减湿元件及其制备方法

专利名称：减湿元件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种减湿元件及其制备方法。
背景技术：
湿气交换元件通过基料与硅酸盐气凝胶如氧化铝-硅酸盐或硅酸钛/硅铝酸钛之间的反应来减湿气体。
根据美国专利5,505,769，这些元件可以包含在由无机纤维构成的板中，或者可以包含在由板形成的装置中。
然而，湿气交换元件的再生需要升高的再生温度(大约90～150℃)。元件的吸附能力有限，并具有高的压力损失，而且对待减湿的供给空气的含湿量有限制。另外，湿气交换元件的吸附能力随时间的推移而降低，即，元件极大地受老化的影响。
另外，当元件减湿时，形成了核和生物膜，从而关闭湿气交换元件的孔。
根据C.F.Müller Publishing Company于1997年出版的G.Heinrich发表的题为“基于吸附作用的空气调节”的文章，通过将氯化锂包含在波面纸板中来制备减湿元件，其中利用了氯化锂的吸湿特性来减湿。
然而，与减湿元件接触的空气流引起氯化锂挥发，结果当使用减湿元件时，其减湿特性恶化。
此外，湿气交换元件具有有限的空气容许湿度。
即，由于元件的吸附能力有限，氯化锂在热带气候或亚热带气候中溶解，因此该元件不能使用。基料通过蒸汽排出，由于容量有限，纤维素不能充分吸水，因此减湿元件变潮。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种减湿元件及其制备方法，其中该减湿元件保持了与老化无关的吸湿特性和高吸湿率，同时需要少量能量用以再生。为了实现这些及其它目的以及优点并与本发明的目的保持一致，如本文所具体表达和广泛描述的，提供了一种减湿元件，其包含高吸水性聚合物(SAP)和吸湿基料。
还提供了一种制备减湿元件的方法，该方法包括选择盐溶液；干燥高吸水性聚合物(SAP)；使干燥的SAP与盐溶液接触；以及干燥由SAP与盐溶液接触产生的水凝胶。
还提供了一种制备减湿元件的方法，该方法包括将SAP与载体结合；干燥该结合有SAP的载体；选择盐溶液；使结合有SAP的载体与选择的盐溶液接触；以及干燥结合有SAP的载体。
附图简述

图1是显示多孔载体的纵向剖视图，该多孔载体包含具有高吸水性聚合物(SAP)的纤维和颗粒，其中颗粒施加于该载体的上部。
图2是多孔载体的纵向剖视图，该多孔载体具有梯形波形并由结构化板形成。
图3是图2多孔载体的透视图；以及图4A、4B和4C是表示方法的示意图，通过这些方法产生其中将多个多孔载体结构化和/或排列平板的三维通道。
优选实施方案的实施方式现参照附图描述本发明。
本发明的减湿元件包含高吸水性聚合物(SAP)，使得可吸收重量为减湿元件若干倍的水。当气体的相对湿度大于40％时，吸湿特性可与硅酸盐减湿元件相当。
此外，吸湿基料如氯化锂与SAP一起用于减湿元件上。已经发现吸湿基料如氯化锂与SAP具有优异的结合力(假定通过Li+代替Na+而结合)。
即，通过与SAP结合，防止了吸湿基料由空气流引起的挥发。同时，通过吸湿基料改进了减湿元件的吸湿特性。
此外，在SAP是交联的情况下，SAP具有改进的吸收基料的能力。
在与吸湿基料结合的情况下，例如在SAP与氯化锂结合的情况下，当制备时吸湿基料在所用溶液中的浓度影响吸湿效果的强度。
即，若使用过高浓度的溶液来使SAP与吸湿基料接触，则盐溶液根本不被SAP吸收或者不被完全吸收。这是因为吸湿基料的吸湿效果的强度不是受基料量的影响，而是受基料在溶液中的浓度的影响。
根据实验，减湿元件从气体中吸收湿气，并且与现有技术相比使用较少能量用以再生。
在本发明中，优选的SAP包括其中丙烯酸和丙烯酰胺弱交联的聚合物和共聚物，以及淀粉、交联淀粉和纤维素衍生物的propfpolymer。
包含SAP的减湿元件可制备成预定的形状，可以包含在由允许气体通过的材料制成的容器中，或者可以包含在多孔载体中或附着在多孔载体的外表面上。即，减湿元件可以有各种构造。
包含SAP的减湿元件可以以颗粒形成，并且以颗粒形成的减湿元件包含在空气穿过的容器中或者固定在具有预定形状的载体上。
在减湿元件以颗粒形成的情况下，颗粒的粒径为0μm～10,000μm；更优选粒径为1μm～5,000μm，以及最优选粒径为20μm～1,000μm。
SAP的基料是基于如下单体的水溶胀聚合物和/或共聚物(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯腈、(甲基)丙烯酰胺、醋酸乙烯酯、乙烯基吡咯烷酮、乙烯基吡啶、马来酸(酸酐)、衣康酸(酸酐)、富马酸以及乙烯基磺酸、碱、酰胺、N-烷基衍生物、N，N-二烷基衍生物以及可以聚合的五酸酯，或天然成分如由橡胶制得的产物，即羧甲基纤维素、黄原藻酸盐、阿拉伯树胶、羟乙基纤维素、甲基纤维素、淀粉和淀粉衍生物，以及由所述组分组合或部分交联的产物。
当将包含SAP的减湿元件实现为纤维时，它可以用于许多领域中。尤其若多孔载体包含含有SAP的减湿元件时，可以将减湿元件实现为织物、网状织物、针织物、编织物或无纺织布。也可将多孔载体的上述实施方案组合。
在载体中或者在载体的表面上提供包含SAP的减湿元件的方法包括在多孔载体上涂覆减湿元件的方法或者在多孔载体中插入减湿元件的方法。
优选的是，通过将多孔载体实现为由天然纤维和人造纤维形成的纤维复合材料，可改进天然纤维的湿气携带性能和由人造纤维形成的多孔载体的机械性能。
多孔载体可以由单层或多层形成，或者可以是平坦的或结构化的。此处，若多孔载体由一个或多个板形成，则它可以形成减湿体，空气沿该减湿体周边流过或者穿过该减湿体。更优选的是，板通过在水平截面上以梯形或三角形形成板的波形而结构化。于是，多个光滑板的排列方式应使得产生空间三维通道。待从中除去湿气的空气被引导穿过这些通道。
然后，可通过选择盐溶液来实现以三维形状制备的元件的吸湿特性。不考虑实现形式，即SAP是呈颗粒形式还是SAP包含在载体内，通过首先干燥SAP，SAP可以吸收更多的盐溶液。据此，可使SAP与吸湿基料接触。通过使盐溶液与SAP接触，为SAP提供吸湿基料。将由载体组成的元件干燥，从而将其转变成吸收湿气的状态，其中所述载体包含由颗粒与盐溶液接触产生的水凝胶或SAP。
若将SAP实现为疏松颗粒，则在使颗粒与盐溶液接触之前对颗粒进行分级。据此，可实现元件的均匀性。同样，若在最后干燥后，SAP发生凝结，则将颗粒压碎，从而最后无论如何进行重新分级。
若使包含SAP的载体与盐溶液接触，缓慢干燥，并且平稳升高干燥温度，则可以实现平稳再生，并因此盐溶液被SAP极好地吸收。已经注意到，当在最高再生温度下干燥载体时，盐溶液不被完全吸收。
选择用于制备减湿元件的盐溶液，尤其使其包含5-15wt％浓度的吸湿基料。在这种情况下，可以最佳状态获得用吸湿基料改性的SAP的强度，在该范围内离子浓度太高并且高吸水作用的限制变量太高。即，通过使用5-15wt％浓度的基料，或者优选10wt％浓度的基料，可使最大量的吸湿基料与SAP接触。其原因是在过高浓度的情况下，SAP不能完全吸收盐溶液；当因离子浓度过高而基料浓度较低时，基料离子不被完全吸收；以及超出了SAP对液体的吸收能力。
若使呈颗粒形式的包含SAP的载体与盐溶液接触，因盐溶液的吸附能力太强，颗粒发生凝结。因此，优选使载体在根据制备载体的步骤的若干阶段中与盐溶液接触。此时，在每个阶段使载体接触部分盐溶液，并且该接触通过毛毛细雨般喷洒、喷淋、喷雾等来进行。
优选实施方案图1是本发明减湿元件的纵向剖视图。
如图1所示，本发明的减湿元件由多孔载体2组成，其中SAP粘附在该载体2的表面或者内部。SAP作为颗粒1形成在多孔载体内部或者在其表面上。
颗粒1包含SAP，使SAP与吸湿基料(未示出)接触。此时，载体2由纤维组成，该纤维又由天然或复合聚合物和长丝构成。此外，载体2包含其中含有SAP的纤维3，其中纤维3插入多孔载体2中。纤维3与呈类似于颗粒1的精细分布形式的吸湿基料接触，并且可以施用于多孔载体2的表面上。
颗粒1的粒径对所有颗粒大致相同，为20μm～1,000μm。不那么优选但总也合适的是，粒径为1μm～5,000μm，其中主要考虑粒径为20μm～1,000μm的颗粒。形成颗粒的SAP包含其中丙烯酸和丙烯酰胺弱交联的聚合物和共聚物，以及相当于淀粉的propfpolymer并交联的淀粉和纤维素衍生物。
另外，呈精细分布形状的具有吸湿基料的颗粒1可以单独形成载体而不需要额外的载体，并且具有减湿功能。此外，颗粒1可以通过涂覆施用于多孔载体2的表面上，和包含在多孔载体2中。此外，在多孔载体2是纤维复合材料的情况下，SAP可作为纤维的一部分整合到载体2中。
纤维复合材料是基质，包括天然纤维或一种或多种相当于增强纤维的人造纤维材料。人造纤维材料改进多孔载体2或纤维复合材料的机械性能，而天然纤维携带湿气比较好。
此外，天然纤维储存湿气，即水蒸汽、水或水溶液。由纤维或者长丝构成的多孔载体包括织物、网状织物、针织物、编织物及其组合和无纺织布等。
通过使吸湿基料的水溶液浸渍到SAP颗粒或SAP纤维中、毛毛细雨般喷洒、喷淋或者通过其它方法，使SAP与吸湿基料接触。在此处，SAP通过它本身具有的吸收特性来吸收盐溶液。
作为改性方法，SAP的改性，换言之，使SAP与盐溶液接触，可以在将SAP颗粒或SAP纤维包含在载体中或者在载体表面上之前对SAP进行改性，或者可以在SAP颗粒或SAP纤维已经包含在载体中或者在载体表面上之后对SAP进行改性。
若在若干制备步骤中对多孔载体进行改性、结构化或排列，则在考虑到最优选改性时间点的情况下，SAP和盐溶液的改性可以在任意制备步骤中进行。
为了改性SAP颗粒或SAP纤维，首先必须选择盐溶液。盐溶液包括强吸湿性基料如氯化锂、氯化镁、氯化钙或溴化锂，并包含水作为溶剂。
将盐溶液完全脱盐、去离子并蒸馏，其中基料浓度是5～15wt％，最大浓度是15wt％。
若在由纤维复合材料或织物束形成的多孔材料的外部改性SAP颗粒1，则需要在非常宽的尺寸分布的基础上将颗粒分级，以具有均匀尺寸分布和相同的颗粒特性。在这种情况下，优选使用筛分级器。
为了将SAP的残留湿气保持得较小并随后使其与盐溶液接触，将颗粒或纤维干燥以吸收SAP颗粒或者SAP纤维。在这种情况下，使用真空干燥器。在干燥的时候，真空干燥器对颗粒施以非常微弱的热载荷，因此要考虑到SAP最长使用寿命的温度安全性。
然后，用盐溶液改性干燥的SAP颗粒，而且可通过各种方法进行。例如，可以将颗粒加入盐溶液中或者可以将溶液加入颗粒中。
改性之后，将由SAP颗粒产生的水凝胶干燥，并且同时再生颗粒。可通过将水凝胶以最大厚度为1cm的平层施用到板上而干燥水凝胶。据此，可以防止干燥时结块。然而，由于总是随后出现凝固，因此必须进行适当压碎。为此，适宜采用冲击式压碎机或破碎机。
为了保持由凝胶产生的SAP颗粒，要重新分级，压碎并改性，得到具有均匀尺寸的吸湿基料。
若在用盐溶液开始改性之前，SAP颗粒或SAP纤维位于载体中或者载体上，则通过考虑SAP和载体的热载荷传递能力来干燥整个载体，以便将含水量降至最低。通过类似于上述方法的方法选择盐溶液。
当使包含SAP1和3的多孔载体2与盐溶液接触时，应当考虑是否在多个阶段中进行改性。原因是颗粒1可能在多孔载体2中或在多孔载体2上凝固，就像过强吸收盐溶液时颗粒的改性那样。当溶液与包含SAP的载体在多个阶段中接触时，可以进行诸如毛毛细雨般喷洒、喷淋或者喷雾的程序。这些程序非常重要，因为由于载体材料的存在甚至通过压碎也不能消除凝固。
最终，将包含SAP的载体2缓慢干燥，即在一天或者两天内干燥，并且同时在干燥期间逐渐升高干燥温度，直至升高到几乎最高再生温度为止。
这种通过缓慢升高温度对包含SAP的载体2进行的干燥保持了改性SAP的结构。即，SAP不分解。干燥方法包括冷冻干燥、微波干燥、常规干燥或其组合。
若通过形成减湿体的方法对多孔载体进行结构化和/或排列，则可以对插入多孔载体中或者施用在其上面的SAP颗粒或SAP纤维进行适当改性。如图2和3所示，结构化多孔载体包括作为结构化板的梯形波形，并且同时具有波纹簧片形状的板具有间隔长度(a)为2.5-7mm且波纹高度(b)为1-5mm的波纹。
该成形通过在于180℃下的加热反应中利用脉动或冲压的压纹法而实现。
图4A、4B和4C是显示各自实施方案的示意图，其中根据图1和2的多个板通过产生三维通道的方法进行排列。
这些通道允许待除去湿气的气体例如空气穿过或在周边流动。
在图4A中，通过将平板和成型板相组合产生一种结构体。将该结构体简单地盘绕成减湿体或层压，从而将其适当地排列成类似通常的湿气交换体。
图4B显示两个具有梯形结构的板。这些板形成蜂窝状结构，并且形成类似于图4A的三维通道。待从中除去湿气的空气可流过这些通道。
图4C举例说明了根据图4B排列的多层体，可由这些多层体形成具有三维通道的减湿体。
不考虑改性时间这一点，即不考虑SAP颗粒或SAP纤维是否与吸湿基料接触，SAP颗粒或SAP纤维是否与位于多孔载体中或者位于其上面的吸湿基料接触(图1)，或者在多孔载体经过若干转化步骤之后是否开始改性(图3、4B和4C)，与SAP表面相邻的氯化锂不仅允许加入水，而且允许将水引导到超吸收剂内部。
此时，优选的是，一方面当将水引导到超吸收剂中时，基料自动再生；另一方面，湿气迁移到超吸收剂中，因此就不再保持在表面上。
工业实用性如上面所述，根据减湿元件及其制备方法，保持了与老化无关的吸湿特性和高吸湿率，并且需要少量能量用以再生。
权利要求
1.一种减湿元件，包含高吸水性聚合物(SAP)和吸湿基料。
2.权利要求1的减湿元件，其中SAP是交联的。
3.权利要求1的减湿元件，其中SAP呈颗粒形式，并且与吸湿基料接触。
4.权利要求3的减湿元件，其中颗粒的粒径最大为1,000μm。
5.权利要求1的减湿元件，其中SAP以纤维或长丝形成。
6.权利要求1的减湿元件，其中SAP包括其中丙烯酸或丙烯酰胺是交联的聚合物和/或共聚物，以及淀粉、交联淀粉衍生物和/或纤维素衍生物的propfpolymer。
7.权利要求1的减湿元件，其中减湿元件包含在气体可以通过的容器中。
8.权利要求1的减湿元件，其中减湿元件涂覆在载体的表面上。
9.权利要求1或8的减湿元件，其中载体允许气体穿过。
10.权利要求9的减湿元件，其中减湿元件进一步包含在载体中。
11.权利要求9的减湿元件，其中减湿元件呈颗粒形式或纤维形式。
12.权利要求9的减湿元件，其中载体是减湿元件本身。
13.权利要求9的减湿元件，其中多孔载体由织物、网状织物、针织物、编织物、无纺织布或其组合形成。
14.权利要求9的减湿元件，其中载体是纤维、长丝或者纤维与长丝的组合。
15.权利要求9的减湿元件，其中纤维或者长丝是天然聚合物或复合聚合物，或者是天然聚合物与复合聚合物的组合。
16.权利要求9的减湿元件，其中载体是由用于带走湿气的天然纤维和用于改进机械性能的人造纤维组成的纤维复合材料。
17.权利要求9的减湿元件，其中载体是由单层或者多层形成的板。
18.权利要求9的减湿元件，其中板具有梯形、正弦波形或三角形波形。
19.一种制备减湿元件的方法，包括选择盐溶液；干燥高吸水性聚合物(SAP)；使干燥的SAP与盐溶液接触；以及干燥由SAP与盐溶液接触产生的水凝胶。
20.权利要求19的方法，其中盐溶液与SAP在形成水凝胶的状态下接触。
21.权利要求19的方法，其中在干燥SAP步骤后，将SAP与载体结合。
22.权利要求19的方法，其中SAP呈颗粒形式。
23.权利要求22的方法，其中在与盐溶液接触之前，对颗粒进行分级。
24.权利要求22的方法，其中若颗粒在干燥后凝固，则将其压碎并进行分级。
25.一种制备减湿元件的方法，包括将SAP与载体结合；干燥结合有SAP的载体；选择盐溶液；使结合有SAP的载体与选择的盐溶液接触；以及干燥结合有SAP的载体。
26.权利要求25的方法，其中盐溶液包含5～15wt％浓度的吸湿基料。
27.权利要求25的方法，其中盐溶液包含10wt％浓度的吸湿基料。
28.权利要求25的方法，其中水用作盐溶液的溶剂。
29.权利要求25的方法，其中通过将盐溶液浸渍到载体中或者通过喷雾而使SAP与盐溶液彼此接触。
30.权利要求25的方法，其中以多个制备步骤制备载体，并且在多于两个制备工艺步骤中使载体与盐溶液接触。
全文摘要
公开了一种减湿元件，其包含高吸水性聚合物(SAP)和吸湿盐，由此保持了与老化无关的吸湿特性和高吸湿率，并且需要少量能量用以再生。
文档编号B01D53/28GK1620335SQ02828323
公开日2005年5月25日 申请日期2002年12月27日 优先权日2001年12月27日
发明者S·福斯特, G·福尔克, 李大宁 申请人:韩国科学技术研究院