调湿材料的研究现状

调湿材料的研究现状

Present research status of humidity-control materials

侯国艳，冀志江，王继梅，王晓燕

（中国建筑材料科学研究总院，绿色建筑材料国家重点实验室，北京，100024） 摘要：本文阐述了发展调湿材料的意义，简要介绍了调湿材料的调湿机理以及国内外研究的现状。指出需进一步加快调湿机理的理论研究以及发展经济且性 能良好的调湿建材产品。 关键词：调湿材料；湿度调节；节能

中图分类号：X820.3 文献标识码：B 文章编号： 1 引言

现时社会中环境保护已经成为公众话题，相对于绿色无污染、可持续性发展等环保概念而言，湿度调节显得陌生且往往容易被忽略。近年来，湿度的作用和危害在国内日益受到关注，因此关于湿度控制和调节的研究也越来越受到重视。 空气湿度是表示空气中水汽多少亦即干湿程度的物理量。过高或者过低的湿度影响人居环境与人体健康，对物品的保存、仪器的寿命等等具有严重的危害性。湿度由过高(低)至过低(高)交替变化时的危害更为严重。

国家“十一五”科技攻关计划资助项目（2006BAJ02A09、2006BAJ02B02）

注:三角形的高度表示发生的量和程度

图1相对湿度对卫生安全及健康的影响

Fig 1 influence of air humidity on sanitation safety and health

图1是加拿大学者Anthony V.Arundel等[1]考虑各种因素后，推荐的最佳相对湿度范围：相对湿度在40%--60%之间，可使环境中细菌、病菌、霉菌, 寄生虫的总数量最少，将呼吸道感染和过敏症、气喘病、化学作用的可能性降至最小，且能保证空气中臭氧的一定发生率，使空气清新净化。

2目前调节湿度的办法及展望

外界温度变化是引起湿度变化的主要原因之一，通过对温度与湿度之间相互关系的研究表明[2]：如果在密闭系统中没有任何吸附与解析水份的物质，当短时间内温度由10-40℃变化时，会使系统内相对湿度降低到原来的1/6的水平，反过来同样如此。

目前，实现湿度调节较为普遍的方法是利用当今先进的空调技术，但是常用的空调技术要消耗大量能源,除直接或间接引起大气污染（如：温室效应）、热污染、破坏生态平衡外，还会引发“室内空气质量”和“建筑综合症（SBS）”等问题。从可持续发展战略考虑，使用机械技术控制湿度并非长久的根本方法，而只能作为辅助手段来调节室内热湿环境。

在日益要求与地球环境相协调、有效地利用有限资源为核心、建设可持续发展社会为目标、促进科学技术发展的形势下，对具体实现具有自我修复、自我诊断、环境应答或学习功能等特点，与人为善的、可信赖的、节能的、省资源的智能化材料的期待日益高涨。研究具有自动温湿调节能力的材料具有重大的现实和历史意义[3]。使用调湿材料是调节湿度的另一种方法，国内早期大多采用的变色硅胶[4]，但因其价格较贵，且存在只能吸湿的不可逆现象，不能广泛使用。国内目前关于调湿材料的研究仍然处于初级阶段。

未来系统建筑的智能型调湿材料特点就是智能化。智能调湿建材在周围空气中的水蒸汽浓度上升时，自身可感知并开始吸收水蒸汽，防止室内湿度的上升，相反湿度下降产生过干燥时，材料自身可感知并开始放出水蒸汽，防止室内过干燥，从而能够很好地将空气湿度保持在比较适于人生存的范围内。

3 湿度调节材料的研究现状

具有调湿功能的材料大多为一些多孔材料，以及通过化学反应来调节水份含量的一些化学材料，或者是两者的复合材料。调湿材料首先是在日本发展和应用起来。图2是近十几年来每年批准的直接关于湿度调节方面的专利数目，资料源于欧洲专利网[5]。

图2专利数目年表

Fig 2 chronological table of patents amount

从图中可以看出湿度调湿的研究从1982年开始逐步趋于热门，在1990、1991年达到一个高峰，随后热度慢慢下降。直到1998年，关于湿度调节方法及材料的研究突然再次热门，并维持着较高热度直到现在。

3.1 调湿材料的分类及作用机理的研究现状

调湿材料的作用机理因种类差别而不同，调节湿度材料主要分为四类：无机调湿材料、有机高分子调湿材料、生物质调湿材料和复合调湿材料。无机调湿材料和生物质调湿材料主要用于建筑材料，硅胶和有机高分子调湿材料主要用于工业和食品包装。硅胶调湿材料虽然吸湿能力比较大，但放湿再生能力较差；有机高分子调湿材料的吸放湿能力都比较强，但容易对环境造成污染；生物质调湿材料吸湿量较强，放湿能力较弱；无机调湿材料的吸湿量有限，放湿再生能力比较强。故研究考虑采用不同孔道结构和尺寸的无机调湿材料进行匹配，以达到高效吸放湿并快速再生的目的。

无机非金属调湿材料的调湿能力主要依靠内部较多的孔道与极大的比表面产生的水分子吸附、脱附作用。吸附现象主要有三类:物理吸附、化学吸附和离子交换吸附。

有机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，渗透分子进入高分子内取决于两个因素：（1）在聚合物内有合适的孔径；（2）渗透分子与高分子之间的作用力。由于水分子是极性分子，高分子极性越大，与吸附

物质水分子的作用力也就越大，吸湿量也越大；反之，如果是非极性分子，则吸湿量几乎为零。理论上分子结构中含有羧基、胺基、羟基等亲水基团的高分子材料都可以作为调湿剂,亲水基团越多,吸湿量就越大[6]。按照有关高分子结构单元物理结构中最重要的因素是结晶度，分子越规整就越不利于吸湿[7]。

1997年，渡材信治等对国际化学联合会(IUPAC)所划分的等温吸附曲线种类进行分析，并用开尔文关于毛细管凝结理论，以两端开口的圆柱毛细孔为模型，考虑到吸附与脱附毛细管中弯月面有所不同，得出：孔径在3.0nm～7.4nm之间且分布均匀的材料，在相对湿度40%～70%之间具有最佳的调湿性能[8]。

3.2 调湿材料研究的现状

事实上，任何无机或有机多孔材料都具有或多或少的吸放湿性能，生物质材料尤其是木材在我国古代就已经得到了相当广泛的应用。最近十多年来，人们开始注意到了传统材料（包括无机材料及生物质材料）的调湿性能。直到现在，一些传统材料依然作为调湿材料而进行改进使用。传统材料的吸放湿量有限，即平衡含湿量低，尤其是放湿能力较弱。同时，还存在着吸放湿速度慢，耐久性和耐腐蚀性较差的问题。因此，开发新型的调湿材料势在必行。

3.2.1国内的研究现状及趋势

新型无机非金属类调湿材料的研究，起源并主要集中在日本。国内关于调湿材料的研究仍然停留在初级阶段， 1990年7月清华大学土木系建材研究室开展了调湿材料的研究。上海博物馆罗曦芸（1997）论述了调湿材料的开发[7]，详细介绍了特种硅胶、无机盐类、蒙脱土类及有机高分子类调湿材料的调湿特性，并初步研究其作用机理。华侨大学建筑系冉茂宇（2001）研究了硅胶的吸放湿性能，同时探讨了材料的吸湿机理[9]。2003年河北工业大学梁金生、梁广川等人利用海泡石、木质纤维、复合磷酸盐、纤维素、活性炭、无机抗菌剂及防霉剂通过海泡石族矿物的酸洗、活化以及各组分的混合、制浆、成型、焙烧和破碎等工艺制成了一种具有自调湿功能的建材添加剂[10]。吕荣超等(2005)以纯海泡石和白水泥为主复配成的样品可使10L密闭容器内部湿度控制在47%－51%[11]。侯国艳，冀志江等(2007)利用硅藻土与海泡石配制出一种调湿腻子粉，与普通腻子相比吸湿能力高5%，放湿能力高7%[12]。

总的来说，国内的研究中目前被用做湿度调节的材料有海泡石、高岭土、蒙脱土、沸石等，但都没有形成较大的研究气候和成熟的建材产品。

3.2.2国外的研究现状及趋势

从1980年开始至1987年，日本在大约近百项工程中使用了调湿材料，对文