CN113064458A - 木制品湿度控制系统 - Google Patents

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CN113064458A CN202110308900.2A CN202110308900A CN113064458A CN 113064458 A CN113064458 A CN 113064458A CN 202110308900 A CN202110308900 A CN 202110308900A CN 113064458 A CN113064458 A CN 113064458A
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Abstract

一种用于保持木质乐器、艺术品和博物馆文物所需湿度的湿度控制设备，该设备包括可渗透水蒸气的小袋和饱和水溶液，该饱和水溶液具有适用于这些物品的湿度控制点。

Description

木制品湿度控制系统
本申请是申请人波凡达股份有限公司提交的发明名称为“木制品湿度控制系统”的中国专利申请201480027883.3的分案，后者是基于国际申请PCT/US2014/015547进入中国国家阶段的申请，有效申请日为2014年2月10日，要求US 13/803,319的美国优先权，优先权日为2013年3月14日。
相关申请交叉参考
不适用
有关联邦资助研发的声明
不适用
背景技术
I.发明领域
本发明总体涉及通过控制包含木材的物品的储存环境中的湿度保护此类物品，尤其涉及包含木材的物品，如博物馆文物和乐器。
II.相关技术
视温度和储存环境的湿度，封闭储存的木制品会吸收和释放湿气。遗憾的是，随着湿气含量的变化，木材会收缩和膨胀，常常永久性改变所储存的木制品的物理性质和外观，还可能造成其损坏。例如，众所周知，在寒冷的气候里，特别是在极地纬度地区，室内湿气含量非常低，低湿度导致木制品收缩到可能造成破坏的程度。反之，在高湿度环境里，如在赤道地区，高湿度也会由于湿气吸收和溶胀而损坏木制品。因环境湿度方面的考虑，高价木制品，如艺术品、乐器，甚至昂贵的运动设备，常常密封在湿度受控的环境中。对于木制品的储存，推荐的相对湿度(RH)在40％-60％之间。
如美国专利5,936,178所披露，封闭环境的相对湿度可利用湿度控制系统来稳定，所述系统包含装有特定盐溶液的湿气渗透小袋(pouch)。也可采用某些非离子溶液，其包含低分子量分子，如乙二醇、丙二醇、甘油、尿素、胍、乙醇胺、单糖或糖醇。水溶液中溶质和溶质浓度的选择决定了溶液的水活度(aw)。溶液的水活度会与周围气氛平衡，直至相对湿度(RH)等于水活度。因此，RH百分比等于awxl02。例如，aw为0.75的含过量晶体的饱和氯化钠水溶液会与封闭环境中的湿空气或干空气平衡，直至达到75％的相对湿度。
然而，人们也发现，在建立和维持最佳相对湿度范围(40％-60％)方面最有效的许多溶液具有不利的性质，与包装材料的化学反应性、腐蚀性，形成不利的气体，或者传湿量(TC)(定义见下文)受到限制。例如，含过量晶体的碳酸钾饱和溶液会保持所需的40％-60％的稳定湿度，但该材料的高pH会使许多包装膜降解。另一个问题是用硝酸盐控制湿度时形成的腐蚀性气体。
传湿量(moisture transfer capacity)(MTC)定义为在规定的相对湿度范围内，传入或传出指定的控制系统(即设备、小袋等)的水分的量。例如，氯化钙、氯化镁或甘油的水溶液可用来控制40％-60％之间的湿度，但MTC仅约为包装重量的15％-20％。另外，采用固体基材(如硅胶)或吸水性有机聚合物(例如丙烯酰胺)的湿气控制系统可配制成特定的相对湿度；然而，这些系统具有低传湿量的特征，对于维持受控的湿度环境来说用处较小。显然，为了在一定的环境条件范围内维持所需的湿度，湿度控制系统的传湿量非常重要。随着设备的传湿量增加，该设备提供所需湿气的能力也增加，从而维持所需湿度，以保护所关注的木制品。
发明内容
本发明提供了包(packet)或小袋形式的设备或容器，内装湿度控制溶液形式的材料体系，在将木制品和博物馆文物置于通常封闭的环境中时，用来为这些物品提供最佳水平的相对湿度。本发明公开了提供优异传湿量的优选体系，用来将相对湿度一般地控制在木制品所需的40％-60％的临界范围内。所公开的配方在此范围内提供了优异的传湿量，而不会造成不当腐蚀或包装降解。在优选的形式中，本发明采用与乙酸盐、乳酸盐或柠檬酸盐混合的甲酸钠的饱和水溶液。这些溶液可装在各种聚合物膜中，所述聚合物膜允许湿气通过而液体溶液不能通过，能够将密封容器如乐器盒或陈列橱里的相对湿度控制在40％-60％之间。
为了提高和控制黏度，在向这些湿度控制溶液中添加某些增稠剂。高黏度产品会在包装存在缺陷时最大程度减少不利的溶液泄漏。上面引用的美国专利5,936,178公开了许多可能的增稠剂。在本发明的材料中，优选的增稠剂包括羟乙基纤维素
Figure BDA0002988928540000031
黄原胶、氧化铝
Figure BDA0002988928540000032
和气相法二氧化硅
Figure BDA0002988928540000033
这些增稠剂具有高分子量，以低浓度添加，因而它们对上述设备的相对湿度控制仅有最小影响，同时大大增加溶液的黏度。
在一些实施方式中，本发明的湿度控制溶液或体系加入聚合物膜形成的小袋中，所述聚合物膜是透气的，因而它们会传输湿气，但会装住溶液而不会漏液。水蒸气的传输用水蒸气通过率(WVTR)度量，表示为标准测试条件下每24小时通过100平方英寸材料的水的克数。它随所用膜的类型和膜的厚度变化。当然，传输的总湿气也取决于指定应用中接触湿度控制溶液的膜的面积。研究表明，约10克水/100平方英寸/24小时的WVTR为本发明的设备提供了良好结果。可采用的包装膜材料包括聚氯乙烯、聚乙烯纤维
Figure BDA0002988928540000034
赛璐酚、聚碳酸酯、薄聚烯烃、定向聚苯乙烯、聚碳氟化合物或聚酯，如层压到合适的基材如纸上的弹性体
Figure BDA0002988928540000035
小袋可包含聚酰胺尼龙膜如
Figure BDA0002988928540000036
苯乙烯-丁二烯共聚物如
Figure BDA0002988928540000037
纤维素乙酸酯，聚对苯二甲酸乙二酯
Figure BDA0002988928540000038
乙烯-乙酸乙烯酯或乙烯-乙烯醇共聚物。
然而，相对湿度控制设备不限于聚合物膜小袋。既能传输水蒸气又能保持液体的任何容器或材料都能为本发明的湿度控制溶液提供合适的容器。
本发明的一个方面是，湿度控制设备既能添加又能除去储存容器气氛中的水蒸气，使控制设备中湿度控制溶液的水活度与储存容器的周围气氛达到平衡。溶质的具体选择决定了具体设备或小袋的aw或RH“设定点”。指定的储存容器中可采用多个小袋。上述设备可具有相同或不同的尺寸或容量和设定点。尽管10g水蒸气/100in2/24小时的VTR提供了良好的结果，可采用1-25g水蒸气/24小时的通用范围。指定设备的RH设定点和WVTR均取决于湿度控制溶液的组成与包装膜的组成和厚度的组合。
附图说明
在附图中：
图1描绘了根据本发明用于湿度控制的典型的小袋；以及
图2描绘了将多个图1所示的小袋置于装有吉他的吉他盒里。
发明详述
以下详细描述本发明一个或多个实施方式的详述部分通过示例的方式提供，并不意味着对发明范围的限制，因为本领域技术人员可以想到其他的组合和变化形式，它们也落在本发明构思的范围内。
本发明包含湿度控制设备，其包括具有壁的聚合物膜小袋，所述壁充分透气，允许水以水蒸气的形式迁移通过所述膜，同时又足够厚且不渗液，以防液体漏出。一些优选实施方式采用水性湿度控制溶液，其包括与乙酸钾或乳酸钠和增稠剂组合的甲酸钠，该增稠剂例如是二氧化硅、羟乙基纤维素、氧化铝或黄原胶。所述溶液可包含过量溶质，即甲酸钠、乙酸钾或乳酸钠，以增加所述设备从周围除去水蒸气的能力。
所述聚合物膜小袋可制成为保持所需量的溶液所需要的任何尺寸或形状，该所需量的溶液能够稳定要控制的环境的湿度。例如，维持吉他盒内湿度的典型设备是可渗透水蒸气的枕状聚合物小袋，小袋中装有约70克控制溶液。这种小袋示于图1，标记为30。可采用更大的小袋或多个小袋来控制较大空间的湿度，如用于陈列或储存艺术品或博物馆文物的玻璃箱或金属箱。
本发明的小袋可由能容纳溶液但具有充分的湿气通过率的任何聚合物材料制成。诸如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺如尼龙、赛璐酚、乙烯-乙酸乙烯酯和聚酯如聚对苯二甲酸乙二酯或
Figure BDA0002988928540000051
的材料已得到成功应用。优选的包装材料包含以商标
Figure BDA0002988928540000052
销售的热塑性聚酯弹性体。
上述小袋材料的水蒸气通过率的优选范围是这样的范围：在小于10％相对湿度的气氛中，在24小时的时间里，传出的湿气约为初始包装内容物总重的1％-40％；而在大于85％相对湿度的气氛中，在24小时的时间里，所述小袋吸收的湿气约为初始包装内容物总重的1％-40％。最优选的是，所述小袋材料是这样一种材料：分别在10％相对湿度和85％相对湿度的气氛中，在24小时的时间里，传出和吸收的水蒸气约为初始包装内容物总重的1％-50％。
优选的可渗透水蒸气的小袋材料包括含有聚合物材料的小袋，所述聚合物材料是例如聚酯、
Figure BDA0002988928540000053
聚氯乙烯、聚碳氟化合物、尼龙、聚乳酸酯、聚乙烯-乙烯醇、聚乙烯-乙酸乙烯酯、聚苯乙烯、聚乙烯、
Figure BDA0002988928540000054
聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚合物的组合，或者能透过水蒸气但不能透过液态水的类似材料。符合基本标准的任何材料都可采用。可根据需要透过水蒸气并阻挡液体的任何贮器均可采用。此外，湿气控制系统、密封小袋可装在可渗透水蒸气的第二(外)小袋、包或其他容器中，目的是在主小袋泄漏的情况下提供后备保护。
根据要控制的环境的湿度，本发明所公开的溶液可包含15％-55％的水。利用甲酸钠、乳酸钠和乙酸钾获得最佳湿度控制，一些制剂可包含过量的这些组分，通常是晶体形式。虽然增稠剂不是控制湿度所需要或能发挥作用的，但湿度控制溶液可以增稠，以改善加工并最大程度减少泄漏危险。尽管可以采用不同的增稠剂，但优选
Figure BDA0002988928540000055
200(Eronik)形式的亲水性气相法二氧化硅和耐盐水的黄原胶(
Figure BDA0002988928540000056
3M)。黄原胶的用量范围是0.2％-0.7％，Aerosil用量是约2.5％，以获得约500-7000厘泊范围的所需黏度。
对于湿度控制组合物而言，许多组合物的另一个缺点涉及放气，或者形成痕量气体，如硫化氢、氧化硫、挥发性酸或氮氧化物，随着时间的过去，它们会腐蚀湿度控制设备要保护的物品中的部件，如金属或织物。工业中有一项标准测试叫做欧迪(Oddy)测试，它在60℃的温度下将铅、铜和银暴露于湿度控制系统28天。任何有害的放气会腐蚀这些金属中的一种或多种，使得相应的湿度控制设备对于许多应用而言不可接受。本发明的湿度控制设备没有此缺陷，因为它们能够通过欧迪测试，对典型的使用环境相当温和。
因此，用于湿气控制系统的优选材料包括一种水溶液，其含有选自甲酸钠和甲酸钾的盐以及一种或多种另外的组分，所述另外的组分选自乳酸钠、乳酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸钾、乙酸钠和乙酸钾。
该溶液的pH可用常用的酸或碱调节，例如但不限于柠檬酸、乙酸、甲酸、磷酸盐、氢氧化钠或氢氧化钾。优选的pH范围是约6.5-9.5。
较佳的但非必须的是，湿度控制溶液用黏度控制剂增稠，所述黏度控制剂选自但不限于诸如二氧化硅、氧化铝、化学改性的纤维素和黄原胶之类的物质。活性炭也可添加到湿度控制溶液中。
操作
在使用中，本发明的湿度控制设备可放入装有要通过控制湿度来保护的物品的密封盒或其他类似地方。例如，如图2所示，可将一个或多个小袋30放入装有乐器50的吉他盒或小提琴盒40中。类似的，可将一个或多个小袋放入内含艺术品或博物馆文物的密封橱内。从理论上讲，倘若小袋的尺寸合适，并且橱或盒密封完好，则肯定能维持受控湿度。然而，实际环境达不到理想状态，盒和橱易于泄漏，而且可能时不时打开。因此，指定的小袋会获取水或失去水，使贵重物品凸起，直到小袋获取或失去的水超过其传湿量。此极限容易通过测量盒或橱内的相对湿度或者小袋的重量变化来确定。
将湿度控制小袋装入要控制的环境的优选方法是将其置于
Figure BDA0002988928540000061
或类似材料制成的大袋(bag)内，这种材料能够截住任何可能的溶液泄漏，但能方便地转移水蒸气。
实施例
实施例1
在本发明的一个优选的实施方式中，包含乙酸钾的甲酸钠饱和水溶液制备如下：将470克甲酸钠加入355克水和170克含50％乙酸钾和50％水(重量)的乙酸钾溶液，将黄原胶Danisco SM(3克)分散到所得混合物中。将此混合物加热至160°F(71.1℃)，然后冷却至120°F(48.9℃)。将此溶液注入由纸质基材上的
Figure BDA0002988928540000071
膜(杜邦公司)(厚1.5x10-3英寸)构成的小袋中。pH为8.9，相对湿度为53％(水活度为0.53)。当置于吉他盒里的干燥气氛(10％RH)中时，在达到40％RH限度之前，此设备释放32％溶液重量的湿气。当置于湿润气氛(85％RH)中时，在达到60％RH(0.60水活度)的上限之前，此溶液吸收湿气的量为小袋内容物重量的15％。这些结果是非常令人满意的；在多个高湿和低湿条件下测试时，装有70克此溶液的小袋能够将装有吉他的吉他盒里的所需湿度维持数月。此湿度控制系统还通过了欧迪放气性能测试。
实施例1A
包含乙酸钾的甲酸钠饱和水溶液制备如下：将470克甲酸钠加入355克水和170克乙酸钾溶液(50％水)，如实施例1所述。将此混合物加热到100°F(37.8℃)，加入35克
Figure BDA0002988928540000072
200亲水性气相法二氧化硅(Eronik)，并充分混合。pH为7.2，湿度为52％(水活度为0.52)。当暴露于同等的环境条件时，此制剂释放和吸收水的特性类似于实施例1。此湿度控制系统也通过了欧迪放气性能测试。
实施例1B
除了加入60克氧化铝(
Figure BDA0002988928540000073
Alu 130)气相法氧化铝(Eronik)代替
Figure BDA0002988928540000074
外，完全如实施例1A所述制备包含乙酸钾的甲酸钠饱和水溶液。pH为8.7，水活度为0.52。此溶液的性能基本上与实施例1A相同。此湿度控制系统通过了欧迪放气性能测试。
实施例2
包含乳酸钠的甲酸钠饱和水溶液制备如下：将470克甲酸钠、125克60％乳酸钠溶液(40％水)(重量)和5克黄原胶加入400克水中。在连续混合的过程中，将此混合物加热至160°F(71.1℃)。此溶液的pH为8.2，水活度为0.54。在达到0.43水活度的下限之前，此溶液的传湿量为初始溶液重量的36％；直至达到60％RH(0.60水活度)，它在高湿环境中获得12％溶液重量。当置于吉他盒里时，三个70克小袋将盒内的相对湿度维持三个月以上。此湿度控制系统也通过了欧迪放气性能测试。
实施例3
包含柠檬酸钾的甲酸钠饱和水溶液制备如下：将430克甲酸钠和142克一水合柠檬酸三钾加入430克水中。初始水活度为0.53，pH为8.3。研究显示，在低湿环境(10％RH)中，在达到0.40的水活度之前，基于初始溶液的重量，此溶液失去35％的水。
实施例4
控制高湿环境的制剂
包含乳酸钠的甲酸钠饱和水溶液制备如下：将400克甲酸钠加入300克60％乳酸钠(40％水)(重量)中。此混合物包含显著过量的甲酸钠晶体。该溶液的水活度为0.44，pH为7.8。当此溶液暴露于大于85％RH的气氛时，在达到60％相对湿度(0.60的水活度)的上限之前，基于溶液重量，此溶液获得58％的水。此湿度控制系统也通过了欧迪放气性能测试。
实施例5
控制高湿环境的制剂
包含乙酸钾的甲酸钠饱和水溶液制备如下：将150克甲酸钠加入290克50％乙酸钾水溶液中。水活度显示为0.38，pH为9.07。在达到0.60的水活度之前，基于初始混合物重量，此包含过量晶体的溶液获得45％的水。此湿度控制系统也通过了欧迪放气性能测试。
本文已经相当详细地描述了本发明，其目的是与专利法规相符，并为本领域技术人员应用所述创新原则以及根据需要构建和利用实施例的各种实施方式提供所需的信息。但应当理解，本发明可通过具体不同的设备实施，各种改进形式可以在不偏离本发明自身范围的情况下完成。

Claims (25)

1.一种用于封闭环境的湿度控制设备，用来将所述封闭环境中的相对湿度维持在40％-60％的通用范围内，所述设备包含：
(a)由可渗透水蒸气但不渗透液态溶液的薄壁聚合物材料形成的小袋；
(b)密封在所述小袋内的包含饱和水性盐溶液的湿度控制溶液，所述饱和水性盐溶液包含一定量选自甲酸钠和甲酸钾及其组合的碱金属甲酸盐，其中所述盐溶液包含约30％-90％的盐；以及
(c)其中所述小袋具有这样的水蒸气渗透性：当暴露于相对湿度小于10％的气氛时，所述小袋在24小时的时间里传出水蒸气的传湿量至少约为初始小袋内容物重量的1％-50％；当暴露于相对湿度大于85％的气氛时，吸收水蒸气的传湿量至少约为初始小袋内容物重量的1％-50％。
2.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液还包含含有一种或多种选自下组的盐的水溶液：乳酸钠、乳酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸钾、乙酸钠和乙酸钾。
3.如权利要求2所述的湿度控制设备，其特征在于，所述碱金属甲酸盐是甲酸钠。
4.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液用一定量的一种或多种相容性黏度控制剂增稠。
5.如权利要求3所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液用一定量的一种或多种相容性黏度控制剂增稠。
6.如权利要求4所述的湿度控制设备，其特征在于，所述一种或多种黏度控制剂选自下组：二氧化硅、氧化铝、化学改性的纤维素和黄原胶。
7.如权利要求5所述的湿度控制设备，其特征在于，所述一种或多种黏度控制剂选自下组：二氧化硅、氧化铝、化学改性的纤维素和黄原胶。
8.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述设备通过欧迪放气测试合格。
9.如权利要求5所述的湿度控制设备，其特征在于，所述设备通过欧迪放气测试合格。
10.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液包含一定量的活性炭。
11.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液包含含有一定量乙酸钾的甲酸钠水溶液。
12.如权利要求11所述的湿度控制设备，其特征在于，所述甲酸钠水溶液是饱和的。
13.如权利要求12所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制设备还包含一定量的黄原胶。
14.如权利要求12所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制设备还包含一定量的氧化铝。
15.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液包含含有一定量乳酸钠的甲酸钠饱和水溶液。
16.如权利要求15所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液包含过量的甲酸钠晶体。
17.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液包含含有一定量乙酸钾的甲酸钠饱和水溶液。
18.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液的pH在约6.5-9.5的范围内。
19.如权利要求18所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制溶液的pH通过加入一定量选自下组的酸或碱来调节：柠檬酸、乳酸、甲酸、磷酸、磷酸盐、氢氧化钠或氢氧化钾。
20.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述小袋的所述聚合物材料选自下组：聚酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚氟代烃、聚乳酸酯、聚乙烯-氯乙烯、聚烯烃、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、苯乙烯-丁二烯共聚物及其组合。
21.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制设备还包含用来容纳所述小袋的可渗透水蒸气的外小袋，用来进一步防止泄漏。
22.如权利要求1所述的湿度控制设备，其特征在于，所述湿度控制设备还包含用来容纳所述小袋的大袋。
23.如权利要求20所述的湿度控制设备，其特征在于，所述小袋的所述聚合物材料包含聚酯。
24.一种控制封闭环境中的相对湿度的方法，所述方法包括：将一个或多个如权利要求1所述的湿度控制设备放入所述封闭环境，并定时监测该环境中的相对湿度。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法包括监测所述一个或多个湿度控制设备的重量。
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