電氣石粉體表面改性及其應用研究進展*

陳旭波，胡應模，湯明茹，邊靜，王清嶺

（中國地質大學材料科學與工程學院，北京 100083）

電氣石粉體表面改性及其應用研究進展*

陳旭波，胡應模，湯明茹，邊靜，王清嶺

（中國地質大學材料科學與工程學院，北京 100083）

電氣石是環狀結構硅酸鹽礦物，因其具有壓電性、遠紅外性等特性而具有巨大的應用價值。從改性方法、工藝、表面改性劑及其配方等方面綜述了電氣石粉體表面改性現狀，重點介紹了機械力化學改性法和表面有機包裹法及其相應的改性原理與基本工藝流程；概述了改性后的電氣石粉體在水處理﹑醫療保健﹑節能環保﹑紡織等方面的應用情況；并對電氣石粉體改性的發展趨勢及其應用前景做了展望。

電氣石；表面改性；硅酸鹽

電氣石是電氣石族礦物的總稱，其化學成分較復雜，是以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鎂、鋰的環狀結構硅酸鹽礦物，其組成通式為（Na，Ca）（Mg，Fe，Mn，Li，Al）3Al6（Si6O18）（BO3）3（OH）4。根據不同的類質同象，可分為鐵電氣石、鎂電氣石和鋰電氣石［1］。電氣石具有壓電性與熱電性，以及可以釋放遠紅外線和負離子等獨特功能，可廣泛應用于環保、電子、醫藥、化工、輕工、建材等領域，其作為一種附加值高的新型工業礦物，受到世界各國的普遍重視［4］。

宋羽等［5］研究發現，電氣石的電效應﹑離子吸附性等會隨著其粉體粒徑的減小而呈增強趨勢，并具有一系列優異的表面與界面性質，但由于粉體顆粒的比表面積大，比表面能高，在制備和加工處理過程中極易產生團聚，使得電氣石在復合材料中分散不均勻，從而影響復合材料的綜合性能。為提高電氣石粉體在復合材料基體中的分散性，增強電氣石復合材料的綜合性能，需要對電氣石粉體進行表面改性。

1 電氣石粉體改性方法［6］

1.1 機械力化學改性法

該方法是指通過摩擦﹑粉碎等強烈機械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結構復雜或表面無定形化，從而增強它與有機物或其他無機物的反應活性，達到表面改性的目的。

韓煒［7］在常溫常壓下，以去離子水為液相介質，固液比為1∶1，分散劑用量為3%（質量分數），通過循環水冷卻保持磨料溫度在60℃左右，砂磨機研磨3h后，制得粒徑為30～200nm的納米級電氣石微粒。原子吸收分光光度分析表明，納米級電氣石微粒對溶液中Cu2+的吸附能力大大增強。

呂方［8］采用了復合機械研磨工藝，通過破碎、球磨、干燥、氣流粉碎等工序，先采用周期式攪拌球磨機，以水為介質，按球料比為3球磨50 h左右，再將球磨后的產品經二次粉碎，制得粒徑為0.1～5 μm的電氣石微粒，可將其紡入織物中制成各種衣物。

杜亞利等［9］在濕法研磨電氣石過程中以硬脂酸鈉作為改性劑，最佳工藝條件：礦漿濃度為40%、改性時間為15 min、磨機轉速為600 r/min、硬脂酸鈉用量為1%（質量分數）、介質物料比為4、改性溫度為40℃，改性后的電氣石粉體在煤油中的分散性大大提高。

1.2 表面有機包裹法

表面有機包裹法是利用有機表面改性劑分子中的官能團與無機礦物粉體顆粒表面發生化學吸附或化學反應，從而達到對顆粒表面進行改性的目的。所用表面改性劑主要有偶聯劑、高級脂肪酸及其鹽、有機低聚物、不飽和有機酸以及水溶性高分子等，是目前最常用的無機粉體表面改性方法。

楊雪等［10］以山梨醇酐單硬脂酸酯（Span60）為改性劑，甲苯作溶劑，通過濕法工藝對電氣石進行表面改性，得出最佳反應條件：改性劑用量為電氣石質量的3%，礦漿質量比為3∶10，反應溫度為60℃，反應時間為1 h，改性后的電氣石粉與有機溶劑間的相容性大幅提高。

邊靜等［11］以月桂酰氯為改性劑，二甲基甲酰胺為溶劑，對電氣石進行表面改性，得到最佳處理條件：改性劑與電氣石質量比為1∶1，溫度為80℃，時間為5 h，改性后的電氣石粉活化指數可達96%，經測定改性后的電氣石粉與蒸餾水的接觸角超過120°，顯示出較強的疏水性，且其晶體結構未受影響。

王平等［12］使用聚丙烯酸D3007為改性劑，通過濕法工藝對粒徑為0.8～1.8 μm的電氣石微粉進行表面改性，具體方法為：先將電氣石粉體加水攪拌配制成質量分數為25%的料漿，在設定的溫度下攪拌加熱20 min后，加入電氣石粉體質量分數為0.8%的改性劑，攪拌改性一定時間后取出，過濾、干燥即可。改性后的樣品在水中的分散性大大提高。FT-IR分析表明，聚丙烯酸D3007與電氣石粉體表面的結合方式為化學吸附。

任飛等［13］以硬脂酸為改性劑對電氣石粉體進行表面改性。最佳實驗條件：改性劑添加量為1.3%（質量分數），反應溫度為90℃，反應時間為10 min。改性后電氣石粉體活化指數將近100%，其紅外發射率與負離子釋放能力都有提高，機械性能未受影響。

胡應模等［14］用鋁酸酯對電氣石進行表面改性，以苯為溶劑。用活化指數與濁度對改性效果進行表征。最佳工藝條件：鋁酸酯用量為1.5%（質量分數），反應溫度為70℃，反應時間為30 min。改性后的電氣石活化指數為97%，其表面顯示了較強的疏水性能，但不影響電氣石本身的晶體結構。

劉瑄等［15］以硅油為改性劑，乙酸乙酯為助劑，用噴霧法對電氣石進行改性。其最佳工藝條件：改性劑為礦樣量的2.5%（質量分數），反應溫度為80℃，pH為9，物料介質比為1∶1，反應時間為1 h。改性后的電氣石粉體可用作有機聚合物的無機活性填料。

2 電氣石的應用

2.1 水處理

由于電氣石具有永久的自發性電極，產生的靜電場對水中重金屬離子（Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+）和雜質有較強的吸附作用［16］，并且電氣石發射的遠紅外線與水中氫鍵共振可將水活化成小分子水［17］，同時可抑制水中細菌的增生與繁殖［18］，因此可將其廣泛應用于飲用水活化以及污水處理等方面。

王克承［19］用超微粉碎技術與低溫燒結技術將電氣石粉體應用于水質改良，通過使用一種專用的液態磨，經過多道工序將電氣石碾磨成粒徑為1～0.5 μm的超微粉體，復配納米負離子光催化劑，在600℃左右利用活性晶體載體燒結成陶瓷球。該陶瓷球可有效過濾水中雜質，凈化水體。

黃鳳萍［20］通過將電氣石﹑TiO2抗菌劑和載銀抗菌劑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。其中電氣石的加入量為10%（質量分數），銀系抗菌劑和TiO2抗菌劑合量大于2%（質量分數），燒結溫度為1100℃左右，其具有較強的負離子釋放和抗菌能力。

2.2 醫療保健

電氣石可以發出波長為4～14 μm的遠紅外電磁波，該波段與人體紅外吸收譜相匹配，能夠被人體吸收，使人體組織溫度升高，從而加快血流速度﹑促進新陳代謝﹑改善微循環﹑提高身體免疫力［21］。此外，電氣石釋放的負離子能穩定神經系統，活化細胞，使人體內氧自由基無毒化［22］。

成進學等［23］用電氣石納米粉與納米銀及其他微量元素復合制成持久功能性元素纖維織物，通過與皮膚的緊密接觸，使微量元素經皮膚毛孔、汗孔滲入體內，達到體內元素平衡，使肌體免疫力增強，提高抵抗疾病的能力。

J.Y.Ryu［24］將白云母、電氣石和鑭系元素混合制備成襯墊包裹在電熱線周圍，當電熱線受熱時，遠紅外線和空氣負離子就會從電氣石襯墊中不斷地釋放出來，在人體保健方面具有一定功效。

W.S.Lee［25］與H.Y.Lee［26］分別研制了一種含有電氣石的遠紅外橡膠板和結晶陶瓷，這兩種材料能夠有效地釋放遠紅外線，在人體保健、遠紅外加熱方面的應用具有廣闊的前景。

孫志峰［27］利用電氣石和纖維合成一種遠紅外功能纖維，其中電氣石質量分數為1%～8%，粒度在120～180 nm，這種纖維具有較高的健康效應。

郭興忠等［28］以竹炭和電氣石為原料，采用機械共混及高溫燒成制備了竹炭/電氣石復合遠紅外材料，竹炭與電氣石的質量比為1∶1，以去離子水為介質，添加聚乙烯醇濕磨24 h后在80℃下烘干，再在120℃下將復合粉體高壓成型即可。對不同試樣的遠紅外發射率進行測試，結果表明：隨著溫度的升高，該復合材料的遠紅外比輻射率呈降低趨勢，當煅燒溫度為700℃時，比輻射率達到最大（0.896）。此復合材料遠紅外比輻射率高，工藝簡單，可用于制造多種保健器具。

翟羽［29］以電氣石粉體為載體，先對電氣石進行表面加工，再將平均粒徑為5 nm的銀系物包埋到載體中，制得納米銀/電氣石復合材料。該材料主要用于服裝和床上用品，不僅可以廣譜抗菌，而且可以預防人體心血管疾病的產生，對高血脂、高血壓及關節炎的病人均有輔助治療作用。

郭彬等［30］采用粗粉碎﹑氣流法超細粉碎和濕法研磨相結合工藝，以硅烷偶聯劑為表面活性劑，在220℃下將電氣石與聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）密煉，混合均勻后取出物料，冷卻后于10 MPa、220℃條件下熱壓10 min，室溫下冷卻，即制成電氣石/PBT復合材料。測試結果表明：當材料中梅花電氣石質量分數為8%時，負離子平均釋放量達到1458個/cm3，可凈化室內空氣，保持人體健康。

2.3 節能減排

文獻［31］研究表明，利用電氣石對汽油、柴油進行活化處理，其遠紅外輻射可促使燃油分子中的C=C與C≡C鍵發生共振，從而提高燃料的燃燒效率，降低有害氣體的排放。

吳稼祺等［32］將尖晶石和電氣石粉末混合后，在B2O3氣氛中，550℃下固相合成2 h，制得尖晶石/電氣石復合紅外輻射材料，其中尖晶石質量分數為5%。其全波段比紅外輻射率為0.92，低波段比紅外輻射率為0.85，可滿足燃油活化材料的要求。

李奮平等［33］將用硬脂酸改性后的電氣石粉體與液態樹脂混合后，加入一定量的引發劑與促進劑，制得電氣石質量分數為40%的復合材料。測試結果表明：該材料平均節油率達到2.87%，煙氣中CO、NO的質量濃度降低率分別為15.9%和14.5%，節能減排效果明顯。

2.4 其他應用

電氣石可吸附水中雜質，增強水的活性，可作為洗衣粉和洗滌劑的替代品。已有學者生產出含有電氣石顆粒的無磷遠紅外陶瓷洗衣球，洗衣過程中反射的遠紅外線作用于水分子，使之共振，衣物上的污垢與水發生強烈界面活化作用，去污效果較佳，且避免了化學物質對環境的污染［34］。

孫賢軍等［35］利用電氣石對微塵的吸附性，將電氣石微粉與有機膠黏劑復合后制得電氣石復合功能涂料，將此涂料用于卷煙生產，可降低卷煙危害性，卷煙中焦油、CO、NO、亞硝胺、羰基化合物、氫氰酸、苯并芘類物質分別降低126%、150%、252%、125%、122%、304%、194%。

電氣石可與空氣中的水分子反應形成陰離子，中和輻射發出的陽離子，以阻止電磁波的傳播。用含電氣石微粉的物質做成外殼，能有效起到電磁屏蔽和消除靜電的作用［36］。

采用表面涂覆改性法﹑共混紡絲法﹑共聚法等，可將經過表面處理的電氣石微粉固著在纖維表面或混入纖維內部，制得抗菌多功能負離子纖維，可以用來制作抗菌紡織品或健康紡織品。不僅有利于促進人們的身心健康，還能極大提高產品的附加值［37］。

此外，電氣石微粉還可摻雜在遠洋船只的防護涂料中，它可使船底周圍海水活化，在船殼與海水之間形成一層水分子膜，不僅可以阻止藻類和貝類等吸附在船體上，還能避免因使用有毒涂料而對海洋生物造成傷害［38］。

3 展望

隨著人們對電氣石認識的不斷加深，與之相關的研究也得到更多的重視，但對電氣石的改性與應用尚處于初級階段，對其結構與特性的研究還有待進一步加深。從現有的改性方法來看，機械力化學改性法工藝簡單﹑生產效率高，但需要專門的儀器，且在制作結構復雜的高分子聚合物/電氣石復合材料時，改性效果不夠好；表面有機包裹法可用于制作結構復雜的高分子聚合物/電氣石復合材料，其產品的前景更廣闊，工業附加值更高，但在反應過程中必須注意控制表面改性劑的用量與反應時間，防止因表面包裹體過厚而削弱電氣石的遠紅外性和負離子釋放性。在應用方面，將電氣石粉體直接引入聚合物分子結構中，制備含電氣石的功能聚合物，除了可用于水處理和醫療保健等方面外，也許還可以利用其遠紅外性和壓電性，將其用于開發尖端紅外自適應偽裝技術或遠紅外發射可調控技術以及電致變色器件等?？傊?，隨著人們對醫療保健以及環保節能等方面要求的日益嚴格，電氣石這種天然無害的礦物將具有更廣闊的應用前景，尤其在特種功能復合材料的開發及新型產品的研制上將顯示出卓越的魅力。

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Research progress in surface modification of tourmaline powder and its application

Chen Xubo，Hu Yingmo，Tang Mingru，Bian Jing，Wang Qingling
（School of Material Science and Engineering，China University of Geosciences，Beijing 100083，China）

Tourmaline is a kind of cyclosilicate mineral，and has great application value because of its piezoelectricity and far-infrared resistance.Present status of surface modification of tourmaline powder was summarized from the aspects such as modification methods，processes，surface modifiers，and formula.Modification principles and basic technological processes of mechanochemical surface modification method and surface organic coating method were introduced in detail.Applications of modified tourmaline powder in the fields of water treatment，medicinal and health care，energy saving and environmental protection as well as spinning were also generally described.At last，the development tendency of modification of tourmaline powder and its application potentials were prospected.

tourmaline；surface modification；silicate

TQ127.2

A

1006-4990（2013）05-0005-04

2012-11-14

陳旭波（1987—），男，碩士，主要從事硅酸鹽礦物表面改性及其聚合物復合材料的制備與表征方面的研究。

國家自然科學基金資助項目（51072187）。

聯系人：胡應模

聯系方式：bocai2007920@sina.com