释放负离子功能材料的研究进展＊

赵 明 夏昌奎 彭西洋 刘位浪

（杭州诺贝尔集团有限公司 杭州 311122）

释放负离子功能材料的研究进展＊

赵 明 夏昌奎 彭西洋 刘位浪

（杭州诺贝尔集团有限公司 杭州 311122）

建材标准JC/T 2040－2010《负离子功能建筑室内装饰材料》的起草和实施有力地推动了释放负离子功能材料的研究和应用。笔者介绍了负离子的来源、种类、测量技术与评价方法及其作用机理，综述了释放负离子功能材料的制备及应用方面的研究进展，展望了释放负离子功能材料的发展前景。

功能材料 负离子 研究进展

前言

国家工业和信息化部分别于2010年11月22日和2011年3月1日发布和实施了建材标准JC/T 2040－2010《负离子功能建筑室内装饰材料》，标准规定了负离子功能建筑室内装饰材料的负离子性能测试方法、技术指标、结果处理和判定。标准从适用范围、规范性引用文件、术语和定义、标记、一般要求和技术要求、试验方法、检验规则等方面进行了详细规定。该标准的实施再次引起人们对释放负离子功能材料研究的极大兴趣。

在外界某种条件的作用下，呈电中性的空气气体分子外层电子脱离原子核的束缚从轨道中逸出，使部分气体带正电荷，这些正电荷和逸出的电子与某些中性分子或原子结合成为阳离子和阴离子，即正离子和负离子（Aero anion）。由于氧分子较之N2、CO2等分子更具亲电性，因此，氧分子优先获得电子而形成负离子，故负离子主要由氧离子组成，又被称为负氧离子。负离子就是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称。根据大地测量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论，负离子分子式为O2－（H2O）n，或 OH－（H2O）n，或CO4－（H2O）n（n＝8～10）［1］。能释放负离子的负离子功能材料是一种能够改善环境污染的新型功能材料。

1 负离子简介

1.1 负离子的来源

负离子是一种重要的空气调节剂，被誉为“空气维生素和生长素”。一般来说，负离子产生方式可分自然产生和人工产生两种［2］。

1.1.1 自然界空气中负离子的产生

自然界空气中负离子的主要来源是由宇宙射线、阳光紫外线、岩石土壤中的放射性元素放出的射线激发，以及雷电电击激发，风暴、瀑布、海浪冲击磨擦等作用，使大气中的气体分子的外层电子摆脱原子核的束缚从原子中逸出，变为正离子，逸出的自由电子，自由程极短，很快附着在某些气体分子或原子上（特别容易附着在氧或水分子上），成为空气负离子。另外，雨水的分解，森林、植物的光合作用所制造的新鲜空气等也含有负离子。

1.1.2 人工条件下空气中负离子的产生

人造负离子主要采用高压静电场、高频电场、紫外线、放射线和水的撞击等方法使空气电离，从而产生负离子。当前大多是用上述方法产生负离子，然后借助于风机和其他手段，将负离子吹送到所需处［3］。人工条件下产生空气负离子的方法仍有一些缺陷，如电晕放电在产生负离子时会造成大量的臭氧；水发生型在产生空气负离子时，虽具有不产生有害气体的优点，但设备结构较为复杂，成本较高，使用环境的湿度较大；放射发生负离子的同时需要有特殊的防辐射措施，使用不当会对人体产生极大的危害，因此，在一般情况下不宜使用［4］。在产生空气负离子的方法中，利用天然无机矿物（如：电气石、六环石、蛋白石、奇冰石、奇才石、古代海底矿物层等）获得空气负离子是最经济、应用最广泛的方法，也是目前人们研究、开发最多的方法［5］。

1.2 负离子的种类

负离子以其直径大小分为小、中、大离子3种［6］。小离子的直径为0.001～0.003μm，寿命在数秒至数十秒之间；当一个离子周围聚集着几个中性分子时，就形成了中离子，中离子直径为0.003～0.030μm；当小离子附着在尘埃颗粒上就形成了大离子，大离子的直径为0.030～0.100μm。大离子的寿命很短，只有几十秒至数分钟。这是由于一部分正负离子互相碰撞，或与地面碰撞中和而失去电性；一部分大离子由于有较大的体积，容易碰到带异性电荷的离子而中和失去电性；还有一部分离子与大气中的气溶胶粒子碰撞后降至地面而消失。通常一代空气离子的寿命最长只有几分钟。由于小离子具有最大的生物活性，因此，平时所说的空气负离子是指小离子。

1.3 负离子的测量技术

空气负离子的浓度以每立方厘米空气含有的空气离子数量来表示，单位为“个/cm3”。目前，可用于测量空气负离子的仪器主要有美国的BECKETT型、IC－1000型、Moody型便携式空气离子测定仪；日本生产的AK－103型便携式空气离子测定仪、KEC28002型空气离子测定仪、COM3010－PRO型负离子测试仪（SYSTEM.INC公司生产）以及ITC2201A型空气离子测量仪；我国的国家标准GB/T 18809－2002《空气离子测量仪通用规范》起草单位东南电子研究所的DLY6A－232、DLY4G－232、建材标准JC/T 1016－2006《材料负离子发生量的测试方法》起草单位中国建筑材料科学研究院研发的静态离子测试设备、石家庄无线电四厂和上海申发检测仪器厂的空气离子测试设备等［7］。

1.4 负离子的评价方法

负离子的科学评价必须以科学评价模型和标准为基础。关于负离子的评价方法，目前国内外尚无统一的标准。通常采用的主要有：单极系数、空气离子舒适带（英国）、重离子与轻离子的比；安培空气离子评价系数（日本），空气离子相对密度（德国）等。其中，单极系数（q）是指空气中正、负离子的比值，即q＝n＋/n－。许多学者认为，当q≤1时，才能给人以舒服感觉。安培空气离子评价系数（日本，CI），CI＝n－/1 000q，n－为空气负离子，CI值要大于或等于0.7，空气才属清洁［8］。中国学者石强提出了空气负离子系数的概念［p＝n－/（n－/n＋）］，同时提出了森林空气离子评价模型：FCI＝p×n－/1 000，并利用此模型分析研究了大量在森林环境中测得的空气离子浓度数据，采用标准对数正态变换法，制定出了森林游憩区空气负离子分级标准（SGFA）及评价指数分级标准（EISGFA）。目前，这些空气离子评价指标中，最常用的是单极系数和空气离子评价系数，在国内外许多研究中已成功应用［9］。

2 释放负离子功能材料的作用机理

2.1 抗菌、抑菌作用

由于负离子材料周围有104～107V/m的强电场，细菌在电场及电场所形成的0.06mA微电流的作用下，被杀死或抑制分裂增生。经国家权威部门检测，负离子素对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌抑菌率＞99%，而且据测定，细菌大多带正电荷，在空气或水中，被大量H3O2－包覆或被H3O2－中和，使其失去了增生与繁殖的条件，进一步加强了抗菌、抑菌效果；同时负离子材料本身具有的远红外线发射能力也使靠远红外线辐射的电磁波能量起到辅助的抗菌、抑菌作用，消除各种细菌对人体的危害，增进人体健康［10］。

2.2 产生负离子

人们在森林、瀑布、郊外或雨后会感到空气清新、呼吸舒畅和身心轻松愉快，这是因为空气中负离子显著增多的缘故。空气中的负离子使细胞活化并加速新陈代谢、净化血液、稳定神经系统，使体内氧自由基无毒化，提高人的免疫力［10］。当空气中的水分子进入负离子素电场空间内（一般为半径10～15μm的球形）会立即被永久电极电离，发生H2O —→OH－＋H＋的反应，由于H＋移动速度很快（H＋的移动速度是OH－的1.8倍），它迅速移向永久电极的负极，吸收一个电子，变为H2逸散到空气中；而OH－则与另外的水分子形成H3O2－负离子。这种变化只要空气湿度不为零就会不间断地进行，形成负离子（H3O2－），具有永久发射功能，而不会产生有毒物质引发其它副作用。

2.3 发射远红外线

释放负离子功能材料是一种对人体健康非常有益的远红外线发射材料，它的单元体的正、负电荷无对称中心，即具有偶极矩。当它们做热运动时，相应的偶极矩发生变化，即热运动使极性分子激发到更高的能级，当它们向下跃迁时把多余的能量以电磁波的方式放出。人体吸收远红外线最佳波长为9.6μm，而负离子陶瓷添加剂发射远红外线的波长在2～18μm范围内，并且辐射功率发射密度为0.04W/cm2，比人体细胞能量密度0.03W/cm2略高。据文献资料证实，负离子陶瓷添加剂发射的远红外线与人体协调很好，可被人体全部吸收［10］。

3 释放负离子功能材料的研究现状

日本久保，中国金宗哲、姚鼎山、梁金生等对电气石进行了深入的研究；李青山、刘奎元发现了海鸥石、六环石、砭石释放负离子的机理。他们创制了数十类系列功能产品，申请了数百项发明专利，提出了把负离子环境带回家，把健康送给每个人的理念，通过负离子博物馆宣传，普及负离子知识，让人们认识负离子，了解还原电子理论，筑起健康万里长城。

3.1 释放负离子功能材料在陶瓷行业中的应用

负离子材料可以直接加入陶瓷坯体制成负离子陶瓷材料，也可以加入陶瓷的釉料中，做成陶瓷过滤球、墙砖、地砖、卫生洁具等产品。

王克承［11］经过4年多的精心研究，用超微粉碎技术与低温烧结技术将电气石（Tourmaline）粉体应用于水质改良，设计了一套生态抑菌过滤池。该过滤池的核心技术在于使用了电气石负离子陶瓷球为过滤材料。它是用一种专用的液态磨，经过5道工序，将硬度7.5的宝石碾磨成d90≤1～0.5μm的超微粉体，然后复配纳米光催化剂，利用活性晶体载体烧结成陶瓷球，其烧结温度低于600℃。

黄凤萍［12］通过将电气石直接加入陶瓷坯体中，将载银抗菌剂和TiO2通过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。电气石的加入量为10%，银系抗菌剂和TiO2抗菌剂合量大于2%，其中银系抗菌剂占1/3左右，烧结温度为1 080～1 090℃，即可具有较强的负离子释放和抗菌能力，而且负离子有效地增强了抗菌剂的抗菌能力，具有较长的使用寿命。

陈丽芸［13］通过将电气石细碎后加到铸铁搪瓷面釉中，并对铸铁搪瓷的制作工艺进行合理设计，获得了具有产生负离子功能的铸铁搪瓷。经ITC－201ASmart Ions Monitor负离子测试仪检测，其发射负离子最高可达28 090个 /cm3，1min平均值为1 160个 /cm3。该铸铁搪瓷面釉中所磨加的电气石，经过涂搪烧成后，其晶体结构没有发生相变，仍为六方柱状晶体。从而得出磨加电气石超细粉体是使该铸铁搪瓷获得负离子功能的主要原因。另外，搪瓷面釉中加入超细电气石粉体后，其白度和光泽度发生了变化。当电气石含量不大于10%时，所制备的含电气石搪瓷样品的白度和光泽度基本符合铸铁搪瓷釉的要求。

郑柳萍等［14］以锂辉石、高岭土等为原料，添加绿柱石和锰盐等混合添加剂，同时引入一定比例的硅酸锆和TiO2等作为助剂，研制成BIO生态陶瓷粉料，并尝试将其应用于陶瓷壶的制作工艺中，研制成可在电磁炉上加热使用的瓷壶。采用静态空气离子测试仪进行空气负离子发生量检测，得到负离子增量为1 406个/cm3·s。

笔者将自制的负离子催化剂以添加剂的形式外加入玻化砖坯体配方原料中，经过球磨化浆、喷雾制粉或者将自制的负离子催化剂添加入玻化砖坯体的喷粉粉料中，经过细磨成微粉，再经成形、干燥、烧成、切割、抛光后，采用日本SYSTEM.INC公司生产的负离子测试仪（型号COM3010－PRO）检测所制备的玻化砖产生负离子浓度，其浓度为为750～2 000个/cm3。所制备的玻化砖具有永久产生负离子的功能，只需将玻化砖铺设在居室内，即可持续不断的向周围的环境产生负离子，能够显著改善室内环境质量，有益人体健康。所制备的玻化砖符合GB 6566－2001《建筑材料放射性核素限量》中A类装修材料要求，其产销与使用范围不受限制。

另外，人工合成负离子发生材料是采用两种或两种以上的天然矿物质，通过一定的加工方式合成一种具有释放负离子和远红外功能的材料。金宗哲等［15］采用ZnO，CaCO3和Al（OH）3相混合，所合成的负离子粉负离子的产生量约为100个/cm3，6h杀菌率最大为100%，其VOC净化率最高达50%。他们还研制出一种稀土激活电气石复合粉体，用于建筑物的内墙装饰材料，室内空气负离子浓度达到室外旷野水平［16］。该空气负离子粉体用于纤维、塑料等，其负离子释放功能可达到1 200个/cm3。梁金生等［17］采用新的合成方法，合成了可同时具有抗菌、活化水、辐射超强远红外、产生负离子和溶出微量元素等功能的陶瓷材料。宁珅等［18］利用浸渍CsI的方法在微孔晶体材料12CaO·7Al2O3（C12A7）表面掺杂Cs元素，不仅降低了氧负离子的发射温度，还大幅增强了发射强度；氧负离子发射增强的主要原因归结于浸渍CsI后其表观活化能的降低。陈荣坤［19］把电气石、纳米TiO2、纳米组装的无机抗菌剂、氧化铝等几种原料混配后得到超细负离子空气净化材料。经检测，负离子发射率为2 000个/cm3，将其按内墙涂料的1%添加，在面对国家标准10倍浓度的情况下，经检测120h对甲醛、氨、苯的去除率达90%以上。

3.2 释放负离子功能材料在环境工程领域的应用

电气石在环境保护领域的独特作用由日本学者［20］在20世纪80年代末发现，源于常年积雪的富士山河里的水很难被污染。Kubo等注意到河水流经火成岩的地层，这引起了他对电气石的研究，发现了电气石存在永久性电极。由于电气石类似于磁铁磁极的自然电极的存在，不仅具有抗水污染作用，而且还可以用于净化空气和生活保健用品。据有关文献报道，日本采用电气石和微生物的混合超微粒子撒布的方法净化琵琶湖的庞大污水处理工程。

汤云晖等［21］研究了电气石的粒度、用量及环境条件（如pH值、温度、搅拌）等对水中Cu2＋吸附的影响，分析了电气石对Cu2＋废水的净化原理，电气石本身的静电场对Cu2＋的吸附作用使Cu2＋与表面的离解产物OH－在电气石表面发生反应，形成沉淀，从而达到净化水的目的。

冀志江等［22］研究电气石对水pH值的影响。发现电气石颗粒的电极性能够影响水溶液的氧化还原电位，调节水溶液的pH值，使之趋向中性。使酸性溶液pH值增大，除电极性之外，表面吸附H＋和表面位离子交换吸附H＋也是重要因素。使碱性溶液pH值减小的主要因素是电气石的电极性。电气石可利用其电极性以及对水体的氧化还原性影响处理污水。

韩跃新等［23］研究了电气石吸附废水中Pb2＋的过程，讨论了吸附时间、温度、用量、pH值、Pb2＋浓度等条件对吸附效果的影响，分析了电气石对含Pb2＋废水的吸附机理。电气石本身的化学组成和晶体结构，使其具有特殊的性能，可使Pb2＋溶液的pH值升高，生成羟基化表面（MeOH），吸附的Pb2＋在电气石表面发生反应形成沉淀。研究结果表明，电气石对Pb2＋有较好的吸附效果。

吴瑞华等［24］研究认为：电气石具有永久性的自发电极，电气石微粒周围存在着以C轴轴面为两极的静电场。在电场作用下，水分子发生电解，形成活性分子H3O＋，吸引了水中的杂质、污垢，净化了水质，OH－和水分子结合形成负离子，改善了人们的生活环境。

3.3 释放负离子功能材料在纺织行业中的应用

在纺织工业中，有各种含负离子材料的纺织物面料制作的衣物。穿着负离子材料处理过的服装，可在人体周围形成负离子的聚集效应，对人体起到抗菌保健的作用。日本是负离子功能纺织品最先研制开发成功的国家，已形成负离子功能纺织品的成熟市场。负离子床上用品、服装、鞋帽、洗浴用品、体育防护用品等通过与皮肤的直接接触、摩擦，产生美容美体、健康祛病的作用；负离子室内布艺则营造出室内负离子空气氛围，呵护人们的健康。如日本生产的“HOLIC”织物，其A4纸大小的织物在空气中可产生150个/cm3的负离子。

我国负离子纺织品中使用的高效多功能负离子材料，其原料均选自纯天然矿物，经高科技手段进行配比、提炼、复合加工而成。经国家权威部门检测，我国负离子功能纺织品模拟纺织品使用状态下与人体摩擦产生的负离子达到3 600个/cm3，完全达到日本同类产品的水平；在4～14μm波长范围内远红外线辐射率高达91%；去除游离甲醛等有害气体的能力均在90%以上，洗涤50次，其功能损失不超过10%［25］。

4 释放负离子功能材料的研究方向

释放负离子功能材料是继远红外功能粉体之后的又一新的高技术含量产品。释放负离子功能产品的开发应用，为功能材料行业提供了提升产品档次、扩大市场份额、提高企业知名度的机遇，更主要的是负离子功能产品为人们的日常生活提供了一种实际的、全新的、多方位的健康呵护，结合现有的研究及应用状况，笔者认为在当前负离子功能材料的研究基础上还应该加强以下几个方面的研究：

1）负离子材料结构和性能的深入研究。负离子材料在建筑行业、环保行业、纺织行业等方面有着广泛的应用前景。人们往往重视其性能和应用，而忽略了对其结构的深入研究，因此，研究产生负离子材料的结构将为负离子功能材料的进一步开发和应用提供科学的方法和理论依据。

2）人工合成负离子产生材料。由于常用的负离子产生材料如电气石、蛋白石等产地稀少，因此其价格昂贵。这就极大地限制了电气石等负离子发生材料的大规模应用。采用人工合成负离子发生材料不但可以降低负离子陶瓷材料的生产成本，还将大大促进负离子功能材料的大规模应用。

3）开发新的用途。最近几年，负离子功能材料被广泛应用于墙砖、地砖、卫生洁具、水的过滤、纺织品等方面。通过对负离子功能材料结构和性能的深入研究，希望能发现负离子材料新的性能，发明新的负离子功能材料，开发负离子功能材料新的用途，从而提升释放负离子产品的档次和附加值，使其在竞争日益激烈的功能材料行业中处于不败之地。

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25 苍风波.负离子功能纺织品.毛纺科技，2005（7）：43～45

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

赵明（1966－），本科，高级工程师；主要从事建筑陶瓷材料研究。E－mail：cindy@nabel.cc