双峰孔硅铝胶球的制备及其调湿性能研究

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室内的空气质量直接关系到人们的身体健康,环境参数也是研究者关注的焦点,其中环境的相对湿度是重要的参数之一,相对湿度的波动变化影响到产品的生产、物品的存放、能源的消耗等等。相对湿度在40%-60%RH的范围时,无论对人还是对物品都是最佳的选择。实施开展调湿材料的研究,对于提高人们的生活质量、保护生态的平衡、维持生态环境的和谐、促进可持续发展都具有重要的意义。本研究根据纺织品文物的特殊存放要求,充分利用硅铝胶的双峰孔结构的特点,制备出具有球形宏观外貌的高效调湿剂,测试其调湿性能,得出预处理湿度与目标湿度的关系。本研究以正硅酸乙酯(TEOS)、九水硝酸铝((Al NO33·H2O)分别为硅源、铝源,通过溶胶凝胶(Sol-Gel)法,并在聚乙二醇(PEG)为相诱导剂和以液体石蜡(Liquid Paraffin)和1,2-二氯丙烷(1,2-Dichloropropane)为共溶剂的作用下来制备具有双峰孔结构的硅铝胶球。大孔的结构可以为水分子的运输提高通道,加快硅铝胶调湿剂对湿度的响应;介孔的存在提高了材料的比表面积,增大了调湿剂的湿含量。通过热场发射扫描电镜(FESEM)、红外分析(FTIR)、物理吸附测试(N2 Adsorption Isotherm)、压汞分析(Mercury Porosimetry)、热重分析(TG-DTA)、铝的魔角旋转核磁共振分析(27Al MAS NMR)等手段表征了硅铝胶球的外观宏貌和微观结构特征,并测试硅铝胶球在特定的目标湿度环境下预处理之后,在高湿和低湿环境下的吸放湿性能。主要研究结果如下:(1)由通过溶胶凝胶法、相分离技术制备出的硅铝胶球的测试结果可知:铝元素能够均匀地分布在硅的骨架上,Si-O-Al化学键的形成不仅提高了硅铝胶的热稳定性,而且增大了硅铝胶的湿含量,当聚乙二醇的分子量为10000、煅烧温度为500oC、Si/Al=9.99时双峰孔硅铝胶球的调湿性能最佳,将在特定的相对湿度(40%RH、50%RH、60%RH)下预处理后可以在3h内将高低湿环境的相对湿度控制在39.3%-40.3%RH、47.6%-50.7%RH、57.2%-60.7%RH之间的范围。(2)采用含有NH4+离子的盐溶液(NH4NO3、CH3COONH4、NH-3·H2O)对硅铝胶球进行改性扩孔处理。结果表明:用氨水改性后的硅铝胶球的介孔可以增大到9.068nm,但比表面积由620.257m2·g-1下降到253.558m2·g-1,只能将预处理湿度为50%RH的目标湿度控制在45.5%-52.3%RH范围之内;与未改性的硅铝胶相比,用硝酸铵改性得到的硅铝胶球,其孔径、比表面积分别增大到2.847nm、718.401m2·g-1,但吸放湿性能却有所降低;用醋酸铵改性后的硅铝胶球的比表面积增大到826.767m2·g-1,四配体铝的比例最大,可以将目标湿度控制在48.5%-50.4%RH之间,目标湿度的波动范围由4%降到2%。本文制备的双峰孔结构的硅铝胶球调湿剂具有结构稳定、制备工艺简单、调湿性能优异、重复循环利用性好等特点。
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