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负氧离子功能涂料研究进展
摘要
随着人类文明的进步，特别是第二次工业革命之后，现代科技与工业急速发展，人们的生活水平质量也不断提高，每家每户买房已成标配。
而随着人们的经济发展越来越快速，购入新房越来越普遍的同时环境污染问题也越来越严峻。
建筑装修的同时人们对其美观质量的要求也越来越高，导致现在大量的化学装修、装饰材料进入室内，建筑物的装修材料所释放的化学有害气体、修饰家具释放出的微量气体充斥着整个房间，这些气体使室内的空气污染越来越多，空气质量越来越差。
而这些污染物中，甲醛对人体的健康危害影响最大，所以解决室内污染物是一件不容迟缓的事情。
因此在都市里，为改善空气质量增加室内空气负氧离子浓度，人们在不断的开发与研制出可以释放出负氧离子的功能涂料。
所以电气石粉体逐渐进入人们的视线，电气石可以永久性的诱发负氧离子，同时不会产生臭氧，环保安全又节省资源。
本文首先以负离子粉体的选择，发现了掺入电气石粉体的浆料能够安全、环保健康并且永久的释放出负离子。
后又以如何提高电气石粉体的负离子诱发量、充分利用该粉体为题，发现了解决方案。
①负离子粉体与负离子添加剂的最合理比例：
10%的电气石粉体，添加2%的独居石粉体。
②在电气石粉体中添加二氧化铈。
③将需要进行涂抹的物体表面制成蜂窝状，增大表面积。
以上研究表明，电气石粉体不能充分被利用，诱发的负离子浓度不大，未来还需各种实验发现。
关键词：
负氧离子；负离子粉体；负离子涂料；电气石粉体
第一章绪论
1.1研究背景
随着现代科学技术和工业农业的发展，环境污染和温室气体排放给我们的生存环境带来了巨大的威胁，城市居民对绿色生活的追求越来越迫切。
以室内空气污染物挥发性有机化合物VOC、粉尘微生物为主。
因此，有效的去除空气中漂浮的有害气体、净化空气质量、维持健康的生活环境的事成为最重要的目标。
所以负氧离子逐渐进入人们的视线，负氧离子不仅可以净化空气，还可以让人保持心情舒畅，提高人体自身的免疫愈合能力，对维持人体健康有极大作用。
在建筑涂料中加负氧离子添加剂便可制成负氧离子功能涂料，它可以吸收室内甲醛、TVOC等空气污染物，改善室内空气，给人体营造一个舒适健康的居住环境从而满足人体的生活需求。
1.2负氧离子发展现状
自然界中的负氧离子是指获得了一个或多个负电荷的氧气离子，它是衡量空气质量好坏的重要标志之一。
其中，小粒径负氧离子能够给人体带来益处。
因为负氧离子粒径小，更容易穿透人体的血脑屏障，对人体健康有一定的影响。
自然界释放负氧离子的方式有很多种：
①由于太阳紫外线、宇宙射线、地雷、风暴以及大气中的放射性元素和岩石的影响，大气氧分子在大气中电离，产生负氧离子，在。
②森林中的树木、树叶、树梢和绿色植物通过光合作用产生负氧离子③水因重力原因从高处落下，水高速流动后分子产生破裂，产生负氧离子。
比如大自然界中的瀑布。
自然界中可以释放大量的负氧离子，放电效应、大气因各种因素影响产生电离、绿植光合作用引起的光电效应、瀑布导致水分子裂解等等都可以形成负氧离子。
并且这些离子都具有粒径小、活性高、浓度高等优点，能够像保健品一样调节人体的各项性能。
除了自然界中的负氧离子，现在还有人造负离子的出现。
大致分为两种：
①是如一般高压放电法一样，通过模仿喷泉、闪电等自然现象，利用物理、化学反应，将能量提供给电子，以产生电离化反应从而生成负离子。
②是以材料来产生空气负离子，主要为电气石或者电气石粉。
它们具有热电性和压电性，基于这两个特性，只要温度和压力有细微的变化都能引起电热与电压差，而产生的这个静电电压差足以让空气中的离子产生电离使其转化成空气负离子。
空气负氧离子可以杀菌抑菌、吸附空气微量有害气体、净化空气、提高人的免疫力、调节功能均衡、净化人体血液、调节自我神经、抗氧化防衰老、并且还具有长寿的功能。
有研究发现所处环境所含的负氧离子浓度越高，对人体健康就越有益。
空气负氧离子就如我们生活中的阳光一样，是人类健康生活中不可缺少的一部分，可以给人们带来舒适惬意的生活环境。
1889年，德国科学家埃尔斯特和格特首次发现了空气负离子，aschkinas和Caspar以及俄罗斯科学家分别于1902年、1903年证实了空气负离子存在的重要性，同时俄罗斯科学家首次发表一篇关于负离子治疗疾病的文章。
然而，在伊朗沙哈维特博士于1978年引进第一台电子仪器生物滤池之前，中国对负氧离子的研究一直很浅，所以一直到二十世纪八十年代我国才开始正式进行关于空气负氧离子的开发研究。
研究人员发现，负氧离子可以应用于许多领域，例如医学、建筑环保涂料、生态旅游以及工农业。
在连续100年的勘探中，人们始终试图开发和利用负氧离子资源，我国对负氧离子的研究也不断深入扩大。
此外，负氧离子产品已经从医疗保健发展到空气净化，已经成为一个包括健康和环保的新兴产业。
如果我们持续开发与创新负氧离子，实现负氧离子持续利用，不仅会给我们的健康带来便利，还会提高社会经济发展。
目前，已有越来越多的科研人员投入研究负氧离子，负氧离子在全世界的应用也越来越广范。
但同时，我国关于负氧离子的投入研究与国外相比也有许多不足的地方：
关于负氧离子的研究如今在我国还不够普遍，因此投入在其研究的资金不够。
市场上有许多虚报关于负氧离子产品的现象，人们对负氧离子相关产品没有明确的认知。
所以为了真正造福于人民，在保护环境、经济增长和社会稳定的同时实现自然资源的可持续利用，应大力投资负氧离子产业普及负氧离子相关知识。
第二章负氧离子的产生及有益作用
2.1负氧离子的产生
现在的空气质量越来越差，所以人们也越来越关注关于当地负氧离子浓度的含量情况，因为空气负氧离子浓度是衡量空气质量好坏的一个重要参数。
所以首先我们要知道负氧离子是如何产生的。
负氧离子目前有两种产生方式：
（1）自然界的负氧离子：
①由于太阳紫外线、宇宙射线、地雷、风暴以及大气中的放射性元素和岩石的影响，大气氧分子在大气中电离，产生负氧离子，在。
②森林中的树木、树叶、树梢和绿色植物通过光合作用产生负氧离子③水因重力原因从高处落下，水高速流动后分子产生破裂，产生负氧离子。
比如大自然界中的瀑布。
自然界的放电、光电效果、喷泉、瀑布等都可以形成空气负氧离子。
（2）人造负离子：
①就像大自然的喷泉或闪电效应一般，利用物理、化学反应，将能量提供给电子，以产生电离化反应和负离子。
②是以材料来产生空气负离子，主要为电气石或者电气石粉。
它们具有热电性和压电性，基于这两个特性，只要温度和压力有细微的变化都能引起电热与电压差，而产生的这个静电电压差足以让空气中的离子产生电离使其转化成空气负离子。
2.2负氧离子对人体健康的有益作用
负氧离子除了可以吸收室内的甲醛、TVOC、粉尘颗粒净化空气等，它对人体健康也存在很重要的帮助，对人体本身有很大的作用。
（1）调节自我神经
在我们的脑及组织里有一种叫做5-羟色胺的神经递质，又名血清素，因为它最早是在血清中被发现的。
它是可以让我们产生愉快情绪的因素。
空气负氧离子因为某些作用反应，降低了我们脑及组织内的血清素，我们本身的内分泌系统和神经系统因此产生了某些变化。
它对我们生活中的失眠、无精打采、疲劳困倦有明显的改善能力。
还可以让我们打起精神，提高我们的工作效率。
（2）净化血液
现在许多人都偏爱重口味的饮食，例如火锅、烧烤等等。
当然，就口感来说，菜肴饮食当然要有相当的脂肪以及油分，吃起来才够让人产生浓浓的满足感。
但是若长期摄入这些食物，我们体内的盐会超标。
盐可以凝固血液，我们的血液内存在一种巨噬细胞，它可以吞食并处理大型异物、细胞排泄出的老旧废物、寿终的红细胞等，即清除我们血液中的有害物质。
但如果我们每天都摄入高盐食物，我们体内的血液便会粘稠导致流速变慢从而增加了心脏的负担。
而负氧离子与巨噬细胞接触后便可以增强它的活性，从而释放出抗凝剂来降低血液粘稠度，达到净化血液的效果。
负氧离子还可以跟我们血液中的红血球结合，加快血液中二氧化碳和废弃物的排除速度，排除体内的血液细胞和血管壁表面的毒素、胆固醇、其他血液的废物。
从而改善我们整体的新陈代谢，达到净化血液、改善心脏功能达到降低血压的目的。
（3）抗氧化、防衰老，增强免疫力
氧化是指丢失电子的过程，而我们人体的衰老便是一种氧化过程。
因为负氧离子是带有负电荷的离子。
它可以与我们体内的氧化细胞结合，阻止了电性抢夺的恶性循环，不仅可以实现抗氧化防衰老的作用，还可以预防疾病。
它对人体有着很好的保健抗衰老作用，与我们体内细胞结合的负氧离子失去了负离子之后还可以形成氧气，对我们人体也是有益的。
同时因为负氧离子具有氧化作用，它可以清除因某些原因而导致数量剧增的自由基，从而发挥稳定血压、保护心脏、提高人体自身的解毒能力、使激素的不平衡正常化的作用。
所以在高浓度的负氧离子环境下，可以大大的提高我们自身的免疫能力。
（4）长寿
人类渴望活得更长，害怕看到自己脸上的衰老，所以人们不断的寻找健康的生活方式。
在我们国内有一个全世界百岁寿星聚集最多的地区，广西巴马。
巴马属南亚热带至中亚热带季风气候区，该地区的负氧离子浓度可达20000个/cm3。
相比其他城市而言，巴马的负氧离子浓度含量是他们的几十倍不止。
所以巴马地区人民长寿的原因与该地空气的负氧离子浓度密不可缺。
因此负氧离子不仅可以吸附我们室内的有害气体从而净化空气、提高我们的居住环境质量，对我们人体的健康也有很大的帮助：
净化血液，增强自身的免疫力，调节自我神经，提高人们的寿命。
所以说负氧离子对人体的好处数不胜数。
在我们许多的古代神侠小说和电视剧中，总能看到很多仙人与高手都长期隐居在深山老林，与世隔绝的瀑布森林或者世外桃源里。
那里环境空气清新，风景秀丽。
从我们现在的科学角度来看，大自然里的空气负氧离子含量更多更高，也越能让人感到舒适感。
大气中负氧离子的浓度大致如下表所示。
表2.1大气负氧离子在自然环境中的浓度分布；单位：
个/每立方厘米
注：
（表中的数据由台湾科技大学叶正涛先生收集整理）
从上面这个表中我们可以知道，不同的地区它们所含的空气负离子浓度也不同。
在我们研究的所有地区中，森林瀑布的负氧离子浓度是最高的，其负氧离子浓度可达到10000-20000个/cm3。
所以当我们身处在这种具有高浓度负氧离子环境的时候便会觉得心旷神怡、舒适惬意，同时也觉得空气特别清新。
相反的当我们身处在都市工业开发区工作时则会觉得容易疲惫、困倦并且记忆力下降的现象，那是因为所处的环境空气中的负氧离子含量很低，只有大概40-50个/cm3左右。
而人们在这种环境下生活、工作，就容易出现精力不集中、困倦以及全身疲惫的状况。
所以说，空气负氧离子的浓度含量对人体健康有很大的影响。
比如之前介绍过的广西巴马地区，那里是老寿星们的聚集地。
在巴马长寿村里有很多百岁老人，他们也都很健康，老去时也基本没有病痛的折磨。
那么为什么那个地区的人能健康长寿呢？
除了与他们自身的生活作息与饮食习惯有关之外，还与他们所处的地理环境离不了干系。
巴马当地的空气中充斥着大量的负氧离子，能达到20000个/cm3，就连县城城区里的负氧离子含量也高达2000个/cm3以上。
因为巴马的森林覆盖率很高，有一半地区都被森林所覆盖；同时又因为巴马地区磁场高易产生雷击，而森林中绿植的光合作用与雷击现象都能产生负氧离子，所以巴马的空气中负氧离子的浓度含量很高。
那么人长期处在高负氧离子浓度的环境下，心情舒畅、惬意，这也是他们能够长寿的主要原因之一。
所以说空气中负氧离子的浓度含量与人体健康有着很重要的影响。
第三章负氧离子功能涂料净化机理及制备方法
3.1负氧离子净化机理分析
3.1.1吸附和电性中和作用
建筑物的装修装饰材料以及室内家具引起的悬浮在空气中的有害微量气体，它们产生的原因以及所存在的形态都是各种各样的。
空气中存在的有害气体分子有的以自由气体分子的形式存在，有的由于大量正电荷在空中，有害的微量气体被吸收，形成正离子。
或者一些微气体分子在现有的粒子表面沉积和团聚形成气溶胶系统等。
因为负氧离子具有负电位，即有多余的电子，因此它可以与空气中的细菌、灰尘、烟雾等正粒子结合，聚集成一个球，落在地上，从而起到杀菌和消除有害气体的作用。
当那些微粒气体在空气中遇到负氧离子时，空气中浮游的气体的一部分被吸附，后因自身重量坠落地面，就是使细菌的结构产生变化，从而导致细菌死亡降落到地面上。
另一部分是漂浮气体与空气中的负氧产生电性中和，在不带电的情况下产生中性分子，将原子浸入地下，从而达到净化空气、吸收有害气体的目的。
将负氧离子添加剂添加到建筑涂料中，在与空气接触的时候能产生巨大的吸附性能，可以吸附空气中的有害气体从而达到净化空气的作用。
3.1.2化学反应
负氧离子清除空气中的甲醛、苯、氨、VOC等有害气体的方式都是电性中和、氧化还原以及物理吸附等方式来实现的。
除了以上的电性中和与吸附作用的同时，还伴随着化学反应。
室内装饰引起的甲醛等有毒气体，负氧离子和甲醛接触的同时，能立即打开甲醛化学按钮，分解水和二氧化碳，在空气从房间里流出时把它带走。
因此负氧离子具有非常强大的空气净化效果。
例如空气中的负离子其反应方程式为
O2+H2O+e-→OH-
CH2O+4OH-=CO2+3H2O
3.2负氧离子涂料的制备方法
负氧离子涂料是将负氧离子复合粉体与成品涂料添加至一起，然后充分搅拌。
在制备负氧离子涂料之前，我们要先知道负氧离子复合粉体[1]是如何制备的。
在负氧离子复合粉体的制备中，我们需要用到的材料为：
分散剂、润湿剂、消泡剂、负氧离子粉体、纳米二氧化钛粉体。
首先将分散剂、润湿剂以及消泡剂按一定比例添加至蒸馏水中，在搅拌的同时加入适量的负氧离子粉体和纳米二氧化钛粉体，高速搅拌后分散。
将一定量的硅酸钠添加至分散液中，再加入硫酸缓慢中和反应，最后用碳酸铵溶液进行洗涤、分离和沉淀。
这些都操作完成后，将沉淀后的固体放置110℃的烘箱中干燥三小时，取出研磨便是负氧离子复合粉[2-4]。
负氧离子涂料的制备方法[5,6]为：
将负氧离子复合粉体、助剂以及乳胶漆按一定比例混合，然后在转速为1300-1800r/min下高速分散15-30min，后降速。
再加入水性固化剂在转速为600-900r/min下搅拌3-10min，然后加入其他的助剂和色浆分散剂搅拌10-20min。
最后过滤，便制成了负氧离子涂料。
3.3涂料中常用负氧离子粉体
长石、电气石、伊利石、云母、独居石、锆石等都为市面上最为常见的负氧离子诱发粉。
通过采用简易配方:
矿物粉料+润湿分散剂+水+防沉剂+乳液。
统一粉料的添加量为5%，添加不同的负氧离子诱发粉，从而来测试负氧离子诱生性。
该测试结果如下表所示[7]。
表3.1负离子诱生量基本配方
图3.1不同负离子诱发粉体负离子诱生量检测结果
从图3.1我们可以发现，独居石和锆石诱发的负离子浓度要远远大于长石、电气石、伊利石以及云母。
剩余四种矿物粉体中，电气石诱发的负离子浓度也要远远高于其他三种。
实验发现，独居石和锆石都是含有丰富的Ce、La、Nd等稀土类元素。
但在紫外线、微型自然辐射和可见光的照射下，适量的天然原生放射性稀土物种会引起自由基并成为负离子，它们还会因为宇宙射线、地球放射性等自然辐射源，使空气中的氧电离产生负氧离子。
所以即使这两种矿物粉体诱发的负氧离子浓度更高更多，但它们本身所具有的放射性会对其使用造成一定的局限性。
电气石，一种硼硅酸盐矿物，又名托玛琳。
它具有永久电极，可以与空气或涂料中的水产生反应，形成水合羟基离子，这便是我们所说的负氧离子。
同时拥有热电性和压电性，基于这两个特性，只要温度和压力有细微的变化都能引起电热与电压差，而产生的这个静电电压差足以让空气中的离子被电离并转化为负的空气离子。
同时，因为电气石可以永久性的诱发负氧离子，所以即便它的效率不如其他诱发粉，我们也大多采用电气石粉为负离子功能填料。
电气石不会产生臭氧，同时健康安全又环保，节省资源。
可以将电气石作为填料加入到聚合物复合材料中，从而制备出具有负离子释放功能的环境保护材料。
3.4负氧离子粉体对净化效果的影响及提高效率
因为电气石本身的结构复杂多样，从而导致不同地区不同构成的电气石具有的性能差异较大。
而这些普通的电气石粉体添加至我们建筑涂料中所产生的负氧离子浓度远远不能达到让我们人体产生舒适、健康的作用，并且电气石的产量及产地有限，导致其价格高昂。
所以为了能充分的利用电气石粉体释放负离子这一功能，人们发现通过增添其他添加剂或改变其状态可以提高电气石粉体产生负离子的效率，增强电气石粉体的实用性。
1电气石粉体中添加独居石粉体
根据表3.1的配方，研究人员通过添加不同比例的电气石粉体制备负氧离子涂料，观察该涂料释放负氧离子的浓度，来研究电气石粉体的添加量对负氧离子浓度的影响。
电气石粉体的比例如下表所示。
表3.2不同电气石添加量浆料配方
测试结果如下图所示。
图3.2不同电气石含量浆料的负离子诱发量
从上面的表中我们可以发现，不同电气石含量的浆体的负离子诱发量也是不同的。
电气石的含量越多，浆体诱发的负离子量就越多。
但是从图中可以发现当电气石粉体添加量在15%的时候，负离子的诱发量只有1300个/cm3，根本达不到净化空气以及让人体产生舒适、健康状态的作用。
所以为了提高负离子诱发量，可以在浆体中同时加入电气石粉体和独居石粉体。
根据实验发现，独居石粉体具有天然的放射性能，而该性能能够在提高电气石活性方面有一定的帮助。
它可以激发并且提高电气石粉体释放负离子的效率，增大电气石粉体的负离子诱发量。
根据人员的多次研究与试验发现负离子添加剂的最合理比例：
10%的电气石粉体，2%的独居石粉体添加剂。
具体配方如下图所见。
表3.3负离子浆体配方
2电气石粉体中添加二氧化铈
二氧化铈是一种稀土元素，它的辐射能量高、半衰减期限长，因而对电气石释放负离子有一定的促进作用。
例如席伯安[8]采用两份电气石粉体进行试验，一份未经任何调配的电气石粉体，另一份是添加了适量二氧化铈的电气石粉体同时进行测试[6]。
表3.4两种配比电气石粉体释放负离子浓度比较
该实验证明了未经配合比的电气石粉体比复合配比的负离子浓度释放量要低的多，复合配比的释放量约是未经配合比的九倍。
产生高浓度负离子的原因可能是：
CeO2中的Ce4+被光转换成Ce3+。
在转换过程中，电子块复合的可能性降低。
在电场作用下，一些电子被迫沿电场方向移动，电子空穴复合的可能性进一步降低。
电块复合可能性的降低将大量的能量从解离的空气分子聚集到电气石或二氧化铈复合粉体的表面，而Ce3+迅速氧化为Ce4+，然后重复先前的转换。
3蜂窝技术
席伯安发现除了在电气石粉体中添加二氧化铈之外，我们还可以从涂抹的载体方面下手。
发现用掺入电气石粉体的浆体涂料进行室内涂抹，所释放的负离子浓度很低，每立方厘米大概只有几百个并不能达到吸附有害气体、净化空气、预防疾病的作用。
因为电气石只有涂抹在表面才能真正发挥作用，隐藏在内部的电气石无法与空气接触发生反应，不能释放负氧离子。
所以电气石涂料只适宜做表面涂层材料，同时可以将所需涂抹的物体制成蜂窝体。
因为蜂窝的几何比表面积相比平面的要大得多，如果将电气石粉体涂抹上去，接触的面积变大从而扩大负离子的诱发量，那么所引发的负离子的产量会是普通产品的8-10倍。
例如以硅藻土为载体，添加电气石粉体制成涂料。
因为硅藻土本身是一种多孔构造、比表面积很大，所以电气石粉体涂抹在其表面，吸附在那些孔隙当中能更有效的发挥出它的作用，负离子诱发量更强。
图3.2蜂窝式结构
第四章结论
现如今电气石作为粉体掺料最为广泛。
因为电气石它具有永久电极，可以与空气或涂料中的水产生反应，形成水合羟基离子即空气负离子。
同时拥有热电性和压电性，基于这两个特性，只要温度和压力有细微的变化都能引起电热与电压差，而产生的这个静电电压差足以让空气中的离子产生电离使其转化成空气负离子。
电气石可以永久性的诱发负氧离子，同时不会产生臭氧，环保安全又节省资源。
为了更好的充分利用电气石粉体，在电气石粉体涂料中添加独居石粉体、二氧化铈，或将被涂抹物体表面制成蜂窝状提大比表面积，都可以充分的利用和提升电气石粉体的负离子诱发量。
负离子涂料的应用也十分广泛：
关有俊等[9]采用自制的电气石负离子粉制造出了一种负离子内墙乳胶漆，经过多方检测：
在涂刷了这种乳胶漆的房间里，空气中负离子诱发量可达1000个/cm3，而这时的负离子浓度可以让人体产生健康舒适的作用。
苍风波[10]研制出了一款负离子诱发量很高的乳胶漆，吸收去除室内甲醛、苯、氨的能力很强。
在室内有害气体超标的情况下涂刷该乳胶漆，四天后能净化约90%的有害气体。
其抗菌抑菌效果也很强，效率高达95%。
王立华[11]发明出一种以硅藻土为墙体材料，在里面添加电气石粉体以及负离子激发剂制成一种乳胶漆。
负离子涂料在现实生活中的应用已经越来越广泛，它不仅可以释放负离子使人产生健康舒适的状态，还可以净化空气去除室内装修残留的有害气体。
因此，涂刷负离子涂料的地方能营造出一个健康舒适的环境。
但同时，市面上对于负离子涂料的研究还不够明确，许多虚假营销打着负离子涂料的名号但并不具备任何负离子释放功能，且价格昂贵。
所以我们应大力发展负离子涂料相关产业，明确正确的负离子涂料，同时将负离子涂料产业往高环保、高性能以及普遍性发展。
相信在不久的将来，室内墙体负离子涂料越来越广泛性能越来越高，能真正的给我们的居住环境带来一个绿色健康的氛围。
参考文献
[1]陈春元,姚尧,吴永伟,孙锦榕.环境功能负离子涂料的制备及抗菌性能研究[A].功能材料,2007.
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[3]Nakamura,TandKubot.[J].Ferroelectrics.1992.
[4]Qing–shanLi,Yu–jieHu,Xiao–huaGu.[J].NaturalScience,2004.
[5]苍风波,蔡怀福.[J].中国涂料,2003.
[6]TyushiTetal.[J].Biometeorology,1998.
[7]张延奎,张粉霞,熊杨凯,刘杰.生态负氧离子健康内墙涂料的研制[A].广州化学,2018.
[8]席伯安.增强电气石释放负氧离子功能的探讨[A].中国非金属矿工业导刊,2015.
[9]关有俊,何唯平,许钧强.负离子内墙乳胶漆的研制及应用研究[J].上海涂料,2006.
[10]苍风波.负离子添加剂在健康性内墙涂料中的应用[J].中国涂料,2004.
[11]王立华,郑晓冬.一种可释放空气负离子的内墙乳胶漆[J].山东建材,2007.
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