电气石粉体表面改性及其应用研究进展*

陈旭波，胡应模，汤明茹，边静，王清岭

（中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083）

电气石粉体表面改性及其应用研究进展*

陈旭波，胡应模，汤明茹，边静，王清岭

（中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083）

电气石是环状结构硅酸盐矿物，因其具有压电性、远红外性等特性而具有巨大的应用价值。从改性方法、工艺、表面改性剂及其配方等方面综述了电气石粉体表面改性现状，重点介绍了机械力化学改性法和表面有机包裹法及其相应的改性原理与基本工艺流程；概述了改性后的电气石粉体在水处理﹑医疗保健﹑节能环保﹑纺织等方面的应用情况；并对电气石粉体改性的发展趋势及其应用前景做了展望。

电气石；表面改性；硅酸盐

电气石是电气石族矿物的总称，其化学成分较复杂，是以含硼为特征的铝、钠、铁、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物，其组成通式为（Na，Ca）（Mg，Fe，Mn，Li，Al）3Al6（Si6O18）（BO3）3（OH）4。根据不同的类质同象，可分为铁电气石、镁电气石和锂电气石［1］。电气石具有压电性与热电性，以及可以释放远红外线和负离子等独特功能，可广泛应用于环保、电子、医药、化工、轻工、建材等领域，其作为一种附加值高的新型工业矿物，受到世界各国的普遍重视［4］。

宋羽等［5］研究发现，电气石的电效应﹑离子吸附性等会随着其粉体粒径的减小而呈增强趋势，并具有一系列优异的表面与界面性质，但由于粉体颗粒的比表面积大，比表面能高，在制备和加工处理过程中极易产生团聚，使得电气石在复合材料中分散不均匀，从而影响复合材料的综合性能。为提高电气石粉体在复合材料基体中的分散性，增强电气石复合材料的综合性能，需要对电气石粉体进行表面改性。

1 电气石粉体改性方法［6］

1.1 机械力化学改性法

该方法是指通过摩擦﹑粉碎等强烈机械力作用有目的地激活颗粒表面，使其结构复杂或表面无定形化，从而增强它与有机物或其他无机物的反应活性，达到表面改性的目的。

韩炜［7］在常温常压下，以去离子水为液相介质，固液比为1∶1，分散剂用量为3%（质量分数），通过循环水冷却保持磨料温度在60℃左右，砂磨机研磨3h后，制得粒径为30～200nm的纳米级电气石微粒。原子吸收分光光度分析表明，纳米级电气石微粒对溶液中Cu2+的吸附能力大大增强。

吕方［8］采用了复合机械研磨工艺，通过破碎、球磨、干燥、气流粉碎等工序，先采用周期式搅拌球磨机，以水为介质，按球料比为3球磨50 h左右，再将球磨后的产品经二次粉碎，制得粒径为0.1～5 μm的电气石微粒，可将其纺入织物中制成各种衣物。

杜亚利等［9］在湿法研磨电气石过程中以硬脂酸钠作为改性剂，最佳工艺条件：矿浆浓度为40%、改性时间为15 min、磨机转速为600 r/min、硬脂酸钠用量为1%（质量分数）、介质物料比为4、改性温度为40℃，改性后的电气石粉体在煤油中的分散性大大提高。

1.2 表面有机包裹法

表面有机包裹法是利用有机表面改性剂分子中的官能团与无机矿物粉体颗粒表面发生化学吸附或化学反应，从而达到对颗粒表面进行改性的目的。所用表面改性剂主要有偶联剂、高级脂肪酸及其盐、有机低聚物、不饱和有机酸以及水溶性高分子等，是目前最常用的无机粉体表面改性方法。

杨雪等［10］以山梨醇酐单硬脂酸酯（Span60）为改性剂，甲苯作溶剂，通过湿法工艺对电气石进行表面改性，得出最佳反应条件：改性剂用量为电气石质量的3%，矿浆质量比为3∶10，反应温度为60℃，反应时间为1 h，改性后的电气石粉与有机溶剂间的相容性大幅提高。

边静等［11］以月桂酰氯为改性剂，二甲基甲酰胺为溶剂，对电气石进行表面改性，得到最佳处理条件：改性剂与电气石质量比为1∶1，温度为80℃，时间为5 h，改性后的电气石粉活化指数可达96%，经测定改性后的电气石粉与蒸馏水的接触角超过120°，显示出较强的疏水性，且其晶体结构未受影响。

王平等［12］使用聚丙烯酸D3007为改性剂，通过湿法工艺对粒径为0.8～1.8 μm的电气石微粉进行表面改性，具体方法为：先将电气石粉体加水搅拌配制成质量分数为25%的料浆，在设定的温度下搅拌加热20 min后，加入电气石粉体质量分数为0.8%的改性剂，搅拌改性一定时间后取出，过滤、干燥即可。改性后的样品在水中的分散性大大提高。FT-IR分析表明，聚丙烯酸D3007与电气石粉体表面的结合方式为化学吸附。

任飞等［13］以硬脂酸为改性剂对电气石粉体进行表面改性。最佳实验条件：改性剂添加量为1.3%（质量分数），反应温度为90℃，反应时间为10 min。改性后电气石粉体活化指数将近100%，其红外发射率与负离子释放能力都有提高，机械性能未受影响。

胡应模等［14］用铝酸酯对电气石进行表面改性，以苯为溶剂。用活化指数与浊度对改性效果进行表征。最佳工艺条件：铝酸酯用量为1.5%（质量分数），反应温度为70℃，反应时间为30 min。改性后的电气石活化指数为97%，其表面显示了较强的疏水性能，但不影响电气石本身的晶体结构。

刘瑄等［15］以硅油为改性剂，乙酸乙酯为助剂，用喷雾法对电气石进行改性。其最佳工艺条件：改性剂为矿样量的2.5%（质量分数），反应温度为80℃，pH为9，物料介质比为1∶1，反应时间为1 h。改性后的电气石粉体可用作有机聚合物的无机活性填料。

2 电气石的应用

2.1 水处理

由于电气石具有永久的自发性电极，产生的静电场对水中重金属离子（Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+）和杂质有较强的吸附作用［16］，并且电气石发射的远红外线与水中氢键共振可将水活化成小分子水［17］，同时可抑制水中细菌的增生与繁殖［18］，因此可将其广泛应用于饮用水活化以及污水处理等方面。

王克承［19］用超微粉碎技术与低温烧结技术将电气石粉体应用于水质改良，通过使用一种专用的液态磨，经过多道工序将电气石碾磨成粒径为1～0.5 μm的超微粉体，复配纳米负离子光催化剂，在600℃左右利用活性晶体载体烧结成陶瓷球。该陶瓷球可有效过滤水中杂质，净化水体。

黄凤萍［20］通过将电气石﹑TiO2抗菌剂和载银抗菌剂浸渍复合在坯体表面及坯体通孔表面，制成了具有释放负离子和抗菌双重作用的陶瓷产品。其中电气石的加入量为10%（质量分数），银系抗菌剂和TiO2抗菌剂合量大于2%（质量分数），烧结温度为1100℃左右，其具有较强的负离子释放和抗菌能力。

2.2 医疗保健

电气石可以发出波长为4～14 μm的远红外电磁波，该波段与人体红外吸收谱相匹配，能够被人体吸收，使人体组织温度升高，从而加快血流速度﹑促进新陈代谢﹑改善微循环﹑提高身体免疫力［21］。此外，电气石释放的负离子能稳定神经系统，活化细胞，使人体内氧自由基无毒化［22］。

成进学等［23］用电气石纳米粉与纳米银及其他微量元素复合制成持久功能性元素纤维织物，通过与皮肤的紧密接触，使微量元素经皮肤毛孔、汗孔渗入体内，达到体内元素平衡，使肌体免疫力增强，提高抵抗疾病的能力。

J.Y.Ryu［24］将白云母、电气石和镧系元素混合制备成衬垫包裹在电热线周围，当电热线受热时，远红外线和空气负离子就会从电气石衬垫中不断地释放出来，在人体保健方面具有一定功效。

W.S.Lee［25］与H.Y.Lee［26］分别研制了一种含有电气石的远红外橡胶板和结晶陶瓷，这两种材料能够有效地释放远红外线，在人体保健、远红外加热方面的应用具有广阔的前景。

孙志峰［27］利用电气石和纤维合成一种远红外功能纤维，其中电气石质量分数为1%～8%，粒度在120～180 nm，这种纤维具有较高的健康效应。

郭兴忠等［28］以竹炭和电气石为原料，采用机械共混及高温烧成制备了竹炭/电气石复合远红外材料，竹炭与电气石的质量比为1∶1，以去离子水为介质，添加聚乙烯醇湿磨24 h后在80℃下烘干，再在120℃下将复合粉体高压成型即可。对不同试样的远红外发射率进行测试，结果表明：随着温度的升高，该复合材料的远红外比辐射率呈降低趋势，当煅烧温度为700℃时，比辐射率达到最大（0.896）。此复合材料远红外比辐射率高，工艺简单，可用于制造多种保健器具。

翟羽［29］以电气石粉体为载体，先对电气石进行表面加工，再将平均粒径为5 nm的银系物包埋到载体中，制得纳米银/电气石复合材料。该材料主要用于服装和床上用品，不仅可以广谱抗菌，而且可以预防人体心血管疾病的产生，对高血脂、高血压及关节炎的病人均有辅助治疗作用。

郭彬等［30］采用粗粉碎﹑气流法超细粉碎和湿法研磨相结合工艺，以硅烷偶联剂为表面活性剂，在220℃下将电气石与聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）密炼，混合均匀后取出物料，冷却后于10 MPa、220℃条件下热压10 min，室温下冷却，即制成电气石/PBT复合材料。测试结果表明：当材料中梅花电气石质量分数为8%时，负离子平均释放量达到1458个/cm3，可净化室内空气，保持人体健康。

2.3 节能减排

文献［31］研究表明，利用电气石对汽油、柴油进行活化处理，其远红外辐射可促使燃油分子中的C=C与C≡C键发生共振，从而提高燃料的燃烧效率，降低有害气体的排放。

吴稼祺等［32］将尖晶石和电气石粉末混合后，在B2O3气氛中，550℃下固相合成2 h，制得尖晶石/电气石复合红外辐射材料，其中尖晶石质量分数为5%。其全波段比红外辐射率为0.92，低波段比红外辐射率为0.85，可满足燃油活化材料的要求。

李奋平等［33］将用硬脂酸改性后的电气石粉体与液态树脂混合后，加入一定量的引发剂与促进剂，制得电气石质量分数为40%的复合材料。测试结果表明：该材料平均节油率达到2.87%，烟气中CO、NO的质量浓度降低率分别为15.9%和14.5%，节能减排效果明显。

2.4 其他应用

电气石可吸附水中杂质，增强水的活性，可作为洗衣粉和洗涤剂的替代品。已有学者生产出含有电气石颗粒的无磷远红外陶瓷洗衣球，洗衣过程中反射的远红外线作用于水分子，使之共振，衣物上的污垢与水发生强烈界面活化作用，去污效果较佳，且避免了化学物质对环境的污染［34］。

孙贤军等［35］利用电气石对微尘的吸附性，将电气石微粉与有机胶黏剂复合后制得电气石复合功能涂料，将此涂料用于卷烟生产，可降低卷烟危害性，卷烟中焦油、CO、NO、亚硝胺、羰基化合物、氢氰酸、苯并芘类物质分别降低126%、150%、252%、125%、122%、304%、194%。

电气石可与空气中的水分子反应形成阴离子，中和辐射发出的阳离子，以阻止电磁波的传播。用含电气石微粉的物质做成外壳，能有效起到电磁屏蔽和消除静电的作用［36］。

采用表面涂覆改性法﹑共混纺丝法﹑共聚法等，可将经过表面处理的电气石微粉固着在纤维表面或混入纤维内部，制得抗菌多功能负离子纤维，可以用来制作抗菌纺织品或健康纺织品。不仅有利于促进人们的身心健康，还能极大提高产品的附加值［37］。

此外，电气石微粉还可掺杂在远洋船只的防护涂料中，它可使船底周围海水活化，在船壳与海水之间形成一层水分子膜，不仅可以阻止藻类和贝类等吸附在船体上，还能避免因使用有毒涂料而对海洋生物造成伤害［38］。

3 展望

随着人们对电气石认识的不断加深，与之相关的研究也得到更多的重视，但对电气石的改性与应用尚处于初级阶段，对其结构与特性的研究还有待进一步加深。从现有的改性方法来看，机械力化学改性法工艺简单﹑生产效率高，但需要专门的仪器，且在制作结构复杂的高分子聚合物/电气石复合材料时，改性效果不够好；表面有机包裹法可用于制作结构复杂的高分子聚合物/电气石复合材料，其产品的前景更广阔，工业附加值更高，但在反应过程中必须注意控制表面改性剂的用量与反应时间，防止因表面包裹体过厚而削弱电气石的远红外性和负离子释放性。在应用方面，将电气石粉体直接引入聚合物分子结构中，制备含电气石的功能聚合物，除了可用于水处理和医疗保健等方面外，也许还可以利用其远红外性和压电性，将其用于开发尖端红外自适应伪装技术或远红外发射可调控技术以及电致变色器件等。总之，随着人们对医疗保健以及环保节能等方面要求的日益严格，电气石这种天然无害的矿物将具有更广阔的应用前景，尤其在特种功能复合材料的开发及新型产品的研制上将显示出卓越的魅力。

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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

陈旭波（1987—），男，硕士，主要从事硅酸盐矿物表面改性及其聚合物复合材料的制备与表征方面的研究。

国家自然科学基金资助项目（51072187）。

联系人：胡应模

联系方式：bocai2007920@sina.com