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sphere第39卷
高调湿性能的硅藻土的筛选和比较研究
姜广明1，马海旭1，梁 杨1，崔奕帆2，胡娟平3，胡 水4
（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.北京元晟万利通贸易有限公司，北京 100013；
3.蓝天豚绿色建筑新材料有限公司，湖南 长沙 410019；
4.北京化工大学，北京 100029）
【摘要】 论文首先从硅藻土原矿石和硅藻土粉体中筛选了几种高含水率的样品，观察了其外观和微观形貌，然后通过红外光谱分析、X 射线衍射分析和热失重分析等方法研究了硅藻土的成分、结构和组成等。比较了不同硅藻土的调湿性能；并建立了硅藻土的调湿性能和热失重分析的联系，方便快速筛选高调湿性能的硅藻土。 【关键词】 硅藻土；X 射线衍射分析；热失重分析；调湿性能；调湿材料
【中图分类号】 TQ630.7+2 【文献标志码】 A 【文章编号】 1671－3702（2021）03－0062－05
0 引言
调湿材料依靠吸放湿性能调节室内空气的相对湿
度，提高建筑的居住舒适感。在众多的调湿材料中
［1］
situation
，硅藻土具有天然的多孔结构，吸附能力强，广泛应用到
室内装饰的硅藻泥装饰壁材中四级答题技巧
［2］
。硅藻土的调湿性能与其形成的硅藻种类
［3］、演化而成结构［4］
有着密不可分的关系，因此不同产地、纯度的硅藻土的调湿性能有着巨大的差异。同时硅藻土经过研磨、煅烧、碱溶扩孔、或
者酸洗等处理后，硅藻土的结构和表面特性发生变化，
调湿性能也发生变化，调湿性能可能大幅度降低
［5］
。本文首先筛选出来调湿性能较高的几种硅藻土，评价了其调湿性能，然后利用多种分析测试手段对硅藻土的成分和结构进行了表征，总结了高调湿性能的硅藻土的热失重特性。
1 原材料
按照 JC/T 2177－2013《硅藻泥装饰壁材》的要求，硅藻泥装饰壁材的调湿性能应达到 JC/T 2082－2011《调湿功能室内建筑装饰材料》Ⅱ类产品的要
作者简介：姜广明，男，博士，高级工程师，研究方向为建筑材料检测与
应用。
Selection and Comparative Study of Diatomite with High Humidity Control Performance
JIANG Guangming 1，MA Haixu 1，LIANG Yang 1，CUI Yifan 2，HU Juanpin 3，HU Shui 4
（1.China Academy of Building Rearch ，Beijing 100013，China ；2.Beijing Yuansheng Wanliton
g Trading Co.，Ltd.，Beijing 100013，China ；3.Lantiden New Environmental Construction Material Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410019，China ；
4.Beijing University of Chemical Technology ，Beijing 100029，China ）
Abstract ：Firstly this article screened veral diatomite samples with high moisture content from diatomite raw ore and diatomite powder，obrved their appearance and microscopic morphology，and then studied the composition，structure and composition of diatomite by means of infrared spectroscopy analysis，X-ray diffraction analysis，and thermal weight loss analysis. Humidity control performance of different diatomite samples were studied and compared. The relationships between the humidity control performance of diatomite samples and the thermal gravity analysis had been established to rapidly screen diatomite with high humidity control performance.
Keywords ：diatomite；X-ray diffraction analysis；thermal gravity analysis；humidity control performance；humidity control material
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第3期
求。如图 1 所示，相对湿度为 50 %～55 % 时，硅藻泥装饰壁材的体积含湿量应大于（7～8）kg /m 3。按照硅藻泥装饰壁材的体积密度为 1 g/cm 3 估算，相对湿度 50 %～55 % 时，硅藻泥装饰壁材的质量含湿率应大于（0.7～0.8）%。
硅藻土作为硅藻泥装饰壁材中的主要调湿成分，添加量通常为 20 %～30 %
［6］
，因此硅藻土在相对湿
度 50 % 时的质量含湿率要大于 3 % 左右时，才能满足硅藻泥装饰壁材的调湿性能的要求。
本文收集了若干种国内外的硅藻土原矿石，粉碎成硅藻土粉体（以下简称“硅藻土”）。同时还收集了国内硅藻土、硅藻泥企业（如北京元晟万利通贸易有限公司、蓝天豚绿色建筑新材料有限公司、兰舍硅藻新材料有限公司等）销售、使用的若干种硅藻土粉体。
将硅藻土放于标准环境下达到吸湿平衡后，再置于 105 ℃ 的烘箱中干燥至恒重，计算其质量变化率，质量变化率也就是硅藻土的含水率。淘汰了大部分的含水率小的硅藻土样品，保留含水率大于 3 % 的样品进行下一步测试（编号分别为 GZT-7，GZT-8，GZT-12），同时保留了一个含水率仅为 1 % 的样品作为对比，编号为 GZT-10。
保留下来的硅藻土的产地、颜色、处理方式和白度等信息，列于表 1 中。
2 实验设备
SEM 使用日本电子公司的 JSM-7800F 热场发射扫描电子显微镜，样品经喷金处理。
红外光谱使用美国 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生产的 Nicolet 6700 傅立叶变换红外光谱仪测试，扫描范围为 4 000～4 00 cm -1，分辨率为 4 cm -1。硅藻土直接用 KBr 压片后测试红外光谱。
X 射线衍射使用丹东浩元仪器有限公司生产的 DX-2700 BH 型多功能衍射仪。样品用压样板在标准样品板上压成型，然后置于 X 射线衍射仪上进行测试。测试条件为：Cu 靶，管压 40 kV ，管流 30 mA ，扫描速度 5°/min 。
热失重分析使用德国 NETZSCH 公司生产的 TG 209 F3 Tarsus® 热重分析仪测试；氮气气氛，测试的温度范围为室温 ～1 000 ℃，升温速度 10 ℃/min 。
3 测试方法
白度的测试，依据 GB/T 5950－2008《建筑材料与非金属矿产品白度测量方法》。
质量含湿率的测试，依据 GB/T 20312－2006《建筑材料及制品的湿热性能吸湿性能的测定》。使用气候箱控制 93 % 的相对湿度，样品从绝干状态进入 93 % 相对湿度中吸湿 24 h ；使用干燥器中的 MgCl 2 饱和溶液控制 33 % 的相对湿度，吸湿后的样品进入 33 % 相对湿度中放湿 24 h 。
4 结果与讨论
4.1 样品外观
硅藻土原矿石和硅藻土粉体的外观，如表 2 所示。
GZT-7 的颜色偏灰。GZT-8 的硅藻土原矿石因为含有铁杂质，颜色偏黄。GZT-10 样品为煅烧型的硅藻
图 1 硅藻泥装饰壁材的质量含湿率和体积含湿量的关系
表 1 硅藻土的样品编号及信息
blazed编号名称产地颜色处理方式白度GZT-7硅藻土中国吉林长白山
灰色原矿粉碎38.0GZT-8硅藻土日本黄色原矿粉碎58.6GZT-10硅藻土美国白色煅烧84.4GZT-12
硅藻土
中国吉林长白山
june简写白色
非煅烧，
水洗
81.6
表 2 硅藻土原矿石和硅藻土粉体的外观
编号
GZT-7
GZT-8
GZT-10
GZT-12
矿石
粉体
姜广明等：
高调湿性能的硅藻土的筛选和比较研究
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土，样品为白色。GZT-12 为非煅烧的硅藻土，但由于其纯度较高，杂质很少，所以颜色呈现为白色。
4.2 SEM 分析
now硅藻土由于种类不同，有圆盘状、直链状等各种不同的结构，同时表面上还有大量微小的孔隙结构。这些微细的结构就是硅藻土调湿性能的物质基础。采用 SEM 观察了硅藻土的微观形貌，如图 2 所示。
GZT -7 是中国吉林长白山的硅藻土，它的外观是圆盘状的，是一种圆环藻，硅藻个体尺寸在 10μm ～20 μm 左右。
GZT -8 在粉碎的时候破损程度比较严重，基本看不到完整的硅藻个体。从图 3 可以看出，GZT -8 大部分还是盘状的硅藻（图 3a ），也有少量圆筒藻（图 3b ）。
如图 4 所示，GZT-10 也是以圆筛藻（图 4b ）和圆盘藻（图 4c ）为主，和一少部分的圆筒藻（图 4d ）。但是经过煅烧后，孔隙结构被破坏，结构发生了明显的塌陷。
如图 5 所示，GZT-12 中有圆盘藻（图 5b ），也有少量的立体小环藻（图 5a ）和圆筒藻（图 5c ）。
4.3 红外光谱分析
硅藻土主要 SiO 2 组成，红外光谱能够帮助分析硅藻土的化学组成。4 个硅藻土样品的红外光谱（见
图 6）。
4 个硅藻土样品的红外光谱非常接近。硅藻土的红外光谱在 1 620 cm -1 的吸收峰为水分子的 O-H 变形振动。其中 GZT-10 为煅烧型硅藻土，调湿能力最差，含水率最低，所以 1 620 cm -1 的吸收峰强度最低。硅藻土的红外光谱在 1 100 cm -1、
800 cm -1 和 467 cm -1 三处均为 SiO 2 的结构硅氧键的伸缩振动峰、对称硅氧键的伸缩振动峰和 Si-O-Si 的变形振动峰。GZT-10 在 1 100 cm -1 处的峰与其他三个硅藻土样品相比，更宽一些。
与其他三个样品的红外光谱不同，GZ T-10 在 620 cm -1 处有一个小的吸收峰。
4.4 X 射线衍射分析
X 射线衍射仪能够大致分析出硅藻土中的 SiO 2 含量和其他杂质的种类。无定形 SiO 2 的衍射发生在 2θ 为
bestregards
15°～30°
［7］
，为馒头状非晶态衍射峰；而结晶 SiO 2 的衍射发生在 2θ 为 26.6°处。4 个硅藻土的 XRD 谱图，如图 7 所示。
（a ）放大 500 倍形貌图 4 硅藻土 GZT-10 的 SEM 图
图 6 硅藻土的红外光谱图
（a ）放大 1 000 倍形貌 （b ）放大 3 000 倍形貌 （c ）放大 5 000 倍形貌
图 2 硅藻土 GZT-7
的SEM图
（b ）放大 3 000 倍形貌一
nbc universal（c ）放大 3 000 倍形貌二（d ）放大 3 000 倍形貌三
trumpeter
（a ）放大 1 000 倍形貌一图 5 硅藻土 GZT-12 的 SEM
图
（b ）放大 1 000 倍形貌二（c ）放大 3 000 倍形貌
图 3 硅藻土 GZT-8 的 SEM
图
（a ）放大 1 000 倍形貌一（b ）放大 1 000 倍形貌二（c ）放大 5 000 倍形貌
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第3期
从图 7 可以看出，GZT -7 和 GZT -12 的硅藻土中无定型 SiO 2 的含量较高，
结晶 SiO 2 的含量较低。这也说明 GZT -12 为非煅烧型的硅藻土。
GZT -8 硅藻土的 SiO 2 峰与 GZT -7 和 GZT -12 的馒头峰不同，除了在 22.1°出现无定型的 SiO 2 衍射峰外，还在 20.9°出现蛋白石-CT 结构的衍射峰，同时其结晶SiO 2的衍射峰也比较高。GZT -8 的蛋白石-CT 结构可能与其海相矿的形成条件有关。
GZT -10 在 15°～30°的峰已经不是馒头峰了，而是尖锐的结晶 SiO 2 峰，
这是因为煅烧处理破坏了硅藻土的无定型 SiO 2 的结构，使其变成了结晶型的 SiO 2 的结构，从而使其调湿性能严重下降。
4.5 热失重分析
硅藻土调湿吸附的水，在升温时会失去，造成质量损失。因此我们考虑采用热失重分析技术，来评价硅藻土的调湿性能。4 个硅藻土的热失重分析曲线如图 8 所示。
硅藻土的质量损失大约可以分为 2 个阶段：第一阶段为从室温到 258 ℃，其质量损失为 5 % 左右；这一阶段主要是由于硅藻土孔结构中吸附水的去除造成的。第二个阶段为从 258 ℃ 到 1 000 ℃，其质量损失为 10 %～15 %；这一阶段主要由于硅藻土的有机物分解和表面羟基的缩聚造成的。
从图 8 可以看出，GZT-10 经过煅烧后，调湿性能丧失，有机物也提前分解了，所以其热失重基本没有变化。另外三个样品中 GZT-7 的失水量和有机物分解的质量都是最大的。
4.6 调湿性能
4 个硅藻土样品的质量含湿率，随吸湿
时间（放湿时间）的变化，如图 9 所示。
绝干的硅藻土刚开始吸湿时，吸湿速率较快，但随着吸湿时间的延长，吸湿速率逐渐降低。而且比较这四个硅藻土的调湿性能发现，GZT-10 吸湿平衡时质量含湿率越低，仅为 1.23 %，最早达到吸湿平衡。
G Z T-8 样品的 24 h 质量含湿率达到 10.25 %，是这四个样品中最高的；GZT-
图 8 硅藻土的热失重曲线
图 9 硅藻土的质量含湿率随吸湿时间
（放湿时间）的变化
（a ）GZT-7
图 7 硅藻土的 XRD
谱图
（b ）GZT-8
（c ）GZT-10 （d ）
GZT-12
姜广明等：
高调湿性能的硅藻土的筛选和比较研究
12 的 24 h 质量含湿率为 7.97 %，也比较高；GZT-7 比较差，24 h 质量含湿率仅能达到 5.85 %。
从实验结果来看，GZT-8 的调湿性能最好，而其热失重的损失的水分却最低。这种情况似乎与我们预想的刚好相反。这是因为硅藻土中的水分以范德华力和氢键作用物理吸附的水，还有以化学键作用化学吸附的水。化学吸附的单分子层吸附，数量少，稳定不易脱附，而物理吸附的为多分子层吸附，数量大。当湿度足够大时，水分甚至可以在硅藻土的毛细结构中凝结形成大量的自由水。因此硅藻土的含水率不能直接完全代表硅藻土的调湿性能［8］。
硅藻土随着放湿时间的延长，放湿速率逐渐降低；硅藻土放湿的速率的变化超过了吸湿速率的变化，很快就达到了放湿平衡。但是当硅藻土达到放湿平衡后，只有一部分吸收的湿气，能够从硅藻土中被放出。吸放湿周期硅藻土的质量含湿率的关系，如表 3 所示。
放湿 24 h 后，GZT-8 的表现最好，54 % 的湿气被放出；GZT-12 有 32 % 的湿气被放出；GZT-7 有 19 % 的湿气被放出，表现最差。
GZT-8 为日本进口的硅藻土，其组成和结构与国内收集的硅藻土有所区别，物理吸附的水比较多，化学吸附的水少，因此放湿量特别高。GZT-7 则相反，由于其有机物含量最高，化学吸附的水比较多，物理性能的水比较少，因此放湿量比较少。若调湿材料中使用 GZT-7，由于其放湿程度较差，则硅藻土的含量应该比较高才能达到较好的放湿性。
4.7 调湿性能与热失重的关系
从以上的分析可知，考虑硅藻土的质量吸湿率与热失重的关系时，至少应该区分出物理吸附的水和化学吸附的水。我们以硅藻土在 115 ℃时的失重率代表物理吸附的水，以 115 ℃～258 ℃时的失重率代表化学吸附的水，并与硅藻土的 24 h 质量吸湿率进行比较。
从表 4 可知，硅藻土在 115 ℃前的失重率较大时，硅藻土的 24 h 质量吸湿率也比较大；而硅藻土在 115 ℃～258 ℃时的失重率较大时，硅藻土的 24 h 质量吸湿率反而较小。因此快速筛选调湿性能优异的硅藻土是应该选择硅藻土在 115 ℃的失重率较大、在 115 ℃～258 ℃的失重率较小的产品。这种热失重的方法，可以替代吸湿性能的测试，节约大量的时间。
5 结语
本文筛选了多种高调湿性能的硅藻土，评价了其调湿性能。利用 SEM、红外光谱、X 射线衍射光谱和热失重分析等手段，鉴别了不同硅藻土的形貌、成分、结构和组成的差异。从热失重分析方法的角度，给出了快速筛选高调湿性能的硅藻土的实验方法。Q
参考文献
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表 3 硅藻土的 24 h 质量吸湿率（吸放湿周期）的关系
样品编号24h质量吸
湿率/%
（吸湿周
期）
24h质量吸
湿率/%
（放湿周
期）
24h质量吸湿
率/%
（吸湿周期-
放湿周期）
24h质量吸湿率
变化率/%（吸湿
周期-放湿周期）/
（吸湿周期）
GZT-7 5.85 4.72 1.1319 GZT-810.25 4.70 5.5554 GZT-10 1.230.550.6855 GZT-127.97 5.38 2.5932
表 4 硅藻土在不同温度段的失重量与 24 h 质量
吸湿率的关系
样品
编号
失重率/%
（115 ℃）
经典英文签名失重率/%
（115 ℃～258 ℃）
24 h 质量吸湿率/%
（吸湿周期）GZT-7 2.48 4.66 5.85 GZT-8 2.91 1.5110.25 GZT-1000 1.23 GZT-12 2.51 2.997.97
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