一种调温调湿材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及调温控湿材料领域，特别涉及一种调温调湿材料及其制备方法与应用。

背景技术

温室大棚作为现代农业科技的一种生产方式，在现代农业生产中占有重要地位。在温室大棚中，温度太高会使棚内的蒸发量增加，导致幼苗干枯，也会导致落花落果，温度太低导致农作物冻害。因此，不适宜的温度会导致农作物产量和质量的降低。不仅温度是温室大棚中农作物生长的重要因素，湿度也是温室大棚中农作物生长不可忽视的因素。在大棚中，湿度过高会导致光照不足，影响农作物的生长发育，也会造成有害菌的大量繁殖，致使农作物受损；湿度过低会阻碍农作物的光合作用，影响果实的发育。

在温室大棚中，传统的调温控湿措施是通风换气。对大棚生产而言，此措施的缺点是受到季节和气候的影响较大。同时，如果大棚的面积比较大则需要的时间会很长，效果也不太明显，特别是大棚中心区域，一旦通风排气系统出现故障则很难调控温湿度，且过长时间的通风换气对大棚温度波动影响是巨大的，即使使用一些主动式的调温控湿的措施，也会增加成本和劳动量。因此，寻求绿色经济的温室调温控湿措施已刻不容缓。

相变材料在相变的过程中，保持温度恒定下，可吸收或释放热能，从而调整温室大棚内温度的波动，降低热能的损耗。但是，目前主要采用的是有机相变材料，如石蜡、十二醇等，而有机相变材料存在成本高、易燃，且部分材料存在毒害作用，不适用于农作物生长的温室大棚。吸湿材料是一种常见的功能性材料，可依靠自身的孔结构，对温室大棚内的水分高吸低放，实现对温室大棚内湿度的控制。处于自然状态下的温室大棚，其温室环境中的热湿是耦合的，而单一的相变材料或吸湿材料只能分别对温度或湿度进行调控。为了能对温室大棚内热湿进行同步调控，调温调湿材料的开发刻不容缓。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种调温调湿材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供所述方法制备得到的调温调湿材料。

本发明的再一目的在于提供所述调温调湿材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种调温调湿材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将无机水合盐相变材料、成核剂和水混合均匀，于40～55℃条件下搅拌10～20min，然后加入多孔材料，于40～55℃条件下继续搅拌60～120min，得到复合相变材料；其中，复合相变材料包括以下重量百分数计的原料：无机水合盐相变材料50～80％、去离子水0～20％、成核剂0～6％、多孔材料20～50％；

(2)将步骤(1)中得到的复合相变材料冷却至室温，然后将其压制成相变板材；

(3)将无机矿物质材料作为调湿材料，将其压制成第一调湿板材和第二调湿板材；

(4)将第一调湿板材、相变板材和第二调湿板材顺序层叠组合形成夹心结构，并利用建筑结构胶和铝箔包覆其底面和侧面，得到调热调湿板材，即所述调温调湿材料。

优选的，步骤(1)中所述的无机水合盐相变材料为选择相变温度为15～40℃，相变潜热为80～250J/g的无机水合盐相变材料。

优选的，步骤(1)中所述的无机水合盐相变材料为水合盐化合物，或水合盐化合物与其他化合物组成的无机水合盐相变材料；其中，其他化合物为氯化钠、氯化钾、尿素和甲酰胺等中的至少一种，这些化合物可以用来调节无机水合盐相变温度的，比如三水醋酸钠-尿素可组成所需的无机水合盐相变材料。

优选的，所述的水合盐化合物为十二水磷酸氢二钠、三水磷酸氢二钾、十水碳酸纳、六水氯化镁、三水醋酸钠、十水硫酸钠、六水硝酸锌、六水硝酸镁、五水硫代硫酸钠、八水氢氧化钡、十二水硫酸铝铵、十二水硫酸铝钾等中的至少一种。

进一步优选的，所述的无机水合盐相变材料为十二水磷酸氢二钠和三水磷酸氢二钾中的至少一种。

优选的，步骤(1)中所述的成核剂为九水硅酸钠、六水氯化锶、氧化铝、十水焦磷酸钠、气相二氧化硅、硼砂、碳酸锶、十二水磷酸氢二钠、膨胀石墨等中的至少一种。

更优选的，步骤(1)中所述的成核剂为九水硅酸钠和六水氯化锶中的至少一种。

优选的，步骤(1)中所述的多孔材料为微粉硅胶、海泡石、二氧化硅、膨胀珍珠岩、活性炭、膨胀蛭石、膨胀石墨、吸水树脂、氮化碳、硅藻土、蒙脱土、泡沫铝、泡沫铜、氮化硅、气凝胶和氮化硼泡沫等中的一种。

优选的，所述的二氧化硅包括气相二氧化硅，可购自山东优索化工科技有限公司。

优选的，所述的气凝胶包括硅气凝胶、氮化硼气凝胶、金属气凝胶、聚合物气凝胶、生物质气凝胶、石墨烯气凝胶和纤维素气凝胶等中的至少一种。

更优选的，步骤(1)中所述的多孔材料为微粉硅胶。

优选的，步骤(1)中所述的复合相变材料包括以下重量百分数计的原料：水合盐相变材料62～70％、去离子水0～10％、成核剂2～5％、多孔材料20～30％。

优选的，步骤(1)中所述的搅拌的温度为48～50℃。

优选的，步骤(1)中所述的搅拌的时间为15～20min。

优选的，步骤(1)中所述的继续搅拌的时间为60～90min。

优选的，步骤(2)中所述的压制的压力值不超过2MPa。

优选的，步骤(2)中所述的相变板材的密度为750～900kg/m

进一步优选的，步骤(2)中所述的相变板材的密度为800～900kg/m

再进一步优选的，步骤(2)中所述的相变板材的密度为815kg/m

步骤(2)中所述的相变板材的形状、尺寸大小可以根据实际大小进行压制，包括圆柱体、正方体、长方体等。

优选的，步骤(2)中所述的相变板材的尺寸大小为：长度450mm～600mm，宽度350mm～600mm，厚度(高度)8mm～15mm。

更优选的，步骤(2)中所述的相变板材的尺寸大小为：长度450mm，宽度350mm，厚度(高度)8mm(450mm×350mm×8mm)。

优选的，步骤(3)中所述的无机矿物质材料为硅藻土、膨润土、海泡石、沸石、蛭石、凹凸棒土、植物纤维和水铝英石等中的至少一种。

优选的，所述的海泡石可购于拓亿新材料(广州)有限公司。

优选的，所述的凹凸棒土可购自拓亿新材料(广州)有限公司。

更优选的，步骤(3)中所述的无机矿物质材料为硅藻土和膨润土中的至少一种。

优选的，步骤(3)中所述的压制的压力值为6～12MPa。

步骤(3)中所述的第一调湿板材和第二调湿板材的形状、尺寸大小可以根据实际大小进行压制，包括圆柱体、正方体、长方体等。

优选的，步骤(3)中所述的第一调湿板材和第二调湿板材的密度均为1200～1400kg/m

进一步优选的，步骤(3)中所述的第一调湿板材和第二调湿板材的密度均为1300～1400kg/m

再进一步优选的，步骤(3)中所述的第一调湿板材和第二调湿板材的密度均为1361kg/m

优选的，步骤(3)中所述的第一调湿板材和第二调湿板材的尺寸大小为：长度450mm～600mm，宽度350mm～600mm，厚度(高度)2mm～15mm。

进一步优选的，步骤(3)中所述的第一调湿板材和第二调湿板材的尺寸大小为：长度450mm，宽度350mm，厚度(高度)2mm～8mm。

再进一步优选的，第一调湿板材和第二调湿板材的厚度不同(密度相同)，第一调湿板材的厚度为第二调湿板材的2倍。

优选的，步骤(4)中所述的建筑结构胶的涂覆厚度为0.1mm。

优选的，步骤(4)中所述的调湿板材的厚度越大，吸湿量越好，可对相变材料的改善作用也更好。

一种调温调湿材料，通过如上述任一项所述的方法制备得到。

所述的调温调湿材料在温室大棚中的应用。

优选的，所述的温室大棚为空气相对湿度较高的温室大棚。

更优选的，所述的温室大棚为空气相对湿度高于75％的温室大棚。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明利用无机水合盐相变材料和无机矿物质材料，开发了一种同时具有调温控湿性能的复合材料，可对温室大棚中的温湿度被动式调节，减轻棚内热、湿负荷，从而满足农作物在适宜的温湿度下生长。

2、由于常规无机相变材料具有来源广泛、价格低廉和不可燃的优点，但其在自然环境中存在着失水吸水现象，因此，本发明将调湿材料和无机水合盐结合，两者水分的传递存在相互作用，有一定吸湿量的调湿材料可以改善无机水合盐的吸失水问题(无机水合盐失水后热性能会下降)，进而可制得具有调温控湿性能的复合材料。

3、本发明制备的调温调湿材料具有良好的调温性能和控湿性能，且在较高湿度下，储热性能变化较小，适合使用在空气相对湿度较高的温室大棚内(如黄瓜和芹菜的种植)，此时可实现同时调控棚内温湿度波动的效果。

4、本发明制备的调温调湿材料，在自然状态下，同时具有调温控湿的性能，解决了相变材料或调湿材料单一的性能，此材料采用了高储能密度的无机水合盐相变材料，通过添加成核剂解决了无机水合盐相变材料的过冷缺陷，通过与多孔材料的结合，解决了无机水合盐相变材料在相变过程中液漏的缺陷，相较于有机相变材料，本发明选择的无机水合盐相变材料具有潜热高、不易燃、价格低廉且易得的优点，在实际温室环境中更加具有推广性。

5、本发明使用建筑结构胶制将复合相变材料夹在两片调湿材料板材之间制成夹心结构的调温调湿板材，在较高湿度下，相变材料的焓值变化较小；此外，调湿材料和相变材料之间存在着相互作用，有助于提高相变材料的储热性能，这种材料应用在温室大棚中，可同时对温室内的热湿进行被动式调节，从而达到被动式调控温湿度目的，减小经济成本。

6、本发明制备的调温调湿材料可对温室大棚内的环境起到调控的作用，且价格便宜，无毒，对温室维护结构无腐蚀，制备方法简单。

附图说明

图1是本发明实施例1制备的调温调湿材料的剖面示意图(图中，1：第一调湿板材；2：相变板材；3：第二调湿板材)。

图2是本发明实施例1制备的单一复合相变板材和调温调湿板材在不同相对湿度下放置不同天数的DSC曲线图；其中，(a)为单一片复合相变板材在75％相对湿度下放置不同天数下的DSC曲线；(b)为在97％相对湿度下吸湿饱和(吸湿饱和为硅藻土吸湿饱和后再与复合相变材料结合，下同)的调温调湿板材(硅藻土和复合相变材料组成的夹心结构)在75％相对湿度下放置不同天数后的DSC曲线；(c)为在97％相对湿度下吸湿饱和的调温调湿板材(硅藻土和复合相变材料组成的夹心结构)在97％相对湿度下放置不同天数后的DSC曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。下列实施例中未注明具体实验条件的试验方法，通常按照常规实验条件。除非特别说明，本发明所用试剂和原材料均可通过市售获得。

本发明实施例中涉及的微粉硅胶购于山东优索化工科技有限公司；硅藻土购于河北华凯环保材料有限公司。

实施例1

一种调温调湿材料及其制备工艺，具体步骤如下：

a、将去离子水、无机水合盐相变材料十二水磷酸氢二钠、成核剂九水硅酸钠放置玻璃瓶，然后将玻璃瓶放置在48℃的水浴锅中搅拌，搅拌时间15min，得到混合溶液；再将多孔材料(微粉硅胶)直接加入到上述混合溶液中，然后在48℃的温度下进行间断搅拌，搅拌时间90min，得到复合相变材料；其中，复合相变材料包括以下重量百分数计的原料：无机水合盐相变材料62％、去离子水5％、成核剂3％、多孔材料30％；

b、将制成的复合相变材料冷却至室温，然后使用模具将复合相变材料压制成具有一定尺寸的相变板材(相变板材的尺寸：直径20mm的柱体，厚度4mm)，其中，相变板材采用手动式液压制片机在室温下压制获得(本实验所用磨具为直径20mm的圆柱体)，板材密度为815kg/m

c、挑选出吸湿性能较好的无机矿物质材料(硅藻土)作为调湿材料，使用模具将调湿材料压分别制成两块具有一定尺寸的调湿板材(调湿板材的尺寸：直径20mm的柱体，厚度分别为4mm、2mm)；其中，调湿板材采用手动式液压制片机在室温下压制获得(本实验所用磨具为直径20mm的圆柱体)：使用压力值为12MPa的压力压制第一调湿板材，厚度2mm，密度为1361kg/m

d、使用建筑结构胶(ergo7821，购于瑞士kisling公司，涂敷厚度为0.1mm)和铝箔(polar bearAL-610，尺寸60mm×0.1mm，购于上海北极熊文具胶有限公司)(建筑结构胶涂覆在铝箔上，铝箔包覆调热调湿板材柱体的底面和侧面，是为了只让调温调湿材料的顶面与周围环境接触)，将压成型的相变板材和两块调湿板材(将相变板材置于两块调湿板材中间，即将第一调湿板材、调湿板材和第二调湿板材顺序垒成一个圆柱体(柱体底面相连))制成夹心结构的调热调湿板材(图1)。

实施例2

一种调温调湿材料及其制备工艺，具体步骤如下：

a、将去离子水、水合盐相变材料(十二水磷酸氢二钠和三水磷酸氢二钾；二者的配比为97wt％:3wt％)、成核剂九水硅酸钠放置玻璃瓶，然后将玻璃瓶放置在50℃的水浴锅中搅拌，搅拌时间20min，得到混合溶液；再将多孔材料(微粉硅胶)直接加入到上述混合溶液中，然后在50℃的温度下进行间断搅拌，搅拌时间80min，得到复合相变材料；其中，复合相变材料包括以下重量百分数计的原料：水合盐相变材料65％、去离子水10％、成核剂5％、多孔材料20％；

b、将制成的复合相变材料冷却至室温，然后使用模具将复合相变材料压制成具有一定尺寸的相变板材(相变板材的尺寸：直径20mm的柱体，厚度4mm)，具体压制方法同实施例1；

c、挑选出吸湿性能较好的无机矿物质材料(膨润土)作为调湿材料，使用模具将调湿材料分别制成两块具有一定尺寸的调湿板材(调湿板材的尺寸：直径20mm的柱体，厚度分别为4mm、2mm)，具体压制方法同实施例1；

d、使用建筑结构胶(ergo7821，购于瑞士kisling公司，涂敷厚度为0.1mm)和铝箔(polar bearAL-610，尺寸60mm×0.1mm，购于上海北极熊文具胶有限公司)(铝箔包覆调热调湿板材柱体的底面和侧面)，将压成型的相变板材和两块调湿板材制成夹心结构的调热调湿板材。

效果实施例

参考实施例1的方法制备调温调湿板材(本实验为了更准确评估调湿材料的吸放湿对相变材料性能的影响，制备调温调湿板材前，硅藻土需要吸湿饱和后再与复合相变材料结合制成调温调湿板材，其他步骤与实施例1相同)。然后将制得的调温调湿板材在相对湿度(RH)为75％、97％的条件下(室温)分别放置1天、2天和3天，同时，为了对比单一复合相变材料完全敞露在湿度环境以及有调湿材料存在下的热性能差异，以单一复合相变板材(相对湿度：75％)为对照(参考实施例1方法先制备出复合相变材料，板材密度为815kg/m

结果如图2和表1所示：可以看到，本发明制备的调温调湿板材中的调湿材料对复合相变材料的热性能有改善作用，在较高湿度下，储热性能变化较小，适合使用在空气相对湿度较高的温室大棚内，可实现同时调控棚内温湿度波动的效果。在75％湿度下，复合相变板材随着天数的增加，它相变焓逐渐减小，这跟十二水磷酸氢二钠在自然状态下容易失水有关。调温调湿板材在75％湿度下，随着天数的增加，它的相变焓虽也是逐渐减小，但是相比于单一复合相变板材的相变焓，它的相变焓较高。这是吸湿饱和的调湿材料会抑制十二水磷酸氢二钠的失水。在97％湿度下，调温调湿板材，随着天数的增加，它的相变焓也是逐渐减小，但相较于75％湿度下，相变焓更高。

表1材料的热性能

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。