可用于新风系统的全热换热膜的制备

段凯歌胡明远程志倪佳徐俊正于东明

摘要首先将成膜物质丙烯酸乳液用水进行稀释，加入传质物质PPG和SDBS，制备出水性传质涂料，静置熟化30min后将其涂敷于TD≥160Mpa，MD≥200Mpa的多孔聚烯烃基膜A上，自然烘干后得到可用于新风系统核心部件-换热芯的全热换热膜。文中对高分子基膜进行了筛选，并探讨了聚烯烃膜A厚度，PPG添加量，丙烯酸乳液添加量，SDBS添加量，水质，涂料黏度，涂料制备过程的加料顺序等因素对换热膜透湿性能的影响，通过对配方进行优化，制备的换热膜最高透湿率可以达到2714g/m2•24h。

关键词新风系统；聚烯烃膜A；水性涂料；全热换热膜；透湿性能

随着人们生活水平的提高，空调已经进入了千家万户，成为生活的必需品。但空调的使用，不仅能耗较高，且由于空间密闭，容易造成室内空气污染，为保证室内外空气流通，新风系统应运而生[1-2]。新风系统是由送风系统和排风系统组成的一套独立空气处理系统，为降低能源消耗[3]，现有的新风系统多通过核心部件一一换热芯以实现热能的回收[4]。

现有的新风系统的换热芯，以多孔的纸膜隔离进出风路，进出风路交叉经过多孔纸膜的两侧，新风和浊气一进一出，通过这层多孔纸膜，进行热量和水分的交换。从而使室内外新风和浊气中有用的热量和水分减少了流失。但是现有的新风系统的多孔纸质换热芯，只能交换显热，因此热交换率低，纸的多孔性也不能阻隔浊气中的二氧化碳等有害气体随新风进入室内，且纸膜容易霉变，对环境不够友好，使用寿命也比较短。

近年出现的以聚合物多孔膜为基膜，涂覆一层亲水涂料层的不对称换热芯塑料膜，这种膜的特点是能有效的避免浊气中二氧化碳等分子返回室内，水则是通过亲水涂料层中的吸水剂吸收、溶解、迁移、解吸后蒸发的途径由不对称换热芯塑料膜的一侧被运输到不对称换热膜的另一侧，水在蒸发过程中会吸收大量的热量，因此伴随着水的迁移的是大量潜热的迁移[5-7]，冬天可大量回收室内的热量，夏天又可大量回收室内的冷量，换热效率很高，作为空调的辅助装置，节能效果突出。但是这种亲水涂料所用溶剂为有机溶剂[8]，不仅生产过程中需要防火防爆措施，并且有机溶剂的残留量对环境的长期影响也不可避免。

为了解决上述问题，本文选取机械强度较高的多孔聚烯烃膜A作为支撑层，涂覆上一层水性传质涂料作为表层，制备出机械强度高，传质效率高，对环境友好的全热换热膜，并对其透湿性能进行研究。

1实验

1.1实验原料

成膜物质：丙烯酸乳液；传质物质：聚丙二醇（PPG）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）；溶剂：水；基膜：多孔聚烯烃膜A

1.2测试仪器

恒温恒湿箱（LHS-80HC-Ⅱ，上海一恒科学仪器有限公司）；扫描电子显微镜（德国卡尔蔡司EVO系列）

1.3换热膜的制备

首先将成膜物质丙烯酸乳液溶解于水溶剂中，加入传质物质PPG和SDBS搅拌均匀，静置熟化30min后待用；采用刮涂法涂于聚烯烃膜A基材上，自然烘干。

1.4样品的测试

采用上海一恒科学仪器有限公司的恒温恒湿箱（LHS-80HC-Ⅱ），根据国标GB/T12704.2-2009测试换热膜的透湿率。测试温度为23℃，测试湿度为50%RH。

2结果与讨论

2.1基膜的筛选

适合作为新风换热芯的高分子基膜需要具有多孔性，以保证传质过程的顺利；需要具有较薄的厚度和较高的导热系数，以保证传热过程的高效；常见的多孔高分子基膜主要包括：聚烯烃膜A、聚烯烃膜B、无纺布和单丝布等。分别选取这几种膜，涂覆上约5μm的水性涂料，自然烘干后按照1.4中方法测试其透湿率，结果如表1所示：

表1不同基膜材质对透湿率影响

Table1Effectofdifferentsubstratematerialsonmoisturepermeability

从表1可以看出，聚烯烃膜B和单丝布制备的换热膜透湿率较低，聚烯烃膜A膜和无纺布制备的换热膜透湿率较高，但考虑到无纺布的机械强度方面不如聚烯烃A膜，因此本文选择多孔的聚烯烃A膜作为基膜来进行全热换热膜的制备及透湿性能研究。

2.2聚烯烃膜A厚度对透湿率的影响

选取开孔率相同（约为41%），厚度分别为9μm，12μm和16μm的聚烯烃膜A作为基膜，涂覆上厚度约为5μm的水性涂料，自然烘干后按照1.4中方法测试膜的透湿率，结果如表2所示：

表2聚烯烃膜A厚度对透湿率影响

Table2EffectofpolyolefinmembraneAthicknessonmoisturepermeability

从上表可以看出，随着基膜厚度的增加，换热膜的透湿率逐渐下降，说明基膜厚度越薄，越有利于水的传质过程，因此本文选择9μm的聚烯烃膜A来制备全热换热膜并对其透湿性能进行研究。9μm基膜的扫描电镜如图1所示：

图19μm聚烯烃膜A的SEM图片

Fig.1SEMpatternof9μmpolyolefinmembraneA

从图1可以看出，聚烯烃膜A孔径大小约为200nm，开孔率较均匀，在上面涂覆一层致密的亲水膜，可以满足对水蒸气具有高透过性，对其它气体如二氧化碳等具有高的阻隔性，且经过双向拉伸的聚烯烃膜A的机械强度较高，拉伸强度TD≥160Mpa，MD≥200Mpa，能保

证制备的换热膜具有较高的抗撕裂强度。

2.3PPG添加量对透湿率的影响

PPG在本文中作为水性涂料的传质物质，由于其分子结构中含有大量的羟基，具有强亲水性，与亲水性的传质物质SDBS一起对换热膜的透湿性能起协同作用，从传质角度考虑，PPG的添加量越多越有利，但由于PPG为粘性液体，添加量过高会影响涂膜的表观状态，因此需要找到一个最佳的添加量，不同PPG的添加量对换热膜透湿率性能的影响及涂膜的表观状态如表3所示：

表3PPG添加量对涂膜状态及透湿率影响

Table3EffectofPPGadditiononfilmstateandmoisturepermeability

从表3可以看出，当PPG含量为1g时，虽涂膜表面干爽但透湿率不高；当PPG的添加量为3g和4g时，涂膜的表面有粘性且透湿率较PPG含量为2g时有所降低；PPG含量为2g时，涂膜表面干爽且透湿率可达到2613g/(m2•24h)，因此本文选择2gPPG作为最佳添加量。

2.4丙烯酸乳液添加量对透湿率的影响

基于丙烯酸乳液具有较好的成膜性和耐水性，本文选择丙烯酸乳液作为成膜物质，从成膜方面考虑，丙烯酸乳液添加量越多越有利，但丙烯酸乳液对换热膜透湿性能的提高有制约作用，添加量越多透湿效果会越差。为了寻找这一矛盾的平衡点，对丙烯酸乳液的添加量进行探讨，表4为添加不同量丙烯酸乳液的涂料状态及所制备换热膜的透湿率：

表4丙烯酸乳液添加量对涂料状态及透湿率影响

Table4Effectofacrylicemulsiononcoatingstateandmoisturepermeability

从表4可以看出，当丙烯酸乳液含量为0.5ml时，涂料有少量析出物，涂料均匀性不好，当丙烯酸乳液含量从1ml增大到2ml时，虽涂料状态都比较均匀但透湿率逐渐降低，因此本实验选择1ml丙烯酸乳液作为最佳添加量。

2.5SDBS含量对透湿率的影响

SDBS属于阴离子型表面活性剂，分子中既含有亲水基磺酸基团，又含有亲油基十二烷基基团，用其作为传质物质，既对水蒸气有较强的吸附性能，又能降低水性涂料在PE基膜上的接触角，增强成膜性能。对SDBS的添加量进行探讨，涂料的状态及所制备换热膜的透湿率如表5所示：

表5SDBS添加量对涂料状态及透湿率影响

Table5EffectofSDBSoncoatingstateandmoisturepermeability

从表5可以看出，在0.3g~1g的范围内，随着SDBS含量的增加，透湿率逐渐增加，而当SDBS含量为1.5g时，涂料中有少量析出物，透湿率也有所降低，因此本文选取SDBS的最佳添加量为1g。

2.6水质对透湿率的影响

为了探讨水质对透湿率的影响，本文分别选取普通的自来水和去离子水作为溶剂制备水性涂料，涂敷于聚烯烃膜A上，自然烘干后测试其透湿率，结果如表6所示：

表6水质对透湿率影响

Table6Effectofwaterqualityonmoisturepermeability

从表6可以看出，普通自来水和去离子水对换热膜的透湿率影响不大，因此本文选择方便易得的普通自来水作为水溶剂。

2.7涂料黏度对透湿率的影响

为了探讨黏度对换热膜透湿率的影响，通过加入不同量的水溶剂来制备水性涂料，涂敷于聚烯烃膜A上，自然烘干后测试其透湿率，涂膜状态及透湿率结果如表7所示：

表7水溶剂添加量对涂膜状态及透湿率影响

Table7Effectofwateroncoatingstateandmoisturepermeability

从表7可以看出，当水溶剂的量为6ml时，涂膜表观会有少许析出物且透湿率不高，可能的原因为水溶剂较少导致SDBS不能很好的溶解，有少量析出颗粒，影响涂膜均匀性导致透湿率较低；当水溶剂量为14ml时，涂膜出现流挂现象，导致涂膜均匀性不，透湿率较12ml水溶剂时有所降低；10ml水溶剂时涂膜虽均匀但透湿率不如12ml水溶剂时，因此本文选择水溶剂的最佳添加量为12ml。

2.8涂料加料顺序对透湿率的影响

前面对基膜进行了选择，探讨了聚烯烃膜A厚度，PPG含量，丙烯酸乳液含量，SDBS的含量，水质，涂料黏度等因素对透湿率的影响，对配方进行了优化，本节通过已经确定的优化条件对涂料配制过程中的加料顺序进行探讨，用以制备高透湿性的换热膜。为了使涂料分散均匀，本节通过把PPG，丙烯酸乳液和SDBS按不同顺序加入到水溶剂中，按照排列组合，有5种不同的加料顺序：1#.水溶剂→丙烯酸乳液→SDBS→PPG；2#.水溶剂→PPG→丙烯酸乳液→SDBS；3#.水溶剂→PPG→SDBS→丙烯酸乳液；4#.水溶剂→SDBS→丙烯酸乳液→PPG；5#.水溶剂→SDBS→PPG→丙烯酸乳液。这5种不同的加料顺序所制备的涂料状态及涂敷于聚烯烃膜A上的透湿率如表8所示：

表8不同加料顺序对涂料状态及透湿率影响

Table8Effectofdifferentaddingofmaterialoncoatingstateandmoisturepermeability

注：“-”表示不适用

从表8可以看出，3#和5#的加料顺序会导致大量颗粒析出，涂料混合不均匀，且导致涂覆困难；2#加料顺序有少量颗粒析出，虽可涂覆，但透湿率仅为1600g/m2•24h；1#和4#加料顺序均可制备出均匀的涂料且透湿率均较高，其中4#的透湿率可以达到2714g/m2•24h，因此，按照4#的加料顺序可以制备出均匀的涂料，所制备换热膜的透湿率也较高。

3结论

1）选取丙烯酸乳液为成膜物质,以PPG和SDBS为传质物质，水为溶剂，制备出水性传质涂料。

2）将制备的水性传质涂料涂敷于机械强度较高的聚烯烃膜A上，制备出可用于新风系统的全热换热膜。

3）对基膜的种类进行了筛选，并探讨了聚烯烃膜A厚度，PPG添加量，丙烯酸乳液添加量，SDBS的添加量，水质，涂料黏度和涂料制备过程的加料顺序等因素对透湿性能的影响来对配方进行优化，制备的换热膜最高透湿率可以达到2714g/m2•24h。

4参考文献

[1]王艺伟,韩秋,杜旭东,等.可用于全热交换器的透湿阻气膜的研究进展[J].膜科学与技术,2016,36(2):132-140

[2]李松涛.如何堵住建筑能耗的大嘴[N].中国青年报,2012,3:35-36

[3]XueLX,LiuBX,ChenJ,etal.Structureandpropertiesoftotal-heatexchangemembranesforenergysavingheatventilationprocesses[C].AdvMaterRes,2012,374:568-571

[4]张炎,张立志,项辉,等.基于亲水/憎水复合膜的全热交换器换热换湿性能[J].化工学报,2007,58(2):294-298

[5]胡腾,闵敬春,宋耀祖.膜换湿传质过程对传热过程影响分析[J].科学通报,2009,54(13):1022-1926

[6]PhattaranawikJ,JiraratananonR.Directcontractmembranedistillation:Effectofmasstransferonheattransfer[J].JMembrSci,2001,188:137-143

[7]PhattaranawikJ,JiraratananonR,FaneAG,Heattransportandmembranedistillationcoefficientsindirectcontractmembranedistillation[J].JMembrSci,2003,212:177-193

[8]SERPICOJOSEPHM,EHRENBERGSCOTTG,WNEKGARY[P].USPat:US6841601B2,2005.01.1