变色硅胶干燥剂变色性能研究

· 32· 装 备 环 境 [程 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 第7卷 第251 2010年04月 变色硅胶干燥剂吸湿性能研究 杨保义，张杰 (暨南大学 物理系，广州 510632) 摘要：根据实验数据，作出变色硅胶吸湿量和吸湿时间的图形，通过二者关系的特点，建立吸湿量 Q和吸湿时间t的函数关系；并依据函数关系对实验数据进行拟合，进而得到函数的各个，从而求得函数 的具体达式，为得到任意时刻变色硅胶的吸湿量提供了依据。通过函数关系可计算各个时刻变色硅胶的 吸湿量，为环境湿度的控制提供参考依据。 关键词：变色硅胶；吸湿；环境湿度 中图分类号：TJO89；TQ047．3 文献标识码：A 文章编号：1672—9242(2010)02—0032—04 Study on M oisture Absorption Characteristic of Allochroic Silica Gel YANG Bao-yi，ZHANG Jie (Jinan University，Guangzhou 510632，China) Abstract：Graphs of the relations between moisture absorption of allochroic silica gel and time were plotted based on experiment data．A function between moisture absorption and time was established through analysis of the characteristics of the relations．The function’S parameters can be obtained by fitting．It’S a facilitation to know the moisture absorption at an y time and to save experiment time．The purpose was to provide reference for humidity control of environment． Key words：allochroic silica gel；moisture absorption；humidity 利用吸湿剂吸湿的方法在防止霉菌生长、弹药 受潮等领域有着广泛的应用 。为了掌握和利用吸 湿规律 ，人们进行了很多研究 ，但 目前的研究一 般都是实验研究，尚无理论模型。笔者从理论和实 验两方面对变色硅胶的吸湿规律进行研究，建立吸 湿的数学模型，进行吸湿实验，并利用吸湿模型对实 验结果进行分析。 1 变色硅胶吸湿模型 变色硅胶由于其优异的性能，常用于吸湿研究 与应用，故选择变色硅胶作为研究对象。 1．1 变色硅胶的吸湿性能 变色硅胶的吸湿量Q定义为 ： O： 二 x 100％ (1) 一 m 0 式中：m。为样品(变色硅胶)干燥时的质量，g；m 为吸湿后样品的质量，g。若样品在一定湿度条件下 达到吸湿平衡 ，则此时的吸湿量为样品的平衡吸湿 量，以Qh表示。参照文献[9]，结合实验测量，文中实 验硅胶的平衡吸湿量 Qh与周围空气的相对湿度RH 收稿日期：2009—08—30 作者简介：杨保义(1984一)，男，安徽淮北人，硕士研究生，主要从事计算物理等方面的研究。 第7卷 第2期 杨保义等：变色硅胶干燥剂吸湿性能研究 ·33· 的关系可表示为： 0．378 4RH RH≤ 60％ Qh { 330 0R o．644 6RH 040 8 (2) 60％ ≤RH≤ 100％ 1。2 一般情况下变色硅胶的吸湿模型 一 般说来，在一定的温度和湿度下，变色硅胶在 开始时吸湿量增加得比较快，随着吸湿过程的进行 ， 吸湿量趋于稳定 ，达到平衡 。基于此，笔者提出一 般情况下的吸湿模型： dt=一B(Q—Qh) (3) 式中： A 为吸湿量的变化速率 ； 是参数； 是 平衡吸湿量。 t Q 根据式(3)，在硅胶达到吸湿平衡后 ，若空气的 湿度降低 ，则Qh降低 ， 变为负值 ，硅胶将会向周 围空气放湿。有学者在实验中也观察到这种现象 。 1．3 恒湿情况下变色硅胶的吸湿模型 在空气湿度恒定的情况下，变色硅胶的平衡吸 湿量Qh为常量，则根据式(3)解得： Q(t)：Qh(1-e ) (4) 式中： 为时间参数， 1／ 。式(4)称为恒湿模型。 2 文献数据的分析 首先利用建立的吸湿模型对已有文献的实验数 据进行分析。文献[2]，【6]为恒温恒湿条件下所做的 实验，利用恒湿模型式(4)对文献【2】，【6]中的数据进 行拟合，拟合中，Qh和 可调，拟合结果见图1和表1。 由图 1可见，拟合曲线与实验数据吻合得比较 好，说明在环境湿度保持不变的情况下，恒湿模型可 以很好地描述吸湿量和吸湿时间的关系(相关系数 在0．996以上)。 由表1可见，拟合参数Q 基本随着空气湿度的 增大而增大，与式(2)一致。然而，拟合参数 的变 化无规律可循，认为可能与硅胶的粒径大小及硅胶 叠加的厚度有关，但文献[2】中没有具体的描述，因此 笔者通过实验进行进一步研究。 40 3O 20 1O 0 吸湿时间t／h 图l 文献【2】，【6】的实验结果和拟合曲线(数据点取 自文献中 的曲线) Fig．1 Experiment results and fitting ell／we(Data points from literature cllrve) 表1 利用恒湿模型对文献【2】。[6擞 据的拟合情况 Table 1 Fitting of data from literature[2]，[6】using constant humidity model 3 对吸湿模型的进一步实验研究 3．1 实验设计与实验结果 用量程为300 mL的4个烧杯，分别均匀平铺平均 粒径为3 mm的变色硅胶 1层、2层、3层、4层，依次编 号为300—1，300—2，300—3，300—4。将4个烧杯暴露在 空气中，定期称量和测试空气的温度和湿度 ，并根据 式(1)计算出吸湿量。实验结果如图2和图3所示。 从图2中的实验点可以看出，变色硅胶的吸湿 量有时会随着吸湿时间的增加而减小。其原因是 ： 当环境某时刻的湿度低于前一时刻的湿度时，变色 硅胶可能会将贮存的水分释放到空气中，即变色硅 胶在吸湿时伴随着放湿。从图3中的实验点可以看 出，环境的湿度随时问的推移有一定幅度的波动。 验验验验验验验合合合合合合合 实实实实实实实拟拟拟拟拟拟拟 ％％％％％％％％％％％％％％ 吕； ：2 粥 · 34· 装 备 环 境 工 程 2010年04月 、 箧舞 25 2O l5 10 s O O 50 100 150 2o0 吸湿时间 f／h a 300-l 25 窆2o 15 翥10 擎 5 0 25 20 15 舞10 s O 吸湿时问f／h 1)300-2 () 5【】 l(X) 15() 200 0 50 l(H) l50 200 吸湿时问t／h 吸湿时间t／h c 300-3 d 300-4 · 妻嫠一一 豢棼翥器 ⋯⋯髫豢 翕 —— 鐾 ’数据 备组分别调节 各组统一调节 模型 图2 实验结果与分析 Fig．2 Experimental results and analysis 0 图3 空气相对湿度随时问变化情况 Fig．3 Relative humidity of air changes with time 3．2 利用恒湿模型对实验数据的分析 利用恒湿模型对实验数据进行分析，拟合曲线 如图2所示，拟合结果见表2。拟合中，各组的Qh分 别可调。 由图2可见，恒湿模型基本上可以描述实验结 表2 恒湿模型下的拟合结果 Table 2 Fitting parameters and results in constant humidity model 果的变化趋势。从表2可以看出，变色硅胶的平衡 吸湿量 Qh平均为24．99％，与实验环境的平均湿度 (约67％)所对应的平衡吸湿量相近。各组拟合出的 平衡吸湿量Qh有差别，这是因为在拟合的过程中，对 各组拟合时调节了各 自的参数Q 和 所致。各组拟 合合在一起的总体偏差见表3。 表3 恒湿模型拟合的总体标准偏差 Table 3 Overall standard deviation of fitting with constant humidity model 考虑到实验在同一环境下进行 ，各实验的平衡 吸湿量 Qh应该相同；因此，在各组的Qh取同一个值 (24．75％)的前提下，统一调节各组的Qh，分别调节各 组的 ，以使总体标准偏差最小。拟合曲线如图2所 示，拟合结果见表3和表4。从表3可看出，统一Q 得出的总体标准偏差比各组 Qh分别可调得出的总体 标准偏差略大。 表4 恒湿模型下 取24．75％的拟合结果 Table 4 Fitting parameters and results in constant humidity model 3．3 利用一般吸湿模型对实验结果的分析 由于实验的环境湿度随时间变化 ，平衡吸湿量 也随时间变化，恒湿模型的前提不能满足。欲更好 地描述实验现象 ，可采用一般吸湿模型，即式(3)。 但此种情况下，由于Qh与环境湿度有关且随时间变 第7卷 第2期 杨保义等：变色硅胶干燥剂吸湿性能研究 ·35· 化，式(3)无法解析求解；因此，采用差分法进行数值 求解。差分格式如下： Q(件Af)=Q(f)·(1一 ·Af)+ ·At·Q (5) 计算中，取△t--0．1 h，初始条件为Q(0)=0。平衡 吸湿量Q 按式(2)由空气湿度RH计算得出，空气湿 度RH用对实测数据进行样条插值的方法得到(如图 3所示)。该模型只有 1个参数 ，计算中，调节参数丁 ( =1／ )，以使总体标准偏差最小。计算结果见图2 和表5。 表5 一般吸湿模型下的拟合结果 Table 5 T and standard deviation in general absorption model 由图2可见 ，一般模型计算的结果能更好地描 述实验结果的变化趋势，特别是对单层 300—1效果 更明显。对比表3和表5可见，一般吸湿模型计算的 总体标准偏差最小 ，说明当环境的湿度随时间变化 时，一般吸湿模型计算的结果比恒湿模型拟合的结 果更接近实验测量值。此外，实验在测量环境湿度 时，有些实验点时间间隔较大，对样条插值结果的准 确性造成了影响，这一问可以通过增加测量频率 得到解决。 3．4 对 的讨论 从表2、表4和表5可见 ：时间常数 随硅胶层数 的增加而增大，这是因为硅胶层数的增大导致硅胶 与空气的有效接触面积减小，需要更长的时间才能 达到吸湿平衡 ，故时间常数 相应增大。对于影响 的其他因素还有待进一步研究。 4 结语 文中分析了变色硅胶的吸湿特性，提出了变色 硅胶的吸湿模型。当环境的湿度恒定时，恒湿模型 可以很好地符合实验结果 ；当环境的湿度随着时间 变化时，一般吸湿模型可以得到更接近实验的结 果。因此，利用吸湿模型可以计算出不同时刻变色 硅胶的吸湿量，为环境湿度的控制提供了一个有用 的手段。 参考文献： [1] 刘文JIl，黄红军，李志广 ，等．我军弹药防潮技术的现状 与发展『J1．包装工程，2006，27(2)：73—75． [2】 冯磊，陈超，王陈栋，等．SiO 气凝胶调湿性能的实验研究 『J1．建筑材料学报，2006，9(5)：517～520． [3] 冉茂宇．Et本对调湿材料的研究及应用[J1．材料导报 ， 2002，16(11)：42—44． f4] 倪鼎元 ，盛祖安．蒙脱石活性干燥剂性能研究fJ1．航天工 艺 ，2000。4(2)：28～ 31． 『5]5 熊德琴，李春晖，林培喜．吸水硅胶的快速再生试验[Jj_ 茂名学院学报 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