不添加复合相变材料时的示意图。

图2为调湿材料中添加和不添加复合相变材料时的温度分布图。

图3为调湿材料中添加和不添加复合相变材料时右边界平均温度的变化图。

图4为调湿材料中添加和不添加复合相变材料时导热系数随时间的变化。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，按重量配比由以下组份组成：15份～30份的水泥，20份～40份的调湿剂，15份～20份的粉煤灰，10份～20份的复合相变胶囊，5份～15份的轻质陶粒，2份～5份的玉米淀粉胶稳定剂，2份～5份的抗菌剂，2份～5份的防霉剂，130份～160份水。

所述的水泥型号为32.5型、32.5R型、42.5型或42.5R型。

所述的调湿剂为按重量配比由3份～4份硅藻土和1份～2份木粉组成。

所述的硅藻土为经过500～800℃的高温下煅烧1～8h所得，细度为100目～200目。

所述的木粉为吸水性木材经过干燥粉碎处理所得，细度为300目～400目，所述的吸水性木材为竹木或杨木。

所述的粉煤灰为燃煤火力发电厂、燃煤锅炉或煤燃烧过程中收集的粉尘，细度为100目。

所述的复合相变胶囊为膨胀石墨与石蜡按质量比为1～4份:100份的比例进行均匀混合后所得，其中石蜡为将固体石蜡与液体石蜡按质量比为5～8份:3份配制的二元混合物，相变温度为22～29℃。所述的复合相变胶囊可采用封装技术将复合相变材料密封制成，其中封装技术为采用固化剂使水性环氧树脂在复合相变材料表面聚合、固化所得。

所述的固化剂为酸酐型固化剂、聚酰胺型固化剂或合成树脂型固化剂。

所述的轻质陶粒为粒径1～5mm的300～400级超轻生物污泥陶粒、垃圾陶粒、煤矸石陶粒、粉煤灰陶粒或河底泥陶粒。

所述的抗菌剂为纳米二氧化钛或银系抗菌剂。

所述的防霉剂为OBPA防霉剂或稻糠粉木塑防霉剂。

上述具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，硅藻土的预处理：参考中国专利201110445847.7公开的方法对硅藻土进行预处理，即将硅藻土在500～800℃的高温下煅烧1～8h；

步骤2，复合相变胶囊的制备：将固体石蜡与液体石蜡按质量比为5～8份:3份的比例配制二元混合物，二元混合物与膨胀石墨按质量比100份:1～4份的比例进行混合，配制相变温度为22～29℃的复合相变芯材，待复合相变芯材凝固成固体颗粒后，将固体颗粒和水性环氧树脂按质量比5:1的比例搅拌，使环氧树脂充分包覆在固体颗粒表面，最后加入聚酰胺固化剂并搅拌，其中聚酰胺固化剂与环氧树脂的比例为1.2:1，静置一段时间，使环氧树脂聚合并固化，制备成复合相变胶囊；

步骤3，功能性材料的制备：将水泥、粉煤灰、煅烧处理的硅藻土、杨木粉按配比分别倒入搅拌容器中进行低速干拌，使各组分充分混合，继续一边搅拌一边加入水、玉米淀粉胶稳定剂、抗菌剂、防霉剂进行湿拌制浆，搅拌机速度在低档搅拌3分钟，中档搅拌3分钟，高档搅拌10分钟，然后加入复合相变胶囊和轻质污泥陶粒，中档搅拌3分钟并使其均匀分散于浆料中，最后待所有原材料混合均匀后将浆料注入模具内成型，在模具表面覆盖保鲜膜，静置1～2天后拆模，放入养护箱养护20～28天，即制得具有潜热调温和被动调湿的功能性材料。

实施例1

一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，其中各组分的质量配比为：30份的32.5型水泥，15份的煅烧硅藻土，5份杨木粉，15份的粉煤灰，10份的复合相变胶囊，15份的轻质污泥陶粒，5份的玉米淀粉胶稳定剂，2份的纳米二氧化钛抗菌剂，2份的OBPA防霉剂防霉剂，130份水。

一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法，具体步骤为：

步骤1，硅藻土的预处理：将硅藻土在500℃的高温下煅烧3h；

步骤2，复合相变胶囊的制备：将固体石蜡、液体石蜡按质量比8:3的比例配制二元混合物，二元混合物与膨胀石墨按质量比100:4的比例进行混合，配制相变温度为25.1～29℃的复合相变芯材；再将复合相变芯材凝固成固体颗粒；然后将固体颗粒和水性环氧树脂按质量比5:1的比例搅拌，使环氧树脂充分包覆在固体颗粒表面；最后加入聚酰胺固化剂并搅拌，其中聚酰胺固化剂与环氧树脂的比例为1.2:1，静置一段时间，使环氧树脂聚合并固化，制备成复合相变胶囊。

步骤3，功能性材料的制备：将水泥、粉煤灰、煅烧处理的硅藻土、杨木粉按规定用量分别倒入搅拌容器中进行低速干拌，使各组分充分混合，继续一边搅拌一边加入水、玉米淀粉胶稳定剂、抗菌剂、防霉剂进行湿拌制浆，搅拌机速度在低档搅拌3分钟，中档搅拌3分钟，高档搅拌10分钟，然后加入复合相变胶囊和粒径2mm的轻质污泥陶粒，中档搅拌3分钟并使其均匀分散于浆料中，最后待所有原材料混合均匀后将浆料注入模具内成型，在模具表面覆盖保鲜膜，静置1天后拆模，放入养护箱养护28天，即制得具有潜热调温和被动调湿的功能性材料。

调温调湿能力：吸湿率21.2％，放湿率6.5％，吸湿平衡时间12h～16h，相变温度25.1～29℃。

适用场合：适宜制成板材贴敷于住宅墙体的内侧自动调节室内相对湿度和保持室内温度在人体舒适度范围内。

图1为添加复合相变材料PCM和未添加复合相变材料PCM的调湿材料的示意图。根据实施例1制备的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，模拟了添加复合相变材料PCM和未添加复合相变材料PCM的调湿材料的温度调节能力，结果如图2～4所示。图2和图3对比了添加复合相变材料PCM和未添加复合相变材料PCM的调湿材料的温度调节能力，初始条件：温度均匀分布为15℃；边界条件：左边界为恒壁温45℃，其余边界为绝热边界条件，从模拟结果可以看出，首先，复合相变材料的添加使材料的蓄热能力和热容量大大增强，从而增强了材料的温度调节能力。其次，本发明在一定程度上可以改善调湿材料在吸湿过程中导热系数增大的情况。图4为在相同温湿度边界条件下，调湿材料中添加和不添加复合相变材料时导热系数随时间的变化，可以看出，调湿材料中添加复合相变材料，一方面，添加的复合相变材料在相变过程中吸收了大量的热，使得整个固体结构的导热系数在相变过程中大大降低；另一方面，复合相变材料的添加使得调湿材料的比例相对降低(如图1所示)，而且复合相变材料基本是绝湿的，调湿材料因吸湿过程导热系数增大的情况将会缓解，因此使得具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的保温性能较单纯调湿材料有所提高。

实施例2

一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，其中各组成成分的质量配比为：25份的32.5型水泥，20份的煅烧硅藻土，5份杨木粉，17份的粉煤灰，18份的复合相变胶囊，15份的轻质污泥陶粒，4份的玉米淀粉胶稳定剂，3份的纳米二氧化钛抗菌剂，3份的OBPA防霉剂防霉剂，140份水。

本实施例的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法与实施例1不同的是：将固体石蜡、液体石蜡按质量比6.5:3的比例配制二元混合物，二元混合物与膨胀石墨按质量比100:3的比例进行混合，配制得到的复合相变芯材的相变温度为24.1～28℃，其他与实施例1相同。

调温调湿能力：吸湿率27.2％，放湿率7.1％，吸湿平衡时间12h～16h，相变温度24.1～28℃。

适用场合：适宜制成板材贴敷于博物馆墙体内侧自动调节室内相对湿度和保持温度相对恒定。

实施例3

一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，其中各组成成分的质量配比为：20份的32.5R型水泥，20份的煅烧硅藻土，10份杨木粉，20份的粉煤灰，17份的复合相变胶囊，13份的轻质污泥陶粒，4份的玉米淀粉胶稳定剂，3份的纳米二氧化钛抗菌剂，3份的稻糠粉木塑防霉剂，150份水。

本实施例的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法与实施例1不同的是：将固体石蜡、液体石蜡按质量比2:1的比例配制二元混合物，二元混合物与膨胀石墨按质量比100:2的比例进行混合，配制得到的复合相变芯材的相变温度为23.8～28℃，其他与实施例1相同。

调温调湿能力：吸湿率33.5％，放湿率8.4％，吸湿平衡时间12h～16h，相变温度23.8～28℃。

适用场合：适宜制成板材贴敷于商场墙体内侧，用于调节不稳定客流量带来的室内温度和相对湿度波动。

实施例4

一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，其中各组成成分的质量配比为：15份的42.5水泥，20份的煅烧硅藻土，15份杨木粉，20份的粉煤灰，20份的复合相变胶囊，10份的轻质污泥陶粒，2份的玉米淀粉胶稳定剂，4份的银系抗菌剂，4份的稻糠粉木塑防霉剂，150份水。

本实施例的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法与实施例1不同的是：将固体石蜡、液体石蜡按质量比5.5:3的比例配制二元混合物，二元混合物与膨胀石墨按质量比100:2的比例进行混合，配制得到的复合相变芯材的相变温度为22.9～27℃，其他与实施例1相同。

调温调湿能力：吸湿率36.2％，放湿率8.9％，吸湿平衡时间12h～16h，相变温度22.9～27。

适用场合：适宜制成装饰品悬挂于住宅内自动调节室内相对湿度，或者用于物品储藏室保持其相对较低的温度。

实施例5

一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，其中各组成成分的质量配比为：15份42.5R的水泥，30份的煅烧硅藻土，10份杨木粉，20份的粉煤灰，20份的复合相变胶囊，5份的轻质污泥陶粒，3份的玉米淀粉胶稳定剂，5份的银系抗菌剂，5份的稻糠粉木塑防霉剂，160份水。

本实施例的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法与实施例1不同的是：将固体石蜡、液体石蜡按质量比5:3的比例配制二元混合物，二元混合物与膨胀石墨按质量比100:1的比例进行混合，配制得到的复合相变芯材的相变温度为22～26.5℃，其他与实施例1相同。调温调湿能力：吸湿率38.9％，放湿率9.1％，吸湿平衡时间12h～16h，相变温度22～26.5℃。

适用场合：适宜制成板材贴敷于健身场馆墙体内侧，用于满足间歇性产热产湿的健身场馆的温度和相对湿度要求。

Claims (8)

1.一种具有潜热调温和被动调湿的功能性材料，其特征在于，按重量配比由以下组份组成：15份～30份的水泥，20份～40份的调湿剂，15份～20份的粉煤灰，10份～20份的复合相变胶囊，5份～15份的轻质陶粒，2份～5份的玉米淀粉胶稳定剂，2份～5份的抗菌剂，2份～5份的防霉剂，130份～160份水；所述的调湿剂为按重量配比由3份～4份硅藻土和1份～2份木粉组成，所述的复合相变胶囊为膨胀石墨与石蜡按质量比为1～4份:100份的比例进行均匀混合后所得，其中石蜡为将固体石蜡与液体石蜡按质量比为5～8份:3份配制的二元混合物，相变温度为22～29℃；所述的复合相变胶囊采用封装技术将复合相变材料密封制成，其中封装技术为采用固化剂使水性环氧树脂在复合相变材料表面聚合、固化所得，固化剂为酸酐型固化剂、聚酰胺型固化剂或合成树脂型固化剂。

2.根据权利要求1所述的功能性材料，其特征在于，所述的水泥型号为32.5型、32.5R型、42.5型或42.5R型，所述的硅藻土为经过500～800℃的高温下煅烧1～8h所得，细度为100目～200目。

3.根据权利要求1所述的功能性材料，其特征在于，所述的木粉为吸水性木材经过干燥粉碎处理所得，细度为300目～400目，所述的吸水性木材为竹木或杨木，所述的粉煤灰为燃煤火力发电厂、燃煤锅炉或煤燃烧过程中收集的粉尘，细度为100目。

4.根据权利要求1所述的功能性材料，其特征在于，所述的轻质陶粒为粒径1～5mm的300～400级超轻生物污泥陶粒、垃圾陶粒、煤矸石陶粒、粉煤灰陶粒或河底泥陶粒。

5.根据权利要求1所述的功能性材料，其特征在于，所述的抗菌剂为纳米二氧化钛或银系抗菌剂，所述的防霉剂为OBPA防霉剂或稻糠粉木塑防霉剂。

6.根据权利要求1所述的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，硅藻土的预处理：将硅藻土在500～800℃的高温下煅烧1～8h；

步骤2，复合相变胶囊的制备：将固体石蜡与液体石蜡按比例配制成二元混合物，膨胀石墨与二元混合物按比例均匀混合，配制相变温度为22～29℃的复合相变芯材，将复合相变芯材凝固成固态颗粒后与水性环氧树脂搅拌混合，使环氧树脂充分包覆在石蜡颗粒表面，最后加入固化剂并搅拌，静置使环氧树脂聚合并固化，制得复合相变胶囊；

步骤3，功能性材料的制备：将水泥、粉煤灰、预处理过的硅藻土、木粉、抗菌剂、防霉剂、稳定剂按配比搅拌混合均匀后，边搅拌边加水，待原材料混合成均匀浆料后，按比例加入轻质陶粒及复合相变胶囊并通过搅拌使其均匀分布在浆料中，然后将混合均匀的浆料倒入模具内，在模具表面覆盖保鲜膜，静置后拆模，放入养护箱养护，即制得具有潜热调温和被动调湿的功能性材料。

7.根据权利要求6所述的具有潜热调温和被动调湿的功能性材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的静置时间为1～2天，养护时间为20～28天。

8.根据权利要求1至5任一所述的功能性材料在室内温湿度调节中的应用。