专利名称：一种用于净化空气和调节湿度的功能材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种功能材料及其制备方法，更具体地说，涉及一种主要用于室内建筑空间的空气净化和湿度调节的功能材料及其制备方法。
背景技术：
随着经济的快速发展，环境质量不断下降与人们对于环境质量要求不断提高之间的矛盾越来越严重，人们在要求环境清洁同时也希望可以调节其湿度、使生活更舒适。活性炭，在结构上是微晶碳无规则排列，相互连接间形成细孔，经活化后产生缺陷而形成的一种多孔碳，具有较好的吸附功能，可以吸附多种气体，如用来吸附甲醛、SO2, NO2 等，对于异味也有一定的清除作用。调湿材料作为一种环境友好材料，可以有效地吸附和释放空气中的水分，并自动地调节室内环境的湿度至40% 60% RH0与传统的空调调湿技术相比，调湿材料具有无污染、节能、可回收的优势。调湿材料的种类虽然较多，如硅胶、无机盐、无机矿物和有机高分子材料等，但各有自己的优势和缺陷。而将无机矿物与有机高分子复合所制得的复合调湿材料，相比于其它调湿材料，具有调湿量大、响应速度快、环境友好性高的特点。活性炭作为吸附剂，进行空气净化具有较好的效果。在进行环境调节的时候，如何让产品在兼具调湿与净化性能的同时，方便实用、且调湿量要大、响应速度快是急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，解决传统调湿产品调湿量小、响应速度慢的缺陷，并同时达到调节空气湿度与净化环境的目的，将具有调湿功能的无机矿物/有机高分子复合材料与活性炭材料进行有效复合，从而使材料兼有净化空气和调节湿度的双重功能。本发明的目的通过下述技术方案予以实现本发明首先制备出具有高调湿能力的硅藻土 /聚丙烯酸(钠)复合调湿材料，然后再与活性碳进行复合，从而制备出兼有净化与调湿功能的环保材料产品。本发明选用价格低廉、本身孔隙度大、具有良好的吸附性和化学稳定性、无毒无害的硅藻土作为原材料， 通过反相悬浮聚合方法与丙烯酸(钠)进行聚合制备纳米调湿复合材料组分；然后与活性炭进行机械结合，进而经压制成型或造粒、烘干处理后得到能净化空气和调节湿度的新型环保产品。具体来说，如下(1)对硅藻土进行有机改性，以增强其与有机聚合物之间的结合性。具体来说，可以先将硅藻土原料进行焙烧以去除水份，例如在550-700°C下焙烧30-120min，然后利用酸液对硅藻土原料进行清洗，以去除杂质，例如按固液质量比1 1-1 5的比例放入到质量百分数为60% -90%氏504水溶液中，在80-1001下浸泡2-5小时；接着利用十六烷基三甲基溴化铵(CTVm)对硅藻土进行有机改性，例如按固液比为1 5-1 2的比例将硅藻土加入到质量百分数为-10%的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的水溶液中，并在40-80°C下搅拌2-4h ；冷却、洗涤，在80-100°C下真空干燥60-90min及研磨粉碎后即可得到有机改性
硅藻土。(2)配置反应单体溶液，具体来说，配置一定浓度的碱性溶液，然后缓慢滴入丙烯酸中，通过改变碱性溶液的加入量以获得不同中和度(50% 100%)的丙烯酸-丙烯酸钠溶液；所述一定浓度的碱性溶液可以选择质量分数为25%的NaOH水溶液、KOH水溶液。(3)通过反相悬浮聚合方法制备硅藻土 /聚(丙烯酸-丙烯酰胺)复合调湿材料， 具体来说，将有机改性硅藻土按一定的比例(单体溶液总质量的10% 70%，即步骤(2) 中配置的丙烯酸-丙烯酸钠溶液质量)加入到单体溶液中进行搅拌混合，并进行超声波震荡分散，使溶液乳化，作为水相；按水油体积比1 5的比例在反应容器中加入油相(例如环己烷)及分散剂(例如司班Span60、司班SpanSO，其加入量为丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量的 30% )，并通入惰性气体以除去氧；将水相加入到反应容器中，并加入引发剂和交联剂，升温至引发温度(例如60-80°C)引发聚合直至反应完毕即得到硅藻土 /聚 (丙烯酸-丙烯酸钠)复合调湿组分。其中所述引发剂选择水溶性过硫酸盐，例如过硫酸钾、过硫酸铵，其加入量为步骤 (2)配置的丙烯酸-丙烯酸钠溶液质量的_5%，优选-3%。所述交联剂选择N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺，其加入量为步骤⑵配置的丙烯酸-丙烯酸钠溶液质量的1 % -5 %，优选1 % -3 %。制备复合调湿组分后，将制得的凝胶样品(即复合调湿组分)取出、清洗去除杂质和未反应的物质，在100°c真空干燥2小时，之后研磨、过筛(50目)后备用。(4)将步骤( 制备的复合调湿组分材料与活性炭粉进行混合后压制成型或造粒处理，即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料产品，具体来说，将步骤C3)制备的复合调湿组分材料与水进行混合，并超声分散，使之均勻溶解其中复合调湿组分材料与水的质量比为1 30-1 100，例如可超声分散30-80min以加速均勻溶解；然后向溶解后的溶液中加入活性炭粉，活性炭粉可选用100-200目的木质活性炭粉，其与复合调湿组分材料的质量比为1 10-2 1，经充分搅拌混合均勻后，按一定的形状在模具中压制成型或造粒处理，经过80-100°C真空干燥2-4小时后即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料产
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ΡΠ O与现有技术相比，本发明的有益效果在于，该功能材料具有湿容量高、调湿能力强的特点，并且能够吸收so2、NO2等有害气体，从而具有净化空气、调节湿度的双重功能。具体实验数据如下(1)湿容量高将适量的该功能材料放入到湿度为93% RH的密闭空间中进行吸湿实验；之后再取出放入到20% RH的空间中进行放湿实验，并利用精度为0. Img的FA1004N 型电子分析天平称量吸放湿前后材料的质量变化，进而计算材料的吸放湿率。实验结果表明，该功能的吸放湿率可达420 860mg/g和360 790mg/g。(2)调湿能力强将密闭环境的湿度稳定在97% RH，之后切断湿度来源，将研制的功能材料放入其中，用数显湿度计测定密闭环境的湿度随时间变化的规律；待环境湿度不变后，取出试样，放入到环境湿度为25% RH的另一密闭空间，用数显湿度计测定密闭环境湿度的变化规律。实验结果表明，在Im3的密闭空间中，约80g的该功能材料可使环境空间的湿度稳定在50% RH，且湿度的调节时间仅需40-50min，如附图1。
(3)吸收有害气体的能力强将研制的功能材料放入到含4% (体积百分数)
或NO2有害气体的密闭空间中进行吸附实验，并用滴定法测定材料对SO2或NO2的吸附量。 实验结果表明，随制备工艺的不同功能材料对或NO2的吸附量分别为230 460mg/g和 320 570mg/g。
图1本发明功能材料的主动吸放湿效果曲线。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明不限于这些具体的实施例。所用的硅藻土由吉林长白硅藻土有限公司生产、粒度为200目；活性炭粉采用巩义市锦豪供水材料有限公司生产的木质活性炭粉；其它化学试剂均为分析纯；溶液的搅拌是利用电动搅拌器实现的。实施例1(1)将购置的硅藻土原料在600°C下焙烧60min ；之后按固液质量比1 3的比例放入到质量百分数为70%H2S04水溶液中，在100°C下浸泡3小时。接着，按固液比为1 4 的比例将上述硅藻土加入到质量百分数为4%的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液中， 并在60°C下搅拌池；冷却、洗涤、80°C真空干燥60min及研磨粉碎后即可得到有机改性硅藻土。(2)配制质量分数为25 %的NaOH水溶液，在冰水浴条件下将计量NaOH溶液缓慢滴入丙烯酸中，获得中和度为70%的丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液；然后将丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量60%的有机改性硅藻土加入到单体溶液中进行搅拌混合，并进行超声波震荡分散40min，使溶液乳化。(3)在装有搅拌装置的三口瓶中，按水油比1 5的比例加入环己烷及丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量5%的分散剂Span 60，通入氮气20min以除去氧气，并搅拌升温至 40°C溶解。将超声震荡乳化后的单体和硅藻土溶液用玻璃棒缓慢导入三口瓶中，并加入丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量的过硫酸钾作为引发剂和丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量的交联剂N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺，搅拌30min后，缓慢升温至70°C、直至聚合反应完毕得到凝胶。将制得的凝胶样品取出、100°C真空干燥2小时，之后研磨、过筛(50目)即可获得硅藻土/聚(丙烯酸-丙烯酸钠)复合调湿组分。(4)将步骤( 制备的复合调湿组分材料与水进行混合，并超声分散，使之均勻溶解其中复合调湿组分材料与水的质量比为1 50，并超声分散60min使之均勻溶解；然后向溶解后的溶液中加入100目的木质活性炭粉，其与复合调湿组分材料的质量比为1 1。 充分搅拌混合均勻后，在模具中压制成2 4mm厚的薄片，经过100°C真空干燥2小时后即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料产品。实施例2(1)将购置的硅藻土原料在700°C下焙烧30min ；之后按固液质量比1 2的比例放入到质量百分数为60%H2S04水溶液中，在80°C下浸泡4小时。接着，按固液比为1 5 的比例将上述硅藻土加入到质量百分数为10%的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液中，并在40 V下搅拌池；冷却、洗涤、100 °C真空干燥90min及研磨粉碎后即可得到有机改性
硅藻土。(2)配制质量分数为25 %的KOH水溶液，在冰水浴条件下将计量NaOH溶液缓慢滴入丙烯酸中，获得中和度为50%的丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液；然后将丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量70%的有机改性硅藻土加入到单体溶液中进行搅拌混合，并进行超声波震荡分散40min，使溶液乳化。(3)在装有搅拌装置的三口瓶中，按水油比1 5的比例加入环己烷及丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量30%的分散剂Span 80，通入氮气20min以除去氧气，并搅拌升温至 40°C溶解。将超声震荡乳化后的单体和硅藻土溶液用玻璃棒缓慢导入三口瓶中，并加入丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量3%的过硫酸钾作为引发剂和丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量5%的交联剂N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺，搅拌30min后，缓慢升温至70°C、直至聚合反应完毕得到凝胶。将制得的凝胶样品取出、100°C真空干燥2小时，之后研磨、过筛(50目)即可获得硅藻土/聚(丙烯酸-丙烯酸钠)复合调湿组分。(4)将步骤( 制备的复合调湿组分材料与水进行混合，并超声分散，使之均勻溶解其中复合调湿组分材料与水的质量比为1 30，并超声分散30min使之均勻溶解；然后向溶解后的溶液中加入200目的木质活性炭粉，其与复合调湿组分材料的质量比为1 10。 充分搅拌混合均勻后，在模具中压制成2 4mm厚的薄片，经过100°C真空干燥2小时后即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料产品。实施例3(1)将购置的硅藻土原料在550°C下焙烧120min ；之后按固液质量比1 1的比例放入到质量百分数为90%H2S04水溶液中，在100°C下浸泡2小时。接着，按固液比为1 2 的比例将上述硅藻土加入到质量百分数为的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液中， 并在80°C下搅拌4h ；冷却、洗涤、100°C真空干燥SOmin及研磨粉碎后即可得到有机改性硅藻土。(2)配制质量分数为25 %的KOH水溶液，在冰水浴条件下将计量NaOH溶液缓慢滴入丙烯酸中，获得中和度为80%的丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液；然后将丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量10%的有机改性硅藻土加入到单体溶液中进行搅拌混合，并进行超声波震荡分散40min，使溶液乳化。(3)在装有搅拌装置的三口瓶中，按水油比1 5的比例加入环己烷及丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量1 %的分散剂Span 60，通入氮气20min以除去氧气，并搅拌升温至 40°C溶解。将超声震荡乳化后的单体和硅藻土溶液用玻璃棒缓慢导入三口瓶中，并加入丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量5%的过硫酸钾作为引发剂和丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量3%的交联剂N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺，搅拌30min后，缓慢升温至70°C、直至聚合反应完毕得到凝胶。将制得的凝胶样品取出、100°C真空干燥2小时，之后研磨、过筛(50目)即可获得硅藻土/聚(丙烯酸-丙烯酸钠)复合调湿组分。(4)将步骤( 制备的复合调湿组分材料与水进行混合，并超声分散，使之均勻溶解其中复合调湿组分材料与水的质量比为1 100，并超声分散SOmin使之均勻溶解；然后向溶解后的溶液中加入100目的木质活性炭粉，其与复合调湿组分材料的质量比为2 1。 充分搅拌混合均勻后，在模具中压制成2 4mm厚的薄片，经过90°C真空干燥3小时后即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料产品。实施例4(1)将购置的硅藻土原料在650°C下焙烧SOmin ；之后按固液质量比1 5的比例放入到质量百分数为60%H2S04水溶液中，在80°C下浸泡4小时。接着，按固液比为1 1 的比例将上述硅藻土加入到质量百分数为5%的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液中， 并在70°C下搅拌池；冷却、洗涤、80°C真空干燥70min及研磨粉碎后即可得到有机改性硅藻土。(2)配制质量分数为25 %的NaOH水溶液，在冰水浴条件下将计量NaOH溶液缓慢滴入丙烯酸中，获得中和度为100%的丙烯酸钠单体溶液；然后将丙烯酸钠单体溶液质量 40 %的有机改性硅藻土加入到单体溶液中进行搅拌混合，并进行超声波震荡分散40min，使溶液乳化。(3)在装有搅拌装置的三口瓶中，按水油比1 5的比例加入环己烷及丙烯酸钠单体溶液质量50%的分散剂Span 80，通入氮气20min以除去氧气，并搅拌升温至40°C溶解。将超声震荡乳化后的单体和硅藻土溶液用玻璃棒缓慢导入三口瓶中，并加入丙烯酸钠单体溶液质量的过硫酸钾作为引发剂和丙烯酸钠单体溶液质量的交联剂N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺，搅拌30min后，缓慢升温至70°C、直至聚合反应完毕得到凝胶。将制得的凝胶样品取出、100°C真空干燥2小时，之后研磨、过筛(50目)即可获得硅藻土 /聚(丙烯酸钠)复合调湿组分。(4)将步骤( 制备的复合调湿组分材料与水进行混合，并超声分散，使之均勻溶解其中复合调湿组分材料与水的质量比为1 60，并超声分散60min使之均勻溶解；然后向溶解后的溶液中加入150目的木质活性炭粉，其与复合调湿组分材料的质量比为1 8。 充分搅拌混合均勻后，在模具中压制成2 4mm厚的薄片，经过100°C真空干燥4小时后即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料产品。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种用于净化空气和调节湿度的功能材料，其特征在于，采用硅藻土和聚丙烯酸、聚丙烯酸钠的复合凝胶为调湿组分，与活性炭进行机械结合。
2.根据权利要求1所述的一种用于净化空气和调节湿度的功能材料，其特征在于，按照下述方法进行制备(1)对硅藻土进行有机改性，以增强其与有机聚合物之间的结合性；(2)配置反应单体溶液，即配置一定浓度的碱性溶液，然后缓慢滴入丙烯酸中，通过改变碱性溶液的加入量以获得不同中和度的丙烯酸-丙烯酸钠溶液；(3)通过反相悬浮聚合方法制备硅藻土/聚(丙烯酸-丙烯酰胺)复合调湿材料；(4)将步骤C3)制备的复合调湿组分材料与活性炭粉进行混合后压制成型或造粒处理，即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料。
3.一种制备用于净化空气和调节湿度的功能材料的方法，其特征在于，按照下述步骤进行(1)对硅藻土进行有机改性，以增强其与有机聚合物之间的结合性；(2)配置反应单体溶液，即配置一定浓度的碱性溶液，然后缓慢滴入丙烯酸中，通过改变碱性溶液的加入量以获得不同中和度的丙烯酸-丙烯酸钠溶液；(3)通过反相悬浮聚合方法制备硅藻土/聚(丙烯酸-丙烯酰胺)复合调湿材料；(4)将步骤C3)制备的复合调湿组分材料与活性炭粉进行混合后压制成型或造粒处理，即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料。
4.根据权利要求3所述的一种制备用于净化空气和调节湿度的功能材料的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，先将硅藻土原料进行焙烧以去除水份，然后利用酸液对硅藻土原料进行清洗，以去除杂质，接着利用十六烷基三甲基溴化铵对硅藻土进行有机改性。
5.根据权利要求3所述的一种制备用于净化空气和调节湿度的功能材料的方法，其特征在于，所述步骤O)中，所述一定浓度的碱性溶液可以选择质量分数为25%的NaOH水溶液或者KOH水溶液；所述丙烯酸-丙烯酸钠溶液的中和度为50% 100%。
6.根据权利要求3所述的一种制备用于净化空气和调节湿度的功能材料的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，将有机改性硅藻土加入到步骤O)中配置的丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液中进行搅拌混合，并进行超声波震荡分散，使溶液乳化，作为水相，其中有机改性硅藻土的加入量为丙烯酸-丙烯酸钠单体溶液质量的10% 70%;按水油体积比1 5的比例在反应容器中加入油相及分散剂，并通入惰性气体以除去氧；将水相加入到反应容器中，并加入引发剂和交联剂，升温至引发温度引发聚合直至反应完毕即得到硅藻土 /聚(丙烯酸-丙烯酸钠)复合调湿组分。
7.根据权利要求3所述的一种制备用于净化空气和调节湿度的功能材料的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述引发剂选择水溶性过硫酸盐，例如过硫酸钾、过硫酸铵，其加入量为步骤( 配置的丙烯酸-丙烯酸钠溶液质量的_5%，优选-3%。
8.根据权利要求3所述的一种制备用于净化空气和调节湿度的功能材料的方法，其特征在于，在所述步骤C3)中，所述交联剂选择N，N’_亚甲基双丙烯酰胺，其加入量为步骤(2) 配置的丙烯酸-丙烯酸钠溶液质量的_5%，优选-3%。
9.根据权利要求3所述的一种制备用于净化空气和调节湿度的功能材料的方法，其特征在于，在所述步骤中，将步骤C3)制备的复合调湿组分材料与水进行混合，并超声分散，使之均勻溶解其中复合调湿组分材料与水的质量比为1 30-1 100，超声分散 30-80min以加速均勻溶解；然后向溶解后的溶液中加入活性炭粉，其与复合调湿组分材料的质量比为1 10-2 1，经充分搅拌混合均勻后，按一定的形状在模具中压制成型或造粒处理，经过80-100°C真空干燥2-4小时后即可得到用于净化空气和调节湿度的功能材料产PΡΠ O
10.根据权利要求3所述的一种制备用于净化空气和调节湿度的功能材料的方法，其特征在于，在所述步骤中，活性炭粉可选用100-200目的木质活性炭粉。
全文摘要
本发明公开了一种用于净化空气和调节湿度的功能材料及其制备方法，首先制备出具有高调湿能力的硅藻土/聚丙烯酸(钠)复合调湿材料，然后再与活性碳进行复合，从而制备出兼有净化与调湿功能的环保材料产品。本发明选用价格低廉、本身孔隙度大、具有良好的吸附性和化学稳定性、无毒无害的硅藻土作为原材料，通过反相悬浮聚合方法与丙烯酸(钠)进行聚合制备纳米调湿复合材料组分；然后与活性炭进行机械结合，进而经压制成型或造粒、烘干处理后得到能净化空气和调节湿度的新型环保产品。本发明将具有调湿功能的无机矿物/有机高分子复合材料与活性炭材料进行有效复合，从而使材料兼有净化空气和调节湿度的双重功能。
文档编号C08F2/44GK102516695SQ20111041019
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月8日 优先权日2011年12月8日
发明者任曙凭, 王吉会, 董飞 申请人:天津大学