生态环境矿物材料

(西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳621010)

本着源于自然、与自然兼容、用在自然、回归自然的原则，从生态友好材料的设计理念出发，结合材料-环境-生态-健康的理念，充分利用天然矿物材料的功能特性，仿生加工微集料元素，使其成分和功能与人居环境兼容，阐述了调节小气候环境、净化小环境、优化小环境的矿物功能材料。指出了生态环境矿物材料微集料的多功能性、复合性、复合特性和整合规律。首次提出制造功能性微集合体和生态功能性基础材料的“基因”技术和“材料芯片”技术。主要介绍了该课题组在承担国家“863”高技术计划，研制高性能室内空气净化矿物复合材料、粘土基抗菌材料、防氡辐射砌筑水泥、腻子、涂料及其复合材料、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方面的研究成果。最后，展望了矿物材料未来的发展前景。

生态功能；矿物材料；氡辐射防护；医疗保健；抗菌；储存能量。

第一作者简介:董发勤(1963-)，男，博士，教授，博士生导师。联系电话:0816 6089013；电子邮箱:fqdong2004@163.com .

一.导言

生态环保材料是指具有令人满意的性能和优良的环境协调性的材料，或能改善环境的材料。生态环境材料的研究和开发可以有效解决资源短缺和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，是构成地球表面主要物质的天然环保型矿物材料。矿物材料在环境污染控制和环境修复领域发挥着独特的作用，在污染控制的规模、成本、技术、设备、操作、效果和无二次污染等方面具有明显的特点和优势。以矿物材料为基本材料，利用其原材料的自然属性，通过超细、改性、掺杂、复合、仿生等方法对微集料基本元素进行加工，使其成分和功能与人居环境相容，使用后可重复利用或回归自然。深入系统地研究环境矿物材料的基本性质，揭示环境矿物的净化机理，开发环境矿物材料的自净功能，将进一步拓展环境矿物材料的应用领域，实现环境的生态化和可持续发展。

二、调节微气候环境的矿物功能材料

(1)加湿矿物材料

“调湿材料”的概念最早是由日本宫野和斋藤提出的。它是指不需要任何人工能源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，通过感知被调节空间内空气温度和湿度的变化，自动调节空气湿度的一种材料。可以用作调湿材料的矿物材料有很多，如硅藻土、海泡石、天然沸石、膨润土等。

天然硅藻土是一种廉价的吸附剂和干燥剂，由浮游硅藻沉积在地层中。不添加任何添加剂和粘合剂，通过简单加工即可制成各种形状的调湿材料，具有隔热、除臭、吸音等功能。海泡石也是一种很好的调湿矿物材料。10 g 200目海泡石样品可将10 L密闭容器的湿度从70%降至4%。在1972和1987中，Machinaga和Makita Shoshin分别开发了用于室内湿度调节的A型和B型沸石板。目前，我们正在利用粘土矿物的天然功能特性，通过特殊处理和不同粘土矿物混合的协同效应，开展复合调湿材料的研究，并取得了一定的成果。

(2)调温矿物材料

调温材料主要分为制冷和制热来调节温度，所以它们可以通过相变储能材料相变产生的放热或吸热来调节温度。目前相变储能材料的载体主要是天然矿物或由其发展而来的多孔材料，如沸石、多孔石墨、大孔二氧化硅、膨润土、蒙脱石等。此外，以一些矿物材料为功能基础材料，通过取代混凝土中的部分或全部骨料，可以制备调温建筑材料，如电热混凝土、电热砂浆等。

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。当相变储能材料十二醇含量接近50%时，储能基元材料仍具有良好的稳定性和良好的储能效果。在普通混凝土中添加导电功能基元材料石墨，制备导电发热混凝土。在24 V下通电100 min，最高温度达到100℃，具有较高的抗压强度。多相导电基元混凝土已获专利(ZL03117951.7。

3.用于净化微环境的矿物功能材料

(1)空气净化功能材料

粘土矿物、半导体矿物、极性矿物大多具有净化空气、改善室内生活环境的作用。以天然沸石和膨润土为载体制备的TiO2矿物复合光催化材料在太阳光照射下具有分解和脱色有机染料罗丹明B的性能。沸石在6h内的脱色率为100%，膨润土的脱色率为94%。粉碎的金红石对卤代烃、三氯乙烯和四氯乙烯有一定的降解作用，表现出良好的光催化活性。以硝酸钕、天然矿物电气石和钛酸丁酯为原料制备了电气石复合Nd-TiO 2光催化材料。在Nd-TiO 2材料中掺杂0.6%的电气石，光催化活性最好，在600℃煅烧，光催化效果更好[3]。

(2)电磁屏蔽矿物功能材料

电磁屏蔽主要用于防止高频电磁场的影响，从而有效控制电磁波从一个区域到另一个区域的辐射传播。石墨具有优异的高导电性和耐高温性，在特殊电磁环境下具有较高的电磁屏蔽效率。尖晶石和反尖晶石铁氧体在高频电磁场中具有高磁导率，在交变磁场中具有高磁各向异性，因此具有类尖晶石结构的矿物材料是一类具有发展潜力的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，磁性很强，是矿物中最强的，所以也被用作电磁屏蔽矿物的功能材料。

混凝土中加入石墨对低频电磁波的某些频段有一定的屏蔽作用，有正的增量效应。SEmax，15%石墨的单组分样品，接近9 dB效应[4]；石墨和羰基铁作为电磁屏蔽涂料的功能材料，替代部分涂料填料。在1 MHz ~ 1 MHz ~ 1.8 GHz的低频范围内，涂层的最大电磁屏蔽效能达到6.029 dB [5]。

(3)防止氡辐射的矿物材料

沸石、重晶石、石膏等。都是具有防氡辐射功能的单质材料。如果对它们进行超细改性，可以作为功能成分添加到建筑材料中，起到很好的防氡和屏蔽作用。沸石、重晶石等。都是具有防氡辐射功能的良好基础材料。

本研究通过对重晶石和沸石进行超细加工，研制出生态防氡防辐射砌体、生态防氡涂料和生态防氡防辐射砌体的水泥-腻子-涂料复合体。当单质材料掺量为20%时，用表面沉淀法测得砌筑水泥对氡的屏蔽率为60.0%，对辐射的屏蔽率为46.9%。建筑腻子对氡的屏蔽率为86.5%，对辐射的屏蔽率为48.4%。密封法生态防氡涂料的防氡率为90% ~ 99%，表面沉淀法防氡率为86.7%。生态防氡防辐射水泥腻子涂层复合砌体采用密封法防氡率为90% ~ 99%。用表面沉淀法测得对氡的屏蔽率为87.9%，对辐射的屏蔽率为50.4% [6 ~ 10]。

第四，优化微环境矿物功能材料

(1)产生负离子矿物材料

须田伊藤申请了一种可以在室内产生空气负离子的材料。在我们以电气石、纳米二氧化钛和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为1: 1，100 g粉末的空气负离子浓度可达2000个/cm3，空气分子在18 h内表面能达到饱和，并随着样品测试量的增加而表现出来。目前，课题组正在研究以稀土元素为添加剂的可释放空气负离子的涂料，并利用研制的涂料活化内墙涂料，优化室内居住环境。

(2)驱蚊和保健功能材料

雄黄是一种对有害昆虫的多功能天然驱避剂，不仅能毒杀蚊子、蟑螂、苍蝇，还能让老鼠敬而远之。硫磺还有杀灭害虫的作用。雄黄、硫磺等矿物质制成的驱蚊基元材料中，当用量为2g时，强制接触试验表明，硫磺无明显击倒作用；雄黄1 h的击倒率为0，但24 h内死亡率超过40%，雄黄还具有良好的抑菌效果，平均抑菌圈大小为40.75mm；当它与沸石和滑石复配时，其含量为2%(wB)，仍具有抗菌作用[13]。

(3)具有保健功能的矿物材料

远红外保健涂料是一种常温释放远红外的基础材料，它在常温下吸收外界热能，转换成8 ~ 15μ m的远红外线，可对生命特别是对人体产生生物效应，提高人体新陈代谢和免疫功能。

专利WO2004075986涉及一种远红外发生器，由稀有元素和电气石组成，能有效产生远红外线，可用于人体保健和取暖保暖[14]。天津硅酸盐研究所研制的远红外陶瓷粉由无机矿物、非金属氧化物和金属氧化物制成。该产品可发射波长为8 ~ 15μ m的远红外线，其法向光谱发射率在85%以上。公司还采用远红外陶瓷粉和无机矿物原料混合烧制成远红外陶粒，远红外发射率在87%以上，化学稳定性好[15]。我们以麦饭石为主要原料，以Al2O3/Fe2O3、MgO/MnO2、TiO2和ZrO2为辅助添加剂制备的麦饭石基远红外基元材料具有明显的红外热效应，在10 min时最高温升为69.6℃，红外发射率为0.91。将制备的远红外基元材料加入到涂层中，涂层的红外发射率为0.87。

(4)抗菌矿物材料

根据有效成分和特性，抗菌剂可分为生物抗菌剂、有机抗菌剂和无机抗菌剂。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、磷矿等。利用其无毒、来源广泛、价格低廉的特点和优势，开发无机抗菌剂具有很大的应用前景。

本课题组成功开发了多种多孔无机抗菌基础材料:以斜发沸石、膨润土、坡缕石和硅藻土为载体，以锌型斜发沸石抗菌剂包覆TiO2 _ 2和载铜蒙脱石抗菌剂，制备了银型、铜型和锌型多孔无机抗菌材料；以NH4 ++改性斜发沸石为载体，制备了Cu2+、Zn2+和Cu2 ++ Zn2+复合抗菌剂。以蒙脱土为载体，将Cu2+固定在载体的孔隙中，在硅酸盐层间插入具有光催化降解和自净功能的TiO2，对大肠杆菌(8099)和金黄色葡萄球菌(ATCC6538)的抑菌率为99.99% [16]。液相离子交换法制备的抗菌剂抗菌效果达到99.20%以上。用其制备的抗菌涂料在添加量为1% ~ 3%时对大肠杆菌具有良好的抗菌效果[17]。以斜发沸石为载体，控制pH值为7.0 ~ 9.0，采用干湿循环法成功制备了一种高锌含量的新型抗菌剂。锌含量为65，438+00.32%，外观为白色，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率大于99.9%。当其含量为3.0%时，锌基抗菌涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率大于99.0%。用Cu、Zn和Cu+Zn复合抗菌斜发沸石作为PP塑料填料制备的抗菌塑料，如果添加量在1% ~ 3%范围内，添加量对其物理性能影响不大，但对抗菌率影响较大。当新型锌斜发沸石抗菌剂以3%添加到PP塑料中时，抗菌率达到96.6%，抗菌效果非常好。Cu2+/Zn2+复合斜发沸石基抗菌剂具有Cu2+和Zn2+的协同抗菌作用。

动词 （verb的缩写）结论

实践证明，矿物材料通过功能特性的改性、超细化和复合化，可以被赋予更多新的功能，从而具有多重、多层次的生态环保效应和明显的经济社会效益。

参考

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矿物生态材料的研究

董法勤、杨玉山、邓月全、许、何、、冯、朱桂平

(西南科技大学材料科学与工程学院，四川绵阳621010)

文摘:根据源于自然、兼容自然、习惯自然、回归自然的原则，基于生态材料的设计理念，将材料、环境、生态、保健的理念融为一体，通过仿生学的方法加工微集料元素，充分利用天然矿物材料的性能，使这些成分和功能性能符合生活环境。本文综述了微气候生态矿物功能材料的调节、净化和优化。作者指出了生态矿物材料的多功能性、复合性、微团聚体的复合特征和整合规律，并首次提出了制造功能性微团聚体和生态功能基元材料的“基因”技术或“材料芯片”技术。介绍了国家“863”高技术项目“高效空气净化室内矿物复合材料、粘土基抗菌材料、砌筑水泥、涂料、腻子、防氡辐射复合材料、环境友好型复合功能涂料、驱蚊保健材料和沸石基储能复合材料”的研究成果。最后，探讨了矿物材料在未来新型先进生态环保材料领域的发展前景。

关键词:生态功能、矿物材料、防氡辐射、保健、抗菌、储能。