高性能保水調濕水泥質材料之研發

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(1)高性能保水調濕水泥質材料之研發. 內政部建築研究所研究報告中華民國 97 年 12 月.

(2) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 研究主持人：何明錦協同主持人：黃. 然、張建智. 研究人員：蔡宜中、林世堂研究助理：孫天明. 內政部建築研究所研究報告中華民國 97 年 12 月.

(3) ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF THE INTERIOR RESEARCH POROJECT REPORT. Study of high performance humidity-control cement-based materials. BY. MING-CHIN HO RAN HUANG CHIEN-CHIH CHANG YI-CHUNG TSAI SHIH-TANG LIN TIEN-MING HSUN December，2008.

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(5) 目次. 目次目次 .............................................................................................I 表次 ......................................................................................... III 圖次 ........................................................................................... V 摘要 ..........................................................................................IX ABSTRACT ............................................................................XI 第一章緒論 .............................................................................. 1 第一節研究緣起與背景........................................................ 1 第二節研究目的.................................................................... 3 第三節研究方法及流程........................................................ 3 第二章文獻回顧 ...................................................................... 5 第一節第二節第三節第四節第五節第六節. 環境濕度對人類的影響............................................ 5 調濕材料調濕原理.................................................... 5 調濕材料特性指標.................................................... 7 調濕材料的性能評價基準........................................ 9 調濕材料相關研究.................................................. 11 調濕材料的種類...................................................... 23. 第三章試驗計畫 .................................................................... 27 第一節試驗材料、配比與試體.......................................... 27 第二節試驗方法.................................................................. 37 第三節試驗儀器或裝置...................................................... 41 第四章結果與討論 ................................................................ 45 第一節第二節第三節第四節. 抗壓強度及物理性質試驗...................................... 45 吸(放)濕性能試驗 ................................................... 57 微觀試驗.................................................................. 63 成本分析.................................................................. 81. 第五章結論與建議 ................................................................ 83 I.

(6) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 第一節結論.......................................................................... 83 第二節建議.......................................................................... 84 附錄一期初審查會意見回覆 ................................................ 85 附錄二期中審查會意見回覆 ................................................ 88 附錄三期末審查會意見回覆 ................................................ 91 參考書目 .................................................................................. 93. II.

(7) 表次. 表次表 2-1 物理與化學吸附性能比較 .......................................... 6 表 2-2 調濕材料累計吸(放)濕量分級 ................................. 10 表 2-3 不同級調濕材料的調濕力(g/m2℃).......................... 10 表 2-4 不同級調濕材料的含水率梯度 ................................ 11 表 2-5 鹽溶液飽和氣壓和相對濕度(20℃) ......................... 25 表 3-1 水泥化學成分 ............................................................ 27 表 3-2 水泥物理性質 ............................................................ 28 表 3-3 細粒料性質 ................................................................ 28 表 3-4 矽藻土元素分析(EDS).............................................. 29 表 3-5 蒙脫土元素分析(EDS).............................................. 30 表 3-6 海泡石元素分析(EDS).............................................. 32 表 3-7 沸石元素分析(EDS).................................................. 34 表 3-8 試驗項目及試體 ........................................................ 35 表 3-9 調濕水泥漿配比(kg/m3) ........................................... 36 表 3-10 調濕水泥砂漿配比(kg/m3) ....................................... 37 表 3-11 飽和鹽類及相對濕度 ................................................ 39 表 4-1 調濕水泥漿抗壓強度 ................................................ 46 表 4-4 調濕水泥砂漿吸水率 ................................................ 51 表 4-5 調濕水泥漿體密度、視比重、孔隙率比較 ............ 52 表 4-6 調濕水泥砂漿體密度、視比重、孔隙率比較 ........ 53 表 4-7 調濕水泥漿吸水速率 ................................................ 55 表 4-8 調濕水泥砂漿吸水速率 ............................................ 56 表 4-9 調濕水泥漿吸濕率 .................................................... 58 表 4-10 調濕水泥砂漿吸濕率 ................................................ 59 III.

(8) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 表 4-11 調濕水泥漿放濕率 .................................................... 60 表 4-12 調濕水泥砂漿放濕率 ................................................ 61 表 4-13 調濕水泥漿各孔隙範圍汞注入量(mL/g) ................ 78 表 4-14 調濕材料添加劑成本表 ............................................ 81 表 4-15 調濕水泥漿成本與吸(放)濕量比較 ......................... 81 表 4-16 調濕水泥砂漿成本與吸(放)濕量比較 ...................... 82. IV.

(9) 圖次. 圖次圖 1-1 研究流程 ...................................................................... 4 圖 2-1 相對濕度對人類的影響 .............................................. 5 圖 2-2 調濕材料調濕原理 ...................................................... 6 圖 2-3 調濕材料吸(放)濕平衡曲線 ....................................... 8 圖 3-1 矽藻土粉末外觀 ........................................................ 29 圖 3-2 矽藻土SEM圖 ........................................................... 29 圖 3-3 矽藻土X光繞射分析 ................................................. 30 圖 3-4 蒙脫土粉末外觀 ........................................................ 31 圖 3-5 蒙脫土SEM圖 ........................................................... 31 圖 3-6 蒙脫土X光繞射分析 ................................................. 31 圖 3-7 海泡石粉末外觀 ........................................................ 32 圖 3-8 海泡石SEM圖 ........................................................... 33 圖 3-9 海泡石X光繞射分析 ................................................. 33 圖 3-10 沸石粉末外觀 ............................................................ 34 圖 3-11 沸石SEM圖 ............................................................... 34 圖 3-12 沸石X光繞射分析 ..................................................... 35 圖 3-13 吸(放)濕試驗裝置 ..................................................... 39 圖 3-14 ISAT裝置................................................................. 41 圖 3-15 壓力試驗機 ................................................................ 42 圖 3-16 掃描式電子顯微鏡 .................................................... 42 圖 3-17 X光繞射分析儀 ....................................................... 43 圖 4-1 調濕水泥漿抗壓強度(齡期 3 天) ............................. 47 圖 4-2 調濕水泥漿抗壓強度(齡期 7 天) ............................. 48 V.

(10) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 圖 4-3 調濕水泥漿抗壓強度(齡期 28 天) ........................... 48 圖 4-4 調濕水泥砂漿抗壓強度(齡期 3 天) ......................... 48 圖 4-5 調濕水泥砂漿抗壓強度(齡期 7 天) ......................... 49 圖 4-6 調濕水泥砂漿抗壓強度(齡期 28 天) ....................... 49 圖 4-7 調濕水泥漿吸水率 .................................................... 53 圖 4-8 調濕水泥砂漿吸水率 ................................................ 54 圖 4-9 調濕水泥漿孔隙率 .................................................... 54 圖 4-10 調濕水泥砂漿孔隙率 ................................................ 54 圖 4-11 調濕水泥漿吸水速率 ................................................ 56 圖 4-12 調濕水泥砂漿吸水速率 ............................................ 57 圖 4-13 調濕水泥漿吸濕率 .................................................... 61 圖 4-14 調濕水泥漿放濕率 .................................................... 62 圖 4-15 調濕水泥砂漿吸濕率 ................................................ 62 圖 4-16 調濕水泥砂漿放濕率 ................................................ 63 圖 4-17 調濕水泥漿SEM圖(AC0，×1K與×3K) .................. 64 圖 4-18 調濕水泥漿SEM圖(AD1，×1K與×3K) .................. 64 圖 4-19 調濕水泥漿SEM圖(AD2，×1K與×3K) .................. 64 圖 4-20 調濕水泥漿SEM圖(AD3，×1K與×3K) .................. 65 圖 4-21 調濕水泥漿SEM圖(AM1，×1K與×3K) ................. 65 圖 4-22 調濕水泥漿SEM圖(AM2，×1K與×3K) ................. 65 圖 4-23 調濕水泥漿SEM圖(AM3，×1K與×3K) ................. 66 圖 4-24 調濕水泥漿SEM圖(AS1，×1K與×3K) ................... 66 圖 4-25 調濕水泥漿SEM圖(AS2，×1K與×3K) ................... 66 圖 4-26 調濕水泥漿SEM圖(AS3，×1K與×3K) ................... 67 圖 4-27 調濕水泥漿SEM圖(AZ1，×1K與×3K)................... 67 VI.

(11) 圖次. 圖 4-28 調濕水泥漿SEM圖(AZ2，×1K與×3K)................... 67 圖 4-29 調濕水泥漿SEM圖(AZ3，×1K與×3K)................... 68 圖 4-30 調濕水泥砂漿SEM圖(BC0，×1K與×3K)............... 68 圖 4-31 調濕水泥砂漿SEM圖(BD1，×1K與×3K)............... 68 圖 4-32 調濕水泥砂漿SEM圖(BD2，×1K與×3K)............... 69 圖 4-33 調濕水泥砂漿SEM圖(BD3，×1K與×3K)............... 69 圖 4-34 調濕水泥砂漿SEM圖(BM1，×1K與×3K).............. 69 圖 4-35 調濕水泥砂漿SEM圖(BM2，×1K與×3K).............. 70 圖 4-36 調濕水泥砂漿SEM圖(BM3，×1K與×3K).............. 70 圖 4-37 調濕水泥砂漿SEM圖(BS1，×1K與×3K) ............... 70 圖 4-38 調濕水泥砂漿SEM圖(BS2，×1K與×3K) ............... 71 圖 4-39 調濕水泥砂漿SEM圖(BS3，×1K與×3K) ............... 71 圖 4-40 調濕水泥砂漿SEM圖(BZ1，×1K與×3K)............... 71 圖 4-41 調濕水泥砂漿SEM圖(BZ2，×1K與×3K)............... 72 圖 4-42 調濕水泥砂漿SEM圖(BZ3，×1K與×3K)............... 72 圖 4-43 調濕水泥漿X光繞射分析(ACO與AD1) .................. 73 圖 4-44 調濕水泥漿X光繞射分析(AD2 與AD3) .................. 73 圖 4-45 調濕水泥漿X光繞射分析(AM1 與AM2) ................ 73 圖 4-46 調濕水泥漿X光繞射分析(AM3 與AS1).................. 74 圖 4-47 調濕水泥漿X光繞射分析(AS2 與AS3) ................... 74 圖 4-48 調濕水泥漿X光繞射分析(AZ1 與AZ2)................... 74 圖 4-49 調濕水泥漿X光繞射分析(AZ3) ............................... 75 圖 4-50 調濕水泥砂漿X光繞射分析(BC0 與BD1)............... 75 圖 4-51 調濕水泥砂漿X光繞射分析(BD2 與BD3)............... 76 圖 4-52 調濕水泥砂漿X光繞射分析(BM1 與BM2)............. 76 VII.

(12) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 圖 4-53 調濕水泥砂漿X光繞射分析(BM3 與BS1) .............. 76 圖 4-54 調濕水泥砂漿X光繞射分析(BS2 與BS3)................ 77 圖 4-55 調濕水泥砂漿X光繞射分析(BZ1 與BZ2) ............... 77 圖 4-56 調濕水泥砂漿X光繞射分析(BZ3) ........................... 77 圖 4-57 累積注入量與孔隙尺寸分布圖(A組)....................... 79. VIII.

(13) 摘要. 摘要關鍵字：調濕材料、水泥質材料、吸(放)濕、濕度控制. 一、研究緣起現代社會一般人每天暴露於室內環境(辦公室或住家)時間可能長達 20 小時，若室內環境潛藏危害環境因子，對於人體健康之威脅不可輕忽。室內空氣濕度是一個與人類生活健康有著密切相關的重要影響環境參數，一般適當的相對濕度應在 40~60%。現代社會習用調節室內環境濕度的方式，主要採用主動式控制方法，需投資設備及耗費能源成本，如能研發具有調濕性能的智能材料，調節密閉空間濕度可以減少能源消耗和機械設備運轉耗損。. 二、研究方法及過程本研究為前期試驗研究，並彙整分析文獻、規範及相關標準，比較調濕材料的特性與應用，加以整理歸納建立調濕材料性能檢測試驗。本研究旨在探討符合保水調濕功能需求的水泥質材料、研究內容包括材料選擇、配比與製程；另外，針對保水調濕材料性能、孔隙率、吸水率、吸(放)濕性能、 X 光繞射分析及孔隙進行各項試驗等。. 三、重要發現本研究成果包括(1)完成無機礦物調濕掺料文獻彙整、及相關試驗結果及成本效益評估分析； (2)完成保水調濕水泥質材料效能試驗、並評估及驗證檢驗技術與孔隙結構試驗法。四、主要建議事項根據本研究針對「高性能保水調濕水泥質材料之研發」，提出下列具體建議。以下分別從立即可行性的建議及長期性建議加以列舉。立即可行之建議主辦機關：內政部、經濟部標準檢驗局本研究結果顯示保水調濕水泥質材料吸(放)濕效性能，除選擇適當調濕掺料及調濕掺料的添加量。吸放濕性能評估為環境水氣擴散原理、材料本身物、化性吸(脫)附及毛細現象。 IX.

(14) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 長期性建議主辦機關：內政部、經濟部標準檢驗局依據國內地區主要調濕水泥質材料類型，著手訂定「高性能保水調濕水泥質材料基本性質」標準，以及「調濕掺料結合既有水泥質材料」之各種性能標準與適當的試驗方法。. X.

(15) 摘要. Abstract Keywords: humidity-control material, cement-based material, moisture absorption (release), moisture control 1. Research Background In modern society, people usually stay in the room (office and residence) for almost over 20 hours everyday. If the indoor environments such as ventilation, relative humidity and room temperature are not in good condition, human health would be impaired by the potential nourished bio-factors. Indoor relative humidity is one of the influential parameters affecting the comfort and health of living space. As reported, the proper indoor relative humidity is around 40~60%. The use of air conditioner for keeping desired relative humidity is an active-control method, which needs to invest money on the equipment and consume energy and is not an ecological and economical method. Thus for a sustainable development, invention of smart materials such as humidity-control material is necessary and urgent in order to reduce energy consumption and carbon dioxide release. 2. Research Method and Procedure This research is a pilot testing project, which includes literature review (journal papers, codes, testing standards or specifications). Various types of materials were tested and compared based on the moisture absorption (release) capacity and the testing methods were also investigated. Selection of materials and mixtures were performed and water retention, humidity-control characteristics, and other tests (porosity, XRD observation, absorption, and MIP) were also conducted. 3. Research Findings The research results include (1) collection and analysis of relevant research information, testing results and cost analysis, (2) evaluation of effectiveness of humidity-control materials and verification of inspection or testing technique.. XI.

(16) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. XII.

(17) 第一章緒論. 第一章緒論. 第一節研究緣起與背景一、研究緣起由於近年來國內經濟活動成長快速，都市土地大量開發，建築物增加速率逐年提高，國人生活品質需求水平普遍提升，物質水準要求相對提高，居住空間或室內環境常呈現過度裝修與大量耗費建築材料或能源之情形。室內裝修使用建材品質與適宜性，在歐、美、日等國家，已建立相對嚴謹完善之檢測、認證及使用管理制度，而國內對於建材品質要求、檢驗方法與允收標準，則相對寬鬆或無明確規定。目前國內雖已開始配合綠建築推廣政策，逐步建立綠建材品質認證制度 (指經中央主管建築機關認可符合生態性、再生性、環保性、健康性及高性能之建材)，但在綠建材研發與應用上尚屬起步階段並無具體成果。現代社會一般人每天暴露於室內環境(辦公室或住家)時間可能長達 20 小時，若室內環境潛藏危害環境因子，對於人體健康之威脅不可輕忽。室內空氣濕度是一個與人類生活健康有著密切相關的重要影響環境參數，合適的相對濕度對人體健康，以及物品品質的維持，具有十分重要的正面作用。前人(Arundel)研究結果顯示在許多因素的影響下，室內空間一般適當的相對濕度應在 40~60%[1]。現代社會居住建築物內空氣濕度，可以利用建築設計、建築材料或其他設備等手段來調整。但是直接利用空調器或各種調濕設備來調節控制室內空氣濕度，不僅耗費電能，而且大量排放氣體不利於大氣溫室氣體的控制。因此研究如何利用自然能源和被動式手段調節建築物內空氣濕度，創造具有生態環境效益的低能耗健康節能建築，為一重要的研究課題。現代社會習用調節室內環境濕度的方式，主要採用主動式控制方法如使用空調系統或除濕機。主動式控制方式需投資設備及耗費能源成本，不僅調濕費用高且不符合追求地球永續發展節能減碳的發展趨勢。如能研發具有調濕性能的智能材料，調節密閉空間濕度可以減少能源消耗和機械設備運轉耗損。智能調濕材料係依靠材料本身感應特性，偵測室內濕度以發揮吸(放)濕性能，自動調節室內的相對濕度。相對於主動式控制方法，利用調濕材料來控制或調節室內濕度係為一種被動式控制技術。被動式調濕方法，基本上無需消耗能源，又能改善人類居住環境、提高物品的保存品質、保持生態環境，對永續發展有著重要的意義。 1.

(18) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 二、研究背景我國建築產業發展快速，近年來建築物需求量與居住品質大幅提高，及受普遍都市化的影響，構造物的建造與使用常需消耗大量能源或資源。但在使用過程中，常因建築物設計不當或未使用適當的建築材料，國人居住環境不但未能提升反而由於大環境的破壞而持續劣化，影響國人身體健康或造成居住品質下降的問題。為改善此問題並因應國際推動永續發展的趨勢，我國近年來針對建築物建立「綠建築標章」審查制度，「綠建築標章」包含九大評估指標。由過去審查案例顯示九大指標中以日常節能指標為主的案件最少，而目前此指標並無任何政策或法令上強制性之規定。此外在建築物環境中，建材及設備對此項指標評估結果有很大的影響，因此應審慎檢測建材影響環境指標的程度，並能提出可能之改善方案，以提升國內建築物品質，為重要的營建業研發課題。現代都市建築物絕大部分的耗能主要用於空調與照明，台灣綠建築「日常節能指標」即以空調及照明耗能為主要評估指標，同時將「日常節能指標」定義為夏季尖峰時期空調系統與照明系統的綜合耗電效率為其評估指標。綠建築的「日常節能指標」的評估準則，要求建築外殼耗能的合格基準比現行節能法規提高 20%，此項指標同時也提升對空調設備及照明系統的節能要求，對於建築的節能設計效能設定更高的目標。主要評估項目為建築物外殼熱負荷比、空調效率比、照明節能比等，另外針對再生能源的使用比例，進行評估台灣綠建築「日常節能指標」時，給予一定的獎勵係數，以鼓勵再生能源的推廣應用。隨著材料研發不斷朝高性能化、功能化、智慧化、及生態化的方向進行，現代永續建築技術，不僅要求建築材料具有安全、輕質、高強、及耐久等特徵外，並且要求建築材料在製備、使用與廢棄全生命週期中對環境負荷減少及對資源或能源消耗少。研發具有調濕、調溫等功能的生態建材對改善人類生活環境、促進社會經濟、及永續發展具有重要的意義[2~5]。建築室內環境的舒適性一直是人類追求的目標。空氣濕度是影響居住環境舒適度的重要因素。目前，依照消耗能源與否可將濕度控制調節方法分為主動式方法和被動式方法。前者為通用的空調技術，是一般採用的方法，需要消耗大量電能，可能污染地球環境或破壞地球生態，更可能引發「建築室內綜合症」(空調系統中的空氣和水都是反覆使用的，因此容易造成室內一些黴菌和細菌的繁殖，使環境污染增加)等問題，不符合環境永續發展及社會目標。後者係利用材料的吸(放)濕性來控制(調節)室內濕度，無需消耗能源，是一種生態性控制調節方法。. 2.

(19) 第一章緒論. 調濕材料屬於被動式材料，係指不需要借助任何能源和機械設備，僅依靠材料本身吸放空氣濕度的性能，感應空間內空氣溫濕度的變化，自動調節空氣相對濕度。調濕材料又稱為自調濕材料或智能調濕材料。利用調濕材料的吸(放)濕性來控制調節濕度，無需消耗不可再生能源。開發與應用具有良好自動調節空氣濕度能力的調濕材料，對節約能源、改善環境舒適性、促進生態環境的持續發展等具有重要的意義[6]。. 第二節研究目的. 為提升一般建築物舒適度與特殊建築物對其室內的濕度有非常嚴格的要求，如展覽館、博物館及美術館等，為達到穩定的濕度控制，往往需要安裝許多濕度感應器(sensor)、安排系統及複雜的線路等，其設置成本、運轉費用或維護費用均非常的龐大。本研究旨在探討符合保水調濕功能需求的水泥質材料、研究範圍為材料選擇、配比與製程，研究成果可以提供建築設計者與施工者參考。本研究計畫目的分述如下： (1) 彙整分析文獻及相關資料，比較調濕材料的特性與應用； (2) 進行調濕材料性能驗證試驗，以評估適用的吸(放)濕材料； (3) 利用濕度控制概念，評估調濕材料性能與成本之關係。. 第三節研究方法及流程. 本研究進行調濕水泥基材料之研發，主要為文獻蒐集、分析與彙整，以及進行相關指標性試驗，研究流程如圖 1-1 所示。. 3.

(20) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 文獻蒐集與歸納整理. 決定影響參數，選擇材料與決定配比. 製作試體進行調濕性能驗證試驗. 利用濕度控制概念，評估調濕材料成本與應用方式. 完成成果報告. 圖 1-1 研究流程. 4.

(21) 第二章文獻回顧. 第二章文獻回顧. 第一節環境濕度對人類的影響台灣位處於亞熱帶地區，冬天溫度平均介於 15~25℃，夏天溫度介於 25~35℃，四面環海加上台灣地區對流雨旺盛，雨量多濕度高。「環境相對濕度過高或過低，對於居家生活品質有負面影響」，濕度高室內物品容易發霉、滋生塵蹣，會有不適感；濕度低容易造成人體皮膚乾裂、眼睛鼻黏膜乾澀。研究結果指出適合人類居家生活的相對濕度介於 40~60%。相對濕度愈高，細菌、病毒、 [7]. 真菌類、壁蝨等愈易滋生，對人身體健康影響越大，影響程度如圖 2-1 所示。. 圖 2-1 相對濕度對人類的影響[7]. 第二節調濕材料調濕原理. 一、調濕原理當環境相對濕度過高時，調濕材料可以吸收空氣中過量的水氣，使濕度降低；當相對溼度過低時，調濕材料會放出材料中的水分，使環境保持一定的濕度。調濕材料吸收與釋放水氣的能力，決定於材料表面的水氣分壓力及鄰近周圍空氣的水氣分壓力。調濕材料調濕原理如圖 2-2 所示。Ps 表示調濕材料表面水氣分壓力，Pa 表示週遭環境空氣中的水氣分壓。當 Ps＞Pa 時，水氣被釋放；當 Ps＜Pa [8]. 時，水氣被吸收；當 Ps＝Pa 時，水氣分壓達到平衡不吸不放水氣。. 5.

(22) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 圖 2-2 調濕材料調濕原理[8] 二、調濕材料吸附調濕材料吸附可分為物理吸附與化學吸附兩部分： 1.物理吸附物理吸附是因材料分子間的凡得瓦力（Van Der Waals）所產生的吸附作用，物理吸附一般沒有選擇性，屬於多分子層可逆吸附，很快就達到平衡。但隨著調濕材料種類的不同，吸附力會有所改變。 2.化學吸附化學吸附是由材料分子間的化學反應所發生的吸附作用，化學反應過程中可能發生電子轉移、原子重排、化學鍵的破壞與形成等過程，以離子結合最受重視，其有明顯的選擇性，作用力為化學鍵，只能單分子層吸附，吸附速率較慢，不易達到吸附平衡。提高環境溫度可以加快吸附的速率。表 [7]. 2-1 比較物理吸附和化學吸附性能的不同。. 表 2-1 物理與化學吸附性能比較[7]. 6. 項目. 物理吸附. 化學吸附. 吸附熱. 近於液化熱. 近於反應熱. 吸附力. 凡得瓦力(弱). 化學鍵力(強). 吸附層. 多分子層. 單分子層. 吸附選擇性. 無. 有. 吸附速率. 快. 慢. 吸附活化能. 不需要. 需要. 吸附溫度. 低溫. 較高溫. 吸附層結構. 同吸附質分子結構. 形成新的化合態.

(23) 第二章文獻回顧. 三、毛細管作用[6] 毛細現象(又稱為毛細管作用)是指當液體處於細管狀物體的內側，由於內聚力與附著力的差異，液體克服地心引力而上升的現象。最常見的例子為植物根部吸收的水分經由莖內微小管上升至葉面。當液體和固體(管壁)之間的附著力大於液體本身的內聚力時，毛細現象就會發生。液體在垂直的細管中液面呈凹或凸狀，多孔材料吸附液體皆為毛細管作用所致。調濕材料的調濕機制，實際上就是調濕材料中細孔內水氣的凝聚化與液體汽化的過程，而這個變化過程的速率取決於材料內細小孔徑 (即材料的孔隙大小)。參照 Kelvin 毛細管凝聚理論，可以計算出 Kelvin 半徑。. 式中： rk 為 Kelvin 半徑亦即細孔充水的最大半徑 σ 為因氣體凝聚而液態汽化的表面張力 Μ 為液態水的分子量 θ 為接觸角 ρ 為氣體比重 h 為細孔中的相對溼度 R 為理想氣體常數 T 為絕對溫度. 毛細孔內氣體凝聚，主要因為細孔內部吸附的氣體覆蓋細孔表面，形成吸附層所引起。在這種情況下接觸角度為 0°。倘若人類居住的適宜的環境相對濕度一般介於 40~60%，環境溫度介於 5~30℃。根據前述假設情況，可以計算出適宜人居住的相對濕度與溫度範圍內，材料應具有的 Kelvin 半徑約介於 2~20 nm，亦即若材料孔徑在此範圍內，材料會具有可逆吸附內外水氣的反應。. 第三節調濕材料特性指標. 一、特性指標一般室內環境相對濕度的變化主要來自兩方面：一方面是室內環境溫度的變化使水氣的飽和氣壓發生改變；另一方面則是由於水氣通過門、窗等途徑直接流 7.

(24) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 入或流出，導致室內環境濕度發生變化。調濕材料利用本身的吸(放)濕特性，能感應環境內空氣溫濕度的變化，當環境濕度發生變化時，能緩和或抑制相對濕度的變動。圖 2-3 所示的調濕材料的吸(放)濕曲線可說明調濕材料的調濕特性，當空氣中的相對濕度超過某一值 Φ2 時，平衡含濕量即快速增加，材料會吸收空氣中水氣，抑制空氣的相對濕度增加；當空氣相對濕度低於某一值 Φ1 時，平衡含濕量即迅速降低，材料放出水氣，阻止空氣相對濕度下降。因此，只要材料中的含濕量介於 U1~U2 間，室內空氣的相對濕度就會維持在 Φ1~Φ2 範圍內。若吸(放) 濕曲線間滯後環寬度夠小，在 Φ1~Φ2 之間的斜率夠大，則調濕材料可使室內相對濕度穩定停留在較小的範圍內。調濕材料的具體反應機理因材料類別而互異，矽膠或蒙脫土等無機調濕材料的調濕性能係由孔隙結構以及水氣分子在孔中的擴散情況來決定。對於一定孔徑(r)的調濕材料，當空氣中的水氣分壓高於其材料孔內水表面的飽和氣壓時，水氣會被吸附；反之則會被釋出。因此，在一定的相對濕度下，表面須達到吸附平衡的要求下，調濕材料就具有控制和調節濕度的作用[9]。調濕材料的濕容量可通過表面改質、擴孔、優化孔徑分佈等方法得到改善。有機調濕材料的調濕機理主要為有機分子表面與水分子間多種類型的凡得瓦力的相互作用，如電偶-電偶作用及氫鍵作用等。有機高分子調濕材料的吸濕性主要取決於材料本身的化學結構和物理結構。. 圖 2-3 調濕材料吸(放)濕平衡曲線[9]. 8.

(25) 第二章文獻回顧. 二、特性指標的四個觀點調濕材料的性能主要指材料的吸(放)濕能力，主要包含兩方面：吸(放)濕量的大小與吸(放)濕的快慢。前者代表吸(放)濕的能力，後者顯示吸(放)濕的反應性。調濕材料在不同領域的基本應用性也是一個重要的性能指標。研究者對調濕材料的性能評價指標提出了不同的觀點，牧福美[10]提出用材料水蒸氣擴散係數D和平衡含濕量U2來衡量。這觀點考慮了材料對絕對濕度變化的反應性，但溫度引起的濕度變化卻未加考慮，且只有傳熱傳濕速率足夠快，平衡含濕量U2才可能接近動態變化過程中材料本身的含濕量。池田哲朗[11]基於對材料平衡吸(放)濕曲線的分析，提出用U2和平衡吸(放)濕量對溫度的變化率ν、絕對濕度的變化率к來表示。認為U2的大小可代表材料的調濕能力，ν、к的大小可代表材料調濕的速率。這種觀點雖然考慮了材料對溫濕度變化的反應性，但該觀點係建立在熱力學平衡基礎上，只有在空氣溫度或絕對濕度變化緩慢，且材料與空氣間處於熱濕平衡時，ν可代表材料對外界回應的速率，U代表材料暫態含濕量。小野公平[12]從試驗的角度提出了把密閉空間中溫度波動引起的材料單位表面積吸(放)濕量作為材料的調濕能力F。只要將材料置於密閉的空間，給予一定的初始條件和週期性溫度變化，同時記錄密閉空氣溫度和相對濕度的變化，就可計算出材料的調濕能力。但試驗顯示調濕力隨材料暴露面積與體積比(氣積比) 而變化，也與溫度變化的週期、平均值、振幅有關。因此，F不是材料固有的屬性。大釜敏正[13]發現密閉空間中絕對濕度的對數與平衡溫度有近似直線關係，從而提出衡量材料調濕能力的另一指標B。顯然，B值越接近於零，室內相對濕度抗外界溫度干擾越穩定，即調濕能力越好。B值與材料種類、用量或厚度、氣積比有關。B值也不是材料本身具有的客觀物理量。但若在材料厚度和氣積比都相同的條件下，可用B值比較不同材料調濕性能的好壞。不難看出，B值仍是建立在熱濕平衡或平衡基礎之上的，只適於外界溫度緩慢變化的情況。但B值仍可以作為衡量材料調濕性能的有效指標之一。. 第四節調濕材料的性能評價基準. 一、吸(放)濕量利用 JIS A1470-1 調濕建材的吸(放)濕試驗方法第一部分：濕度的反應法，依照濕度變動的吸(放)濕試驗方法，濕度變化的週期為 24 小時進行。根據測定， 9.

(26) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 中濕域(相對濕度範圍 50-75％)的吸濕量應超過表 2-2 數值。在低濕域(相對濕度範圍 30-55％)或高濕域(相對濕度範圍 70-95％)吸濕量也依照表 2-2 作為基準評 [. 價。此外一般調濕材料 12 小時放濕量約為 12 小時吸濕量的 70％ 14]。. 表 2-2 調濕材料累計吸(放)濕量分級[14] 吸濕量(g/m2). 等級. 3 小時. 6 小時. 12 小時. 3. 26. 50. 71. 2. 25. 35. 50. 1. 15. 20. 29. 二、調濕力 JIS A 1470-2 調濕建材的吸濕試驗方法第 2 部分：密閉箱法係為改變密閉箱內的溫度(15~30℃)的吸濕試驗方法，溫度變化的週期為 24 小時，算出容積絕度濕度。根據測定調濕力應超過表 2-3 數值。低濕域(RH=33%)、中濕域(RH=53%) 或高濕域(RH=75%)的調濕力，也可利用表 2-3 所示等級作為評價基準. [14]. 。. 表 2-3 不同等級調濕材料的調濕力(g/m2℃) [14] 等級. 調濕力 (g/m2℃). 3. 0.9. 2. 0.7. 1. 0.4. 三、平衡含水率 JIS A 1475 建築材料平衡含水率測定法，係以相對濕度 35％、55％以及 75 ％為變化條件。平衡含水率為吸濕過程的值，以容積基準含水率表示。吸濕過程的平衡含水率應超過表 2-4 數值。低濕域或高濕域的調濕力也可依照表 2-4 所列數值作為基準評價. 10. [14]. 。.

(27) 第二章文獻回顧. 表 2-4 不同等級調濕材料的含水率梯度[14] 含水率梯度. 平均平衡含水率. Δφ(kg/m3/％). φm(kg/m3). 3. 0.40. 18. 2. 0.26. 11. 1. 0.12. 5. 等級. 第五節調濕材料相關研究. 一、石膏基泡沫混凝土調濕性能的研究. [15]. 前人研究者曾以石膏為基材摻入粉煤灰、工業廢渣和化學摻劑製成輕質泡沫混凝土並評估其調溫調濕的性能。石膏基複合材料的「呼吸性能」，主要導因於材料的多孔性和親水性，材料內孔隙在室內濕度過大時，會吸入水分；然而當室內濕度小時，內部水分會釋放出來，在一定範圍內自動調節室內的溫、濕度；試體尺度越大，調節能力越大。室內環境的溫度、濕度，對人的生活品質和身體健康有很大的影響，一般認為舒適的生活環境條件是：冬天溫度 15~25℃，相對濕度 30~60%；夏天溫度 23~28℃，相對濕度 40~60%。溫度與濕度間相互關係研究顯示在密閉系統中如果沒有任何吸附與分解吸水分的物質，如於短時間內溫度變化 10~40℃時，會使系統內相對濕度降低到原來的 1/6，並為可逆反應。因此，當環境的濕度發生變化時，亦需考慮溫度變化的影響，該研究針上述問題進行系統研究，試驗結果證明石膏基複合泡沫混凝土是一種非常優良調濕材料。試驗所用原料為天然生石膏，普通卜特蘭水泥，粉煤灰，生產聚氯乙烯所產生的電石渣及發泡劑等。通過優選配比質量百分比為石膏：水泥：粉煤灰：電石渣：發泡劑：穩泡劑= 100：18：12：11：0.16：0.1；水膠比設定為 0.6；試體在 20℃下大氣養護至規定齡期。為瞭解試驗的泡沫混凝土的調濕性能，採用 20℃時飽和鹽水溶液表面上的相對濕度來控制密閉空間內濕度，並以溫濕度儀進行調控。經由機械發泡和雙氧水引氣作用，試體中形成了輕質多孔結構，此可利用光學顯微鏡觀察試體剖面得知，剖面為多種尺寸孔隙結構，為大孔、中孔及微孔的複合組合，由於試體結構內部的比表面積較大，使其具有一定的吸附性。主要因為內部多重的孔道與大比表面積，產生明顯的水分子吸附、脫附作用。同時石膏具有親水吸濕 11.

(28) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 性能，因而石膏基泡沫混凝土試體具有比一般多孔混凝土更優良的調濕性能。材料本身可感應並開始吸收空氣中的水分，防止室內濕度的上升，相反由於空調器或乾燥外氣的流入，使濕度下降產生過乾燥時，材料本身可放出水氣，防止室內過於乾燥。這種調濕材料能夠將空氣濕度保持在比較適於人居住的範圍內，同時具有可根據環境濕度的變化，控制水氣吸附的功能。平衡吸濕率是表示多孔混凝土吸濕性質的物理量，亦即多孔混凝土試體達到熱力學上蒸汽等溫吸附與解吸附過程平衡時的吸濕率，是吸附與解吸附的極限。試驗設定為溫度 20℃，採用 70mm×70mm×70mm 立方試體，通過調節密閉空間內飽和鹽水溶液上周圍空間內的環境相對濕度，在不同的相對濕度和不同吸濕時間條件下，進行測試對試體的吸濕量和平衡含水率。試驗結果發現試體的平衡吸濕率隨著環境相對濕的增大而明顯增大，RH =90%時，經 15 天吸濕，吸濕率可達 5.27%；而 RH=20%時，吸濕率僅為 1.10%，此顯示材料在高濕的環境下吸濕效果較好。吸濕率的曲線變化趨勢 RH=32.3%以下 RH=75.3%以上比較陡，而在兩個濕度值之間的變化趨勢較緩，依據固體表面吸附原理分析，可能的是試體在低濕度的環境中，其內部孔隙表面吸附水分子形成單分子膜，隨著吸濕量的增加，孔隙表面逐漸被單分子水膜覆蓋，當吸濕率達到一定程度時孔隙內表面幾乎被單分子層水膜覆蓋完畢，吸附速率則開始減緩。隨後的泡沫混凝土進一步吸濕，在第一層水分子膜上形成第二層和第三層水分子膜，但是這個階段的吸濕速率較慢。當環境相對濕度進一步增大，水蒸氣分壓也隨著增加，細小的毛細孔此時也開始吸收水分造成了吸濕率又開始增大，直到氣孔表面和毛細孔中的水分達到吸濕和解濕平衡為止。孔隙率對吸濕性有具體的影響，但氣孔率(porosity)的增加並不一定導致吸濕性能同步增大，當氣孔率小於 70.8%時，試體的吸濕率隨氣孔率的增加而增加，但隨著氣孔率繼續增大(超過 70 8%)試體的吸濕率反而下降；但當表面氣孔率(apparent. porosity) 增大時，試體的吸濕率會隨之增大。試. 驗結果獲知(1)對石膏基泡沫混凝土的不同相對濕度下平衡吸濕量進行測定，發現隨著環境濕度的增大，吸濕速率和吸濕總量都隨之增加(RH= 90%時，吸濕率達 5.2% )表明這種混凝土具有良好的調濕性能；(2)試驗證明泡沫混凝土的吸濕性能隨著顯氣孔率的增大而增大，顯示出較好的關聯性；(3)研究發現石膏基泡沫混凝土具有良好的自調濕性；加氣混凝土也有一定的自調濕性，但沒有石膏基泡沫混凝土的好；燒結粘土磚基本上沒有自調濕性。. 12.

(29) 第二章文獻回顧. 二、被動式調濕建築材料的開發與應用研究 [16] 另有研究者以石膏為基材，添加吸附性較好的植物纖維、活性炭和高嶺土等多孔材料，製作複合多孔隙的調濕建築材料。首先對幾種調濕材料的吸濕性能進行了測試，並利用電腦模擬得到等溫吸濕曲線關係式，而後對比選出吸濕性能較好的材料配比，製成調濕板材進行建築室內環境調濕試驗，最後得到調濕板在調節室內相對濕度時的基礎資料。試驗調濕能力較好的石膏作為基材，添加少量水泥、石灰可改善材料強度，摻入吸附性能較好的植物纖維、活性炭和高嶺土可增加調濕能力。上述試驗的目標為調整材料配比，尋求能滿足力學性能又有較好調濕能力的建築材料。配比以石膏為基材(100 wt.%)、水泥(5 wt. %)、石灰 (wt.5 %)。製備的片狀試體尺寸為 20 mm ×20 mm×20 mm，試體製作後在室內養護3天，然後置在50℃的烘箱中烘至恒重(恒重標準是間隔24 h 的連續3次測量，試體重量變化小於0.11%)，之後將試體放入乾燥器中(存有CaCl2)。試驗以密封乾燥器作為試體吸(放)濕試驗空間，在乾燥器中設法調製不同的環境相對濕度。乾燥器內有一帶孔的玻璃隔層，試體置於玻璃隔層之上，隔層上下空間通過小孔連通。由於溫度、濕度都是水分遷移的驅動力，為減少溫度對平衡的含濕量影響，相對濕度發生器(乾燥器)置於定溫度(T=25 ±1℃)的環境中，可利用恆溫箱滿足試驗的恆溫要求。在規定的試驗溫度下，溫度變化不超過0.15 ℃。乾燥器內相對濕度的控制，一般採用飽和鹽溶液方法，要求能維持內部空氣相對濕度在設計值的±2 %。其原理係依據在一定溫度條件下，密閉空間內飽和鹽溶液表面接觸的環境能保持一定相對濕度。可在乾燥器內放入適當的飽和鹽溶液，使乾燥器內維持所需的濕度。試驗過程係將試體放入烘箱，烘箱溫度定為(50 ±2) ℃。乾燥至恆重後，將試體放入設定相對濕度的飽和鹽溶液的乾燥器中，並將乾燥器放入恆溫箱中，溫度調節為(23±0.15)℃。定期進行試體秤重至試體含水量達到濕平衡(恆重)為止。第二循環可變化濕度，重複上述操作程序。一般可選擇相對濕度在11.3 %~97.3 %中的6個濕度範圍，繪製出材料的等溫吸濕曲線。該研究為了進一步驗證調濕板的調濕能力和調濕效果，另外進行了調濕板實際應用的測試研究。參照植物纖維組的配比，製成400 mm ×400 mm ×20mm調濕板材25塊，總面積為4 m2。將調濕板材置在80℃的烘箱中烘到恒重，然後在烘箱中冷卻，再依次稱量各塊板材。設置2個房間，房間的空間大小和佈置基本一致。然後將調濕板放入房間中。在房間的桌上放置溫濕度自動記錄儀，距離地面1m左右。測試期間房間的門窗處於關閉狀態。滲透量為0.5~1.5 13.

(30) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. m3/(m·h)，房間內窗的透氣量為3.9～11.72 m3/h。測試結束以後，從溫濕度記錄器中可列出房間中的相對濕度變化資料，繪製成曲線圖。分析結果得知：室內空間體積為48.75m3，吸濕量為2847.5g的情況下室內相對濕度可降低11%。也就是說，當室內相對濕度在47 %~60 %範圍內變動時，每1m3 的濕空氣，當調濕板材的吸濕量為58141 g時，可降低相對濕度11%。將室內內牆的面積和調濕板材的表面積相比可以得出：當採用所研製的調濕板材和室內內牆面積相比為0.0456時，在室內相對濕度47 %~60 %的範圍內，可降低相對濕度11 %左右。該研究獲致以下結論：(1) 試驗資料表明，在相同濕度環境下摻植物纖維的 1組調濕材料平衡吸濕量大於摻活性炭和高嶺土的平衡吸濕量，研究結果對於調濕建築材料的進一步應用奠定了試驗基礎。(2) 試驗獲得的3種調濕建築材料的平衡含濕量曲線函數關係式對於居住建築物室內熱濕環境研究也具有參考價值。(3) 與普通建材相比較﹐，調濕材料有較強的調濕性能，可作為室內調濕建築材料推廣使用，但由於材料本身的侷限性，此類建築材料的調濕能力也有一定的限制。(4) 採用添加植物纖維10 %的調濕建築材料製成的調濕板材實際應用時，室內相對濕度在47 %～60 %範圍內波動時，在吸濕階段，每1 m3的濕空氣，當調濕板材的吸濕量為58.41 g 時，可降低相對濕度11 %。(5) 當採用所研製的調濕板材和室內牆面面積相比為0.0456時，在相對濕度47 %～60 %的範圍內，在吸濕階段v可降低相對濕度11 %左右。. 三、生物質基調濕材料的特性研究[9] 有研究者利用生物質廢棄物和添加劑作為部分原料配製的生物質調濕材料進行了性能試驗、對比試驗和滯後性試驗。結果顯示，生物質基調濕材料對控制環境的相對濕度具有明顯的調節作用；與輕質混凝土材料相比，生物質調濕材料的調濕回應性能較好，且質量輕，有利於節省材料和節能。試驗所用調濕材料的配比經過篩選後得到，為水泥：生物質：海泡石= 5：3： 2，其中水泥的比例占到一半，是充分考慮到作為建築材料使用時，應滿足材料強度的要求，水的用量為利於材料成型即可。試驗的調濕材料磚塊幾何尺寸為 160mm×130mm×40mm，其密度為0. 98 ×103~1.01 ×103 kg/ m3，導熱係數為0.130~ 0.152 W/(m·K)。對比試驗所用的混凝土磚塊幾何尺寸為200mm×97mm×60mm。生物質基調濕材料性能評價試驗共包括三個部分：(1)性能試驗，以調濕材料為圍護結構，實測調濕材料圍成的空間隨外界環境溫、濕度週期性變化的結果；(2) 14.

(31) 第二章文獻回顧. 對比試驗，以調濕材料和普通輕混凝土材料各自圍成一定空間，測量在相同外界環境溫、濕度變化情況下，被控空間內溫、濕度的變化，來對比調濕材料相對于普通建築材料的性能優缺點；(3) 滯後性試驗，對由調濕材料所圍成的封閉空間進行濕度擾動，觀察調濕材料對於濕度短時間內突然變化的能力。性能試驗採用調濕材料圍成330 mm×270mm×270mm 的封閉空間，頂部用不銹鋼板封蓋，磚塊與磚塊之間用調濕材料結合，放在外界環境中，分別將兩個溫濕度記錄儀置於封閉空間和外界空間，資料獲取時間間隔為60min，共7 天。7 天中通過比較封閉空間與外界環境的溫度、濕度變化差異，繪製溫度、濕度、含濕量變化曲線。封閉空間的相對濕度波動較小，充分證實了生物質基調濕材料在實際使用過程中的效果。調濕材料存在情況下空氣的含濕量最大值、最小值、平均值分別提高了90 %、65 %和84 %，含濕量提高效果明顯。伴隨室外環境溫度的週期性變化，室外環境的相對濕度呈相反的週期性變化，其值在15%~90 %之間變化，波動幅度(與最小值相比)為667%；而調濕材料封閉空間內的溫度雖然也呈周期性變化，但相對濕度在90%左右波動，波動幅度很小。雖然兩者溫度不盡相同，但是變化規律十分吻合，而且最高溫度分別為40.9℃(環境)和36.1℃(封閉空間)，相差13 % ；最低溫度分別為17.2℃(環境) 和17.9℃(封閉空間)，相差4 %。調濕材料對水氣的吸收與釋放取決於其表面的水氣壓力及周圍環境空氣的水氣分壓力。可以發現數值模擬的結果與實際相對濕度比較接近，但變化規律不同，這可能是由於在建立數學模型時沒有很好地考慮材料自身的性質而導致相對濕度的變化，同時調濕材料的調濕作用導致一定的相位滯後。夏季高溫、高濕，材料本身含水量較大，致使封閉空間內相對濕度維持在較高水準。這表明在建立調濕材料調濕過程的數學模型時，調濕材料的性質因素應予以重視。通過性能試驗可以看出，調濕材料對於被控環境的相對濕度具有明顯的調節作用。調濕材料可以使環境相對濕度的波動幅度明顯減小。當環境空氣的相對濕度變化達到667 % ，調濕材料空間內的波動幅度為11 %。含濕量與相對濕度的變化趨勢相反，環境空氣含濕量在小範圍內波動時，調濕材料空間的含濕量呈明顯的週期性波動，且變化趨勢與溫度曲線相同。這表明調濕材料確實可以通過自身所含水分對周圍環境濕度起到調節作用，即周圍環境空氣含濕量降低時，放出水分加濕空氣；含濕量升高時，吸收空氣中的水分。水分的吸附與解吸是以空氣的相對濕度即空氣中水蒸氣分壓力為 15.

(32) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 動力。材料的調濕能力是空氣溫度和相對濕度的函數。對比試驗對比試驗目的是為了更充分驗證調濕材料在實際使用過程中的效果。調濕材料主要用來作為建築物中不同房間的隔斷材料，所以選用同樣用來作為空間隔斷的常用材料—輕質混凝土作為對比試驗的對象。用調濕材料和輕質混凝土材料分別圍成的封閉空間頂部採用不鏽鋼板封蓋，磚塊與磚塊之間分別用調濕材料和輕質混凝土材料結合，放在相同外界環境中，分別將兩個溫濕度記錄儀置於兩個封閉空間中，為期13天，資料獲取間隔為30 min。對比兩個封閉空間溫度、濕度變化的差異，獲得了溫度、相對濕度、含濕量變化數據。通過對比試驗可以看出，調濕材料封閉空間相對濕度波動範圍小，輕質混凝土封閉空間相對濕度波動範圍較大，顯示兩種材料的調濕性能有一定差別，但差別不是很大。這需要進一步的試驗研究。另一方面，相同的體積空間，調濕材料磚塊總品質比混凝土磚塊減少約60 %，這有利於節約建築材料和建築節能。滯後性試驗採用尺寸為 160mm×130mm×40mm 的調濕材料磚塊圍成 330mm×270mm ×270mm的封閉空間，上部用不鏽鋼板蓋頂。封閉空間的初始溫度為11. 3℃，相對濕度為28. 3 %。使用加濕器加濕22 min，將相對濕度提高到90. 2 % ，然後停止加濕；相對濕度回落到67. 8 %時再次加濕，經過10 min，將相對濕度提升到89. 6 %；經過一定時間，相對濕度再次回落到67. 8 %，記下兩次的時間間隔，即為調濕材料對於相對濕度變化的回應時間。滯後性試驗是反映調濕材料調濕性能的一個重要試驗。對於突然的濕度擾動的反映時間長短，反映了調濕材料吸附能力的強弱。試驗中第一次封閉空間相對濕度由90. 2 %降到67. 8 % ，用時153 min。第二次封閉空間相對濕度由89. 6 %回落到67. 8，用時71 min。從圖中也可看出曲線的下降速率明顯不同。這主要是因為，第一次加濕過程中，由於材料長時間處於外界乾燥環境下，材料的含濕量相對較低，材料內部毛細孔結構中缺乏足夠的水分對毛細孔形成有效的潤濕作用，因此影響材料對空氣中水分的吸附作用；再次加濕空氣時，由於第一次的吸附作用，對材料中的毛細孔洞形成了有效的潤濕，所以第二次吸附過程所耗費的時間遠少於第一次。生物質基調濕材料的初步試驗研究表明，其具備調濕功能，且製備相對簡單，有利於生物質廢棄物的資源利用，實現節約建築材料和建築節能。通過三組不同的試驗可以看出，調濕材料可以被動調節封閉空間內空氣濕環境。調濕材料 16.

(33) 第二章文獻回顧. 雖然可以在一定程度上影響被調節環境的濕環境，但仍不是濕環境的決定因素，最終還是要受到溫度和材料種類的限制，溫度才是最終影響和決定空氣相對濕度的決定因素。調濕材料可以根據自身的性質和環境溫度，借助對相對濕度這一參數的敏感性，來調節空氣的含濕量。. 四、凹凸棒石改性水泥基材料自調濕性能研究[17] 凹凸棒石內孔結構對吸(放)濕能力的影響，對不同相對濕度下凹凸棒石的吸 (放)濕性能進行了研究。在此基礎上，製備了凹凸棒石改性水泥基複合材料，觀察凹凸棒石對複合材料內部結構及調濕性能的影響。結果顯示凹凸棒石改性的水泥基複合材料能使環境相對濕度保持在40%~60%，具備優異的自調節濕度功能。凹凸棒石是一種具有纖維狀或鏈狀結構的水合鎂鋁矽酸鹽黏土礦物，內孔分佈較廣、具有較大的比表面積，擁有較強的吸附能力。有學者測試發現，在高濕環境下，納米級凹凸棒石的吸濕能力較傳統乾燥劑變色矽膠好。本試驗研究了凹凸棒石的吸放濕能力，嘗試將它與當今廣泛應用的水泥建材複合，利用它的微孔及水泥基材料的大孔結構，製備一種可應用於地面或牆面的自調濕水泥基材料。通過粒度分析儀(Mastersizer 2000，Malvern Instrument)測試，可知該凹凸棒石的平均粒徑為 6.7μm。凹凸棒石為多孔礦物，採用全自動比表面積和孔隙度分析儀對其孔結構、孔分佈進行分析。凹凸棒石吸放濕率測定利用不同鹽飽和溶液上方空氣濕度保持一定的特性，製造不同的濕度環境。在乾燥器的下部放置不同的飽和鹽溶液，在重 m0 的表面皿中裝入一定量調濕材料經過 100℃烘乾，稱重 m1。將表面皿放在溶液隔板上方，密封好乾燥器，20℃下恒溫測試，測試後取出試樣稱重 m2。飽和吸水量即吸濕率 r = (m2-m1)/(m1-m0)。將凹凸棒石在 100℃下烘乾後，放置於不同溶液上方，可測得放濕率。20℃下各種飽和鹽溶液上空的相對濕度。20℃下各飽和鹽溶液上方相對濕度表凹凸棒石改性水泥基材料製備將石英砂、水泥、凹凸棒石與水按一定配合比混合，製成 40cm×40cm×1cm 的樣板，通過乾燥或曝曬預處理，除去試塊之中殘留的自由水，恒濕保存。利用凱爾文 (Kelvin)[6]公式：lnRH=-2γMcosθ/rk×RTρ(式中：γ 是液體的表面張力，RH 為相對濕度，M 為液體的分子量，θ 為接觸角，rk 為孔半徑)，可計算不同溫度下不同孔徑所能保持的相對濕度。渡材信治等根據毛細管理論分析指出：孔半徑在 1.16~2.96nm，能使毛細管在 40%~60%濕度範圍之內凝結出水分；而當孔半徑為 2.32~5.92nm 之間時，可在該範圍之內釋放水分。考慮水分在吸(放)濕前毛細管 17.

(34) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 表面已有一層或多層分子吸附，最後得出孔徑在 3.0~7.4nm 之間且分佈均勻的材料，在 40%~70%之間具有最佳的調濕性能。本試驗所用凹凸棒石符合該理論的孔徑要求，這表明凹凸棒石是一種具有吸(放)濕功能的材料。凹凸棒石的吸(放) 濕曲線相隔距離不遠，這表明其吸放濕能力相差不大，是一種可在高濕環境下吸濕、低濕環境下放濕的材料；凹凸棒石在濕度較高環境下的飽和吸水量，遠大於低濕環境下的，相對濕度為 100%時，凹凸棒石 1 天的飽和吸水量為 0.468kg/kg。在低濕環境下，凹凸棒石的吸濕量很快就達到平衡狀態；而在飽和濕度下，隨著時間的延長凹凸棒石的吸濕量還會繼續增大。這表明，凹凸棒石在高濕環境中的吸濕性能要優於低濕環境中的，比較適用於南方高濕氣候。凹凸棒石在水泥基材料中的呈分散狀態當凹凸棒石摻入水泥基材料後，部分會參與水泥水化反應，通過分子運動在水化產物中形成分佈。凹凸棒石是一種纖維狀針形的物質，團聚後形成顆粒。水化產物為 Ca(OH)2。水泥水化後，由於含有未水化熟料及礦物摻和料顆粒，還有粗大的晶態水化產物，對於 W/C =0.3~0.5 的普通水泥硬化漿體，其總孔隙率在 15%~30%，其中可再分為兩級：奈米尺度(10-9nm)的水化矽酸鈣凝膠孔；由存在於水化產物之間的氣泡、裂縫所組成的毛細孔，其尺寸範圍則在 100nm 和幾個 mm 之間。凹凸棒石對複合水泥基材料調濕性能的影響，分別在吸濕間、放濕間中進行。利用濕度發生器調節吸濕間中初始濕度為 90%，利用乾燥器調節放濕間中初始濕度為 35%。恆溫下，測試複合試體的吸放濕特性，結果發現 6h 後，摻量為 10%的試體相對濕度下降最大，相對濕度下降最小的是摻量為 1%的試體；未摻凹凸棒石的空白試體，在 2h 後又會使空氣濕度上升；凹凸棒石改性後的試體，能使相對濕度下降並保持恒定。這表明凹凸棒石的加入，使水泥基材料具備了一定的調濕能力。未摻凹凸棒石的水泥基複合材料，水化後形成大量的大孔，所吸水分游離在大孔之中，在一定時間後又會揮發到空氣中；而凹凸棒石改性水泥基複合材料水化後含有大量的細孔，通過大孔吸收的水分可儲存在細孔之中，保證了吸水的穩定性。凹凸棒石的加入，對複合材料的吸水性產生兩方面的影響：一是減少大孔吸水量，二是增加細孔蓄水量。凹凸棒石摻量超過 2%時，增加的細孔蓄水量就大於所減少的大孔吸水量，從而表現出比空白更優的吸水能力。由可看出：前 10min 兩種複合材料的放濕速率相差不大，之後凹凸棒石摻量為 2%的複合材料的放濕曲線漸趨平緩，未摻凹凸棒石的複合材料的放濕曲線在 100min 後變化不大；6h 後，摻量複合材料所處放濕倉中相對濕度為 64.7%，2%摻量複合材料所處放濕倉中相對濕度為 55.5%。複合材料放濕分為兩 18.

(35) 第二章文獻回顧. 種類型：一是大孔釋放水分，一是細孔釋放水分。試驗初始，空白複合材料及凹凸棒石改性的複合材料均處於大孔釋水階段，這時兩者速率相差不大。由於凹凸棒石改性材料大孔體積小於空白材料，細孔含水量大於空白材料，因此，改性材料比空白材料更快進入細孔釋水階段。. 五、海泡石調濕性能的研究[18] 用物理方法對海泡石進行纖維剝離和活化處理，研究海泡石活化溫度對其吸濕和放濕的影響，通過對比海泡石品質的損失、吸濕和放濕試驗資料，結合海泡石特殊的晶體結構、比表面積和孔隙度的表徵分析，證明了海泡石具有很強的調濕能力並找到了相對應的最佳的活化溫度。海泡石屬斜方晶系或單斜晶系，顏色多變，一般情況下呈淡白或灰白色．海泡石的化學成分較為簡單，主要為矽( Si ) 和鎂( Mg )，其化學式為：Mg8 (H2O) 4［Si6O15］2 (OH) 4 · 8H2O，其中SiO2 含量一般在54%~ 60% 之間，MgO 含量多在21 ~ 25% 範圍內，並常有少數置換陽離子如Mg2+ 可為Fe2+ 或Fe3+、Mn2+ 等所置換，故能產生變種海泡石。由於海泡石具有特殊構造使其保留著一系列孔道，因而具有極大的比表面積(最大可達150 m2/g )，故有極強的吸附性，脫色性和分散性。另一方面海泡石的熱穩定性能極高，耐高溫性能可達1500 ~ 1700 ℃，具有造型性能好，絕緣性能好，抗鹽度高(高於其他任何粘土) 等性能，有時還有極美麗的光澤。這種特殊結構與性能導致了它的3個基本特徵-吸附性、流變性和催化性，並因為其安全性和有效性而被廣泛應用於化工、環境保護、醫療、食品加工和保存、養殖業、化妝品、汽車製造等行業，是一種非常有前途的環保型天然無機非金屬材料。由於我國對海泡石的基本性能研究較晚，對於海泡石的開發也僅限於保溫材料和塗料等，其主要原因是對海泡石活化的方法和工藝掌握不夠，對於不同海泡石產品相對應的活化方法研究的不深不透。海泡石活化處理所採用的方法要視其產品性能和用途而定。海泡石的活化大致上可以分為兩大類，一類是反應生成方法（化學方法），一種是機械處理方法（物理方法），化學方法可使其內部結晶組織和化學成分發生變化；物理方法能改變其幾何形狀、孔隙率和比表面積，有時為了完成一種工藝，需要上述兩種方法的綜合運用才能達到。對於海泡石材料應用於調濕研究中，關鍵在於海泡石的熱活化。本文通過對海泡石採用物理活化方法，增大材料的孔隙率和比表面積，從而提高了海泡石材料的吸濕和放濕的功能。通過熱活化對海泡石進行調濕研究一種物理方法，此方法的試驗雖然較複雜，但它不改變材料的內部結 19.

(36) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 構，有利於材料性能的發揮，其工藝主要分兩步：第1步，海泡石的粉碎與提純；第2 步、海泡石的熱處理．海泡石的熱活化與調濕試驗海泡石的淨化與粉碎原礦海泡石含有細沙和雜質，它們中的一部分因開採、搬運和儲藏而粘附在外表面上，一部分夾雜在礦石內部。礦石外表面的雜質可通過水洗和動沉降法去除，一般是將海泡石原礦加入含有適量硫酸鈉的水中，浸泡1h左右，出池後風乾，進行人工打碎或碾碎，使其變成15mm以下的顆粒．礦石內部的雜質去除比較複雜，要想保持海泡石孔隙率高，比表面積大的高純度超微粉末，粉碎是最重要一環．首先，用粉碎機通過剪切、磨碎等工藝，得到100m 以下的顆粒，用分選（篩）除去大顆粒，得到平均直徑50m 以下的粉末，然後送到風選機去雜（海泡石比細沙的密度小，取輕棄重），此時得到的海泡石為比表面積約為150m2/g 的中間為空的粉末，這種粉末形體形狀複雜，一般顆粒形狀用形狀係數表示，最常用的形狀係數是球形度不同形狀的顆粒，球形顆粒的表面積（比表面積）最小，與球形差別越大，顆粒的表面積越大，因此，用球形度的大小來表示顆粒的形狀．對球形體來說，其球形度= 1，非球形體< 1．對於大多數粉碎所得到的物料顆粒，其球形度= 0.6~0.7，根據上面的公式所得的顆粒比表面積，其實際值都應比球形顆粒直徑計算出的值大得多，海泡石的活化與加熱海泡石活化的目的在於把前期淨化處理後仍滯留在海泡石內部的雜質、結晶水、石灰石等去除，提高海泡石的粉末純度，通過熱處理增加其條孔特性、比表面積和吸附能力，一般採用以下處理方法：(1)先把剪切或打碎的15mm直徑以下的顆粒加熱到50℃~ 200℃，然後，用球形磨機或齒形磨機進行破解粉碎，通過風選得到50μm以下的粉末（用於填料或載體的用10μm以下的粉末）；(2) 根據不同用途，對海泡石粉末加溫到 250 ℃ ~ 700 ℃，將海泡石中的結晶水脫去，如果海泡石中含有石灰石，則要定時多次加溫，直到其重量明顯減輕，如果50μm 左右的顆粒，通過加溫到700 ℃ 仍不能除去碳酸鈣，則可以將其破解成10μm以下的顆粒，反復以上操作．總之不同用途的海泡石產品，要求其形狀和內質亦不同，適當的溫度和保溫時間是關鍵，並不是溫度越高，保溫時間越長，得到的比表面積越大；相反，要想獲得較大比表面積的海泡石，應採取「低溫、定時、多次」的方法。結果顯示當活化溫度在200 ~ 250 ℃之間，加熱6 h，其孔隙率和比表面積最大，最大吸濕量可達9.3 %，最大放濕量可達14.5 %，正是由於海泡石這種極強的調濕性能，使的海泡石有了很好的應用領域，可以用它做吸附劑，也可以用於化妝品和牙膏當中起到保濕的作用，同時海泡石作為一種無機礦物質，由於特殊的地質成因，導致了獨特 20.

(37) 第二章文獻回顧. 的結構形態，使其具有優良的吸附性、流變性和催化性．依據這些特性，海泡石已在廣泛的領域得到應用，目前在環境保護、醫藥等領域，海泡石的應用研究已呈現良好的發展前景，其中研究海泡石與特效藥品及中藥製劑的相互作用機理，探索海泡石緩釋作用的可行性和對生物體內有害病菌的吸附作用，將是非常有意義的醫學與化學結合的邊緣課題。為尋找合適的調濕材料，該文對海泡石及海泡石複合樣品進行了吸濕能力和放濕能力測試。與坡縷石比較，10 g海泡石樣品可以將10 L密閉容器的濕度從70 %降至4 % ，吸濕能力強於同樣條件下的坡縷石。海泡石(10g) 的吸(放)濕能力經過3次吸(放)濕試驗後有所減弱，最後一次吸濕量達0. 4 g ，放濕量達0.15 g。試驗還發現，30 g海泡石和白水泥複合樣品可以使10 L 容器內部的濕度穩定在40 %~50 %，因此，海泡石可以用作室內濕度調節的建築材料。多孔與層結構礦物材料在環境治理中起著很大的作用。國外研究了海泡石與活性炭複合材料，並加入氯化鈣溶液。活性炭也是一種有較強吸附性的物質。氯化鈣屬於鹽類，具有較強的吸水性，相當於含鹽多孔吸濕材料。為尋找合適的調濕材料，本文對海泡石及海泡石複合樣品進行了調濕性能測試，證明海泡石和白水泥複合樣品可以作為調濕材料。海泡石內部存在3.8Ả×9.4Ả的晶體孔道，它具有高達900 m2/ g的理論比表面積。酸處理和適當的溫度烘烤能使海泡石內部孔道增多增大，最佳效果的比表面積可達554.4m2/ g。透過相對較大的表面，海泡石在通道和孔洞中可以吸附大量的水或極性物質，因此，海泡石經過一系列的方法改性後調濕的效果會更好。和海泡石同樣，坡縷石內部結構呈多孔狀，在晶體結構中存在一系列3.8 Ả×6.3 Ả的晶體孔道，比表面積最大可達387.41m2/ g，也具有很強的物理吸附能力。另外，由於毛細現象的存在，海泡石孔道中形成的物理吸附水在外界飽和蒸汽壓小于孔道內飽和蒸汽壓時，水分自會解析，擴散到外界，放出水分子，起到調節空氣濕度的作用。在海泡石結構中，能鑒別出3種水分子吸附水，以氫鍵連接外表面或進入晶道，稱沸石水；結晶水，在通道壁上或層鏈狀結構層邊緣，與八面體陽離子Mg2+ 配位；結構水或羥基水。海泡石的理想分子式為( Si12 ) (Mg8 ) O30(OH) 6 (OH2) 4·H2O，其分子結構中有4個為結晶水(OH2) ，其餘為沸石水及結構水。海泡石吸濕劑吸濕的動力是海泡石分子層間交換性陽離子和晶道層表面的水化能，其吸濕作用可看作是一個物理吸附水化過程，起到濕度調節作用的應是通過孔道吸附的沸石水。化學吸濕主要靠親水基團通過氫鍵與水分子發生締和作用，使水分子失去熱運動的能力而留存在通道中。3次迴圈後，放濕能力減弱的 21.

(38) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 原因是化學吸附的水分子不易解析向空氣中擴散。親水性基團越多，基團的極性越強，親水性就越好，但放濕能力不一定強。吸濕能力優於放濕能力是眾多具調濕性能的材料普遍存在的一個問題。就海泡石而言，在吸濕過程中的水和海泡石結構中的陽離子產生水化作用，這部分水分子不能夠再在相同的烘乾溫度下被蒸發。這是在迴圈試驗中吸濕能力下降的主要原因。海泡石的吸濕能力比坡縷石強，是一種吸放濕能力都很強的多孔材料。海泡石和白水泥複合樣品的調濕能力在試驗後有所下降，但仍然能滿足濕度調節的需要。海泡石內部的大量纖維孔道結構以及巨大的比表面，使得海泡石在濕度調節的應用上有著巨大的潛力。. 六、PFBC灰的特徵及其綜合利用研究[19] 針對日本中部電力會社所產PFBC (Pressurised Fluidised Bed Combustion) 灰進行特性分析。研究顯示PFBC灰與傳統的煤粉爐粉煤灰在化學成分、物相組成及顆粒形態上具有很大差異。針對PFBC灰活性較高的特點，對其進行了綜合利用研究，即以PFBC灰和粉煤灰為原料製作了功能性調濕材料，以PFBC灰和石灰、石膏為原料製備了輕質高強牆體材料。燃煤發電技術中，清潔發電技術在當今世界備受人們關注。增壓流化床聯合迴圈發電技術(PFBC)正是這樣一種具有高效率和良好環保性以及經濟性的新型發電技術之一，目前在世界一些發達國家得到較為廣泛的應用。與傳統的燃燒技術相比，PFBC技術具有許多優勢。首先，由於在燃煤中加入了脫硫劑石灰石，且燃燒是在850℃左右的低溫條件下運行，因而SO2及NOx的排放量大大減少。其次，PFBC技術實現了燃煤燃氣/蒸汽聯合迴圈發電，因而發電效率得到提高。同時，該技術對燃煤的要求也低，一些灰分高熱值低的劣質煤也可使用。PFBC技術是一項新型技術，對該技術所產生的灰 PFBC灰的研究無論是國內還是國外都很少。與粉煤灰相比， PFBC 灰的化學成分有三個顯著的特點：(1) CaO 含量大幅增加，達到 24.95%，為粉煤 10 倍。(2) SO2 含量也大幅增加，達到了 8.75%。(3) SiO2、Al2O3 的含量相對較少。造成 PFBC 灰和粉煤灰這種區別的主要原因是 PFBC 技術在燃煤中加入了脫硫劑石灰石，帶入了大量的 CaO 成分，這些 CaO 成分殘留於 PFBC 灰中。同時，由於脫硫劑的作用使得燃煤中的 S 燃燒後未被排放到大氣中，而是以石膏的形式留在了 PFBC 灰中。目前 PFBC 灰的實際應用都為一些最簡單的利用，如在日本主要用作公路路基和圍海造地的填埋材料。隨著 PFBC 技術在世界範圍內的逐漸被應用，對於 PFBC 灰的利用研究顯得尤為迫切。與 22.

(39) 第二章文獻回顧. OF 灰相比，PFBC 灰由於其燃燒溫度較低，Si、Al 活性相對較高，這為其綜合利用奠定了良好的基礎。使用原料為 PFBC 灰、石膏、石灰及少量活性激發劑。將原料按比例混合後加入一定量的水，攪拌後製成砂漿，經過注模成型、脫模、常壓蒸汽養護後即可得到試體。在 PFBC 灰摻加量分別達到 60%、70%和 80%時，製得材料的抗彎強度均大於 5MPa，抗壓強度大於 20MPa，在強度上完全能夠滿足作為普通承重牆體材料的要求。同時，材料的表觀密度較小，在 1.1~1.2 之間，是一種輕質的建材。在 PFBC 灰不同摻加量的製品中，摻加量為 70%的試體強度最高，抗彎強度達到了 10.5MPa，抗壓強度達到了 28.8MPa。與其相同配比的經過加壓成型製作的製品，其強度進一步增高，抗折強度達到 12.1MPa，抗壓強度達到了 31. 4MPa。在蒸汽養護過程中發生的化學反應主要有：(1)石灰和石膏在活性激發劑作用下與 PFBC 灰中的 Al2O3 反應生成鈣礬石；(2)石灰在活性激發劑的作用下與 PFBC 灰中的 SiO2 反應生成水合矽酸鈣。製品的礦物組成除原料中未能完全反應而殘留的石灰、石膏等以外，還有新生成的物相鈣礬石和水合矽酸鈣，它們與板狀的石膏及 Ca (OH) 2 晶體共同作用使得製品具有了較高的強度。. 第六節調濕材料的種類自從上世紀 80 年代提出調濕材料以來[20]，人們對各類調濕材料進行研究，開發出多種調濕材料。除了日本對於調濕材料的研究已有二十年的歷史，並且許多建設例如圖書館、美術館、博物館等大型建築中獲得應用之外，歐美及中國大陸等國家皆為剛起步。調濕材料分類根據不同的基材與製作方法又可分為天然與人工調濕材料兩大類，而人工合成調濕材料又可分為無機礦物類、無機鹽類、高分子類及複合類等材料。一、天然調濕材料 1.木材利用其獨特的性能自身的吸放濕作用，直接影響環境濕度的變化。 2.竹碳竹碳是在無氧高溫碳化條件下燒製竹子，竹碳幾乎沒有水分，且內部結構含有許多細小的孔隙，其孔徑約在 20Å 以下，分布在竹子束管纖維細胞壁內。. 23.

(40) 高性能保水調濕水泥質材料之研發. 二、人工合成調濕材料 1.矽膠調濕材料矽膠是一種具有微孔結構的無定形二氧化矽(SiO2·nH2O) ，可由矽酸鈉溶液經無機酸、有機酸式鹽處理、再經乾燥而製得，其孔徑一般為 1.5~20 nm。矽膠經各種活化處理後，比表面積可達 100~1000 m2/g，能吸收質量為其自身一半的水分，因此可作為調濕材料。但由於矽膠在水的吸附與解析迴圈過程中呈現較嚴重的滯後現象，使其應用受到很大的限制。目前，人們正在通過改變矽膠的顆粒直徑、孔徑大小和分佈等措施來提高其吸濕容量和回應速率。. 2.無機鹽調濕材料[21] 無機鹽類調濕材料，包括 LiCl．6H2O、CaCl2．6H2O、NaNO3、NH4Cl 、 Pb(NO3)2 等。調濕作用係由鹽溶液所對應的飽和氣壓所決定的。在相同溫度下，飽和鹽溶液的氣壓越低，能控制的相對濕度也越小，如表 2-5 所示。雖然在差不多整個濕度(10~98%)範圍內，能夠通過選擇適當的鹽水飽和溶液來維持空間的濕度；但由於大部分固體無機鹽隨吸濕量的增加自身將緩慢潮解，且在常溫下不穩定、極易產生鹽析，並隨著時間的延長而日趨嚴重，從而對保存物品的空間產生污染，使其應用也受到一定的限制。. 3.無機礦物調濕材料[22~23] 蒙脫土、沸石、矽藻土及膨潤土等材料，具有層狀或微孔結構的鋁矽酸鹽礦物，且具有陽離子的可交換性，使得這些材料能夠吸附和釋放水氣，因而可作為調濕材料。此類材料的價格低，無需任何添加劑，只需進行簡單的加工，就可以製成調濕材料。無機礦物材料的濕容量雖然可以通過表面改性及擴孔等方式加以改善，但難獲致大幅度的提高，一般僅能提升幾個百分點。另外高嶺土、海泡石、珍珠岩及絹雲母等礦物材料，也具有一定的調濕作用。. 24.