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干货 | 粘土矿物高端应用:矿物基调温、调湿复合材料!
来源:中国粉体技术网    更新时间:2019-01-09 17:58:02    浏览次数:
 
  近年来,随着人们对建筑节能和室内热湿环境愈来愈重视,开发调温、调湿材料逐步成为复合型建筑功能材料研究和应用领域的热点。

 

粘土矿物 应用 调温 调湿


  非金属矿物种类繁多,且价格低廉,无需复杂加工就能制造出大孔容积、高比表面积、宽孔径范围的多孔载体功能材料,有望在调温、控湿和防治环境污染等领域发挥重要作用。

1、非金属矿物基调温复合材料

  建筑应用得最广泛的调温复合材料是多孔基复合相变材料,它是指多孔矿物材料对相变材料进行定形封装再加入到建筑材料,根据相变材料发生相变吸放热的特性,可以降低室内温度波动,达到隔热保温的目的。定形复合相变材料加入水泥砂浆可吸收水泥水化过程产生的水化热,防止建筑表面热裂缝现象的发生。
  多孔矿物材料对相变材料的封装制备方法主要有真空吸附(浸渍)法、液相插层法及熔融插层法。
  真空吸附法:是将载体加入到锥形瓶中进行真空处理,达到真空度后,加入熔融状态的相变材料,进行吸附处理一段时间。
  液相插层法:是通过有机或无机溶剂将相变材料溶解,将载体材料加入到该混合液,相变材料能够吸附在载体材料的孔隙结构中,加热待溶剂挥发后即可形成复合材料。
  熔融插层法:是将相变材料与载体进行熔融共混,利用孔隙结构的表面张力和毛细管作用力,使相变材料能转移进入载体的孔隙之间,形成相变复合材料。
  这些方法都是将相变储热材料嵌入到非金属矿物材料的微孔隙结构,对相变材料起到密封作用,防止其受热液化产生宏观流动,减小泄漏的可能性。

(1)硅藻土基复合相变材料

  硅藻土是由古代硅藻的遗骸沉积而成,表面布满孔隙,可吸附自身质量3-4倍的物质,它具有疏松多孔,密度小,比表面积大等特性,表明其有优良的吸附能力。

 

粘土矿物 应用 调温 调湿


  硅藻土是生产轻质高强墙体的绝佳原材料,在保证墙体力学强度的基础上,硅藻土可有效降低建筑物质量,进而提高房屋抗震强度。同时具备耐高温、耐腐蚀的特点,与水泥混凝土相容性好,因此以硅藻土为基体的调温调湿功能性材料一直是国内外学者研究的重点。
  Jeong等采用真空浸渍法将正十六烷、正十八烷和石蜡分别嵌入到硅藻土孔内,实验结果表明当相变材料含量为50%(质量分数)时,定形相变材料无泄漏现象,具有良好的形状稳定性,它的耐热性甚至优于纯相变材料。
  钱婷婷采用水热还原法和溶液共混法在硅藻土表面分别修饰Ag颗粒和碳纳米管,并嵌入液态聚乙二醇,导热率分别提高了240%和260%,PEG的过冷度也得到一定程度降低,更适用于建筑节能材料领域。

(2)海泡石基复合相变材料

  海泡石是一种长纤维状富镁硅酸盐矿物,在高温下不燃烧,物质结构性能稳定,是性能极佳的保温材料,适用于航空、航天等特殊领域。海泡石具有两层硅氧四面体,还有中间一层氧镁八面体,水分子和可交换的阳离子位于层状结构单元上下相间与键平行的孔道。该特殊孔道可有效吸附相变材料,从而制备海泡石基复合相变材料,进而加入到相关建筑材料。

 

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  张鑫林等曾采用液相法制备硬脂酸/海泡石复合相变储能建筑材料,实验结果表明该复合材料储热性能大、耐热性能良好,有效阻止和延缓热量流出或流入建筑室内。
  Shen等采用真空浸渍法将月桂酸浸渍到改性海泡石中,研究了煅烧、碱浸和盐酸处理对海泡石的相变材料最大负载量的影响。改性后的海泡石比原矿材料提升了50%的负载量,该复合相变材料的导热率则提高了1.8倍,过冷度降低了0.9-1.2℃。

(3)膨润土基复合相变材料

  膨润土是一种含水粘土矿,主要成分是蒙脱石,含量在30%-90%之间,层状结构与海泡石类似。以膨润土为原材料的轻质墙体,可用模型打墙,成型速度快,无需蒸汽养护,便于施工。钙基膨润土具有粘结性和高塑性,可作为墙体材料的胶凝剂和固化剂。

 

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  刘弋潞等采用液相插层-超声震动方法制备钠基膨润土复合相变材料并制成相变石膏板,该相变储能石膏板的吸水率是(26.8±0.2)%,保温隔热性能是普通石膏板的3倍,最大断裂负荷比国家标准高14.1%,表明了该成果在建筑行业具有良好的应用前景。
  Chen分别以膨润土和聚合物为支撑载体制备了定形相变材料,前者主要以毛细管作用力吸附相变材料,后者以氢键固定熔融状态下的相变材料。结果表明,膨润土最大吸附量为50%(质量分数),聚合物载体相变材料最大负载容量为70%,且后者的相变焓高于前者,但是膨润土基复合相变材料的导热率比纯相变材料高近一倍,而聚合物基相变材料的导热效果与相变材料相差无几。
  综上所述,大多数非金属矿物材料自身质轻、密度小,适合做轻质墙体的原材料,可通过其自身丰富孔隙结构吸附相变材料制成相变细骨料,按等质量代砂法加入到砂浆、混凝土,降低太阳辐射量对室内环境的影响,但是应当注意替砂率对砂浆、混凝土力学强度、耐久性等工作性能的影响。

2、非金属矿物基调湿复合材料

  目前非金属矿物基调湿复合材料主要集中在调湿材料的研制和性能检测,天然的多孔基矿物材料调湿性能仍达不到实际应用的要求,一般需要用物理或化学的方法对其进行改性,着重于对内部孔道结构以及大小和数量的改进。
  近年来,学者们着手复合不同类型的调湿材料,如无机盐/无机矿物、无机矿物/有机高分子、无机矿物/无机矿物等复合材料,使矿物材料的吸湿容量和湿度响应速率进一步提升。

(1)无机盐/无机矿物复合调湿材料

  该类材料是利用无机盐调湿材料(如CaCl2、MgCl2等)对无机矿物材料进行改性或者混合成型制备出高湿容量和高湿度响应速度的复合调湿材料。
  如采用CaCl2对海泡石进行改性,随着CaCl2用量的增大,海泡石的吸湿容量呈现先增加后减少的趋势。
  刘露以氧化镁为主要原料,与改性矿物材料加水混合成浆体浇注成型制成氧化镁基复合调湿材料。实验结果表明,改性矿物材料均匀分布于复合调湿材料中,当矿物材料掺和量为20%,试块尺寸为50mm×50mm×50mm的饱和吸湿量为3.1529g(85%RH),饱和放湿量为2.8581g(25%RH),表现出良好的吸湿性能。

(2)无机矿物/有机高分子复合调湿材料

  该类材料是利用有机材料进行对无机矿物混合改性,提高多孔材料的孔隙大小、层间间距和成膜能力。
  黄剑锋等采用丙烯酰胺对膨润土进行插层聚合处理,制成聚丙酰胺/膨润土复合调湿膜,膨润土的层间间距由1.607nm拓宽为2.079nm,同时发现复合调湿膜中膨润土的含量越高,调湿膜的吸湿容量就越小,吸湿速率也随着变慢,放湿速率却增加了。
  任曙凭将沸石、海泡石、硅藻土等多类无机矿物与丙烯酸聚合,制备出多种复合调湿材料。实验结果表明,硅藻土类材料对环境湿度控制能力最高,这是因为硅藻土的比表面积较大,易于高分子包裹,使得调湿性能更加优越。

(3)无机矿物/无机矿物复合调湿材料

  该类材料是将多种无机矿物材料进行混合、复合处理,以制造出宽孔径范围的复合多孔材料。
  吕荣超将海泡石加入到沸石、硅藻土制成混合品试样。结果表明,随着海泡石掺入量的增加,两者的混合品试样相较沸石、硅藻土调湿能力均有上升,但是均小于海泡石原矿,这是因为样品之间只是简单的机械混合,物理性质和化学性质并无改变。
  马明明等将硅藻土、钾长石、黏土和滑石粉高温烧结制备出复合调湿材料。结果表明,当烧结温度为900℃,制成的样品吸湿量最大为32.84mg/g,分别比烧结温度为950℃和1050℃的吸湿量大34.68%和82.49%。
  当然,矿物基调温调湿复合材料不仅局限于调温或者控湿的单一功能,可针对高温高湿地区,将材料应用于建筑围护结构,实现对建筑室内热湿环境的同步调节。开发矿物基载体功能材料,不仅能拓宽非金属矿物的应用领域,实现其高附加值、精细化综合利用,更是目前非金属矿物精细加工的必然要求,其市场前景值得期待。

参考资料:矿物基载体功能材料调温调湿性能研究进展,作者:张鑫林等
编辑整理:粉体技术网

 

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