CN115418863B - 湿度调节用复合材料及其制备方法和湿度调节设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高分子材料技术领域，具体而言，涉及湿度调节用复合材料及其制备方法和湿度调节设备；制备方法包括：将亲水性聚合物溶液和辅材混合，制得复合材料乳液，其中，辅材包括交联剂和除醛剂；将复合材料乳液涂覆于纤维片材，并热处理使其交联。本发明的制备方法制备的湿度调节用复合材料的功能增强，除了可以吸收空气中的水分之外，还具有除醛、抗菌的作用，湿度调节用复合材料自身不容易发霉，清洁程度得到改善。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体而言，涉及湿度调节用复合材料及其制备方法和湿度调节设备。
背景技术
在现有相关技术提供的空气湿度调节设备中，例如：无水加湿器和除湿机，通常需要使用湿度调节材料来吸收空气中的水分，然后通过加热等方式使被吸收的水分吹入室内侧或排出至室外侧，从而达到调节室内空气湿度的目的。目前，常见的湿度调节材料通常有硅胶、沸石、纤维纸和金属硅酸盐等通用干燥剂。例如，日本西部技研工业株式会社开发了一种高分子干燥剂粉末，可将其浸渍或涂敷金属薄板等的全热交换器，然而，该高分子干燥剂粉末没有孔道吸附，而是通过离子的水化作用进行吸附。由于吸附过程只吸附了水分，也就是说，污染物分子未经处理就直接排放到大气中。
由此可见，相关技术提供的湿度调节用材料的功能通常较为单一，还容易因自身湿度的增加而容易导致自身发霉，清洁程度有待提升。
发明内容
本发明的目的在于提供湿度调节用复合材料及其制备方法和湿度调节设备；湿度调节用复合材料的功能增强，除了可以吸收空气中的水分之外，还具有除醛、抗菌的作用，湿度调节用复合材料自身不容易发霉，清洁程度得到改善。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种湿度调节用复合材料的制备方法，包括：
将亲水性聚合物溶液和辅材混合，制得复合材料乳液，其中，辅材包括交联剂和除醛剂；
将复合材料乳液涂覆于纤维片材，并热处理使其交联。
在可选的实施方式中，亲水性聚合物溶液由亲水性聚合物和溶剂混合而成；
亲水性聚合物包括纤维素衍生物、聚乙烯醇、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸钠盐、聚苯乙烯磺酸/马来酸共聚物、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸酯树脂、聚乙二醇、聚环氧乙烷和纤维素衍生物中的至少一种。
在可选的实施方式中，亲水性聚合物的重量为亲水性聚合物溶液的重量的0.5-50wt％。
在可选的实施方式中，溶剂包括水、醇、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基乙酰胺中的至少一种。
在可选的实施方式中，交联剂的重量小于或等于亲水性聚合物的重量的20wt％。
在可选的实施方式中，辅材还包括多孔材料的重量小于或等于亲水性聚合物的重量的50wt％；和/或，辅材还包括增稠剂，例如：羟丙基纤维素。
在可选的实施方式中，多孔材料包括硅胶、分子筛或Cu、Ag掺杂的多孔材料中的至少一种；
多孔材料的平均孔径大于或等于5nm。
在可选的实施方式中，交联剂包括过氧化二苯甲酰、硅酸四乙酯、硅烷偶联剂化合物、聚丙烯酸、羟基二酸及其衍生物、苹果酸和酒石酸中的至少一种；
除醛剂包括氨基磺酸、牛磺酸和咪唑烷酮中的至少一种。
第二方面，本发明提供一种湿度调节用复合材料，其是由前述实施方式任一项的湿度调节用复合材料的制备方法制得的。
第三方面，本发明提供一种湿度调节设备，其包括前述实施方式的湿度调节用复合材料。
本发明具有以下有益效果：
本发明实施例提供的湿度调节用复合材料的制备方法包括：将亲水性聚合物溶液和辅材混合，制得复合材料乳液，辅材包括交联剂和除醛剂；将复合材料乳液涂覆于纤维片材，并热处理使其交联。通过交联剂、除醛剂的添加，使湿度调节用复合材料具有除醛性和抗菌性，这样一来，湿度调节用复合材料自身不容易发霉，清洁程度得到改善。
本发明实施例提供的湿度调节用复合材料由前述的制备方法制得，该复合材料具有除醛性和抗菌性，其自身不容易发霉，清洁程度得到改善。
本发明实施例提供的湿度调节设备包括前述的湿度调节用复合材料，该湿度调节用复合材料具有除醛性和抗菌性，即可在调节湿度的同时减少空气中的甲醛等醛类化合物，且湿度调节用复合材料自身具有抗菌性，能够减少其自身发霉的情况，改善清洁程度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
相关技术提供的一些湿度调节设备，需要利用湿度调节用复合材料吸收空气中的水分；例如：无水加湿装置，其包括用湿度调节用复合材料制备的吸湿转轮，吸湿转轮能够吸收空气中的水分，并将其吸收到的水分释放到室内，以增加室内的环境湿度；具体地，吸湿转轮在使用时，不需要压缩机，也不需要冷却剂，当吸湿转轮吸收空气中的水分后，利用电加热装置将热空气吹向吸湿转轮，进而利用热空气将吸收于吸湿转轮的水分以热湿气的方式带出吸湿转轮，实现水汽的脱附，水汽进入室内环境，以增加室内环境的湿度。
还有相关技术提供的湿度调节设备为除湿机，除湿机也配置有由湿度调节用复合材料制备的吸湿转轮，其工作原理与无水加湿装置的吸湿转轮类似；区别在于，除湿机的吸湿转轮吸收的水分被热气带出吸湿转轮后由集水箱收集起来，以达到除去室内环境湿气的目的。
但是，相关技术提供的湿度调节用复合材料只能吸收空气中的水分，功能有限，且容易因其吸收水分、湿度高而发霉，清洁程度降低。
本发明提供一种湿度调节用复合材料的制备方法，其包括：将亲水性聚合物溶液和辅材混合，制得复合材料乳液，辅材包括交联剂和除醛剂；将复合材料乳液涂覆于纤维片材，并热处理使其交联。
通过交联剂和除醛剂的添加，使湿度调节用复合材料具有除醛性和抗菌性，这样一来，湿度调节用复合材料自身不容易发霉，清洁程度得到改善。
需要说明的是，热处理可以是指：将复合材料乳液涂覆于纤维片材后，至于高温下保持设定时间，以完成交联反应。
进一步地，亲水性聚合物溶液由亲水性聚合物和溶剂混合而成。
在一些实施方式中，亲水性聚合物包括纤维素衍生物、聚乙烯醇、聚苯乙烯磺酸、聚苯乙烯磺酸钠盐、聚苯乙烯磺酸/马来酸共聚物、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸酯树脂、聚乙二醇、聚环氧乙烷和纤维素衍生物中的至少一种。
进一步地，亲水性聚合物的重量为亲水性聚合物溶液的重量的0.5-50wt％，例如：0.5wt％、1wt％、10wt％、20wt％、30wt％、40wt％、50wt％等，在此不作具体限定。
若亲水性聚合物的含量大于50wt％时，粘度过高，后续加工困难，若亲水性聚合物的含量小于0.5重量％时，粘度过低，存在纤维不均匀的问题，会对湿度调节用复合材料的吸水性造成不良影响。
在一些实施方式中，溶剂包括水、醇、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基乙酰胺中的至少一种。
在一些实施方式中，交联剂包括过氧化二苯甲酰等过氧化物类、硅酸四乙酯等无机前体、硅烷偶联剂化合物、聚丙烯酸、羟基二酸及其衍生物、苹果酸和酒石酸等有机酸中的至少一种。交联剂的添加能够提高湿度调节用复合材料的除醛性和抗菌性。
进一步地，交联剂的重量小于或等于亲水性聚合物的重量的20wt％，例如：20wt％、18wt％、16wt％等，在此不作具体限定；若是交联剂的含量超过亲水性聚合物的重量的20wt％，则在交联反应后的高分子复合材料的硬度过高或容易发生断裂，即交联剂的含量过高会对湿度调节用复合材料造成不良影响。
在一些实施方式中，辅材还包括多孔材料，多孔材料的添加能够进一步确保湿度调节用复合材料的吸水性、除醛性和抗菌性。
进一步地，多孔材料包括硅胶、分子筛或Cu、Ag掺杂的多孔材料中的至少一种。
在进一步地，多孔材料的重量小于或等于亲水性聚合物的重量的50wt％，例如：50wt％、45wt％、40wt％、35wt％等，在此不作具体限定。
若多孔材料的含量超过亲水性聚合物的重量的50wt％时，难以分散并且会发生团聚的现象，同时水分吸附量、吸附率均会降低，不利于湿度调节用复合材料的吸湿性。
再进一步地，多孔材料的平均孔径大于或等于5nm。如此，能够进一步确保湿度调节用复合材料具有良好的除醛性和抗菌性。
需要说明的是，多孔材料的添加，能够增加制得的湿度调节用复合材料的表面积，以提升湿度调节用复合材料吸附水的能力，即提升其吸水性能。多孔材料和交联剂的共同添加，还能确保湿度调节用复合材料的耐久性。
在一些实施方式中，除醛剂选用在酸性条件下稳定的物质，例如：氨基磺酸、牛磺酸和咪唑烷酮中的至少一种。
本发明的制备方法制得的湿度调节用复合材料，能够用于制备无水加湿装置或除湿机等湿度调节设备的吸湿转轮等部件。
以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
将聚乙烯醇(PVA，87-89％水解)和氨基磺酸在60℃温度条件下，分别以质量浓度为10wt％和5wt％溶解在蒸馏水中制备PVA溶液。向所制备的PVA溶液中，以基于PVA重量的20wt％的量添加作为交联剂的苹果酸并搅拌至少1小时；加入相对于PVA重量为5wt％的沸石，制备高分子复合材料乳液。将高分子复合材料乳液涂敷的纤维片材，并在120℃加热1小时以进行交联反应。
实施例2
将聚乙烯醇(PVA，87-89％水解)和咪唑烷酮在60℃温度条件下，分别以质量浓度为10wt％和5wt％溶解在纯水中制备PVA溶液。
使用纯水制备质量浓度为2wt％羟丙基纤维素溶液，作为增稠剂。
将PVA溶液和羟丙基纤维素混合制备共聚物；PVA溶液和羟丙基纤维素溶液的重量比为9:1混合，并搅拌以制备对应复合材料乳液。向所制备的混合溶液中加入基于PVA重量的20wt％的苹果酸作为交联剂并搅拌至少1小时；加入相对于PVA重量为5wt％的C型硅胶，制得复合材料乳液，并将复合材料乳液涂敷的纤维片材，并在120℃加热1小时以进行交联反应。
实施例3
将聚乙烯醇(PVA，87-89％水解)和咪唑烷酮在60℃温度条件下，分别以质量浓度为10wt％和5wt％溶解在纯水中制备PVA溶液。
使用纯水制备质量浓度为2wt％羟丙基纤维素溶液。
将PVA溶液和羟丙基纤维素混合制备共聚物；PVA溶液和羟丙基纤维素溶液的重量比为8:2混合，并搅拌以制备对应复合材料乳液。向所制备的混合溶液中加入基于PVA重量的20wt％的苹果酸作为交联剂并搅拌至少1小时；加入相对于PVA重量为5wt％的C型硅胶，制得复合材料乳液，并将复合材料乳液涂敷的纤维片材，并在120℃加热1小时以进行交联反应。
实施例4
将聚乙烯醇(PVA，87-89％水解)和咪唑烷酮在60℃温度条件下，分别以质量浓度为10wt％和5wt％溶解在纯水中制备PVA溶液。
使用纯水制备质量浓度为2wt％羟丙基纤维素溶液。
将PVA溶液和羟丙基纤维素混合制备共聚物；PVA溶液和羟丙基纤维素溶液的重量比为7:3混合，并搅拌以制备对应复合材料乳液。向所制备的混合溶液中加入基于PVA重量的20wt％的苹果酸作为交联剂并搅拌至少1小时；加入相对于PVA重量为5wt％的C型硅胶，制得复合材料乳液，并将复合材料乳液涂敷的纤维片材，并在120℃加热1小时以进行交联反应。
对比例1
对比例1与实施例2的区别在于未添加苹果酸。
对比例2
将纤维片材置于含有10wt％聚乙烯醇(PVA,水解87-89％)的第一溶剂中进行处理；再将处理后的片材置于含有5wt％咪唑烷酮、2wt％羟丙基纤维素的第二溶剂中进行处理；最后对纤维片材进行高温加热。
对比例3
将纤维片材置于含有10wt％聚乙烯醇(PVA,水解87-89％)和5wt％咪唑烷酮的第一溶剂中进行处理；再将处理后的纤维片材置于含有2wt％羟丙基纤维素的第二溶剂中进行处理；最后对纤维片材进行高温加热。
检测实施例2-4、以及对比例1-3最终得到的纤维片材的水分吸附量，结果见表1中；其中，水分吸附试验条件基于25℃、50％RH下的密封舱进行24小时，最后计算增重率。结果表明，由于添加苹果酸的交联反应，水分吸附量的增加超过了预期。同时，实施例1的方法相比于对比2、3能够提升水分吸附率。
表1
| 编号 | 静态水分吸附量 |
| 实施例2 | 15％ |
| 实施例3 | 14％ |
| 实施例4 | 12％ |
| 对比例1 | 8％ |
| 对比例2 | 7％ |
| 对比例3 | 7％ |
实施例5
将聚乙烯醇(PVA，87-89％水解)和咪唑烷酮在60℃温度条件下，分别以质量浓度为10wt％和5wt％溶解在纯水中制备PVA溶液。
使用纯水制备2wt％羟丙基纤维素溶液。
将PVA溶液和羟丙基纤维素混合制备共聚物；PVA溶液和羟丙基纤维素溶液的重量比为9:1(实施例5)。
实施例6
实施例6与实施例5的区别在于，将基于PVA重量的20wt％作为交联剂的苹果酸添加到PVA溶液和羟丙基纤维素混合制备共聚物中，并搅拌1小时或更长时间以制备聚合物溶液。
实施例7
实施例7与实施例6的区别在于，还基于PVA重量的3％添加C型硅胶，以制备复合材料乳液。
在实施例5-7制备的乳液中培养大肠杆菌。在35℃条件下培养细菌24小时后，进行样品对比。实施例5的样品中培养了一些大肠杆菌，但在实施例6和7的样品中根本没有繁殖。然而，作为重复实验的结果，在实施例6的样品中也培养了非常少的大肠杆菌，而实施例7的样品仍然未见到大肠杆菌繁殖。因此，确认添加交联剂和多孔材料时的抗菌性更好非常好。
实施例8
将聚乙烯醇(PVA，87-89％水解)和咪唑烷酮在60℃温度条件下，分别以质量浓度为10wt％和5wt％溶解在纯水中制备PVA溶液。
使用纯水制备质量浓度为2wt％得羟丙基纤维素溶液。
将PVA溶液和羟丙基纤维素溶液混合成共聚物，PVA溶液和羟丙基纤维素溶液的体积比为9:1。再将作为交联剂、且基于PVA重量的20wt％的苹果酸添加到共聚物中，并搅拌至少1小时以制备聚合物溶液。最后基于聚合物重量的3％添加C型硅胶以制备复合材料乳液；将复合材料乳液涂敷的纤维片材在120℃加热1小时以进行交联反应，即得湿度调节用复合材料。
实施例9
实施例9与实施例8的区别在于，用氨基磺酸替换咪唑烷酮。
实施例10
实施例10与实施例8的区别在于，用牛磺酸替换咪唑烷酮。
比较实施例8-10的除醛性能，比较结果见表2。
表2
| 编号 | 除醛剂 | FCADR(m3/h) |
| 实施例8 | 咪唑烷酮 | 35 |
| 实施例9 | 氨基磺酸 | 32 |
| 实施例10 | 牛磺酸 | 43 |
根据表2的结果可知，包括氨基磺酸、牛磺酸和咪唑烷酮均具有良好的除醛性能。
综上所述，本发明的湿度调节用复合材料的制备方法制得的材料功能增强，除了可以吸收空气中的水分之外，还具有除醛、抗菌的作用，湿度调节用复合材料自身不容易发霉，清洁程度得到改善。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种湿度调节用复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将亲水性聚合物溶液和辅材混合，制得复合材料乳液，其中，辅材包括交联剂、除醛剂、多孔材料和增稠剂；
将所述复合材料乳液涂覆于纤维片材，并热处理使其交联；
所述亲水性聚合物溶液由亲水性聚合物和溶剂混合而成；所述亲水性聚合物为聚乙烯醇；
所述亲水性聚合物的重量为所述亲水性聚合物溶液的重量的0.5-50wt%；
所述交联剂的重量小于或等于所述亲水性聚合物的重量的20wt%；
所述多孔材料的重量小于或等于所述亲水性聚合物的重量的50wt%；
所述多孔材料选自硅胶和分子筛中的至少一种；所述多孔材料的平均孔径大于或等于5nm；
所述增稠剂为羟丙基纤维素；
所述交联剂为苹果酸；
所述除醛剂选自氨基磺酸、牛磺酸和咪唑烷酮中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的湿度调节用复合材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自水、醇、N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基乙酰胺中的至少一种。
3.一种湿度调节用复合材料，其特征在于，其是由权利要求1-2任一项所述的湿度调节用复合材料的制备方法制得的。
4.一种湿度调节设备，其特征在于，其包括权利要求3所述的湿度调节用复合材料。
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