生态环境矿物材料

Question

如题所述

Answer 1

董发勤 杨玉山 邓跃全 徐光亮 何登良 王维清 冯启明 朱桂平

（西南科技大学材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

摘要 依据源于天然、兼容天然、用于自然、回归自然的准则，从生态环境友好材料的设计理念出发，把材料-环境-生态-健康的理念结合起来，充分利用天然矿物材料的功能属性，以仿生的方式加工微集料基元，使其成分、功能与人居环境协调兼容，阐述了调整微气候环境的矿物功能材料、净化微环境的矿物功能材料和优化微环境的矿物功能材料；指出了生态环境矿物材料的多功能化、复合化、微集料的复合特征与集成规律；首次提出了制造功能微集料和生态功能基元材料的“基因”技术、“材料芯片”技术。着重介绍了课题组在承担国家“863”高新计划开发的高性能居室空气净化矿物复合材料、粘土基元抗菌材料，防氡辐射砌筑水泥、腻子、涂料及其复合体，生态复合功能涂料、驱蚊保健功能材料、沸石基储能复合材料等研究成果，最后展望了矿物材料在未来新型生态环保材料中的发展前景。

关键词 生态功能；矿物材料；防氡辐射；保健；抗菌；储能。

第一作者简介：董发勤（1963—），男，博士，教授，博士生导师。电话：[phone]；E mail：[email protected]。

一、引言

生态环境材料是同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，或者是能够改善环境的材料。对生态环境材料的研究与开发可有效地解决资源短缺、环境恶化等一系列问题，促进社会经济的可持续发展。

天然矿物材料是形成自然环境的基础，是天然环境友好的构成地球表面主要物质的矿物材料。矿物材料在治理环境污染与环境修复领域中发挥着独特的作用，在污染治理的规模、成本、工艺、设备、操作、效果、无二次污染等方面具有明显的特点和优势。以矿物材料作为基元材料，利用其原料的天然属性，通过对其超细、改性、掺杂、复合及仿生的方式加工微集料基元，使其成分、功能与人居环境协调兼容，使用完毕后可重复利用或重回大自然。深入系统地研究环境矿物材料的基本性能，揭示环境矿物的净化机理，开发环境矿物材料的自净化功能，将进一步扩大环境矿物材料的应用领域，实现环境的生态化与可持续发展。

二、调整微气候环境矿物功能材料

（一）调湿矿物材料

“调湿材料”这一概念是日本宫野、西藤首先提出来的，是指不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，感应所调空间空气温湿的变化，自动调节空气湿度的材料。可以用做调湿材料的矿物材料很多，如硅藻土、海泡石、天然沸石、膨润土等。

天然硅藻土是一种价廉的吸附剂和干燥剂，是由浮游生物硅藻在地层中沉积而成的。无需任何添加剂、黏接剂，只要将其进行简单加工，就可以制成各种形状的调湿材料，并具有绝热、脱臭、吸音等作用。海泡石也是一种很好的调湿矿物材料，10 g 200目的海泡石样品可以将10 L密闭容器的湿度从70%降至4%。町长治、牧田昭信等在1972年和1987年分别研制开发出A型和B型沸石板，用于室内干湿度的调节。目前我们正利用粘土矿物的天然功能属性，通过特殊处理和不同粘土矿物混合后的协同效应，开展复合调湿材料的研究，已取得了一定的成果。

（二）调温矿物材料

调温材料主要分为制冷、制热两种手段调节温度，因此可以借助相变储能材料出现的相转换所导致的放热或吸热而起到调节温度的作用。目前相变储能材料的载体主要是一些天然矿物或利用其开发的多孔材料，如沸石、多孔石墨、大孔二氧化硅、膨润土和蒙脱石。另外，以某些矿物材料为功能基元材料，通过取代混凝土中的部分或全部骨料，可以制备出调温建筑材料，如电热混凝土、电热砂浆等。

我们以酸活化沸石为载体、十二醇为储能工质，制备了沸石基储能基元材料，在相变储能材料十二醇含量接近50%时，储能基元材料仍然具有良好的稳定性，并且储能效果较好。还通过在普通混凝土中添加导电功能基元材料石墨，制备出了导电致热混凝土，在24 V电压下通电100 min，最高温度达100℃，并具有较高的抗压强度，复相导电基元混凝土专利已被授权（ZL03117951.7 ），该专利目前正在产业化^［1，2］。

三、净化微环境矿物功能材料

（一）空气净化功能材料

大部分粘土类矿物、半导体矿物、极性矿物都具有空气净化、改善室内生活环境的功能。利用天然沸石、膨润土作载体制备的TiO₂矿物复合体光催化材料，在阳光照射下对有机染料罗丹明-B具分解脱色性能。沸石的脱色率6h达100%，膨润土的脱色率达94%。粉碎的金红石对卤代烃三氯乙烯和四氯乙烯具有一定的降解效果，表现出良好的光催化活性。我们以硝酸钕、天然矿物电气石和钛酸丁酯为原料制备的电气石复合Nd-TiO₂光催化材料，在Nd-TiO₂材料中掺入0.6%的电气石获得最好的光催化活性，600℃下煅烧光催化效果较优^［3］。

（二）电磁屏蔽矿物功能材料

电磁屏蔽主要是用来防止高频电磁场的影响，从而有效地控制电磁波从某一区域向另一区域的辐射传播。石墨具有优异的高导电性和耐高温性，在特殊的电磁环境下有很高的电磁屏蔽效能。尖晶石类和反尖晶石类铁氧体在高频电磁场中都有较高的磁导率，在交变磁场中都具有较高的磁性各向异性，故具有类尖晶石结构的矿物材料都是具有开发潜力的一类电磁屏蔽功能矿物材料。磁铁矿（Fe₃O₄）是最简单的尖晶石型铁氧体，具有强磁性，是矿物中磁性最强的，因此也被用做电磁屏蔽矿物功能材料。

在混凝土中添加石墨，对低频电磁波的某些频带产生一定的屏蔽效果，并有正增量效果，添加15%石墨的单组分样品SEmax接近9 dB效果^［4］；以石墨和羰基铁作为电磁屏蔽涂料的功能材料，替代一部分涂料填料，在1 MHz～1.8 GHz低频区域，涂料最大电磁屏蔽效能达到了6.029 dB^［5］。

（三）防氡辐射矿物材料

沸石、重晶石、石膏等都是具有防氡辐射功能的基元材料，对它们进行超细、改性，作为功能组分添加到建材中，可以对氡起到很好的防护和屏蔽效果，沸石、重晶石等都是很好的防氡防辐射功能基元材料。

我们在研究中，通过对重晶石、沸石等进行超细加工，以其为功能基元材料，开发出了生态防氡防辐射砌筑水泥、生态防氡涂料、生态防氡辐射砌筑水泥-腻子-涂料复合体。在基元材料添加量为20%的情况下，采用表面析出法测出砌筑水泥对氡的屏蔽率为60.0%，对放射线的屏蔽率为46.9%；建筑腻子对氡的屏蔽率为86.5%，对放射线的屏蔽率为48.4%。采用密封法检测生态防氡涂料防氡率为90%～99%，采用表面析出法防氡率为86.7%；采用密封法检测生态防氡防辐射砌筑水泥-腻子-涂料复合体的防氡率为90%～99%；采用表面析出法检测出对氡的屏蔽率为87.9%，对辐射屏蔽率为50.4%^［6～10］。

四、优化微环境矿物功能材料

（一）产生负离子矿物材料

Suda Kiyoshi申请了一种能够在室内产生空气负离子的材料^［9］。我们以电气石、纳米二氧化钛及四种镧系稀土氧化物为原料试制的空气负离子保健基元材料中，电气石和二氧化铈的最佳复合比例是1∶1，100 g粉体空气负离子浓度可达2000个/cm³，在18 h内表面能量对空气分子的离解达到饱和，且随样品测试试量的增加呈递减关系^［12］。目前课题组正对以稀土元素为添加剂制备的能够释放空气负离子的涂料进行研究，在应用中利用研制的涂料激活内墙涂料，优化室内生活环境。

（二）驱蚊保健功能材料

雄黄是多功能的有害昆虫天然驱避剂，不但毒杀蚊、蟑螂、苍蝇，而且连老鼠也敬而远之。硫磺也具有驱杀害虫的功能。在用雄黄、硫磺等矿物制备的驱蚊基元材料中，药量为2g时，经强迫接触实验，硫磺没有明显的击倒效果；雄黄1 h内击倒率为0，但24 h内死亡率达40%以上。雄黄还具有较好的抗菌效果，平均抑菌圈大小为40.75mm；在与沸石、滑石复合时，含量为2%（w_B）仍具有抗菌效果^［13］。

（三）保健功能矿物材料

远红外保健涂料是在涂料中掺入的常温远红外释放基元材料，在常温下吸收外部的热能，并将其转换为8～15μm的远红外线，它对生命体，尤其是对人体能起到生物效应，提高人体的新陈代谢和免疫功能。

在专利WO2004075986中涉及了一种远红外发生器，它由稀有元素和电气石组合而成，能够有效地产生远红外线，可以用于人体保健和加热保暖^［14］。天津市硅酸盐研究所研制的远红外陶瓷粉是用无机矿物、非金属氧化物和金属氧化物制造而成的，该产品能集中发射波长为8～15μm的远红外线，其法向光谱比辐射率达到85%以上。该公司还利用远红外陶瓷粉和无机矿物原料混合后烧制而成远红外陶粒，远红外辐射率达87%以上，化学稳定性良好^［15］。我们以麦饭石为主要原料，Al₂O₃/Fe₂O₃、MgO/MnO₂、TiO₂、ZrO₂为辅助添加剂制备的麦饭石基远红外基元材料的红外热效应明显，10 min的温升最大值达到69.6℃，红外辐射率为0.91。将制备的远红外基元材料加入到涂料中，涂料红外发射率为0.87。

（四）抗菌矿物材料

根据有效成分和特征，抗菌剂分为生物抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂三大类。抗菌剂的载体材料主要是无机多孔材料，常见的有硅酸盐多孔矿物，如沸石、蛭石、蒙脱石、坡缕石、硅藻土、硅胶、磷酸盐岩等。利用它们无毒无害、来源广、价格低等特点和优势，开发无机抗菌剂具有巨大的应用前景。

本课题组成功地开发了多种多孔无机抗菌基元材料：分别以斜发沸石、膨润土、坡缕石、硅藻土作为载体制备了银型、铜型、锌型多孔无机抗菌材料，TiO₂包覆锌型斜发沸石抗菌剂，载铜型蒙脱石抗菌剂；以NH^4＋改型斜发沸石为载体，制备了Cu^2＋型、Zn^2＋型及Cu^2＋＋Zn^2＋复合型抗菌剂。以蒙脱石为载体，将Cu^2＋固载到载体的孔道中，同时将具有光催化降解自净化功能的TiO₂插入到硅酸盐的层间，得到了对大肠杆菌（8099）和金黄色葡萄球菌（ATCC6538）的抗菌率为99.99%^［16］。采用液相离子交换法制备的抗菌剂，其抗菌效果达到99.20%以上。用其配置的抗菌涂料，添加量为1%～3%时对大肠杆菌都有较好的抗菌效果^［17］。以天然矿物斜发沸石为载体，控制pH值为7.0～9.0，用干湿循环法成功地制备了一种高载锌量的新型抗菌剂，载锌量为10.32%，外观呈白色，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均大于99.9%。其含量为3.0 %时，锌型抗菌涂料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率均大于99.0%。以Cu、Zn及Cu＋Zn复合型抗菌斜发沸石作PP塑料填料制备的抗菌塑料，若添加量在1%～3%的范围内，添加量对其物理性质影响较小，但对抗菌率影响较大，其中新锌型斜发沸石抗菌剂在PP塑料中添加量为3%时，抗菌率达到了96.6%，抑菌效果很好。Cu^2＋/Zn^2＋复合斜发沸石基抗菌剂中存在Cu^2＋和Zn^2＋协同抗菌效应。

五、结语

实践证明，利用矿物材料的功能属性，通过改性、超细、复合，可以赋予其更多的新功能，使其具有多元及多层次的生态环保功效和明显的经济效益、社会效益。

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A Study on Mineral Eco-materials

Dong Faqin，Yang Yushan，Deng Yuequan，Xu Guangliang，He Dengliang，Wang Weiqing，Feng Qiming，Zhu Guiping

（School of Material Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China）

Abstract：According to the principle of origination from nature，compatible with nature，used to nature and back to nature and based on conception of designing of ecomaterial，the authors combined the ideas of material，environment，ecology and healthcare into one，and processed micro-aggregate elements by means of bionics method，using fully the performances of natural mineral materials，so as to make these components and functional performances accord with living environment.In this article the adjustment of microclimate eco-mineral functional materials，their purification and optimization are reviewed.The authors pointed out the multifunctioning，compounding of ecological mineral materials，the compound characteristics and integration regularities of micro-aggregates，and firstly put forward the“gene”technique or“material chip”technique for manufacturing functional micro-aggregates and eco-functional elementary materials.The results of this research supported by the national“863”Hi-tech Project，which includes the high-efficient air purifying indoor mineral compound material，the clay elementary antibacterial materials，the masonry cement，coating，putty，compound with radon radiation preventing function，environmental friendly composite functional coatings，mosquito repellent and healthcare materials and zeolite-based energy-storing composite materials，were introduced.Finally，the development perspective of mineral materials in the field of future new advanced ecological，envoironmentfriendly materials was also discussed.

Key words：eco-function，mineral materials，prevention of radon radiation，healthcare，antibacterial，energy-storing.