一种硅藻土基多级孔复合调湿材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种硅藻土基多级孔复合调湿材料及其制备方法，属于矿物材料和非金属矿资源深加工领域。

背景技术

随着人民生活水平的提高，人们越来越追求舒适的居住环境。湿度是影响室内舒适度的一项重要指标，关乎着人们的健康。研究表明过高或过低的湿度对人们的生活学习和工作均会造成不利影响。作为目前调节室内空气的相对湿度的主要手段，空调和加湿器等机械式的湿度调控设备需要消耗大量的电能，不符合建设资源节约型和环境友好型社会的要求。目前建筑能耗占据我国能源消耗较大的比例，因此亟待开发新型高效的环保节能调湿功能材料。

硅藻土等天然无机多孔矿物材料具有孔结构较发达，比表面积大且吸附能力强的特点。多孔矿物材料特殊的孔道结构和较大的孔体积为其调节室内空气湿度提供了存储空间，因此天然无机多孔矿物是制备调湿材料的理想原料。利用天然非金属矿制备的调湿材料来合理调控室内湿度，不需消耗电力等不可再生能源，有利于减少碳排放，符合当今社会节能环保的需求。但是，未经加工处理的硅藻土的孔道结构相对单一，大孔所占比例较大，微介孔含量相对不足，比表面积较小，表面活性基团不够丰富，其平衡吸放湿量均较小，其调湿性能无法满足人们对新型建筑调湿材料高吸放湿性能的要求。

白炭黑是一种用途广泛的化工原料，具有比表面积大、微孔结构丰富，吸附能力强等特点。以无机非金属矿为硅源采用液相法制备白炭黑具有成本低、技术可靠等特点，羟基氧化铝因具有较大的比表面积和适度的纳米孔分布被广泛用作吸附剂，白炭黑和羟基氧化铝丰富的微介孔结构和表面活性有助于弥补单一硅藻土调湿材料结构和性能的不足。

本发明针对上述单一的硅藻土调湿材料吸放湿能力较弱、传统的硅藻土基材料孔道机构不合理的特点，提出一种以硅藻土为硅源，以对仪器设备腐蚀较弱的草酸作为酸析原料，进行部分碱溶-水热成型制备一种吸放湿能力强且孔结构分布合理的硅藻土基多级孔复合调湿材料。

硅藻土等天然无机多孔矿物材料具有孔结构较发达，比表面积大且吸附能力强的特点。多孔矿物材料特殊的孔道结构和较大的孔体积为其调节室内空气湿度提供了存储空间，因此天然无机多孔矿物是制备调湿材料的理想原料。利用天然非金属矿制备的调湿材料来合理调控室内湿度，不需消耗电力等不可再生能源，有利于减少碳排放，符合当今社会节能环保的需求。但是，未经加工处理的硅藻土的孔道结构相对单一，大孔所占比例较大，微介孔含量相对不足，比表面积较小，表面活性基团不够丰富，其平衡吸放湿量均较小，其调湿性能无法满足人们对新型建筑调湿材料高吸放湿性能的要求。

白炭黑是一种用途广泛的化工原料，具有比表面积大、微孔结构丰富，吸附能力强等特点。以无机非金属矿为硅源采用液相法制备白炭黑具有成本低、技术可靠等特点，羟基氧化铝因具有较大的比表面积和适度的纳米孔分布被广泛用作吸附剂，白炭黑和羟基氧化铝丰富的微介孔结构和表面活性有助于弥补单一硅藻土调湿材料结构和性能的不足。

本发明针对上述单一的硅藻土调湿材料吸放湿能力较弱、传统的硅藻土基材料孔道机构不合理的特点，提出一种以硅藻土为硅源，以对仪器设备腐蚀较弱的草酸作为酸析原料，进行部分碱溶-水热成型制备一种吸放湿能力强且孔结构分布合理的硅藻土基多级孔复合调湿材料。

发明内容

针对现有技术中存在的缺点或不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种吸放湿容量大且孔结构分布合理的硅藻土基多级孔复合调湿材料以及所述复合调湿材料的制备方法。

本发明所述的硅藻土基多级孔复合调湿材料的主要技术特征如下：

主要成分为无定型二氧化硅和羟基氧化铝；氮吸附比表面积≥110m

本发明进一步提供了一种制备所述硅藻土基多级孔复合调湿材料的方法，即以硅藻土为硅源和载体，采用部分碱溶—水热成型法，其制备工艺包括下列步骤：

（1）将硅藻土与氢氧化钠按照质量比1.5~3.5，在温度为50~80℃下碱溶10~40min制备包含硅酸钠和硅藻土的混合矿浆；

（2）向步骤（1）所述均混合矿浆中加入质量分数为30%~60%的草酸溶液酸析硅酸钠生产沉淀白炭黑。

（3）向步骤（2）所述的悬浮物中按照摩尔比为1:3~1:1加入结晶氯化铝和氢氧化钠，并将混合矿浆陈化30~150min，搅拌均匀后转移至反应釜中于100~150℃下水热反应6~12h。

（4）将步骤（3）所得的产物经过滤洗涤至中性、烘干后即可获得硅藻土基多级孔复合调湿材料。

上述步骤（1）中所述的硅藻土为粒度97%≤80m（200目标准筛筛余≤5%）、非晶质SiO2含量≥75%的硅藻土原矿或选矿精土。

本发明所述硅藻土基多级孔复合调湿材料的制备原理如下：硅藻土与氢氧化钠、草酸与结晶氯化铝发生以下化学反应：

（1）mSiO

（2）Na2O·mSiO

（3）AlCl

式中m为硅酸钠的模数。

采用本发明方法制备的硅藻土基多级孔复合调湿材料，其调湿性能较纯硅藻土显著提高，在环境温度10~30℃、相对湿度95%、85%条件下其最大吸湿量分别达到25%和20%以上；在环境温度10~30℃、相对湿度45%、35%条件最大放湿量达到15%和10%以上，较纯硅藻土提高3倍以上，而且制备工艺简单，生产成本较低，具有良好的应用前景。

附图说明

图1所示为硅藻土的SEM图。

图2所示为硅藻土基多级孔复合调湿材料的SEM图。

图3所示为硅藻土基多级孔复合调湿材料的局部放大SEM图。

具体实施方式

对本发明的硅藻土基多级孔复合调湿材料作进一步的说明。

由图1可见，硅藻土的表面较为光滑，仅有少量碎屑状硅藻土附着于表面，硅藻圆盘上的孔道以大孔为主，辅以少量介孔；结合图2和图3可见，硅藻土基多级孔复合调湿材料中生成了絮状结构的白炭黑和针片状结构的羟基氧化铝，硅藻土载体与絮状白炭黑和针片状羟基氧化铝成三维网状交联，形成多级孔状结构，孔隙结构中微介孔的比例较硅藻土显著提高。

下面结合具体实施例对本发明硅藻土基多级孔复合调湿材料的制备方法作进一步的说明。

实施例1：

原料介绍：硅藻土精矿来自临江北峰硅藻土有限公司，主要化学成分及含量为SiO

制备工艺步骤如下：

将硅藻土与氢氧化钠按照质量比1.75配料，在温度为80℃下碱溶30min制备包含硅酸钠和硅藻土的混合矿浆；再向混合矿浆中加入质量分数为60%的草酸溶液，酸析硅酸钠生成沉淀白炭黑，以1:1的摩尔比加入结晶氯化铝和氢氧化钠，并将混合矿浆陈化90min，搅拌均匀后转移至反应釜中于120℃下水热反应12h。。

采用恒温恒湿试验箱测定实施例样品的吸放湿性能。测试步骤如下：

（1）样品预处理： 称取10g样品加蒸馏水浸湿，摇匀后放入105℃的烘箱中干燥，烘至连续一小时称取样品质量前后变化达到0.1%以下，在干燥器中冷却至室温后称重，并记录质量；

（2）测试准备：在恒定20℃（保护温度50℃）的条件下调节目标湿度。打开电子天平的控制软件系统，设置端口参数；

（3）测试： 在设定的温湿度环境下，样品进行吸湿试验，当样品质量连续一小时不再变化，样品已达饱和吸湿，吸湿过程结束，将恒温恒湿箱内的湿度降低50%，进行放湿试验，当样品质量连续一小时不再变化，样品已达饱和放湿，放湿过程结束。

材料的吸放湿量计算公式如下：

式中： W

W

m

m

m

表1 所示为实施例1样品在环境温度20℃、相对湿度95%、85%条件下其最大吸湿量，在环境温度20℃、相对湿度45%、35%条件下其最大放湿量。

实施例2：

与实施例1中的原料和工艺步骤相同，不同之处在于硅藻土与氢氧化钠按质量比2.0配料、在温度为60℃下碱溶20min制备包含硅酸钠和硅藻土的混合矿浆；再向混合矿浆中加入质量分数为50%的草酸溶液，酸析硅酸钠生成沉淀白炭黑，以1:2的摩尔比加入结晶氯化铝和氢氧化钠，并将混合矿浆陈化120min，搅拌均匀后转移至反应釜中于150℃下水热反应9h。实施例样品的调湿性能测定方法同实施例1，结果列于表1。

实施例3：

与实施例1中的原料和工艺步骤相同，不同之处在于硅藻土与氢氧化钠按质量比2.5配料、在温度为50℃下碱溶40min制备包含硅酸钠和硅藻土的混合矿浆；再向混合矿浆中加入质量分数为40%的草酸溶液，酸析硅酸钠生成沉淀白炭黑，以1:3的摩尔比加入结晶氯化铝和氢氧化钠，并将混合矿浆陈化60min，搅拌均匀后转移至反应釜中于100℃下水热反应6h。实施例样品的调湿性能测定方法同实施例1。

结果列于表1。

表1、实施例样品调湿性能与孔结构特征

最后需要说明的是，上面虽然结合实施例对本发明做了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，在权利要求保护范围内，还可以对上述实施例进行变更和改变等。