董發勤 楊玉山 鄧躍全 徐光亮 何登良 王維清 馮啟明 朱桂平
（西南科技大學材料科學與工程學院，四川 綿陽 621010）
摘要 依據源於天然、兼容天然、用於自然、回歸自然的準則，從生態環境友好材料的設計理念出發，把材料-環境-生態-健康的理念結合起來，充分利用天然礦物材料的功能屬性，以仿生的方式加工微集料基元，使其成分、功能與人居環境協調兼容，闡述了調整微氣候環境的礦物功能材料、凈化微環境的礦物功能材料和優化微環境的礦物功能材料；指出了生態環境礦物材料的多功能化、復合化、微集料的復合特征與集成規律；首次提出了制造功能微集料和生態功能基元材料的“基因”技術、“材料芯片”技術。著重介紹了課題組在承擔國家“863”高新計劃開發的高性能居室空氣凈化礦物復合材料、粘土基元抗菌材料，防氡輻射砌築水泥、膩子、塗料及其復合體，生態復合功能塗料、驅蚊保健功能材料、沸石基儲能復合材料等研究成果，最後展望了礦物材料在未來新型生態環保材料中的發展前景。
關鍵詞 生態功能；礦物材料；防氡輻射；保健；抗菌；儲能。
第壹作者簡介：董發勤（1963—），男，博士，教授，博士生導師。電話：0816 6089013；E mail：fqdong2004@163.com。
壹、引言
生態環境材料是同時具有滿意的使用性能和優良的環境協調性，或者是能夠改善環境的材料。對生態環境材料的研究與開發可有效地解決資源短缺、環境惡化等壹系列問題，促進社會經濟的可持續發展。
天然礦物材料是形成自然環境的基礎，是天然環境友好的構成地球表面主要物質的礦物材料。礦物材料在治理環境汙染與環境修復領域中發揮著獨特的作用，在汙染治理的規模、成本、工藝、設備、操作、效果、無二次汙染等方面具有明顯的特點和優勢。以礦物材料作為基元材料，利用其原料的天然屬性，通過對其超細、改性、摻雜、復合及仿生的方式加工微集料基元，使其成分、功能與人居環境協調兼容，使用完畢後可重復利用或重回大自然。深入系統地研究環境礦物材料的基本性能，揭示環境礦物的凈化機理，開發環境礦物材料的自凈化功能，將進壹步擴大環境礦物材料的應用領域，實現環境的生態化與可持續發展。
二、調整微氣候環境礦物功能材料
（壹）調濕礦物材料
“調濕材料”這壹概念是日本宮野、西藤首先提出來的，是指不需要借助任何人工能源和機械設備，依靠自身的吸放濕性能，感應所調空間空氣溫濕的變化，自動調節空氣濕度的材料。可以用做調濕材料的礦物材料很多，如矽藻土、海泡石、天然沸石、膨潤土等。
天然矽藻土是壹種價廉的吸附劑和幹燥劑，是由浮遊生物矽藻在地層中沈積而成的。無需任何添加劑、黏接劑，只要將其進行簡單加工，就可以制成各種形狀的調濕材料，並具有絕熱、脫臭、吸音等作用。海泡石也是壹種很好的調濕礦物材料，10 g 200目的海泡石樣品可以將10 L密閉容器的濕度從70%降至4%。町長治、牧田昭信等在1972年和1987年分別研制開發出A型和B型沸石板，用於室內幹濕度的調節。目前我們正利用粘土礦物的天然功能屬性，通過特殊處理和不同粘土礦物混合後的協同效應，開展復合調濕材料的研究，已取得了壹定的成果。
（二）調溫礦物材料
調溫材料主要分為制冷、制熱兩種手段調節溫度，因此可以借助相變儲能材料出現的相轉換所導致的放熱或吸熱而起到調節溫度的作用。目前相變儲能材料的載體主要是壹些天然礦物或利用其開發的多孔材料，如沸石、多孔石墨、大孔二氧化矽、膨潤土和蒙脫石。另外，以某些礦物材料為功能基元材料，通過取代混凝土中的部分或全部骨料，可以制備出調溫建築材料，如電熱混凝土、電熱砂漿等。
我們以酸活化沸石為載體、十二醇為儲能工質，制備了沸石基儲能基元材料，在相變儲能材料十二醇含量接近50%時，儲能基元材料仍然具有良好的穩定性，並且儲能效果較好。還通過在普通混凝土中添加導電功能基元材料石墨，制備出了導電致熱混凝土，在24 V電壓下通電100 min，最高溫度達100℃，並具有較高的抗壓強度，復相導電基元混凝土專利已被授權（ZL03117951.7 ），該專利目前正在產業化［1，2］。
三、凈化微環境礦物功能材料
（壹）空氣凈化功能材料
大部分粘土類礦物、半導體礦物、極性礦物都具有空氣凈化、改善室內生活環境的功能。利用天然沸石、膨潤土作載體制備的TiO2礦物復合體光催化材料，在陽光照射下對有機染料羅丹明-B具分解脫色性能。沸石的脫色率6h達100%，膨潤土的脫色率達94%。粉碎的金紅石對鹵代烴三氯乙烯和四氯乙烯具有壹定的降解效果，表現出良好的光催化活性。我們以硝酸釹、天然礦物電氣石和鈦酸丁酯為原料制備的電氣石復合Nd-TiO2光催化材料，在Nd-TiO2材料中摻入0.6%的電氣石獲得最好的光催化活性，600℃下煆燒光催化效果較優［3］。
（二）電磁屏蔽礦物功能材料
電磁屏蔽主要是用來防止高頻電磁場的影響，從而有效地控制電磁波從某壹區域向另壹區域的輻射傳播。石墨具有優異的高導電性和耐高溫性，在特殊的電磁環境下有很高的電磁屏蔽效能。尖晶石類和反尖晶石類鐵氧體在高頻電磁場中都有較高的磁導率，在交變磁場中都具有較高的磁性各向異性，故具有類尖晶石結構的礦物材料都是具有開發潛力的壹類電磁屏蔽功能礦物材料。磁鐵礦（Fe3O4）是最簡單的尖晶石型鐵氧體，具有強磁性，是礦物中磁性最強的，因此也被用做電磁屏蔽礦物功能材料。
在混凝土中添加石墨，對低頻電磁波的某些頻帶產生壹定的屏蔽效果，並有正增量效果，添加15%石墨的單組分樣品SEmax接近9 dB效果［4］；以石墨和羰基鐵作為電磁屏蔽塗料的功能材料，替代壹部分塗料填料，在1 MHz～1.8 GHz低頻區域，塗料最大電磁屏蔽效能達到了6.029 dB［5］。
（三）防氡輻射礦物材料
沸石、重晶石、石膏等都是具有防氡輻射功能的基元材料，對它們進行超細、改性，作為功能組分添加到建材中，可以對氡起到很好的防護和屏蔽效果，沸石、重晶石等都是很好的防氡防輻射功能基元材料。
我們在研究中，通過對重晶石、沸石等進行超細加工，以其為功能基元材料，開發出了生態防氡防輻射砌築水泥、生態防氡塗料、生態防氡輻射砌築水泥-膩子-塗料復合體。在基元材料添加量為20%的情況下，采用表面析出法測出砌築水泥對氡的屏蔽率為60.0%，對放射線的屏蔽率為46.9%；建築膩子對氡的屏蔽率為86.5%，對放射線的屏蔽率為48.4%。采用密封法檢測生態防氡塗料防氡率為90%～99%，采用表面析出法防氡率為86.7%；采用密封法檢測生態防氡防輻射砌築水泥-膩子-塗料復合體的防氡率為90%～99%；采用表面析出法檢測出對氡的屏蔽率為87.9%，對輻射屏蔽率為50.4%［6～10］。
四、優化微環境礦物功能材料
（壹）產生負離子礦物材料
Suda Kiyoshi申請了壹種能夠在室內產生空氣負離子的材料［9］。我們以電氣石、納米二氧化鈦及四種鑭系稀土氧化物為原料試制的空氣負離子保健基元材料中，電氣石和二氧化鈰的最佳復合比例是1∶1，100 g粉體空氣負離子濃度可達2000個/cm3，在18 h內表面能量對空氣分子的離解達到飽和，且隨樣品測試試量的增加呈遞減關系［12］。目前課題組正對以稀土元素為添加劑制備的能夠釋放空氣負離子的塗料進行研究，在應用中利用研制的塗料激活內墻塗料，優化室內生活環境。
（二）驅蚊保健功能材料
雄黃是多功能的有害昆蟲天然驅避劑，不但毒殺蚊、蟑螂、蒼蠅，而且連老鼠也敬而遠之。硫磺也具有驅殺害蟲的功能。在用雄黃、硫磺等礦物制備的驅蚊基元材料中，藥量為2g時，經強迫接觸實驗，硫磺沒有明顯的擊倒效果；雄黃1 h內擊倒率為0，但24 h內死亡率達40%以上。雄黃還具有較好的抗菌效果，平均抑菌圈大小為40.75mm；在與沸石、滑石復合時，含量為2%（wB）仍具有抗菌效果［13］。
（三）保健功能礦物材料
遠紅外保健塗料是在塗料中摻入的常溫遠紅外釋放基元材料，在常溫下吸收外部的熱能，並將其轉換為8～15μm的遠紅外線，它對生命體，尤其是對人體能起到生物效應，提高人體的新陳代謝和免疫功能。
在專利WO2004075986中涉及了壹種遠紅外發生器，它由稀有元素和電氣石組合而成，能夠有效地產生遠紅外線，可以用於人體保健和加熱保暖［14］。天津市矽酸鹽研究所研制的遠紅外陶瓷粉是用無機礦物、非金屬氧化物和金屬氧化物制造而成的，該產品能集中發射波長為8～15μm的遠紅外線，其法向光譜比輻射率達到85%以上。該公司還利用遠紅外陶瓷粉和無機礦物原料混合後燒制而成遠紅外陶粒，遠紅外輻射率達87%以上，化學穩定性良好［15］。我們以麥飯石為主要原料，Al2O3/Fe2O3、MgO/MnO2、TiO2、ZrO2為輔助添加劑制備的麥飯石基遠紅外基元材料的紅外熱效應明顯，10 min的溫升最大值達到69.6℃，紅外輻射率為0.91。將制備的遠紅外基元材料加入到塗料中，塗料紅外發射率為0.87。
（四）抗菌礦物材料
根據有效成分和特征，抗菌劑分為生物抗菌劑、有機抗菌劑和無機抗菌劑三大類。抗菌劑的載體材料主要是無機多孔材料，常見的有矽酸鹽多孔礦物，如沸石、蛭石、蒙脫石、坡縷石、矽藻土、矽膠、磷酸鹽巖等。利用它們無毒無害、來源廣、價格低等特點和優勢，開發無機抗菌劑具有巨大的應用前景。
本課題組成功地開發了多種多孔無機抗菌基元材料：分別以斜發沸石、膨潤土、坡縷石、矽藻土作為載體制備了銀型、銅型、鋅型多孔無機抗菌材料，TiO2包覆鋅型斜發沸石抗菌劑，載銅型蒙脫石抗菌劑；以NH4＋改型斜發沸石為載體，制備了Cu2＋型、Zn2＋型及Cu2＋＋Zn2＋復合型抗菌劑。以蒙脫石為載體，將Cu2＋固載到載體的孔道中，同時將具有光催化降解自凈化功能的TiO2插入到矽酸鹽的層間，得到了對大腸桿菌（8099）和金黃色葡萄球菌（ATCC6538）的抗菌率為99.99%［16］。采用液相離子交換法制備的抗菌劑，其抗菌效果達到99.20%以上。用其配置的抗菌塗料，添加量為1%～3%時對大腸桿菌都有較好的抗菌效果［17］。以天然礦物斜發沸石為載體，控制pH值為7.0～9.0，用幹濕循環法成功地制備了壹種高載鋅量的新型抗菌劑，載鋅量為10.32%，外觀呈白色，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率均大於99.9%。其含量為3.0 %時，鋅型抗菌塗料對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌率均大於99.0%。以Cu、Zn及Cu＋Zn復合型抗菌斜發沸石作PP塑料填料制備的抗菌塑料，若添加量在1%～3%的範圍內，添加量對其物理性質影響較小，但對抗菌率影響較大，其中新鋅型斜發沸石抗菌劑在PP塑料中添加量為3%時，抗菌率達到了96.6%，抑菌效果很好。Cu2＋/Zn2＋復合斜發沸石基抗菌劑中存在Cu2＋和Zn2＋協同抗菌效應。
五、結語
實踐證明，利用礦物材料的功能屬性，通過改性、超細、復合，可以賦予其更多的新功能，使其具有多元及多層次的生態環保功效和明顯的經濟效益、社會效益。
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A Study on Mineral Eco-materials
Dong Faqin，Yang Yushan，Deng Yuequan，Xu Guangliang，He Dengliang，Wang Weiqing，Feng Qiming，Zhu Guiping
（School of Material Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China）
Abstract：According to the principle of origination from nature，compatible with nature，used to nature and back to nature and based on conception of designing of ecomaterial，the authors combined the ideas of material，environment，ecology and healthcare into one，and processed micro-aggregate elements by means of bionics method，using fully the performances of natural mineral materials，so as to make these components and functional performances accord with living environment.In this article the adjustment of microclimate eco-mineral functional materials，their purification and optimization are reviewed.The authors pointed out the multifunctioning，compounding of ecological mineral materials，the compound characteristics and integration regularities of micro-aggregates，and firstly put forward the“gene”technique or“material chip”technique for manufacturing functional micro-aggregates and eco-functional elementary materials.The results of this research supported by the national“863”Hi-tech Project，which includes the high-efficient air purifying indoor mineral compound material，the clay elementary antibacterial materials，the masonry cement，coating，putty，compound with radon radiation preventing function，environmental friendly composite functional coatings，mosquito repellent and healthcare materials and zeolite-based energy-storing composite materials，were introduced.Finally，the development perspective of mineral materials in the field of future new advanced ecological，envoironmentfriendly materials was also discussed.
Key words：eco-function，mineral materials，prevention of radon radiation，healthcare，antibacterial，energy-storing.