調濕材料是指依靠自身的吸放濕性能，感應所調 空間濕度的變化，自動調節(jié)空氣相對濕度的材料，應用 于建筑、農業(yè)等濕度的調節(jié)，尤其是需要維持一定濕度 和溫度等條件的文物保護方面的應用，近年來受到人 們的廣泛關注[U2」。目前，調濕材料的種類主要有無機 調濕材料(硅膠、無機鹽類和無機礦物類）、有機高分子 調濕材料、生物質類調濕材料、復合調濕材料。其中， 硅膠是應用最廣泛的調濕材料，但硅膠吸濕量和濕容 量較小，且調濕過程中的滯后現象嚴重；無機鹽吸濕后 極易潮解，在常溫下很不穩(wěn)定，容易產生鹽析現象而導 致文物保存環(huán)境的二次污染；無機礦物材料雖然吸放 濕速率較快，但其濕容量較低導致應用受限；有機高分 子材料吸濕量高，但放濕速率較慢，被吸附的水不易脫 附，材料再生困難；生物質類調濕材料具有較強吸濕能 力，但放濕能力不理想[3339.目前，由于單一的調濕材 料無法滿足文物保存環(huán)境對調濕材料高吸濕容量和快 吸濕速率的要求，近年來將不同類型的材料進行復合 從而制備復合調濕材料成為研究熱點&9]。

采用吸濕性能優(yōu)異的高分子材料作為調濕材料的 基質材料，再在高分子調濕材料中加人無機鹽，是復合 調濕材料制備的主要方法。利用高分子材料內部離子 濃度與外界溶液形成濃度差，產生反滲透，使高分子外 表面水分子不斷進人內部，因而表現出較高的吸濕容 量[~，圖1為高分子材料的吸水過程示意圖a 

/調濕材料—-—-調濕材料 

無機鹽i—-—-吸濕后 n— _ n

無機鹽

■^

—氣態(tài)水■——氣態(tài)水、i一?I 一丨一、、‘.

a■—, —一:〇。。〇。，t°°°o。《a

無無機鹽的高分_產調濕材料

有無機鹽的高分f調濕材料

Fig 1 The moisture absorption process of polymer

圖1

高分子材料吸放濕過程示意圖

 

羧甲基纖維素鈉（CMC)是纖維素醚類中產量最 大、用途最廣、無毒的天然高分子化合物，分子中具有 的纖維素類特有的環(huán)狀的多元羥基結構和親水基 (一COONa)有良好的吸濕和保濕性能，CMC易溶于 水，干燥后可制成固體棒狀、條狀以及成膜狀等，固化 后成中性，對光穩(wěn)定。本文在結合CMC優(yōu)異的吸濕 和保濕性能的同時結合具有吸濕性能的無機鹽，并通 過致孔劑的高效致孔作用，以CMC為基質，通過復合 無機鹽和致孔劑N H3 HC()3，制得一種對文物無污染 或損害，且具有高吸濕量、高濕容量、高吸放濕速率、對 濕度變化響應快的高吸濕容量的竣甲基纖維素鈉基調 濕材料，并對其結構和性能進行了表征。

2實驗

2.1原料與設備

2. 1. 1原料

羧甲基纖維素鈉，分析純，土海精化科技研究所， 其它試劑均為分析純。

METTLER AE 240型電子分析天平，梅特勒-托 利多儀器上海有限公司；DHG-9123A型電熱恒溫鼓風 干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司；擠條機，上海連 富機械有限公司；Nicolet 380型智能傅立葉紅外光譜 儀，美國熱電集團；JSM-6360 LV型掃描電子顯微鏡， 日本電子公司；（JEOL)恒溫恒濕實驗箱，上海簡戶儀 器設備有限公司；Test〇175-Hl型溫濕度檢測儀，德國 Testo儀器有限公司。

2.2調濕材料的制備

將CMC、無機鹽、致孔劑和適量水按一定比例混 合均勻，然后把樣品擠成lcm左右長條，置于烘箱中 120 C干燥2h，然后對其各種性能進行測試。

2.3材料的表征方法

在室溫下，采用KBr壓片的方法對材料的化學結 構進行表征；采用掃描電鏡對材料的表面形貌進行表

征。

2.4吸濕量的測試

參照英國國家標準測定調濕材料的吸濕量。 準確稱取3. 0g調濕材料于恒溫恒濕箱中，間隔lh稱 量。直至間隔lh的兩次稱量質量差不超過0.1%。 調濕材料的吸濕量按下式計算：

吸濕量：

TWRH — m0„,

XRH =X 100 %(1)

x — 〇

式中，為培養(yǎng)皿的質量，為培養(yǎng)皿和調濕材 料的質量，mRH為樣品吸濕平衡后培養(yǎng)皿和調濕材料 的質量。

2.5濕容量的測試

濕容量：

DM% =XRH2 -XRH)(2)

式中，xRHz為樣品在RH2下調濕材料的吸濕量； XRHi為樣品在RH,下調濕材料的吸濕量。

2. 6金屬的加速腐蝕性測試

參照Oddy法^]測試調濕材料對金屬的加速腐蝕 性。切割高純度金屬（銅、銀、鉛)薄片，磨平薄片并在 丙酮中清洗擦干。將約2g被測材料放人反應容器中， 試管加人〇. 5mL蒸餾水后用脫脂棉封口，放人反應器 中。用尼龍線的一端連接金屬試片，另一端連接到反 應器的玻璃塞上。每種金屬試片均有一個對照試片 (不加材料，只加人金屬試片和水）。反應器放人60__C 烘箱中。反應28d后，取出金屬試片并與對照試片對 比。

2.7調濕材料的應用實驗

準確稱取3. 0g調濕材料在一定濕度下達到一定 吸濕量后置于密閉容器，將此容器作為模擬展柜，置于 室溫下7d，同時做空白對照實驗，檢測密閉環(huán)境中溫 濕度的變化情況。

447

3結果與討論

3.1調濕材料配方的優(yōu)化

3. 1.1無機鹽種類的篩選

從理論上講，無機鹽飽和水溶液在25€時的飽和 蒸汽壓所對應的濕度越低，則該調濕材料相應的濕容 量越大。因此本文考察了幾種飽和蒸汽壓較低的無機 鹽^&(：1、1^2(：03、1^^(：12、〇3(：12和1」(：1)添加到0.]^0 中，對調濕材料性能的影響。表1為常見無機鹽飽和 水溶液飽和蒸汽壓所對應的濕度[13^]，當氣態(tài)水分子 進人高分子后，由于UC1的飽和蒸汽壓較低，容易使 氣態(tài)水分子凝聚成液態(tài)水，同時通過羧甲基纖維素鈉 中羥基的親水作用，使水分子向羧甲基纖維素鈉內部 擴散，從而提高其吸濕量。表2為添加不同種類無機 鹽的CMC基調濕材料對其吸濕量和濕容量的影響， 實驗結果與理論都表明LiCl吸濕性能最優(yōu)，因此選用 LiCl作為CMC基調濕材料的無機鹽致濕劑。

表1不同鹽飽和水溶液飽和蒸汽壓所對應的濕度 Table 1 The humidity corresponding to vapor pres¬

sure of different saturated salt solution

無機鹽RH(%)飽和蒸汽壓（X133Pa)

CaS04 • 2H209817. 2

ZnS04 • 7H2()9015.8

KC18515.0

NaCl7513. 2

K2C〇3437. 2

MgCI2336.0

CaCl2325. 6

LiCl112. 6

表2無機鹽種類對調濕材料吸濕置和濕容量的影響

Table 2 Hygroscopicity and moisture capacity of hu¬midity-control material with different inor¬ganic salts

DM(%)

無機盆80%60%40%60%?80%40%?60%

RHRHRHRHRH

NaCl2171146

K2C〇3692114820

MgCl27932134719

CaCl2592433521

LiCl12547257822

3. 1.2無機鹽配比的優(yōu)化

圖2為CMC與LiCl的配比對調濕材料性能的影 響。由圖2可知，由于LiCl的吸水性強，調濕材料在 高濕度下的吸濕量和濕容量遠遠大于其在低濕度下的 吸濕量和濕容量。但調濕材料中LiCl含量過高，將會 導致調濕材料不易成型且產生嚴重的鹽析現象。當 LiCl含量超過40%時，隨著相對濕度的增加，調濕材 料將很難達到吸濕平衡。因此，在保證調濕材料易成 型且不發(fā)生鹽析現象的前提下，盡可能提高LiCl的含量，當LiCl質量分數為33%時，所制備的調濕材料具 有較大的吸濕量和濕容量，材料的吸濕性能優(yōu)異，材料 的成型容易，且不發(fā)生鹽析現象。因此選用LiCl質量 

 

3.1.3致孔劑用量對調濕材料性能的影響

添加致孔劑可以改善調濕材料的孔結構，能促進 水分在調濕材料內部均勻快速擴散，從而加快其吸放 濕速率。NH4HC03在120X：下可完全分解，生成 NH3、C02以及水蒸氣3種氣體，致孔效率較高；本文 選用NH4HC03作為致孔劑，表3為致孔劑的添加量 對其吸濕量和濕容量的影響，NH4HC03的加入改善 了調濕材料的吸濕量，當NH4HC03用量為8. 0g時 吸濕量有較大的提高，當NH4HC03用量超過8. 0g 時吸濕量提高率不大，且調濕材料的濕容量提高達到 了最大。從節(jié)約原料和調濕材料性能提高度綜合考慮 確定在12. OgCMC中添加8. 0g的NH4HC03。因此 制備調濕材料的最佳原料質量比m(CMC)

(LiCl) : w(NH4HC03)為 12 : 6 : 8。 

表3致孔劑添加量對調濕材料吸濕量和濕容量的影響

Table 3 Hygroscopicity and moisture capacity of humidity-control material with different addition of pore-form¬ing agent

致孔劑

(g)•^RH ( % )

80% RHRH ( % )

60% RHx RH ( % )

40 %RUDJW(%) 60%?80% RHDM(%) 40%?60% RH

0. 012547257822

4.011650296621

6.010947286219

8.013255307725

10.010345305815

12.012956317326

3.2調濕材料結構的表征

3.2. 1材料的紅外光譜表征

圖3為CMC與所制備的竣甲基纖維素鈉基調濕 材料的紅外光譜圖，圖譜中3435cm-1處的吸收峰為羧 甲基纖維素鈉中環(huán)狀結構中一OH伸縮振動吸收峰， 1628cnT1處的吸收峰為C=0的特征吸收峰， 1405cm—1處的吸收峰為C一0吸收峰，2928、2856和 1329cm—1處為亞甲基一 CH2—和一 CH—的特征吸收 峰。同時無機鹽LiCl的加入并沒有改變CMC基調濕 材料的化學結構，并沒有使CMC的吸收峰發(fā)生位移。 

圖4為調濕材料的掃描電鏡圖?？諝庵械乃肿舆M人調濕材料的內部，同時微孔之間

形成很多相互連通的微孔道，有利于調濕材料在高濕 度下具有高的吸濕量，且微孔道使調濕材料在較低的 濕度下高效地將調濕材料內部的水分子釋放出來。

3.3調濕材料的性能測試 3.3.1調濕材料吸濕量和濕容量的測定

表4為所制備的高吸容量羧甲基纖維素鈉基調濕 材料與調濕材料Art-Sorb吸濕量與濕容量性能對比。 由表4可知，所制備的高吸容量羧甲基纖維素鈉基調 濕材料在各種濕度下的吸濕量和濕容量都大于市場上 的產品Art-Sorb，說明這種調濕材料對濕度的緩沖能 力較強，是一種良好的調濕材料。

3.3.2調濕材料的實際使用效果評價

在室內自然條件下密閉容器內的溫濕度變化曲線 如圖5和6所示。由圖5可以看出，沒有調濕材料的 密閉容器內的相對濕度隨溫度的變化而劇烈變化。由 圖6可知，放有調濕材料的密閉容器內的相對濕度基 本維持恒定，說明調濕材料具有調節(jié)一定密閉空間相 對濕度的能力。7d內調濕材料能控制環(huán)境濕度在 Fig 4 SEM images of humidity-control material55%左右。

表4不同調濕材料的吸濕置及濕容量

Table 4 Hygroscopicity and moisture capacity of different-humidity control materials

調濕材料IRH (% )DM(%>

80% RH60% RH40% RH60%?80% RH40%?60% RH

實驗樣品13255307725

Art-Sorb402518157

 

Fig 5 The humidity change with temperature in blank vessel

3. 3. 3調濕材料對金屬的加速腐蝕性測試

調濕材料按“Oddy”測試法進行金屬腐蝕性測定， 試片顏色均無明顯變化，說明調濕材料具有很好的安 全性，能用于館藏文物保存環(huán)境濕度的控制。

4結論

以吸濕、保濕性能優(yōu)異的高分子材料羧甲基纖維 素鈉為基質材料，以吸濕性大的LiCl為無機鹽，配合 致孔劑碳酸氫銨，制備高濕容量羧甲基纖維素鈉基調 濕材料，當m (CMC) : m (無機鹽LiCl) : m (NH4HC03) = 6 : 3 : 4時，調濕材料的性能最佳，調 濕材料的安全性能達到了文物保護環(huán)境的要求，具有 較大的應用價值。