【摘要】：室內(nèi)相對濕度直接影響人體舒適度、物品保存及建筑能耗等,其中涉及醫(yī)藥、化工、食品、文物保存、儀器維護等領(lǐng)域。調(diào)濕材料是一種能夠被動控制室內(nèi)相對濕度的多孔建筑材料,有板材、涂料和裝飾品等形式。調(diào)濕材料的結(jié)構(gòu)復雜性和調(diào)濕過程的非線性特征,導致目前調(diào)濕材料中熱濕遷移機理,特別是孔隙結(jié)構(gòu)對調(diào)濕材料中熱濕遷移過程的影響尚未充分揭示。與此同時,調(diào)濕材料應(yīng)用于建筑墻體內(nèi)側(cè)的調(diào)濕效果等還缺乏深入、充分的研究。為此,本文開展了關(guān)于硅藻土基調(diào)濕材料(Diatomite Based Humidity Control Material, DBHCM)調(diào)濕性能優(yōu)化,調(diào)濕機理的理論分析、數(shù)值模擬和實驗驗證,以及其應(yīng)用于建筑墻體內(nèi)側(cè)的仿真模擬等方面的研究并取得以下結(jié)論：(1)通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)和X射線能譜分析(Energy Dispersive x-ray Spectroscopy, EDS)等手段表征了煅燒前后硅藻土孔隙形貌和微觀區(qū)域元素分布參數(shù)的變化,發(fā)現(xiàn)采用煅燒預處理法可以有效提高硅藻土的孔隙容積,有利于細小孔隙的形成,從而提高硅藻土的調(diào)濕能力。與此同時,測量了煅燒前后硅藻土的吸、放濕量,從而分析煅燒溫度和煅燒時間長度對硅藻土調(diào)濕性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,硅藻土的宏觀調(diào)濕性能的差異源于其微觀結(jié)構(gòu)的不同以及元素成分的改變：800℃以上的煅燒溫度以及8h以上的煅燒時間都會導致硅藻土孔隙結(jié)構(gòu)的破壞,從而惡化硅藻土的調(diào)濕能力；硅藻土的孔隙越小而密,細小的裂縫越多,其調(diào)濕性能越好：煅燒可提高硅藻土的純度,有助于提高硅藻土和水蒸氣之間的相互作用；在相同煅燒溫度(500℃)下,煅燒3h時的硅藻土的調(diào)濕性能最佳,此后硅藻土的調(diào)濕性能逐漸降低；在相同煅燒時間(3 h)下,過高的煅燒溫度(800℃)或者過低的煅燒溫度(200℃)都不能使硅藻土的調(diào)濕性能達到最佳,而是存在500℃的最佳煅燒溫度。(2)研制出一種具有智能調(diào)濕功效的DBHCM。經(jīng)過合適煅燒溫度和煅燒時間長度處理后的硅藻土作為主要調(diào)濕原材料；水泥作為主要膠結(jié)和強度來源；石膏作為水泥緩凝劑來控制DBHCM的孔隙形成速率：粉煤灰作為輔助材料來節(jié)約水泥用量,從而起到工業(yè)廢物再利用和降低成本的作用；楊樹木粉起輔助調(diào)濕作用；配以適量的防霉劑和抗菌劑緩解室內(nèi)空氣品質(zhì)問題。采用顯微圖像法和統(tǒng)計分析法對DBHCM的表面孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布進行表征。通過接觸角測量儀測量了DBHCM的接觸角,從而反映其表面自由能。這為分析DBHCM的表面孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布、表面自由能對DBHCM調(diào)濕性能的影響奠定實驗基礎(chǔ)。(3)建立了對流邊界條件下DBHCM一維熱濕耦合遷移數(shù)學模型。模型中考慮了毛細效應(yīng)下DBHCM孔隙中的水分擴散,水蒸氣分壓力作用下DBHCM孔隙中水和水蒸氣擴散,以及水和水蒸氣之間的相變過程。研究了DBHCM的孔隙率、環(huán)境溫度和環(huán)境相對濕度對其熱濕耦合遷移過程的影響。與此同時,借鑒國內(nèi)外相關(guān)材料吸放濕實驗標準,對DBHCM進行吸濕實驗、放濕實驗。實驗結(jié)果表明,DBHCM的調(diào)濕性能具有孔隙結(jié)構(gòu)敏感性,隨著孔隙率的變化,DBHCM的吸、放濕曲線呈非均勻變化,孔隙率越小的DBHCM的吸濕量和放濕量均越大；環(huán)境溫度對DBHCM中熱濕耦合遷移過程影響不顯著,不同的環(huán)境溫度(最大相差20℃)對其吸、放濕量的影響均在10%左右,且對DBHCM本身溫度分布影響小于l%；DBHCM的孔徑尺寸越小、小孔徑孔隙數(shù)量越多,其調(diào)濕性能越好。(4)針對DBHCM的復雜多孔結(jié)構(gòu),采用隨機生長法構(gòu)造出各向同性、各向異性的孔隙率相同,孔隙分布和分形維數(shù)不同的多孔介質(zhì)。分析了計盒維數(shù)和分形譜維數(shù)在研究多孔介質(zhì)孔隙中物質(zhì)擴散的適用性。采用顯微圖像法和統(tǒng)計分析法對構(gòu)造出的多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑分布進行表征,研究了多孔介質(zhì)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)對其孔隙內(nèi)濕傳遞過程的影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明,水蒸氣在多孔介質(zhì)孔隙中的擴散性能很大程度上取決于孔隙的連通性,孔隙連通性越好,水蒸氣在孔隙中的擴散性能越好；多孔介質(zhì)的孔徑分布和計盒維數(shù)在反映多孔介質(zhì)孔隙中物質(zhì)的動態(tài)傳遞特性時具有一定的局限性,而多孔介質(zhì)的分形譜維數(shù)能夠從微觀角度真正反映多孔介質(zhì)的孔隙連通性以及物質(zhì)在多孔介質(zhì)孔隙中的輸運特性,多孔介質(zhì)的分形譜維數(shù)越大表明此多孔介質(zhì)的孔隙連通性和水蒸氣在其孔隙中的擴散性能越好；各向異性-2(水蒸氣擴散方向平行于各向異性多孔介質(zhì)生長率較大的方向)多孔介質(zhì)的分形譜維數(shù)大于各向異性-1(水蒸氣擴散方向垂直于各向異性多孔介質(zhì)生長率較大的方向)多孔介質(zhì)的分形譜維數(shù),而各向同性多孔介質(zhì)的分形譜維數(shù)介于各向異性-1和各向異性-2多孔介質(zhì)的分形譜維數(shù)之間。其他一些宏觀參數(shù)(如水蒸氣平衡擴散系數(shù)、多孔介質(zhì)右上角的平衡水蒸氣濃度以及多孔介質(zhì)孔隙中水蒸氣擴散過程達到穩(wěn)定時所耗費的時間等)也能反映多孔介質(zhì)的孔隙連通性以及水蒸氣在孔隙中的擴散特性。(5)采用有效濕滲透厚度模型,在室外氣候條件及室內(nèi)周期性濕負荷作用下,模擬了南京冬季典型氣候下空間墻體內(nèi)側(cè)鋪設(shè)和未鋪設(shè)DBHCM,以及封閉空間和自然通風空間中鋪設(shè)DBHCM時,室內(nèi)空氣溫度、相對濕度和含濕量的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,墻體內(nèi)側(cè)鋪設(shè)DBHCM能夠減弱室外氣象參數(shù)波動以及室內(nèi)周期性濕負荷變化對室內(nèi)空氣溫度、相對濕度和含濕量的影響：DBHCM的鋪設(shè)能夠?qū)⑹覂?nèi)空氣濕度參數(shù)控制在較小的范圍,符合人體舒適度要求；DBHCM作為墻體內(nèi)側(cè)鋪設(shè)時存在最佳厚度值為0.02 m,其鋪設(shè)厚度應(yīng)大于或者等于最佳材料厚度：當空間墻體內(nèi)側(cè)鋪設(shè)厚度為0.02 m的DBHCM時,自然通風空間相比于封閉空間具有更多獲得熱量的途徑,使自然通風空間內(nèi)的溫度高于封閉空間內(nèi)的溫度；自然通風空間內(nèi)的空氣相對濕度和含濕量相比于封閉空間內(nèi)的空氣相對濕度和含濕量更加接近于室外空氣的相對濕度和含濕量：封閉空間和自然通風空間鋪設(shè)DBHCM后分別能將空間內(nèi)相對濕度控制在45%和50%左右,此范圍符合人類對環(huán)境相對濕度舒適性的要求。本文工作系統(tǒng)地從DBHCM的制備,DBHCM孔隙結(jié)構(gòu)特性的表征,DBHCM吸、放濕性能的測試,DBHCM孔隙中熱濕傳遞模型的建立以及DBHCM應(yīng)用于建筑墻體內(nèi)側(cè)的仿真模擬等方面,揭示了DBHCM的調(diào)濕機理。相關(guān)研究成果可為制備高性能調(diào)濕材料、建筑材料性能評價、預測建筑節(jié)能程度和指導建筑設(shè)計提供理論支撐和技術(shù)支持,是對現(xiàn)有調(diào)濕材料研究方法的有效補充和完善。
【圖文】：

對濕度是ＡＳＨＲＡＥ推薦的符合人體舒適度的最佳相對濕度Ｗ。當室內(nèi)相對濕度低于３０％逡逑時，會引起木材等變形（如圖＾邋２（ａ）所示）、油漆脫層、混凝±開裂、皮膚的干燥、呼逡逑吸道感染、靜電產(chǎn)生（如圖１－２邋（ｂ）所示）、灰坐擴散，這對物品保存及人體健康產(chǎn)生隱逡逑患。當室內(nèi)相對濕度大于６０％時，容易滋生細菌和微生物，使人們極易感染病茜，食逡逑品、紙張、皮革、紡織品等會發(fā)霉變形（如圖１－２似所示），建筑、藥品等會返潮（如逡逑圖１－２（ｄ）所示），影響儀器的精密程度，縮短精密貴重儀器的壽命，引起金屬表面鎊蝕，逡逑電器絕緣性能下降，還會使人們感到潮濕、胸悶等不適感，誘發(fā)關(guān)節(jié)炎等疾病，從而逡逑惡化人類生活環(huán)境，降低人們生活品質(zhì)。室內(nèi)相對濕度由高到低或是由低到高的變化逡逑過程中，會使一些字畫、文物和泛術(shù)晶等產(chǎn)生疲勞形變、摧色、截化或是鑲嵌物脫落逡逑等現(xiàn)象，所造成的經(jīng)濟損失難１＾＾１估量。因此，適宜?

調(diào)濕機理不同，，分為物理調(diào)濕材料、化學調(diào)濕材料和復合調(diào)濕材料；根據(jù)調(diào)濕基材獲逡逑取方式不同，分為天然調(diào)濕材料和人工調(diào)濕材料。結(jié)合多種分類方法，筆者認為最祥逡逑盡的分類方式如圖１－４所示。逡逑「掛膠類調(diào)濕材料逡逑無機鹽類調(diào)濕材料逡逑胃＾無機礦物類疆材料逡逑調(diào)酣料分類胃胃胃逡逑生物質(zhì)類調(diào)濕材料［無機鹽類調(diào)濕材料＋有機類調(diào)濕材料逡逑無機礦物類調(diào)濕材料＋有機類調(diào)濕材料逡逑°邐無機礦物基組合類調(diào)濕材料逡逑身：物質(zhì)類調(diào)濕材料＋無機類調(diào)濕材料逡逑圖１－４調(diào)濕材料的分類逡逑１．２．２．１x航豪嗟魘牧襄義蟬杲菏且恢志哂形⒖捉峁溝奈薅ㄐ味躉穡薅疚尬�，化学袨娘椚定，除强碱、辶x習眑#酸外不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，化學方程式為Ｓｉ化．址２0，可由桂酸鋼溶液經(jīng)無機逡逑酸、有機酸式鹽處理后干燥制得。過波中間產(chǎn)物Ｓｉ陽Ｈ）４自動聚合成Ｈ維交聯(lián)的橡膠狀逡逑凝膠，孔徑約為Ｋ￣邋２００Ａ。娃膠的比表面積可達７００邋ｍ２／ｇ，并且對極性分子（＆０）逡逑的吸附能力超過對非極性分子（如燒控類）的吸附能力。因此，巧膠在工業(yè)上主要用逡逑作吸濕劑，它能吸收重量為自身重量一半的水份，且此過程可逆，即原則上s杲嚎勺麇義銜魘牧�。但是娃胶灾]奈接虢馕分諧氏紙涎現(xiàn)氐鬧禿笙窒�，磦蝤市M溆﹀義希靛義

本文編號：2526915