無機非金屬材料中的無鉛化研究進展

李斌

摘 要：當前市場上所采用的無機非金屬材料大部分都含有一定量的鉛，眾所周知，鉛對于環境和人體會產生一定的危害，隨著近年來人們環境保護意識的加強、人們對健康的越來越重視，無機非金屬材料的無鉛化已經成為可持續發展的一個趨勢。本文主要研究了鉛在無機非金屬材料中的應用以及無機非金屬材料中的無鉛化研究進展。

關鍵詞：無機非金屬材料;無鉛化;進展

1.引言

無機非金屬材料的制造過程中，往往會用到大量的有毒、有害添加劑，同時產生大量的廢氣廢水等物質。目前我國產量較大、用途較廣的無機非金屬為玻璃和陶瓷，在生產過程中會用到大量含有氟、鎘、鉛等元素的物質，這些化合物會對人體及環境產生較大危害。需要注意的是，無機非金屬材料的生產同樣會產生較嚴重的粉塵污染。隨著人們環保意識的增強，西方國家對陶瓷、玻璃的含鉛量進行了嚴格的規定，同時對不可避免需要使用鉛元素的產業頒布了相關法案進行約束;2002年起日本就規定了特殊情況下才能使用含鉛材料，在當前的生產和應用中也全面禁止含鉛材料的使用。但是對于一些尖端的科技產品，例如光學實驗室中的儀器等，其中的鉛材料還沒能找到合適的替代元素，所以更需要進一步加強無機非金屬材料的無鉛化研究，加快無鉛化進程。

2.鉛在無機非金屬材料中的應用

2.1.鉛在玻璃材料中的應用

在實際應用中，鉛氧化物因具有密度高、透光性好而被廣泛應用于多種光學材料，常見于超導體材料，光學凸透鏡，道路標志、交通管理標志上的玻璃微珠等，多數領域都有較高的應用前景;鉛玻璃因為電阻大、介電損耗小、折射率高、轉化溫度低、化學穩定性高等材料等得到廣泛應用;此外，鉛的高原子量使得玻璃的密度較高而被閃爍材料作為首選項，Pb2+離子因為在紫外光作用下發生電子的躍遷，躍遷電子退散時會有部分能量以熒光的形式發射而得到廣泛應用。

目前多數真空玻璃中的一氧化鉛含量都較高，例如主要用于顯像管徑的DB-404 中一氧化鉛的含量是30wt%。查閱相關資料顯示，一氧化鉛在玻璃中的含量可達70%～75%（wt），含鉛量高的玻璃往往因為其密度大、折射率高等特點而被廣泛應用酒、化妝品等高檔包裝材料中，且暫時未找到合適的替代品。

2.2.鉛在陶瓷材料中的應用

鉛在玻璃采用中的廣泛應用是因為其自身良好的物理特性，是熔劑的重要組成部分。同時鉛質玻璃因其較高的折射率和較低的熔融溫度能夠使顏料具有較好的光澤度，增大顏料的燒烤溫度，使顏料能夠同陶瓷釉具有對應的熱膨脹系數等特性而被廣泛應用陶瓷釉上的顏料中。資料顯示陶瓷裝飾中顏料的含鉛量普遍為55%～60%（wt），這會給工人健康產生威脅，同時造成環境的污染，此外，在陶瓷的使用過程中，如果受到酸的腐蝕致使鉛從色彩中溶解將會給人體健康產生較大影響，但是目前還沒有代替鉛熔劑的無害材料。

用于制備傳感器和存儲元件的壓電陶瓷中也廣泛應用到鉛，例如。但PZT基壓電陶瓷中一氧化鉛含量約占原料總質量的70%，但是含鉛壓電器件的回收成本遠高于制造成本，出于經濟角度考慮回收處理的方法不可行。在高溫PTCR材料成分中，多數含有BeTiO3陶瓷中會引入Pb2+取代Ba2+，由于在以往的制備工藝中一氧化鉛在880℃熔融，高于此溫度時會大量揮發，不僅會影響材料耐電壓特性，同時會造成環境污染。

3.無機非金屬材料中的無鉛化研究現狀

3.1.無鉛玻璃

Sn和Pb都是第IV主族元素，具有相似的化學性質，兩者的Sn2+和Pb2+外電子層結構相似，且均為四方錐體結構，在高錫玻璃種存在這種四方錐體會使氧化錫對玻璃有較高的助熔性。因為Bi3+有與As3+、Sb3+類似的帶惰性電子對的外層電子，在形成玻璃時，（Bi03）基團對玻璃網絡的作用力要弱，Bi3+與Pb2+都有較大的極化率，且折射和色散性較好，容易形成玻璃。

在顯示器封接使用的玻璃無鉛化研究過程中，多數學者以SnO-ZnO-P2O5為方向，此外一些重金屬離子、或者是容易變形的大離子、帶小電荷的陽離子等致使玻璃具有低熔的特點，所以研究發現用As2O3、V2O5、P2O5 等取代一氧化鉛形成無鉛低熔點玻璃。總之無鉛低熔點玻璃中多用氧化鈣、氧化鎂、氧化鋇等堿土金屬氧化物取代一氧化鉛;或者在玻璃種添加Li2O，通過混合堿效應增加其體積電阻，且Li2O可降低其玻璃的高溫粘度。

此外，無鉛無鉛晶質玻璃多用于高檔餐具、水具、燈飾等，為使無鉛玻璃能夠達到同鉛質玻璃相同的折射率和密度，引入了較高折射率的氧化物，如二氧化碲、氧化鋇等，但是此類氧化物的玻璃在透明度以及熔融溫度方面有較大差距，生產出來的產品容易產生條紋。

3.2.無鉛色釉料

早在1980年代我國陶瓷專家就提出了關于陶瓷裝飾材料中含有的鋅、銅、鋇等元素及其氧化物溶出后的危害性，后在90年代，日本陶瓷專家也提出了該問題，且認為以后的陶瓷中溶出的有毒元素將會更多。有專家提出用SrO 代替PbO可以獲得較好的無鉛釉，此外，鍶釉具有燒成溫度低、用途廣、釉表面光澤等特點，也是鉛釉良好的代替品。

3.3.無鉛壓電陶瓷

無機非金屬材料的無鉛化研究進程進展至今，理論上無鉛壓電陶瓷是可行的，鈦酸鹽的鐵電性大小與π鍵的大小存在一定關系，這里的π鍵是由鈦離子的d 軌道和氧離子的2p 軌道構成的，鐵電性隨著π鍵鍵級的增強而增強。根據分子軌道理論，在在PbTiO3 中鉛6s 軌道與氧2p 軌

道都是變化的，在BaTiO3 中，因為鋇離子沒有s 價電子，僅僅2 個電子占據成鍵π態，鍵級較弱，所以Bi取代Pb形成無鉛壓電陶瓷在理論上是可行的。

但是無鉛壓電陶瓷和鉛基壓電陶瓷的性能相差較大，在無鉛壓電陶瓷方面還要繼續研究，繼續提高無鉛壓電陶瓷的性能，但是在實際中，鉛基壓電陶瓷是不可能被完全取代的，在軍事及醫療等領域中仍然需要鉛基材料。

4.結語

無論是出于對環境和人體的保護還是經濟角度，無機非金屬材料的無鉛化發展是必然的趨勢，目前各國學者都在致力于尋找可以取代鉛及鉛氧化物的材料，已經做了許多的研究并有了較大的進展，但是無鉛的無機非金屬材料仍然未得到推廣，同時無鉛的無機非金屬材料在性能方面也有一定的缺陷，且鉛基材料并不能完全被取代，如何提高無鉛化材料的性能，合理取代鉛基仍然是學者的研究方向，相信未來無鉛非金屬材料的應用會越來越廣泛。

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