電氣石礦物在陶瓷材料中的應(yīng)用及作用機(jī)理5

1、電氣石礦物在陶瓷材料中的應(yīng)用及作用機(jī)理摘要：電氣石是一種重要的環(huán)境功能礦物材料，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電氣石周圍存 在靜電場，永發(fā)性自發(fā)極化效應(yīng)使其具有熱電性、壓電性、天然電極性、輻射紅外線，釋放 負(fù)離子等性能。將電氣石加入陶瓷材料中，使陶瓷具有更多的功能屬性，對環(huán)境和人體健康 都有著重要意義。關(guān)鍵詞：電氣石，陶瓷材料，應(yīng)用，作用機(jī)理The application and mechanism of action of T ourmalineMineral Material in Ceramic MaterialAbstract： Tourmaline is an important env

2、ironmental functional material ,It is widely used in many filed.The effects of pemanent spontaneous polarization make it have pyroelectricity, piezoelect ricity,nature electrode and infrared radiation,the release of negative ions and so on. Ceramic materials with tourmaline have more of the function

3、al properties.It play an important role in environmental conservation and human healthy.Keyword:tourmaline, ceramic materials, use , mechanism of action1電氣石研究表明，電氣石在無源條件下可產(chǎn)生負(fù)離子，遠(yuǎn)紅外發(fā)射率可達(dá)到0.93。電氣石的 自發(fā)極化效應(yīng)及靜電場效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)與研究，使其遠(yuǎn)紅外輻射、吸附效應(yīng)、釋放負(fù)離子、生物 電性等特性在醫(yī)藥、化工、保健、輕工、航天、環(huán)保等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1.1電氣石的晶體結(jié)構(gòu)特征電氣石（t ourmaline

4、）是一種含硼的帶有附加陰離子的環(huán)狀硅酸鹽礦物。其成分富含揮發(fā) 組分硼和水，與氣相成因作用有關(guān)，多產(chǎn)于偉晶巖及氣成熱液礦床中，在變質(zhì)巖和變質(zhì)礦床 中亦有產(chǎn)出。其化學(xué)成分十分復(fù)雜，化學(xué)通式為：WX Y（BO）Si OJOH，F(xiàn)），其中W=Na， 8 63 36184K，Ca，Li，F(xiàn)e，Al； Y=V，F(xiàn)e，Cr，Al。晶體結(jié)構(gòu)屬三方晶系，空間群為：R3m-C3。其 結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)中存在著兩類八面體位置，分別為Z和稍大一點(diǎn)但有些扭曲的Y八 面體位置；X 位可由Ca2+或Na+占據(jù)；Y位由Mg2+和Fe2+（AE+、Li+）或Fe3+（還包括Mn、 Cr、V和Ti）占據(jù)；Al3+、Fe3+或

5、Cr3+則可占據(jù)Z位，B為三次配位，沒有明顯替代；Si4+ 位于四面體位置，可有部分Al3+替代Si4+。硼與氧成三次配位，組成平面三角形。在硅氧 四面體復(fù)三方環(huán)上的空隙中有配位數(shù)為9的W陽離子分布NS天然電氣石復(fù)雜的結(jié)晶學(xué) 結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，豐富的類質(zhì)同象替代和晶格缺陷是電氣石具有強(qiáng)紅外輻射、自發(fā)極化、釋 放負(fù)離子等特性的主要原因。電氣石的微觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1電氣石的晶體結(jié)構(gòu)（a.Si6O18六元環(huán)；b，BO3三元環(huán)；C.YO6八面體;d.電氣石在（0001）面上的結(jié)構(gòu)投影圖；e.電氣石的微觀結(jié)構(gòu)圖）1.2電氣石的性質(zhì) 1.2.1自發(fā)極化效應(yīng)電氣石能夠永久地在一端產(chǎn)生正電極，而在另一

6、端產(chǎn)生負(fù)電極，這與一般誘電體只有放 入電場才會產(chǎn)生電極化不同，電氣石不放入電場中，礦石本身也有電極化產(chǎn)生，其電極不受 外界電場影響。電氣石的正電極可以吸收負(fù)離子，并通過自身把電荷輸送到負(fù)電極，這些電 荷和負(fù)電極自身又產(chǎn)生的負(fù)離子釋放出來，源源不斷地從晶體外沿著電力線傳到正電極，形 成了循環(huán)不息的電場，就像磁鐵的磁極一樣，有自發(fā)的磁場存在3L電氣石微粒電極的電場 強(qiáng)度大約為107V/m。靜電場隨著遠(yuǎn)離中心迅速減弱，可按如下公式計(jì)算：Er=（2/3）E0（a/r）3, a為電氣石微粒半徑，r為距中心的距離。研究表明，在電氣石表面厚度十幾微米范圍內(nèi)存 在107（最高值）10W/m的高電場。當(dāng)在電氣石

7、表面或周圍有自由電子存在的時(shí)候，自由電 子將會被電氣石的陽極迅速吸引并牢固的捕獲，使自由電子喪失自由運(yùn)動的能力。電氣石自發(fā)極化現(xiàn)象的產(chǎn)生是晶體中有非中心對稱單向極軸的緣故，在結(jié)晶學(xué)構(gòu)造上存 在著未成鍵的孤對電子和游離的正離子，而使晶體結(jié)構(gòu)上的正負(fù)極性中心不重合產(chǎn)生永久 電極性，永久電極性的存在又使晶胞周圍聚集了一定量浮動異極性電荷，在溫度和壓力變化 時(shí)，晶體內(nèi)部的能量和結(jié)構(gòu)位置發(fā)生了變化，異極性電荷很容易脫離原位而使正負(fù)電荷重新 分布，整個(gè)晶體偶極矩發(fā)生變化而強(qiáng)化了自發(fā)電場強(qiáng)度，從而導(dǎo)致了自發(fā)極化效應(yīng)產(chǎn)生。 1.2.2熱釋電性由于溫度的變化，熱釋電晶體和壓電陶瓷等會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的電荷中心相對位移

8、，使它們 的自發(fā)極化強(qiáng)度發(fā)生變化，從而在它們的兩端產(chǎn)生異號的束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效 應(yīng)，具有這種性質(zhì)的材料稱為熱釋電體。晶體只有存在單極化軸時(shí)，方有可能在這一方向上發(fā)生與其它方向程度不同的應(yīng)變，使 晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)正負(fù)電荷中心發(fā)生不同程度的相對位移，引起非極性晶體中出現(xiàn)了電矩（極化）或 極性晶體中電矩加大（或減少），表現(xiàn)為晶體表面從不顯電性到顯示電性或所呈現(xiàn)的電性加強(qiáng) （或減弱），也就是呈現(xiàn)出熱釋電效應(yīng)5問。晶體的熱釋電效應(yīng)與結(jié)構(gòu)和成分密切相關(guān)。根據(jù)理 論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電氣石為3m點(diǎn)群，有一個(gè)三次軸和3個(gè)互成120的二次軸，晶體的c 軸與三次軸平行，3個(gè)a軸與3個(gè)二次軸平行。當(dāng)溫度變化時(shí)，

9、電氣石晶體在沿其三次軸 L3的兩端便產(chǎn)生數(shù)量相等、符號相反的電荷。電氣石的熱電性是一種帶電的、不對稱的、 非簡諧性振動，熱電系數(shù)K隨溫度的升高而呈非線性增加。1.2.3壓電性壓電性是某些晶體材料按所施加的機(jī)械應(yīng)力成比例地產(chǎn)生電荷的能力。由于機(jī)械應(yīng)力的 作用而使電介質(zhì)晶體極化，并形成晶體表面電荷的效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)，反之，由于外加電 場而使晶體形變的效應(yīng)稱為反壓電效應(yīng)，正壓電效應(yīng)、反壓電效應(yīng)統(tǒng)稱壓電效應(yīng)刀。具壓電 效應(yīng)的晶體稱壓電晶體。壓電效應(yīng)現(xiàn)象由居里兄弟倆于1980年發(fā)現(xiàn)。礦物的壓電性只發(fā)生在無對稱中心，具有極性軸的各晶類的礦物中。天然電氣石單晶礦 物一般具有壓電效應(yīng)，即通過純粹的機(jī)械作用而

10、不是借助外電場的作用，使礦物晶體中的帶 電粒子發(fā)生相對位移，從而發(fā)生電極化，導(dǎo)致電氣石的兩端出現(xiàn)符號相反的表面束縛電荷， 這些電荷密度往往與外力成比例關(guān)系圓。1.2.4發(fā)射遠(yuǎn)紅外線電氣石是一種對人體健康非常有益的遠(yuǎn)紅外線發(fā)射材料，具有偶極距，當(dāng)它們做熱運(yùn)動 時(shí)，相應(yīng)的偶極距發(fā)生變化，即熱運(yùn)動使極性分子激發(fā)到更高的能級，當(dāng)它們向下躍遷時(shí)把 多余的能量以電磁波的方式放出卬】。人體吸收遠(yuǎn)紅外線最佳波長為9.6p m，而電氣石具有 放射418 p m波長的遠(yuǎn)紅外線的特性no】。經(jīng)過硝酸鈰修飾過的電氣石遠(yuǎn)紅外線發(fā)射 會提高，當(dāng)鈰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，600 C下焙燒3 h后，電氣石的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率最高能達(dá)到

11、94% el1.2.5釋放負(fù)離子負(fù)離子是離子化空氣的重要成分，對人類和生物有著很重要的作用，被人們稱為空氣的 維生素和生長素。在靜電場的作用下，水分子發(fā)生電解，形成H+和OH-，H+和水分子結(jié)合 形成活性分子h3o+，活性分子具有極強(qiáng)的界面活性，可以吸引水中的雜質(zhì)、污垢，起到凈 化水源的作用；OH-和水分子結(jié)合形成負(fù)離子(H3O2)-，可以增加空氣中的負(fù)離子數(shù)，改善人 們的生活環(huán)境mL由于電氣石具有壓電性和熱釋電效應(yīng)，因此在溫度、壓力變化的情況下即能引起電氣石 晶體的電勢差，使周圍的空氣發(fā)生電離，被擊中的電子附著于鄰近的水和氧分子并使它轉(zhuǎn)化 為空氣負(fù)離子，即負(fù)氧離子。電氣石的電場強(qiáng)弱可用電極化

12、強(qiáng)度來評價(jià)，電極化強(qiáng)度越大，產(chǎn)生負(fù)離子的能力就越強(qiáng) mL電氣石的天然電場對空氣中的水分子產(chǎn)生微弱的電解作用，方程式為：4H2O+2e2H3O2-+H2 T ，(H3O2)-即負(fù)離子2電氣石在陶瓷材料中的應(yīng)用由于電氣石礦物的特性，將其加入陶瓷材料中，使陶瓷材料具有更多的功能屬性，對人 體和環(huán)境都有重要的作用。2.1遠(yuǎn)紅外陶瓷將電氣石礦物粉體加入陶瓷材料中，使陶瓷粉體具有遠(yuǎn)紅外性能，稱為遠(yuǎn)紅外陶瓷粉 體。遠(yuǎn)紅外陶瓷粉主要有低溫應(yīng)用型和高溫應(yīng)用型。低溫(常溫)型遠(yuǎn)紅外陶瓷粉在室溫附 近(2050 C)能輻射出315p m波長的遠(yuǎn)紅外線，由于此波段與人體紅外吸收譜匹配完 美,故成為“生命熱線”或“生理

13、熱線” 14 。日本的Nakagaki、ojiro、Hayakawa、Haruo研制出遠(yuǎn)紅外浴缸15 ，在浴缸表面涂有 含遠(yuǎn)紅外輻射材料的涂層。可以起到保健的作用。日本的Sugimoto、Mikio在研究遠(yuǎn)紅外 發(fā)生物品時(shí)指出，含有在常溫下可以發(fā)射遠(yuǎn)紅外線的顆粒或粉狀物質(zhì)，適合作為涂層涂覆在不 同物品上16。臺灣的Chou、Hsiu Fang對蜂窩狀遠(yuǎn)紅外陶瓷餐具和它的用處進(jìn)行了研究w , 這種遠(yuǎn)紅外陶瓷餐具摘要是混合遠(yuǎn)紅外陶瓷粉，用高壓擠出成型法，然后在450800 C燒結(jié)。 為了防止表面活化作用，采用SiO2作為防水保護(hù)層，這種陶瓷餐具可以設(shè)計(jì)成圓形、方形、多 邊形等各種形狀，表面可以釋放

14、紅外能量，可以使食物保鮮。通過在陶瓷釉漿中按一定比例添加電氣石等材料，使陶瓷材料的遠(yuǎn)紅外輻射率大于 89%,具有超強(qiáng)輻射遠(yuǎn)紅外線功能，取得了明顯的防污效果。遠(yuǎn)紅外陶瓷的防污機(jī)理是：遠(yuǎn) 紅外輻射減小水分子團(tuán)結(jié)構(gòu)，使油一水間界面膜強(qiáng)度增大，乳狀液穩(wěn)定性增強(qiáng)，避免油水分 離，從而使油污不易在陶瓷表面附著18。2.2負(fù)離子陶瓷2.2.1抗菌作用黃鳳萍等19通過加入負(fù)離子釋放材料電氣石和抗菌材料，可制得具有釋放負(fù)離子和抗菌雙重作用的陶瓷材料。電氣石的加入量在10%，銀系抗菌劑和TiO2抗菌劑合量大于 2%，其中銀系抗菌劑占1 /3左右，即可具有較強(qiáng)的負(fù)離子釋放和抗菌能力。而且負(fù)離子有效的 增強(qiáng)了抗菌劑的

15、抗菌能力。為了保證既具有較高的負(fù)離子釋放能力和較強(qiáng)抗菌能力，又具有 較長的使用壽命，燒結(jié)溫度選擇在10801090C較為適宜。用此方法制得的陶瓷制品具有較 高的強(qiáng)度,較低的吸水率，達(dá)到了陶瓷產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)離子釋放性能和抗菌性能不怕水的 浸泡，可廣泛應(yīng)用于公共場所和家庭環(huán)境中，維護(hù)了人民的身心健康。經(jīng)國家權(quán)威部門檢測，負(fù)離子素對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌抑菌率99%, 而且據(jù)測定，細(xì)菌大多帶正電荷，在空氣或水中，被大量H3O2-包覆或被H3O2-中和，使其 失去了增生與繁殖的條件，進(jìn)一步加強(qiáng)了抗菌、抑菌效果；同時(shí)負(fù)離子材料本身具有的遠(yuǎn)紅 外線發(fā)射能力也使靠遠(yuǎn)紅外線輻射的電磁波能量起到輔助

16、的抗菌、抑菌作用，消除各種因?qū)?人體的危害，增進(jìn)人體健康翌妲。2.2.2發(fā)生負(fù)離子人們在森林、瀑布、郊外或雨后會感到空氣清新、呼吸舒暢和輕松愉快，這是因?yàn)榭諝?中負(fù)離子顯著增多的緣故。空氣中的負(fù)離子與人體健康的關(guān)系非常密切，空氣離子是指空氣 中帶有正電荷或負(fù)電荷的離子。組成空氣的各種氣體的分子或原子，在濕度、溫度、空氣流 動的條件下，氣體分子失去外層電子，從而成為帶有正電荷的陽離子，游離的電子與另一個(gè) 中性分子結(jié)合，成為帶負(fù)電荷的陰離子。大自然形成的陰離子與陽離子在正常情況下是一種 動態(tài)平衡，即在空氣中保持一定的陰陽離子比例、小離子與大離子的比例，并保持一定的陰 離子濃度，以保證人類及地球生物

17、正常的生育和繁殖?？諝庳?fù)離子對人體健康的好處主要是： 使細(xì)胞活性化并加速新陳代謝、凈化血液、穩(wěn)定神經(jīng)系統(tǒng)，使體內(nèi)氧自由基無毒化，提高人 的免疫力20。當(dāng)空氣中的水分子進(jìn)入負(fù)離子素電場空間內(nèi)（一般為半徑1015m的球形）會立 即被永久電極電離，發(fā)生H2O f OH - +H+的反應(yīng)，由于H+移動速度很快（H+的移動速度 是OH-的1.8倍），它迅速移向永久電極的負(fù)極，吸收一個(gè)電子，變?yōu)镠2逸散到空氣中（2H+2e fH2 f ）;而OH-則與另外的水分子形成H3O2-負(fù)離子。其中H3O2-分子模型為：疏水基noo親水基、H/這種變化只要空氣濕度不為零就會不間斷地進(jìn)行，形成負(fù)離子(H3O2-)永久

18、發(fā)射功能，而不 會產(chǎn)生有毒物質(zhì)引發(fā)其它副作用。實(shí)踐證明，負(fù)離子素置于密封玻璃罐內(nèi)，隨時(shí)間變化，罐 內(nèi)氫氣(H2)分壓增加。2.2.3其他應(yīng)用由于負(fù)離子陶瓷材料具有特殊的電效應(yīng)，能與帶電離子發(fā)生反應(yīng)，吸附空氣中的細(xì)小粉 塵和凈化水質(zhì)，故可處理工廠產(chǎn)生的廢氣、廢水；凈化水質(zhì)；中和水、土壤、空氣中過多的 酸。如在普通蜂窩陶瓷通道表面燒結(jié)一層電氣石負(fù)離子陶瓷膜作為污水處理產(chǎn)品，具有價(jià) 廉物美的市場競爭優(yōu)勢，市場前景廣闊。在建筑工業(yè)中，負(fù)離子功能陶瓷粉體主要應(yīng)用于涂料和膩?zhàn)又?，其主要產(chǎn)品為內(nèi)墻涂 料和內(nèi)墻膩?zhàn)臃邸７课萃垦b該類涂料后可有效增加室內(nèi)的空氣負(fù)離子數(shù)量，改善室內(nèi)環(huán)境， 并對人體有很好的保健作用。

19、在紡織工業(yè)中，有各種含負(fù)離子材料的紡織物面料制作的衣物。穿著負(fù)離子材料處理 過的服裝，可在人體周圍形成負(fù)離子的聚集效應(yīng)，對人體起到抗菌保健的作用。3結(jié)語電氣石是一種具有重要的天然硅酸鹽礦物，由于其特殊的組成和結(jié)構(gòu)，使其具有自發(fā) 極化性、壓電性、熱電性、發(fā)射遠(yuǎn)紅外和釋放負(fù)離子等性能。將電氣石按一定工序和比例加 入陶瓷材料中，制成遠(yuǎn)紅外陶瓷和負(fù)離子陶瓷。在以后的研究中，一方面是利用電氣石的遠(yuǎn) 紅外性能開發(fā)一些科技產(chǎn)品，廣泛用于紡織(遠(yuǎn)紅外織物)、保健材料、部分建筑材料上如 遠(yuǎn)紅外涂料以及遠(yuǎn)紅外加熱等。另一方面，通過對負(fù)離子材料結(jié)構(gòu)和性能的深入研究，希望 能發(fā)現(xiàn)負(fù)離子材料新的性能，發(fā)明新的負(fù)離子陶瓷

20、材料，開發(fā)負(fù)離子陶瓷材料新的用途，從 而提升陶瓷產(chǎn)品的檔次和附加值，使其在競爭日益激烈的陶瓷行業(yè)置于不敗之地。參考文獻(xiàn)Fuat Yavuz. Tourmaline :Software package for tourmaline, tourmaline rich rocks and relatedore depositsJ. Computer &Ceosciences,1997,23(9):947-957.魏健，劉渝燕,張開永.電氣石應(yīng)用專屬性研究J.非金屬礦,2003,26(1):34-36.韓躍新，任飛，印萬忠，等電氣石晶體結(jié)構(gòu)中的化學(xué)鍵的計(jì)算J.有色礦冶,2005,21(1):12-14

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