竹絲裝飾材的濕緩沖特性研究?

李 暉 劉 嶸 陳美玲 呂黃飛 費(fèi)本華

竹材是一種多孔隙的纖維及樹脂自然膠結(jié)物，主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，其分子鏈上的游離羥基使竹材具有很多能與水結(jié)合的親和點(diǎn)，在大氣中容易吸水和蒸發(fā)水分，具有良好的環(huán)境調(diào)濕性[1]。雖然以竹材為基材的裝飾材料都具備吸濕解吸的功能，但由于加工工藝的不同，調(diào)濕效果大不相同。與薄竹貼面材料、竹家具材、竹地板材等膠合類產(chǎn)品比較，竹絲裝飾材料的調(diào)濕功能更勝一籌，主要原因在于上述產(chǎn)品是經(jīng)過熱壓膠合而成，在熱壓過程中竹材單元受到壓力，原有的垂直纖維長(zhǎng)度方向的微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞。此外，在板坯壓實(shí)過程中，膠黏劑加速流動(dòng)，較均勻地?cái)U(kuò)散滲透到板材的縫隙中去[2]，堵塞了竹材的水分疏導(dǎo)組織，從而限制產(chǎn)品與室內(nèi)環(huán)境中水分的交換。而竹絲裝飾材制造過程避免了膠黏劑等樹脂、有機(jī)物的加入，可保持竹材原生特性具有良好的吸濕解吸能力，這種“被動(dòng)調(diào)節(jié)能力”可提高室內(nèi)環(huán)境舒適度和安全性。

竹、木裝飾材料的環(huán)境學(xué)特性研究，多集中在視覺、觸覺以及心理感知上[3-5]，雖然有學(xué)者對(duì)吸濕性能（調(diào)濕性能）進(jìn)行研究[6-8]，但其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)通常是材料吸放濕的快慢、吸放濕量的大小[9-12]，這些在平衡狀態(tài)下的吸濕、解吸所測(cè)得的物理量在工程中的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)不能滿足能耗計(jì)算或者節(jié)能設(shè)計(jì)的要求。因此，需要在周期性變化的動(dòng)態(tài)過程中了解材料的吸放濕能力，即濕緩沖特性。

筆者以未處理和經(jīng)過阻燃處理、防霉阻燃處理的三種竹絲裝飾材為研究對(duì)象，通過NORDTEST實(shí)驗(yàn)對(duì)其濕緩沖值進(jìn)行測(cè)定，并結(jié)合長(zhǎng)江中上游地區(qū)夏季濕度變化規(guī)律對(duì)測(cè)試區(qū)間進(jìn)行調(diào)整，確定竹絲裝飾材料在高濕環(huán)境下的濕緩沖值，探討了該類材料在室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)中的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。研究結(jié)果將填補(bǔ)竹絲裝飾材濕緩沖性能的空白，測(cè)試結(jié)果可直接應(yīng)用于室內(nèi)節(jié)能設(shè)計(jì)和評(píng)估，以量化的方式證明了竹絲裝飾材所具備的調(diào)濕性能，對(duì)竹絲類系列產(chǎn)品的推廣應(yīng)用具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

竹絲裝飾材：原料為采自浙江安吉的6年生毛竹[phyllostachys edulis (carr.)J.Houz]。去竹青去竹黃后加工成寬度為5 mm的竹絲，再橫向編織制成竹絲裝飾材料，其中將近青面的竹絲裝飾材標(biāo)記為OB，近黃面的則標(biāo)記為IB。

阻燃處理竹絲裝飾材：采用滿細(xì)胞法對(duì)以上材料進(jìn)行磷酸脒基脲阻燃劑的加壓浸注，在抽真空加入阻燃劑后在負(fù)壓0.04 MPa條件下浸漬24 h，卸載完成后持續(xù)加壓，在壓力為0.5～1.2 MPa下浸漬處理60 h。

表面防霉處理竹絲裝飾材：對(duì)阻燃改性竹絲裝飾材表面進(jìn)行有機(jī)碘化物（IPBC）硅丙乳液涂飾，涂飾量為100～150 g/m2。

磷酸脒基脲阻燃劑：液體試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，由北京盛大華源科技有限公司提供。

1.2 主要儀器設(shè)備

恒溫恒濕箱（上海一恒LHS-HC-I型），電子天平，飽和鹽溶液干燥器，F(xiàn)EI環(huán)境掃描電鏡（美國(guó)FEGXL30），X-射線衍射儀（美國(guó)X’Pertpro 30X）

1.3 試驗(yàn)方法

研究采用NORDTEST法測(cè)定濕緩沖值[13-14]。將未處理竹絲裝飾材料（C）以及阻燃處理（NP）、防霉涂飾后的改性材（NP4）分為3組（見表1），每組 10個(gè)試件。為考察竹絲裝飾材在我國(guó)長(zhǎng)江中上游地區(qū)高濕環(huán)境下的濕緩沖特性，對(duì)武漢地區(qū)的3處辦公場(chǎng)所（非中央空調(diào)模式）進(jìn)行了為期3個(gè)月的濕度變化調(diào)研，基本確定7—9月武漢地區(qū)室內(nèi)相對(duì)濕度變化區(qū)間為60%～85%，基于以上區(qū)間，對(duì)NORDTEST法的濕度區(qū)域進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，使之接近真實(shí)狀況。

試件的尺寸均為100 mm×100 mm×2 mm。試驗(yàn)采用干燥器法，以裝有飽和鹽溶液的干燥器為基本設(shè)置，通過氯化鎂(MgCl2)、氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)和溴化鈉(NaBr)飽和溶液調(diào)節(jié)干燥器相對(duì)濕度分別為33%、75%、85%和60%[15]。

竹絲裝飾材試樣需要在相對(duì)濕度為（50±5）%、溫度（23±0.5）℃的條件下進(jìn)行調(diào)制處理，直到連續(xù)72 h內(nèi)試樣的質(zhì)量保持恒定為止，確保試樣在同一含水率水平。試驗(yàn)以24 h為1個(gè)周期，分為吸濕和放濕2個(gè)階段，其中8 h的吸濕階段和16 h的放濕階段組成一個(gè)完整的材料吸放濕周期。該試驗(yàn)進(jìn)行4個(gè)重復(fù)周期得到多個(gè)連續(xù)周期內(nèi)竹絲裝飾材的質(zhì)量變化量-時(shí)間（m-t）曲線。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算公式

1.4.1 濕緩沖值

濕緩沖值（MBV）主要描述材料在相對(duì)濕度變化過程中的動(dòng)態(tài)吸放濕能力，為動(dòng)態(tài)參數(shù)，需要在吸濕-放濕（解吸）循環(huán)過程中測(cè)試。根據(jù)NORDTEST實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的濕緩沖值 [g / ( m2·% RH)]，其計(jì)算公式為：

表1 試驗(yàn)材料列表Tab.1 The list of test materials

式中：Δm——材料在吸濕/放濕區(qū)間內(nèi)的質(zhì)量變化量，g；

S——材料表面積，m2；

ΔRH——相對(duì)濕度變化量，%。

1.4.2 結(jié)晶度測(cè)定

將竹粉樣品放到樣品架上，用θ/2θ聯(lián)動(dòng)掃描。主要掃描參數(shù)如下：X光管為銅靶，用鎳片消除CuKa輻射，管電壓為40 kV，管電流40 mA，掃描速度為0.083 731°/s，樣品掃描范圍5°～80°，根據(jù)衍射圖譜強(qiáng)度，采用Segal法計(jì)算相對(duì)結(jié)晶度（Cr,%）[16]，公式為：

式中：I002——（002）晶格衍射強(qiáng)度在2θ=22°的極大峰值；

Iam——2θ=18°時(shí)的非結(jié)晶背景散射強(qiáng)度。

1.4.3 微觀形貌觀察

在竹絲的中部選取橫切面和縱切面試樣，切片后對(duì)試樣進(jìn)行噴金處理。通過環(huán)境掃描電鏡(ESEM)，對(duì)阻燃處理前后試樣進(jìn)行微觀形貌觀察，分析阻燃劑在竹絲（IB、OB）中的浸注情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕緩沖周期內(nèi)變化規(guī)律及測(cè)定結(jié)果

2.1.1 循環(huán)周期內(nèi)質(zhì)量變化規(guī)律

三種竹絲裝飾材在相對(duì)濕度區(qū)間60%～85%內(nèi)的質(zhì)量-時(shí)間（m-t）變化曲線如圖1。

圖1 高濕環(huán)境下4個(gè)周期內(nèi)材料的質(zhì)量變化曲線Fig.1 Curves of mass change in four periods in high humidity environment

從圖1中可以看出，在4個(gè)穩(wěn)定周期內(nèi)竹絲裝飾材在吸濕-放濕中質(zhì)量隨著時(shí)間變化關(guān)系：未處理竹絲裝飾材（C-OB、C-IB）、阻燃處理竹絲裝飾材（NPOB、NP-IB）和防霉阻燃處理的竹絲裝飾材（NP4-OB、NP4-IB）試驗(yàn)周期內(nèi)的質(zhì)量變化呈周期性循環(huán)，所有組的質(zhì)量吸放濕循環(huán)呈階梯狀上升趨勢(shì)；在8 h的吸濕過程曲線斜率逐漸變小，這說明了吸濕開始時(shí)的速率最大，隨著吸濕時(shí)間的延長(zhǎng)竹絲裝飾材的吸濕速率逐漸減慢，這是由于吸濕開始階段竹絲裝飾材的表面能高于吸濕后，此期間在竹絲裝飾材表面主要發(fā)生單分子吸附，而隨著吸濕時(shí)間的增加，水分子從竹絲中脫附速度也略微增大，水分子的吸附量緩慢減少的情況下，逸出量增加，宏觀上就表現(xiàn)為吸濕速度的減慢[17-18]。在OB組和IB組中各試樣吸濕過程質(zhì)量變化（Δm1）表現(xiàn)為Δm1NP＞Δm1C＞Δm1NP4。磷酸脒基脲的分子結(jié)構(gòu)中脒基上的氮原子是離域體系的一部分,脒基陽離子的電荷分散，并且離子半徑遠(yuǎn)較無機(jī)鉸離子大，因此電荷密度低,對(duì)水分子的靜電引力低，水化作用弱，因此其吸濕性能并不強(qiáng)[19]。但吸濕過程中，竹絲裝飾材和阻燃劑同時(shí)吸收空氣中的水分,因此NP組所表現(xiàn)出來的濕緩沖性能是竹絲與磷酸脒基脲阻燃劑的疊加效果，使得NP組的Δm1略高于C組。雖然竹青部位的竹肉（OB）的空隙率小于竹黃部位的竹肉（IB）[20]，但該研究中表現(xiàn)出Δm1OB＞Δm1IB，這說明衡量吸濕能力不能只靠空隙率這個(gè)單一指標(biāo)，水分子在材料中的流通和滲透速度才是影響吸濕進(jìn)行的重要參數(shù)。OB主要結(jié)構(gòu)為維管束組織，其縱向輸導(dǎo)組織導(dǎo)管以及橫向輸導(dǎo)組織紋孔是水分子吸濕滲透的重要通道，在IB中輸導(dǎo)組織缺乏，薄壁細(xì)胞較多，因此其水分吸收能力略差于OB。在放濕過程中質(zhì)量變化（Δm2）基本保持一致規(guī)律，其中同一周期（24 h）內(nèi)Δm1＞Δm2，吸濕量略高于放濕量。

2.1.2 濕緩沖值測(cè)定結(jié)果

通過質(zhì)量變化和濕度變化值計(jì)算出各組竹絲裝飾材在高濕區(qū)間下的濕緩沖值及其對(duì)應(yīng)的不確定度，如表2所示。

表2 高濕環(huán)境下4個(gè)吸-放濕周期內(nèi)材料的濕緩沖值Tab.2 MBV of materials in four stable periods in high humidity environment

由表2可以看出，采用NORDTEST法評(píng)定各組的濕緩沖性能為：NP組＞C組＞NP4組；MBV吸濕＞MBV放濕，且經(jīng)過不確定度評(píng)定可知濕緩沖值的不確定度較小，試驗(yàn)誤差對(duì)結(jié)果影響較小，可信賴程度高。防霉阻燃處理組在竹絲裝飾材表面進(jìn)行了有機(jī)碘化物硅丙乳液的防霉涂飾，在試樣表面形成一層致密的聚合物薄膜[21-24]，對(duì)水分的滲透及交換起到了一定的限制作用，因此NP4組所表現(xiàn)出來的濕緩沖效果最差，而NP組濕緩沖性略大于C組主要是由阻燃處理引起的。

2.2 竹絲裝飾材料阻燃前后微觀形貌分析

鑒于防霉阻燃處理竹絲裝飾材的濕緩沖性能有限，其水分的吸附和釋放多數(shù)來源于竹絲端部未涂飾的橫斷面，在此對(duì)其表面不做深入探討。利用環(huán)境掃描電鏡（ESEM）對(duì)阻燃前后的竹絲裝飾材細(xì)胞微觀形貌進(jìn)行觀察分析，得到圖2未阻燃竹絲裝飾材和磷酸脒基脲處理竹絲裝飾材的電鏡圖。由于竹絲裝飾材料加工過程中使用過氧化氫進(jìn)行熱漂，因此薄壁細(xì)胞中未見淀粉顆粒，SEM圖片中未阻燃竹絲裝飾材中薄壁細(xì)胞腔中無填充物質(zhì)（圖2a），導(dǎo)管的紋孔邊緣清晰（圖2b）；經(jīng)過阻燃處理后，竹材的薄壁細(xì)胞腔中雖被阻燃劑結(jié)晶顆粒填充（圖2c），但導(dǎo)管壁附有阻燃劑沉積的（圖2d）紋孔仍然顯示為通暢狀態(tài)，這種形貌充分說明了阻燃劑在竹絲裝飾材的細(xì)胞腔中有一定的沉積，但并未對(duì)細(xì)胞內(nèi)部水分的交換與移動(dòng)造成影響。

圖2 環(huán)境掃描電鏡下竹絲裝飾材阻燃前后的微觀形貌Fig.2 Microstructure of decorative bamboo before and after fire retardant treatments in environment scanning electron microscope

2.3 阻燃改性后結(jié)晶度的變化

利用X-射線衍射法對(duì)未阻燃竹絲裝飾材（C）和磷酸脒基脲處理竹絲竹絲裝飾材（NP）進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)，其掃描曲線見圖3所示。根據(jù)X射線的衍射圖計(jì)算出未阻燃與阻燃處理竹絲裝飾材的相對(duì)結(jié)晶度分別 為：CrC-OB為54.9%，CrC-IB為47.7%，CrNP-OB為49.8%，CrNP-IB為39.8%。阻燃處理后，竹絲纖維素的相對(duì)結(jié)晶度有小幅度下降，這說明阻燃劑反復(fù)浸漬，有可能改變了纖維素非結(jié)晶區(qū)的結(jié)構(gòu)，使非結(jié)晶區(qū)無定形，通常情況下，竹絲裝飾材的吸濕性會(huì)隨著纖維素?zé)o定形區(qū)（非結(jié)晶區(qū)）的增加而增加，因此阻燃后的竹絲裝飾材吸濕能力高于未阻燃處理材是由竹絲裝飾材內(nèi)部無定形區(qū)和阻燃劑共同吸濕造成的。

圖3 竹絲裝飾材阻燃處理前后的XRD曲線圖Fig.3 XRD curves of decorative bamboo filament before and after fire retardant treatments

3 竹絲裝飾材料濕緩沖值對(duì)室內(nèi)濕度的影響

墻面是目前房屋結(jié)構(gòu)中面積所占比例最大的組成部分，除去門窗的設(shè)計(jì)實(shí)際墻體和天花板的面積甚至可以達(dá)到房間墻體總面積的50%以上，以竹絲裝飾材料作為內(nèi)墻和天花板的裝飾材料不僅可以達(dá)到美觀立體的裝飾效果，更能夠依靠竹絲裝飾材的濕緩沖特性進(jìn)行室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)，達(dá)到被動(dòng)調(diào)濕節(jié)能降耗的目的。

在面積為20 m2的房間中四周被墻體包裹，按照墻體和天花板的表面積總和為60 m2計(jì)算，在不考慮室內(nèi)通風(fēng)和墻體吸濕的前提下，假設(shè)室內(nèi)濕源所釋放的水蒸氣都被竹絲裝飾材料所吸收，按照公式（1）計(jì)算竹絲裝飾材料在該房間內(nèi)的吸（放）濕量[25-26]。

根據(jù)高濕區(qū)間測(cè)得的濕緩沖值為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算可得出各竹絲裝飾材料在8 h和16 h內(nèi)的吸放濕量見表3。

表3 竹絲裝飾材對(duì)房間濕度的影響值Tab.3 The influence value of decorative bamboo filament on the room moisture g

從上表可以看出，無輔助調(diào)濕的情況下，竹絲裝飾材料對(duì)室內(nèi)濕度調(diào)節(jié)具有一定作用，將其大面積應(yīng)用于建筑物內(nèi)表面，有調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境濕度的效果。

4 結(jié)論

1）三種竹絲裝飾材對(duì)室內(nèi)濕環(huán)境可起到調(diào)節(jié)緩沖作用，在吸濕-放濕循環(huán)周期內(nèi)質(zhì)量變化呈周期性階梯狀上升趨勢(shì)，各處理組間濕緩沖性能表現(xiàn)為阻燃處理組（NP）＞未處理組（C）＞防霉阻燃處理組（NP4），同組內(nèi)表現(xiàn)為近青層竹絲裝飾材（OB）＞近黃層竹絲裝飾材（IB），吸放濕周期內(nèi)表現(xiàn)為MBV吸濕＞MBV放濕。

2）利用環(huán)境掃描電鏡和X射線衍射發(fā)現(xiàn)：磷酸脒基脲在薄壁細(xì)胞中有較好的沉積，但對(duì)吸濕-放濕中的水分流動(dòng)不造成影響；阻燃處理后竹絲裝飾材的纖維素相對(duì)結(jié)晶度略有降低，阻燃處理材纖維素吸濕能力略有增加，由于竹絲裝飾材內(nèi)部無定形區(qū)和阻燃劑共同作用而表現(xiàn)出濕緩沖性能增強(qiáng)。

3）通過實(shí)例分析得出，高濕地區(qū)前述竹絲裝飾材料吸放濕量排序?yàn)椋篘POB＞COB＞NPIB＞CIB＞NP4OB＞NP4IB，竹絲裝飾材料NPOB具有最佳的濕緩沖性能。

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