电气石的环境功能属性及应用3董发勤,何登良,袁昌来(西南科技大学,四川绵阳621010)摘　要:　电气石具有永久性自发极化效应,由于电气石颗粒周围存在静电场,从而使电气石具有发射远红外线、释放负离子、电磁屏蔽和水处理等优良的环境功能属性。

本文概述了电气石的远红外、释放负离子、电磁屏蔽、水处理等环境功能属性以及当前国内外在这些领域的应用研究动态。

阐述了电气石矿物物化特性与应用之间的关系,并展望电气石的应用前景。

关键词:　电气石;环境功能性性;应用中图分类号:　TB34文献标识码:A 文章编号:100129731(2005)10214852041　引　言电气石(tourmaline)是电气石族矿物的总称,是以含硼为特征的铝、钠、铁、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物,结构式为Na(Mg、Fe、Mn、Li、Al)3Al6(Si6O18) (BO3)3(O H,F)4。

根据不同的类质同像,可分为铁电气石、镁电气石和锂电气石。

电气石晶体结构为三方晶系,对称型为L33P,晶体常呈短柱状、长柱状或针状,柱面有纵纹,横断面呈球面三角形,集合体呈针状、纤维状或放射状,有时呈粒状或隐晶质块状,颜色随成分而异,有黑色(含Fe)、红色(富含Mn、Li、Cs)、褐黄色(含Cr),无色透明的少见;玻璃光泽,硬度7～7.5,无解理,密度2.9～3.5g/cm3,具有热电性与压电性[1]。

电气石作为一种新型的工业矿物,在环保、电子、医药、化工、轻工、建材等领域,由于矿物独特的性质及产品的高附加值,受到世界各国的普遍重视。

2　电气石的自发极化效应1989年,日本学者Kubo发现并提出电气石具有永久性自发极化效应[2]。

电气石晶体在沿其三次对称轴的两端会积聚一定量的异性电荷,产生异性两极; Voigt检测了室温下电气石晶体的自发极化值,得到P s=0.011MC/cm2。

一般认为,极化电荷的产生是由电气石具有的热电性和压电性引起的。

当电气石晶体所处环境温度与压力变化时,晶体中带电粒子之间发生相对位移,正负电荷中心发生分离,晶体的总电矩发生变化,从而导致极化电荷产生。

电气石的自发极化效应表现为,在电气石晶体周围存在着以c轴轴面为两极的静电场,场强E0=P s/2ε0,据Voigt给出的P s 值,得到E0=6.2×106V/m。

当电气石晶粒很小时,电气石微粒的作用相当于一电偶极子,由于正负电荷作用相互抵消,在平行于c轴方向电场强度最大,静电场随着远离中心迅速减弱:E r=23E0ar3 a为电气石微粒半径,r为测点距中心的距离。

由此可知,在电气石表面十几微米范围内存在10～104V/m的高场强。

电气石的自发极化效应是永久性的,与其结构和成分密切相关。

电气石晶体结构由[Si6O18]复三方环、[BO3]三角、[X2O5(O H)]三重八面体组成(X为Fe2+、Mg2+、Al3+、Li+、Fe3+、Mn2+)。

构成[Si6O18]复三方环的6个硅氧四面体,角顶指向同一方向,被解释为其极性存在的本质原因[3]。

3　电气石环境功能属性及应用电气石作为环境功能材料已得到国内外环境科学界的公认,在日本、美国、韩国、中国等国家,电气石用于居室等小环境的改善已实现了产业化[4]。

研究证明:由于自极化效应使得电气石具有一些环境功能属性如在无源条件下可产生负离子;具有远红外发射功能发射率可达0.93;电磁屏蔽功能;调节水的p H值至中性;活化水分子等[5]。

这些环境功能属性使得电气石具有广泛的应用。

3.1　电气石的红外辐射功能及应用红外线是电子波谱的一部分,其波长为0.76～1000μm,介于可见光与微波之间。

按波长不同又分为近红外(0.76～1.50μm)、中红外(1.5～5.6μm)、远红外(8～14μm)和超远红外(15～1000μm)。

如前所述,电气石同时具有显著的压电性与热电性,即使在常温下,一旦环境压力或温度发生微弱变化,其内部分子振动增强,偶极矩发生变化,即热运动使极性分子激发到更高的能级,当它向下跃迁至较低能级时,就以发射电磁波的方式释放多余的能量,其余的能量以光子形式被带走。

因此,电气石向外界发射电磁波的动力来自于外界环境温度与压力的变化,该过程实质上是电气石与环境之间的能量交换。

同济大学的杨如增、杨满珍等人测试了云南、湖3基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2001AA322070);教育部优秀青年教师项目“环境矿物材料与工程”资助项目(2002383)收到初稿日期:2005203201收到修改稿日期:2005205208 通讯作者:董发勤作者简介:董发勤　(1963-),男,陕西扶风人,博士、博导,长期从事环境协调材料研究。

南、内蒙古、新疆天然黑色电气石的红外辐射特性,其比辐射率值均介于0.90～0.92,好于远红外陶瓷(0.890～0.91)。

天然黑色电气石在还原性气氛条件下进行热处理后,可具有比远红外陶瓷粉料更高的红外比辐射率值,其红外辐射峰值与维恩定律具有很好的对应关系,在室温下峰值辐射波长为9.5μm左右[6]。

天然黑色电气石的强红外辐射特性已引起人们的广泛关注。

日本已利用天然黑色电气石开发出一系列科技产品,其中包括化妆品、空气净化、防辐射等产品。

日本一家公司的一项发明专利是关于电气石在人造丝纤维中的应用,即人造丝纤维中含有0.05%～2.0%,颗粒直径不超过0.3μm的电气石颗粒。

该纤维可以通过促进血液循环有效的增强人体生理机能,具体过程是将含有电气石颗粒(均匀分散在其中)的人造丝纤维溶液,纺织成纤维形状,而制得驻极体纤维[7]。

采用硅烷偶联剂对电气石进行改性试验,改性后的电气石与EVA、PP、PE等混合加工可以生产多种产品,如具有EVA树脂层的鞋袜材料、具有抗菌性能的电气石内衣等。

日本大和纺织将放射性矿石微粉与远红外微粒按一定比例混合后,经整理附着于织物上,开发了“ION INA”新产品。

这种方法使织物具有负离子和远红外双重效果,其床单产品经使用检测,证明对被检测者脑电波中的α波产生抑制,因此对一些慢性病有较好的辅助疗效。

我国台湾省工研院化工所与庆祥光波公司,利用纳米技术和光波远红外原料,共同开发出纳米远红外纺织品[8]。

在专利U S6798982中,研究人员将白云母、电气石和镧系元素混合制备成衬垫包裹在电热线周围,当电热线受热时,远红外线和空气负离子就会从电气石衬垫中不断地释放出来。

这种电气石衬垫具有广泛的用途[9]。

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,能够有效产生远红外线,可以用于人体保健和加热保暖[10]。

中国专利CN1467313中,利用电气石和纤维合成一种远红外功能纤维,电气石的质量分数为1%～8%,粒度在120～180nm之间,这种纤维具有较高的健康效应[11]。

在专利KR2002090615和KR2002067197中研究人员研制了一种含有电气石的远红外橡胶板和结晶陶瓷,这两种材料能够有效地释放远红外线,在人体保健、远红外加热方面的应用具有广阔的前景[12,13]。

我国新疆、内蒙古和云南等地发现了丰富的黑色电气石资源,虽然宝石级电气石的首饰应用已有悠久的历史,但是,对天然黑色电气石功能的开发应用还只是处在开始认识和少量生产阶段,有关电气石的红外辐射特性等功能利用与开发的理论研究远落后于实际生产。

3.2　电气石释放空气负离子功能及应用温度和压力变化引起的电气石晶体之间的电势差,能够使其周围空气中的水分子发生微弱的电解作用;4H2O电解O H→H+,氢离子由电气石电极之间的微弱电流中得到电子:2H+2e H2↑ 氢氧根离子与水分子结合形成空气负离子[14]:O H+n H2O O-H(H2O)n 根据大地测量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论,空气负离子的分子式是O2 (H2O)n,或O H—(H2O)n。

负离子的生物效应有:(1)使氧自由基无毒化;(2)使体液呈弱碱性;(3)使空气质量得到改善;(4)负离子对促进健康有直接效应;(5)负离子对人体各系统有直接生理效应;(6)负离子对疾病有辅助治疗和康复作用。

空气负离子的作用已被广大医学界所认同,除了有益人体健康之外,还具有杀菌、除尘、除臭作用[15]。

电气石释放负离子不耗能,不产生臭氧和活性氧,是理想的绿色环保材料,目前国内外对电气石的开发研究已经取得了一定的进展。

韩跃新等通过对内蒙东部黑电气石释放负离子特性研究得到以下结论:(1)黑电气石释放负离子浓度较高,块状平均最大值可达18625个/cm3、超细粉平均最大值可达25600个/cm3,黑电气石释放负离子浓度相当于海滨、瀑布、森林的负离子浓度[16]。

河北工大梁金生等人应用溶胶2凝胶技术在天然电气石矿物粉表面生成高效TiO2光催化剂,制成了具有环境净化和健康功能的新型复合材料,在电气石自身电场对TiO2晶体生长的影响下,TiO2在电气石微粒表面形成了以微孔空心球和微孔空心半球构成的微孔空心球簇结构,空心球和空心半球的平均粒径为2μm应用此种技术制得的电气石2TiO2复合薄膜具有较高的光催化活性[17]。

在一项发明专利(CN1222494A)中专门介绍了利用电气石制陶瓷球的技术。

它由电气石磨成直径为6～140μm大小的微粒,占总质量的3%～98%;粘土占总重量的97%～2%;加水搅拌后,成型干燥烧结为直径5～50mm的小球。

它可以增强饮用水活性或使空气中负离子增加,可广泛用于饮用水活性化、污水处理,农作物施喷水和净化空气各领域[18]。

在专利CN1454560中,电气石被加入到一种陶瓷水杯和餐具中,使得这种餐具能够具有电气石的功能,它能够释放空气负离子,提高水的活性,长期使用有益于人体健康[19]。

在专利U S2004060141中,0.2%～0.4%(质量分数)的Ge、0.2%～0.4%(质量分数)的Zr、0.2%～0.4%(质量分数)的Be、1%～2%(质量分数)的电气石和96.8%～98.8%(质量分数)高分子基材料制备的空气负离子刷子,这种刷子可以释放大量的空气负离子,有益于人体健康[21]。

日本富士纺织利用温泉中的天然放射性矿石(电气石),经纳米技术与聚酯纤维结合,生产出“STA IYAZ”负离子织物,经医学临床实验证明,对腰痛、肩疼、关节炎及过敏性皮炎等有显著疗效。

据日本纤研新闻报道,日本松下电器与一家矿石研究所合作,采用纳米级电气石和一种激发剂混入聚酯原液中生产出特殊涤纶,共同开发出一种在“静置”条件下能源源不断产生负氧离子的织物;日本日清纺织新推出的负氧离子产品“IONA GE”,是将放射性矿石(电气石)微粉化后,混炼加入附着在织物上;日本仓敷将放射性矿微粉与电气石粉分层附着在织物上,以提高织物的负离子化效果,生产出“HOL IC”织物,其A4纸大小的织物在空气中产生的负离子为15000个/cm3,接近森林中负离子的效果[22]。