釋放負離子功能材料的研究進展＊

趙 明 夏昌奎 彭西洋 劉位浪

（杭州諾貝爾集團有限公司 杭州 311122）

釋放負離子功能材料的研究進展＊

趙 明 夏昌奎 彭西洋 劉位浪

（杭州諾貝爾集團有限公司 杭州 311122）

建材標準JC/T 2040－2010《負離子功能建筑室內裝飾材料》的起草和實施有力地推動了釋放負離子功能材料的研究和應用。筆者介紹了負離子的來源、種類、測量技術與評價方法及其作用機理，綜述了釋放負離子功能材料的制備及應用方面的研究進展，展望了釋放負離子功能材料的發(fā)展前景。

功能材料 負離子 研究進展

前言

國家工業(yè)和信息化部分別于2010年11月22日和2011年3月1日發(fā)布和實施了建材標準JC/T 2040－2010《負離子功能建筑室內裝飾材料》，標準規(guī)定了負離子功能建筑室內裝飾材料的負離子性能測試方法、技術指標、結果處理和判定。標準從適用范圍、規(guī)范性引用文件、術語和定義、標記、一般要求和技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等方面進行了詳細規(guī)定。該標準的實施再次引起人們對釋放負離子功能材料研究的極大興趣。

在外界某種條件的作用下，呈電中性的空氣氣體分子外層電子脫離原子核的束縛從軌道中逸出，使部分氣體帶正電荷，這些正電荷和逸出的電子與某些中性分子或原子結合成為陽離子和陰離子，即正離子和負離子（Aero anion）。由于氧分子較之N2、CO2等分子更具親電性，因此，氧分子優(yōu)先獲得電子而形成負離子，故負離子主要由氧離子組成，又被稱為負氧離子。負離子就是帶負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱。根據(jù)大地測量學和地理物理學國際聯(lián)盟大氣聯(lián)合委員會采用的理論，負離子分子式為O2－（H2O）n，或 OH－（H2O）n，或CO4－（H2O）n（n＝8～10）［1］。能釋放負離子的負離子功能材料是一種能夠改善環(huán)境污染的新型功能材料。

1 負離子簡介

1.1 負離子的來源

負離子是一種重要的空氣調節(jié)劑，被譽為“空氣維生素和生長素”。一般來說，負離子產生方式可分自然產生和人工產生兩種［2］。

1.1.1 自然界空氣中負離子的產生

自然界空氣中負離子的主要來源是由宇宙射線、陽光紫外線、巖石土壤中的放射性元素放出的射線激發(fā)，以及雷電電擊激發(fā)，風暴、瀑布、海浪沖擊磨擦等作用，使大氣中的氣體分子的外層電子擺脫原子核的束縛從原子中逸出，變?yōu)檎x子，逸出的自由電子，自由程極短，很快附著在某些氣體分子或原子上（特別容易附著在氧或水分子上），成為空氣負離子。另外，雨水的分解，森林、植物的光合作用所制造的新鮮空氣等也含有負離子。

1.1.2 人工條件下空氣中負離子的產生

人造負離子主要采用高壓靜電場、高頻電場、紫外線、放射線和水的撞擊等方法使空氣電離，從而產生負離子。當前大多是用上述方法產生負離子，然后借助于風機和其他手段，將負離子吹送到所需處［3］。人工條件下產生空氣負離子的方法仍有一些缺陷，如電暈放電在產生負離子時會造成大量的臭氧；水發(fā)生型在產生空氣負離子時，雖具有不產生有害氣體的優(yōu)點，但設備結構較為復雜，成本較高，使用環(huán)境的濕度較大；放射發(fā)生負離子的同時需要有特殊的防輻射措施，使用不當會對人體產生極大的危害，因此，在一般情況下不宜使用［4］。在產生空氣負離子的方法中，利用天然無機礦物（如：電氣石、六環(huán)石、蛋白石、奇冰石、奇才石、古代海底礦物層等）獲得空氣負離子是最經濟、應用最廣泛的方法，也是目前人們研究、開發(fā)最多的方法［5］。

1.2 負離子的種類

負離子以其直徑大小分為小、中、大離子3種［6］。小離子的直徑為0.001～0.003μm，壽命在數(shù)秒至數(shù)十秒之間；當一個離子周圍聚集著幾個中性分子時，就形成了中離子，中離子直徑為0.003～0.030μm；當小離子附著在塵埃顆粒上就形成了大離子，大離子的直徑為0.030～0.100μm。大離子的壽命很短，只有幾十秒至數(shù)分鐘。這是由于一部分正負離子互相碰撞，或與地面碰撞中和而失去電性；一部分大離子由于有較大的體積，容易碰到帶異性電荷的離子而中和失去電性；還有一部分離子與大氣中的氣溶膠粒子碰撞后降至地面而消失。通常一代空氣離子的壽命最長只有幾分鐘。由于小離子具有最大的生物活性，因此，平時所說的空氣負離子是指小離子。

1.3 負離子的測量技術

空氣負離子的濃度以每立方厘米空氣含有的空氣離子數(shù)量來表示，單位為“個/cm3”。目前，可用于測量空氣負離子的儀器主要有美國的BECKETT型、IC－1000型、Moody型便攜式空氣離子測定儀；日本生產的AK－103型便攜式空氣離子測定儀、KEC28002型空氣離子測定儀、COM3010－PRO型負離子測試儀（SYSTEM.INC公司生產）以及ITC2201A型空氣離子測量儀；我國的國家標準GB/T 18809－2002《空氣離子測量儀通用規(guī)范》起草單位東南電子研究所的DLY6A－232、DLY4G－232、建材標準JC/T 1016－2006《材料負離子發(fā)生量的測試方法》起草單位中國建筑材料科學研究院研發(fā)的靜態(tài)離子測試設備、石家莊無線電四廠和上海申發(fā)檢測儀器廠的空氣離子測試設備等［7］。

1.4 負離子的評價方法

負離子的科學評價必須以科學評價模型和標準為基礎。關于負離子的評價方法，目前國內外尚無統(tǒng)一的標準。通常采用的主要有：單極系數(shù)、空氣離子舒適帶（英國）、重離子與輕離子的比；安培空氣離子評價系數(shù)（日本），空氣離子相對密度（德國）等。其中，單極系數(shù)（q）是指空氣中正、負離子的比值，即q＝n＋/n－。許多學者認為，當q≤1時，才能給人以舒服感覺。安培空氣離子評價系數(shù)（日本，CI），CI＝n－/1 000q，n－為空氣負離子，CI值要大于或等于0.7，空氣才屬清潔［8］。中國學者石強提出了空氣負離子系數(shù)的概念［p＝n－/（n－/n＋）］，同時提出了森林空氣離子評價模型：FCI＝p×n－/1 000，并利用此模型分析研究了大量在森林環(huán)境中測得的空氣離子濃度數(shù)據(jù)，采用標準對數(shù)正態(tài)變換法，制定出了森林游憩區(qū)空氣負離子分級標準（SGFA）及評價指數(shù)分級標準（EISGFA）。目前，這些空氣離子評價指標中，最常用的是單極系數(shù)和空氣離子評價系數(shù)，在國內外許多研究中已成功應用［9］。

2 釋放負離子功能材料的作用機理

2.1 抗菌、抑菌作用

由于負離子材料周圍有104～107V/m的強電場，細菌在電場及電場所形成的0.06mA微電流的作用下，被殺死或抑制分裂增生。經國家權威部門檢測，負離子素對大腸桿菌、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，進一步加強了抗菌、抑菌效果；同時負離子材料本身具有的遠紅外線發(fā)射能力也使靠遠紅外線輻射的電磁波能量起到輔助的抗菌、抑菌作用，消除各種細菌對人體的危害，增進人體健康［10］。

2.2 產生負離子

人們在森林、瀑布、郊外或雨后會感到空氣清新、呼吸舒暢和身心輕松愉快，這是因為空氣中負離子顯著增多的緣故。空氣中的負離子使細胞活化并加速新陳代謝、凈化血液、穩(wěn)定神經系統(tǒng)，使體內氧自由基無毒化，提高人的免疫力［10］。當空氣中的水分子進入負離子素電場空間內（一般為半徑10～15μm的球形）會立即被永久電極電離，發(fā)生H2O —→OH－＋H＋的反應，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極，吸收一個電子，變?yōu)镠2逸散到空氣中；而OH－則與另外的水分子形成H3O2－負離子。這種變化只要空氣濕度不為零就會不間斷地進行，形成負離子（H3O2－），具有永久發(fā)射功能，而不會產生有毒物質引發(fā)其它副作用。

2.3 發(fā)射遠紅外線

釋放負離子功能材料是一種對人體健康非常有益的遠紅外線發(fā)射材料，它的單元體的正、負電荷無對稱中心，即具有偶極矩。當它們做熱運動時，相應的偶極矩發(fā)生變化，即熱運動使極性分子激發(fā)到更高的能級，當它們向下躍遷時把多余的能量以電磁波的方式放出。人體吸收遠紅外線最佳波長為9.6μm，而負離子陶瓷添加劑發(fā)射遠紅外線的波長在2～18μm范圍內，并且輻射功率發(fā)射密度為0.04W/cm2，比人體細胞能量密度0.03W/cm2略高。據(jù)文獻資料證實，負離子陶瓷添加劑發(fā)射的遠紅外線與人體協(xié)調很好，可被人體全部吸收［10］。

3 釋放負離子功能材料的研究現(xiàn)狀

日本久保，中國金宗哲、姚鼎山、梁金生等對電氣石進行了深入的研究；李青山、劉奎元發(fā)現(xiàn)了海鷗石、六環(huán)石、砭石釋放負離子的機理。他們創(chuàng)制了數(shù)十類系列功能產品，申請了數(shù)百項發(fā)明專利，提出了把負離子環(huán)境帶回家，把健康送給每個人的理念，通過負離子博物館宣傳，普及負離子知識，讓人們認識負離子，了解還原電子理論，筑起健康萬里長城。

3.1 釋放負離子功能材料在陶瓷行業(yè)中的應用

負離子材料可以直接加入陶瓷坯體制成負離子陶瓷材料，也可以加入陶瓷的釉料中，做成陶瓷過濾球、墻磚、地磚、衛(wèi)生潔具等產品。

王克承［11］經過4年多的精心研究，用超微粉碎技術與低溫燒結技術將電氣石（Tourmaline）粉體應用于水質改良，設計了一套生態(tài)抑菌過濾池。該過濾池的核心技術在于使用了電氣石負離子陶瓷球為過濾材料。它是用一種專用的液態(tài)磨，經過5道工序，將硬度7.5的寶石碾磨成d90≤1～0.5μm的超微粉體，然后復配納米光催化劑，利用活性晶體載體燒結成陶瓷球，其燒結溫度低于600℃。

黃鳳萍［12］通過將電氣石直接加入陶瓷坯體中，將載銀抗菌劑和TiO2通過浸漬復合在坯體表面及坯體通孔表面，制成了具有釋放負離子和抗菌雙重作用的陶瓷產品。電氣石的加入量為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，燒結溫度為1 080～1 090℃，即可具有較強的負離子釋放和抗菌能力，而且負離子有效地增強了抗菌劑的抗菌能力，具有較長的使用壽命。

陳麗蕓［13］通過將電氣石細碎后加到鑄鐵搪瓷面釉中，并對鑄鐵搪瓷的制作工藝進行合理設計，獲得了具有產生負離子功能的鑄鐵搪瓷。經ITC－201ASmart Ions Monitor負離子測試儀檢測，其發(fā)射負離子最高可達28 090個 /cm3，1min平均值為1 160個 /cm3。該鑄鐵搪瓷面釉中所磨加的電氣石，經過涂搪燒成后，其晶體結構沒有發(fā)生相變，仍為六方柱狀晶體。從而得出磨加電氣石超細粉體是使該鑄鐵搪瓷獲得負離子功能的主要原因。另外，搪瓷面釉中加入超細電氣石粉體后，其白度和光澤度發(fā)生了變化。當電氣石含量不大于10%時，所制備的含電氣石搪瓷樣品的白度和光澤度基本符合鑄鐵搪瓷釉的要求。

鄭柳萍等［14］以鋰輝石、高嶺土等為原料，添加綠柱石和錳鹽等混合添加劑，同時引入一定比例的硅酸鋯和TiO2等作為助劑，研制成BIO生態(tài)陶瓷粉料，并嘗試將其應用于陶瓷壺的制作工藝中，研制成可在電磁爐上加熱使用的瓷壺。采用靜態(tài)空氣離子測試儀進行空氣負離子發(fā)生量檢測，得到負離子增量為1 406個/cm3·s。

筆者將自制的負離子催化劑以添加劑的形式外加入玻化磚坯體配方原料中，經過球磨化漿、噴霧制粉或者將自制的負離子催化劑添加入玻化磚坯體的噴粉粉料中，經過細磨成微粉，再經成形、干燥、燒成、切割、拋光后，采用日本SYSTEM.INC公司生產的負離子測試儀（型號COM3010－PRO）檢測所制備的玻化磚產生負離子濃度，其濃度為為750～2 000個/cm3。所制備的玻化磚具有永久產生負離子的功能，只需將玻化磚鋪設在居室內，即可持續(xù)不斷的向周圍的環(huán)境產生負離子，能夠顯著改善室內環(huán)境質量，有益人體健康。所制備的玻化磚符合GB 6566－2001《建筑材料放射性核素限量》中A類裝修材料要求，其產銷與使用范圍不受限制。

另外，人工合成負離子發(fā)生材料是采用兩種或兩種以上的天然礦物質，通過一定的加工方式合成一種具有釋放負離子和遠紅外功能的材料。金宗哲等［15］采用ZnO，CaCO3和Al（OH）3相混合，所合成的負離子粉負離子的產生量約為100個/cm3，6h殺菌率最大為100%，其VOC凈化率最高達50%。他們還研制出一種稀土激活電氣石復合粉體，用于建筑物的內墻裝飾材料，室內空氣負離子濃度達到室外曠野水平［16］。該空氣負離子粉體用于纖維、塑料等，其負離子釋放功能可達到1 200個/cm3。梁金生等［17］采用新的合成方法，合成了可同時具有抗菌、活化水、輻射超強遠紅外、產生負離子和溶出微量元素等功能的陶瓷材料。寧珅等［18］利用浸漬CsI的方法在微孔晶體材料12CaO·7Al2O3（C12A7）表面摻雜Cs元素，不僅降低了氧負離子的發(fā)射溫度，還大幅增強了發(fā)射強度；氧負離子發(fā)射增強的主要原因歸結于浸漬CsI后其表觀活化能的降低。陳榮坤［19］把電氣石、納米TiO2、納米組裝的無機抗菌劑、氧化鋁等幾種原料混配后得到超細負離子空氣凈化材料。經檢測，負離子發(fā)射率為2 000個/cm3，將其按內墻涂料的1%添加，在面對國家標準10倍濃度的情況下，經檢測120h對甲醛、氨、苯的去除率達90%以上。

3.2 釋放負離子功能材料在環(huán)境工程領域的應用

電氣石在環(huán)境保護領域的獨特作用由日本學者［20］在20世紀80年代末發(fā)現(xiàn)，源于常年積雪的富士山河里的水很難被污染。Kubo等注意到河水流經火成巖的地層，這引起了他對電氣石的研究，發(fā)現(xiàn)了電氣石存在永久性電極。由于電氣石類似于磁鐵磁極的自然電極的存在，不僅具有抗水污染作用，而且還可以用于凈化空氣和生活保健用品。據(jù)有關文獻報道，日本采用電氣石和微生物的混合超微粒子撒布的方法凈化琵琶湖的龐大污水處理工程。

湯云暉等［21］研究了電氣石的粒度、用量及環(huán)境條件（如pH值、溫度、攪拌）等對水中Cu2＋吸附的影響，分析了電氣石對Cu2＋廢水的凈化原理，電氣石本身的靜電場對Cu2＋的吸附作用使Cu2＋與表面的離解產物OH－在電氣石表面發(fā)生反應，形成沉淀，從而達到凈化水的目的。

冀志江等［22］研究電氣石對水pH值的影響。發(fā)現(xiàn)電氣石顆粒的電極性能夠影響水溶液的氧化還原電位，調節(jié)水溶液的pH值，使之趨向中性。使酸性溶液pH值增大，除電極性之外，表面吸附H＋和表面位離子交換吸附H＋也是重要因素。使堿性溶液pH值減小的主要因素是電氣石的電極性。電氣石可利用其電極性以及對水體的氧化還原性影響處理污水。

韓躍新等［23］研究了電氣石吸附廢水中Pb2＋的過程，討論了吸附時間、溫度、用量、pH值、Pb2＋濃度等條件對吸附效果的影響，分析了電氣石對含Pb2＋廢水的吸附機理。電氣石本身的化學組成和晶體結構，使其具有特殊的性能，可使Pb2＋溶液的pH值升高，生成羥基化表面（MeOH），吸附的Pb2＋在電氣石表面發(fā)生反應形成沉淀。研究結果表明，電氣石對Pb2＋有較好的吸附效果。

吳瑞華等［24］研究認為：電氣石具有永久性的自發(fā)電極，電氣石微粒周圍存在著以C軸軸面為兩極的靜電場。在電場作用下，水分子發(fā)生電解，形成活性分子H3O＋，吸引了水中的雜質、污垢，凈化了水質，OH－和水分子結合形成負離子，改善了人們的生活環(huán)境。

3.3 釋放負離子功能材料在紡織行業(yè)中的應用

在紡織工業(yè)中，有各種含負離子材料的紡織物面料制作的衣物。穿著負離子材料處理過的服裝，可在人體周圍形成負離子的聚集效應，對人體起到抗菌保健的作用。日本是負離子功能紡織品最先研制開發(fā)成功的國家，已形成負離子功能紡織品的成熟市場。負離子床上用品、服裝、鞋帽、洗浴用品、體育防護用品等通過與皮膚的直接接觸、摩擦，產生美容美體、健康祛病的作用；負離子室內布藝則營造出室內負離子空氣氛圍，呵護人們的健康。如日本生產的“HOLIC”織物，其A4紙大小的織物在空氣中可產生150個/cm3的負離子。

我國負離子紡織品中使用的高效多功能負離子材料，其原料均選自純天然礦物，經高科技手段進行配比、提煉、復合加工而成。經國家權威部門檢測，我國負離子功能紡織品模擬紡織品使用狀態(tài)下與人體摩擦產生的負離子達到3 600個/cm3，完全達到日本同類產品的水平；在4～14μm波長范圍內遠紅外線輻射率高達91%；去除游離甲醛等有害氣體的能力均在90%以上，洗滌50次，其功能損失不超過10%［25］。

4 釋放負離子功能材料的研究方向

釋放負離子功能材料是繼遠紅外功能粉體之后的又一新的高技術含量產品。釋放負離子功能產品的開發(fā)應用，為功能材料行業(yè)提供了提升產品檔次、擴大市場份額、提高企業(yè)知名度的機遇，更主要的是負離子功能產品為人們的日常生活提供了一種實際的、全新的、多方位的健康呵護，結合現(xiàn)有的研究及應用狀況，筆者認為在當前負離子功能材料的研究基礎上還應該加強以下幾個方面的研究：

1）負離子材料結構和性能的深入研究。負離子材料在建筑行業(yè)、環(huán)保行業(yè)、紡織行業(yè)等方面有著廣泛的應用前景。人們往往重視其性能和應用，而忽略了對其結構的深入研究，因此，研究產生負離子材料的結構將為負離子功能材料的進一步開發(fā)和應用提供科學的方法和理論依據(jù)。

2）人工合成負離子產生材料。由于常用的負離子產生材料如電氣石、蛋白石等產地稀少，因此其價格昂貴。這就極大地限制了電氣石等負離子發(fā)生材料的大規(guī)模應用。采用人工合成負離子發(fā)生材料不但可以降低負離子陶瓷材料的生產成本，還將大大促進負離子功能材料的大規(guī)模應用。

3）開發(fā)新的用途。最近幾年，負離子功能材料被廣泛應用于墻磚、地磚、衛(wèi)生潔具、水的過濾、紡織品等方面。通過對負離子功能材料結構和性能的深入研究，希望能發(fā)現(xiàn)負離子材料新的性能，發(fā)明新的負離子功能材料，開發(fā)負離子功能材料新的用途，從而提升釋放負離子產品的檔次和附加值，使其在競爭日益激烈的功能材料行業(yè)中處于不敗之地。

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Research Development of Functional Materials Releasing Negative Ions

Zhao Ming，Xia Changkui，Peng Xiyang，Liu Weilang（Hangzhou Nabel Group Co.，Ltd.，Hangzhou，311122）

The newly issued building material industry standard－indoor decorative materials with the function of negative air ion（JC/T 2040－2010）has draw many people’s attention to the research and application of the functional materials releasing negative ions.This paper introduces the origin，classification，measurement，evaluation and functional mechanism of the negative ions.The preparation and application of the functional materials releasing negative ions have been reviewed.The future development of the functional materials releasing negative ions has also been prospected.

Functional materials；Negative ions；Research development

TQ174.75

A

1002－2872－（2011）08－0044－04

趙明（1966－），本科，高級工程師；主要從事建筑陶瓷材料研究。E－mail：cindy@nabel.cc