无机非金属材料中的无铅化研究进展

李斌

摘 要：当前市场上所采用的无机非金属材料大部分都含有一定量的铅，众所周知，铅对于环境和人体会产生一定的危害，随着近年来人们环境保护意识的加强、人们对健康的越来越重视，无机非金属材料的无铅化已经成为可持续发展的一个趋势。本文主要研究了铅在无机非金属材料中的应用以及无机非金属材料中的无铅化研究进展。

关键词：无机非金属材料;无铅化;进展

1.引言

无机非金属材料的制造过程中，往往会用到大量的有毒、有害添加剂，同时产生大量的废气废水等物质。目前我国产量较大、用途较广的无机非金属为玻璃和陶瓷，在生产过程中会用到大量含有氟、镉、铅等元素的物质，这些化合物会对人体及环境产生较大危害。需要注意的是，无机非金属材料的生产同样会产生较严重的粉尘污染。随着人们环保意识的增强，西方国家对陶瓷、玻璃的含铅量进行了严格的规定，同时对不可避免需要使用铅元素的产业颁布了相关法案进行约束;2002年起日本就规定了特殊情况下才能使用含铅材料，在当前的生产和应用中也全面禁止含铅材料的使用。但是对于一些尖端的科技产品，例如光学实验室中的仪器等，其中的铅材料还没能找到合适的替代元素，所以更需要进一步加强无机非金属材料的无铅化研究，加快无铅化进程。

2.铅在无机非金属材料中的应用

2.1.铅在玻璃材料中的应用

在实际应用中，铅氧化物因具有密度高、透光性好而被广泛应用于多种光学材料，常见于超导体材料，光学凸透镜，道路标志、交通管理标志上的玻璃微珠等，多数领域都有较高的应用前景;铅玻璃因为电阻大、介电损耗小、折射率高、转化温度低、化学稳定性高等材料等得到广泛应用;此外，铅的高原子量使得玻璃的密度较高而被闪烁材料作为首选项，Pb2+离子因为在紫外光作用下发生电子的跃迁，跃迁电子退散时会有部分能量以荧光的形式发射而得到广泛应用。

目前多数真空玻璃中的一氧化铅含量都较高，例如主要用于显像管径的DB-404 中一氧化铅的含量是30wt%。查阅相关资料显示，一氧化铅在玻璃中的含量可达70%～75%（wt），含铅量高的玻璃往往因为其密度大、折射率高等特点而被广泛应用酒、化妆品等高档包装材料中，且暂时未找到合适的替代品。

2.2.铅在陶瓷材料中的应用

铅在玻璃采用中的广泛应用是因为其自身良好的物理特性，是熔剂的重要组成部分。同时铅质玻璃因其较高的折射率和较低的熔融温度能够使颜料具有较好的光泽度，增大颜料的烧烤温度，使颜料能够同陶瓷釉具有对应的热膨胀系数等特性而被广泛应用陶瓷釉上的颜料中。资料显示陶瓷装饰中颜料的含铅量普遍为55%～60%（wt），这会给工人健康产生威胁，同时造成环境的污染，此外，在陶瓷的使用过程中，如果受到酸的腐蚀致使铅从色彩中溶解将会给人体健康产生较大影响，但是目前还没有代替铅熔剂的无害材料。

用于制备传感器和存储元件的压电陶瓷中也广泛应用到铅，例如。但PZT基压电陶瓷中一氧化铅含量约占原料总质量的70%，但是含铅压电器件的回收成本远高于制造成本，出于经济角度考虑回收处理的方法不可行。在高温PTCR材料成分中，多数含有BeTiO3陶瓷中会引入Pb2+取代Ba2+，由于在以往的制备工艺中一氧化铅在880℃熔融，高于此温度时会大量挥发，不仅会影响材料耐电压特性，同时会造成环境污染。

3.无机非金属材料中的无铅化研究现状

3.1.无铅玻璃

Sn和Pb都是第IV主族元素，具有相似的化学性质，两者的Sn2+和Pb2+外电子层结构相似，且均为四方锥体结构，在高锡玻璃种存在这种四方锥体会使氧化锡对玻璃有较高的助熔性。因为Bi3+有与As3+、Sb3+类似的带惰性电子对的外层电子，在形成玻璃时，（Bi03）基团对玻璃网络的作用力要弱，Bi3+与Pb2+都有较大的极化率，且折射和色散性较好，容易形成玻璃。

在显示器封接使用的玻璃无铅化研究过程中，多数学者以SnO-ZnO-P2O5为方向，此外一些重金属离子、或者是容易变形的大离子、带小电荷的阳离子等致使玻璃具有低熔的特点，所以研究发现用As2O3、V2O5、P2O5 等取代一氧化铅形成无铅低熔点玻璃。总之无铅低熔点玻璃中多用氧化钙、氧化镁、氧化钡等碱土金属氧化物取代一氧化铅;或者在玻璃种添加Li2O，通过混合碱效应增加其体积电阻，且Li2O可降低其玻璃的高温粘度。

此外，无铅无铅晶质玻璃多用于高档餐具、水具、灯饰等，为使无铅玻璃能够达到同铅质玻璃相同的折射率和密度，引入了较高折射率的氧化物，如二氧化碲、氧化钡等，但是此类氧化物的玻璃在透明度以及熔融温度方面有较大差距，生产出来的产品容易产生条纹。

3.2.无铅色釉料

早在1980年代我国陶瓷专家就提出了关于陶瓷装饰材料中含有的锌、铜、钡等元素及其氧化物溶出后的危害性，后在90年代，日本陶瓷专家也提出了该问题，且认为以后的陶瓷中溶出的有毒元素将会更多。有专家提出用SrO 代替PbO可以获得较好的无铅釉，此外，锶釉具有烧成温度低、用途广、釉表面光泽等特点，也是铅釉良好的代替品。

3.3.無铅压电陶瓷

无机非金属材料的无铅化研究进程进展至今，理论上无铅压电陶瓷是可行的，钛酸盐的铁电性大小与π键的大小存在一定关系，这里的π键是由钛离子的d 轨道和氧离子的2p 轨道构成的，铁电性随着π键键级的增强而增强。根据分子轨道理论，在在PbTiO3 中铅6s 轨道与氧2p 轨

道都是变化的，在BaTiO3 中，因为钡离子没有s 价电子，仅仅2 个电子占据成键π态，键级较弱，所以Bi取代Pb形成无铅压电陶瓷在理论上是可行的。

但是无铅压电陶瓷和铅基压电陶瓷的性能相差较大，在无铅压电陶瓷方面还要继续研究，继续提高无铅压电陶瓷的性能，但是在实际中，铅基压电陶瓷是不可能被完全取代的，在军事及医疗等领域中仍然需要铅基材料。

4.结语

无论是出于对环境和人体的保护还是经济角度，无机非金属材料的无铅化发展是必然的趋势，目前各国学者都在致力于寻找可以取代铅及铅氧化物的材料，已经做了许多的研究并有了较大的进展，但是无铅的无机非金属材料仍然未得到推广，同时无铅的无机非金属材料在性能方面也有一定的缺陷，且铅基材料并不能完全被取代，如何提高无铅化材料的性能，合理取代铅基仍然是学者的研究方向，相信未来无铅非金属材料的应用会越来越广泛。

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