冶金行业功能性矿物及应用.docx

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冶金行业功能性矿物及应用

（冶金行业）功能性矿物及应用

功能性礦物及應用

壹、礦物材料

礦物材料（MineralMaterials）是70年代末由地質學工作者提出的壹個新概念，並很快發展成為壹門相對獨立的學科。

礦物材料定義為：

在工農業生產和日常生活中具有應用價值的天然礦物、岩石及其製成品和仿製品。

其含義包括四個方面：

⏹能被直接利用或經過簡單的加工處理（如破碎、選礦、切割、改性等）即可利用的天然礦物、岩石；

⏹以天然的非金屬礦物、岩石為主要原料，通過物理化學反應（焙撓、熔融、燒結、膠結等）製成的成品或半成品材料；

⏹人工合成的礦物或岩石；

⏹這些材料的直接利用目標主要是其自身具有的物理或化學性質，而不局限於其中的個別化學元素。

礦物材料屬於無機非金屬材料範疇，但涉及範圍卻十分廣泛。

礦物材料的開發和應用是許多學科綜合的結果，涉及範圍非常廣泛，本文僅對其中的壹些重要發展方向加以探討。

1.奈米礦物材料

奈米技術的開發和應用風靡全球，在今後相當長的壹個時期裏，仍將是材料領域的研究重點。

奈米科學在礦物材料領域的應用起步較晚，但天然礦物中的各種奈米級結構早己引起重視。

許多天然礦物（如沸石類、粘土類礦物及其改性化合物）具有奈米級孔道結構以及離子交換、吸附性能；絕大部分天然礦物具有奈米尺度的參雜結構，層狀結構的礦物的層間結構可被擴充或壓縮。

在不久的將來，奈米科學和奈米技術的研究成果將在礦物材料研究領域產生更為廣泛的影響，礦物的奈米級結構的研究、奈米級礦物材料的合成、製備、改造、性能研究及應用將成為礦物材料重點研究的方向。

其中，奈米級的礦物粉體的製備、礦物孔道結構的改造及其應用將得到優先發展。

2.環境礦物材料

90年代初，日本學者山本良壹（Yamamoto）首先提出了環境材料的概念，很快在世界各國興起了全球性的環境材料研究、開發和應用熱潮，並成為材料科學與工程的最強勁的發展方向之壹。

環境材料是指那些對資源和能源消耗最少，對生態環境影響最小，再生迴圈利用率最高或可分解使用的，具有優異使用性能和特別優異的環境協調性的材料，以及那些直接具有淨化環境，修復環境能力的材料。

也有人將其稱為生態材料、綠色材料。

隨著環境壓力的增加人們在研究、設計、製備材料和使用、廢棄材料時，強化環境意識，不片面追求最大限度地發揮材料的性能或功能而忽視環境問題；在滿足用戶對材料性能的要求的同時，應盡可能節約資源和能源，減少對環境的污染；充分重視材料在整個使用壽命週期中與環境的協調性，並將其作為重要評價指標。

因此，環境材料與其說是材料的壹類，不如說是針對材料研究、設計、開發、生產、使用而提出的壹種新理念、新要求，這種理念適用於各種材料。

壹般而言，天然礦物是壹類資源豐富、價格低廉、能源消耗最少、污染少、與環境協調性最佳的材料。

壹些天然礦物還具有淨化環境和修復環境的功能，是理想的環境材料，如沸石、矽藻土、海泡石、蒙脫石、麥飯石、膨脹珍珠岩等許多具有選擇性吸附、過濾性能的礦物材料已被廣泛應用於農、工業生產和環境污染治理。

以蒙脫石、沸石等層狀、多孔狀礦物研製的抗菌材料已用於日用消費品。

鐵的硫化物礦物可用於處理重金屬污染物。

具有奈米或微米級尺度的多孔結構的礦物材料和用於載體、催化、過濾媒介的礦物材料以及對已有材料的"綠色化"改造，將是環境礦物材料研製、開發的重點。

廢氣、廢水治理、工業用水淨化、居室淨化等領域將是環境礦物材料研究和應用的主要領域。

3.能源礦物材料

尋求新能源和節約現有的能源，是全人類面臨的重要課題之壹。

能源礦物材料主要包括節能礦物材斜和儲能礦物材料兩種類型。

材料的節能既體現在其生產過程中能耗較低，更體現於它在、使用過程中具有減少能量損失的作用。

稻殼、軟木、爐渣等傳統的節能材料以及岩棉、礦棉、矽藻土、膨脹珍珠岩、微孔矽酸鈣、加氣混凝土、泡沫玻璃等新型節能材料以其優良的隔熱性能在工業管道、鍋爐、窯爐、熱交換器、冷藏設備和房屋建築得到了廣泛應用。

這類材料主要利用其自身在三維空間內的高氣孔率所賦予材料的低導熱率而使材料具有壹定的絕熱性能，今後它仍將是隔熱材料的主體，但在進壹步提高材料強度、降低導熱係數、減小容重、改善施工性能等方面還需加強研究。

與此同時，具有高反射係數的絕熱塗層、薄膜材料將會成為礦物材料發展的主要方向。

自然界的礦物因種類不同，組成和結構各異，蘊含著許多特異的性能。

它們或具有多種同質異構體（如石英），或具有高的熱容和相變能，或具有很高的表面電性，或具有良好的光、電、聲轉換效應。

從能量的吸收、貯存、轉換和輸出性質來研究礦物的物化性質及其在儲能（包括儲熱、儲光、燃氣儲存及化學能儲存等）、節能領域中的作用，將為新型能源材料的開發研究提供壹個新的途徑，並在礦物材料領域中形成壹個新的分支。

4.功能礦物材料

礦物特性的研究、表徵，以及對礦物材料性能與其成分、結構、形成機制之關係，是礦物材料研製開發的基礎。

老礦種新用途和新礦種的開發都是基於對礦物性質的新認識。

對已知礦物的潛在性能和各種不同礦物的特殊性能的系統研究和記錄，不僅對開發礦物資源的應用途徑非常有效，而且對開發具有特殊性能的功能性材料具有重要的意義。

現代測試技術的發展，使人們對礦物吸附、交換、催化、助熔、增韌、補強以及光、電、磁、熱、聲、核、表面、界面等性能及其在各種物理、化學場作用下變化的研究，變得更為直接和富有成效。

這些研究將為開發礦物材料的新功能、新用途，促使礦物材料向功能化方向發展提供技術保證。

因此，壹些具有吸附、交換、催化、增強、生物相容性等功能的礦物材料，特別是具有感知、回應、預警等資訊功能的礦物材料（如濕敏、熱敏、壓敏、光敏、隱身、抗菌、除臭、紅外輻射、光電轉換、磁電轉換、化學泵等功能）將會受到高度重視和研發應用。

在建築領域，新世紀的建築要求建材向更加舒適、安全、節能、保健等多功能的"生態建材"方向發展，在新壹輪的新型建材開發中，礦物材料必將扮演十分重要的角色。

（1）會呼吸的牆壁

（可自動調濕的壁材）

（2）自潔性的材料（

二氧化鈦TiO2光觸媒）

（3）奈米複合材料（

聚合物/層狀矽酸鹽）

二、高科技產業及功能性礦物

所謂高功能性粉體主要是指壹般礦物的超細微粉，因為量子尺寸效應，其表面分子的排列、電子分布的結構及晶體結構均發生變化。

由於比表面積增大，表面能大，表面活性高，對於聲、光、電磁、熱力學等特性均會呈現新的效應。

因此，若將礦物磨成超細微粉，粉體對於微波，電磁波，紅外線，紫外線等均具有壹定的吸收特性。

同時壹般的非金屬礦物均具有防臭、抗菌的功能。

本文在探討使用高分子混摻法（Polymerblend）製作多功能性之聚氨基甲酸酯（Polyurethane,PU）產品，如抗紫外線（Ultra-violetcut,UV-cut）兼具導電性聚氨基甲酸酯及抗菌防臭功能技術。

意即以聚氨基甲酸酯溶液添加定量之導電微粒，以探討其抗UV、抗靜電及抗菌防臭功能之影響。

三、紫外線

紫外線是電磁波的壹種，如圖1所示為電磁波的分類，其波長大於X射線而小於可見光線，其中波長200～400nm屬於紫外線範圍。

其波長介於200～400nm，其又可分為UV-A，UV-B與UV-C，其波長分別為320～400nm，290～320nm，200～290nm，其中UV-C因被臭氧層隔離壹般並未到達地面。

從太陽所放出的光線只有47%到達地球表面，也就是說地球大氣層將其大氣吸收了19%而反射部分達34%。

地球表面的光譜能量分佈，由圖1資料顯示得知，紫外線大約佔6.1%（其中B紫外線佔0.5%，A紫外線佔5.6%），這些紫外線到達地球表面的量會隨著季節和時間而有所變化。

國際照明委員會（CIE）把紫外線依其波段分為長波長、中波長及短波長三種，其分類如表1所示。

中長波長UV-A（320~400nm）最接近可見光，它會深入真皮部助長黑色素生成促進皮膚老化。

中波長UV-B（290~320nm）會引起曬傷、皮膚起紅斑及水泡等。

短波長UV-C（180~290nm）會引起黑化致癌。

而慶幸的是290nm以下短波長紫外線會被大氣中二氧化碳吸收而無法到達地面，部分長波長UV-A及中波長UV-B會被臭氧層吸收，但隨著臭氧層被氟氯碳化物破壞，據測定臭氧層每破壞10%，地面紫外線強度就增加20%，臭氧濃度減少1%，紫外線之量增加1.7-1.9%，近年來由於臭氧層之破壞日益嚴重，且波長愈短之電磁波其能量愈大，對人體健康之影響愈多。

圖1電磁波波長在200～400nm間屬於紫外線範圍

四、紫外線防護原理

防止紫外線對人體的傷害可於紫外線未達表皮前，予以吸收、除去或利用反射原理阻礙紫外線到達表皮層。

壹般紫外線遮蔽加工的方式是採用紫外線吸收劑和散亂劑二者配合使用，物理性的散亂劑主要是無機顏料，利用該物質對光的高曲折率將紫外線反射而防止侵入皮膚。

此種方式主要用於PET纖維聚合前混入無機陶瓷粒子，使陶瓷粒子能均壹分散於紡絲熔液中，待抽絲後可得紫外線遮蔽纖維，利用此原理，經過多次實驗結果發現導電金屬微粒混摻至聚氨基甲酸酯對於紫外線遮蔽亦有不錯的遮蔽效果。

當然深色化聚氨基甲酸酯產品亦有此效益，但其會隨使用時間之增長其抑制效果會有衰減之現象，因此利用添加微細粉末來維持其對UV之抑制效果，且因為導電微粒的性質不會隨使用時間之增長而改變，所以其產品效果不會隨使用時間之增長，其抑制效果會有急速衰減之現象。

表1不同波長紫外線對人體健康之危害

符號

波長範圍

名稱

對人體健康之危害

UV-A

400-320nm

長波長紫外線

穿透到皮膚深層，將彈性纖維破壞使肌膚失去彈性，助長黑色素生成使皮膚提早老化。

UV-B

320-290nm

中波長紫外線

使皮膚發炎，造成曬傷，使皮膚老化促進皮膚癌。

UV-C

290-180nm

短波長紫外線

致癌

五、靜電發生及其作用與防護原理

靜電的產生是壹種自然現象，靜電的產生過程，是當二個非導體的表面相互接觸摩擦後分離，其表面會有壹些過量消散不去的電荷，壹般靜電產生有兩種方式：

藉由

（1）直接接觸分離而帶電，包括：

電荷的移動、電荷的分離、電荷的緩和。

（2）因靜電誘導而帶電。

壹般認為，當兩種物體直接接觸而分離會產生電荷的移動、電荷的分離、電荷的緩和過程。

電荷的移動：

壹般物體具有正負電荷，呈現中性，可是當A、B兩種呈現中性的物體接觸時，如圖2a所示，在接觸面產生電荷的移動，壹方面物體表面累積界面產生電荷的移動，壹方面物體表面累積過剩的正電荷，另壹方面另壹個物體表面累積過剩負電荷（圖2b），但不會產生靜電現象，只是兩種物體結合在壹起，整體上兩種物體是呈現中性。

電荷的分離：

其次，藉由機械力量將兩種物體加以分離（圖2c），於兩種物體上各殘留壹些電荷，因此產生靜電作用。

電荷的緩和：

靜電產生時，並不是所有電荷累積殘留於物體上，而是依物體本身靜電特性，藉由靜電的洩漏、中和產生電荷的緩和。

觀察上述過程所產生的靜電現象，可察覺到在電荷分離的進行緩和過程，在緩和過程後產生靜電。

圖2a圖2b圖2c

因靜電誘導而帶電，當帶電體接近被誘導體（導體或絕緣體）附近時，在靠近帶電體側的被誘導體邊累積相反電荷，而在被誘導體較遠邊，則累積相同電荷。

此時被誘導體的表面電荷正負是呈現在壹個平衡狀態，帶電量為零。

當被誘體的表面正、負電荷完全被分離時，則被誘導體表面就會產生靜電帶電作用。

材料表面靜電現象是電荷的發生與洩漏間的平衡問題，在表面移動的電荷，由於所形成的電荷易積聚在物體表面，尤其是對於高分子合成材料，其靜電現象較壹般高分子更為顯著。

目前較先進的抗靜電方法有兩大類：

表面塗層法與內部滲入法，表面塗層法是在材料表面塗上壹層導電層，使其具備抗靜電效果。

內部滲入法則是利用導電離子滲透到材料內部，使其具備導電性。

而本文所使用的高分子聚摻合加工法就是利用此原理，採用高分子混摻法（Polymerblend），將不銹鋼等金屬導電微粒（約0.5~15μm）混摻至PU中，使傳統PU具備導電或抗靜電性質。

六、抗菌防臭作用原理

在潮濕高溫的環境，容易滋生細菌，威脅人體健康，而紡織品在經過壹段時間儲存，會產生霉味，影響衣物品質。

家庭用的毛巾及手帕，內衣褲及襪子等貼身衣物若有氣味更是令人難以忍受，而此種臭味的來源，是因為細菌分解人體排出的汗液中的氨基酸所產生的阿摩尼亞味道，因此抑制細菌的生長即能防止臭味的發生。

關於抗菌防臭紡織品的開發，各國皆有重大的進展及採用不同的技術和原理。

第壹類方法是在紡絲製造過程中，將含有銀、銅、鋅等無機金屬離子與沸石進行離子反應，使其具有永久、耐熱及安全性等效果，另壹方面，抗菌劑中的無機金屬離子，具有產生活性氧O2的功能，與臭氧或雙氧水壹樣具殺菌功能；而活性氧進入細胞內產生脫氫酵素作用，促進細胞生長所需的醣類分解，對人體可說具有雙重功效。

另壹種方法是在加工過程中採用生化抗菌加工技術，可將溶劑、不純物完全加以吸收，並且在生化加工後產生生化抑菌磁場，將細菌予以消滅。

生化加工的抗菌原理是利用纖維上接枝兩種殺菌與抑菌基團而形成抗菌效果，當細菌成長分裂，需要吸收高能量的三磷酸腺（ATP），以供給細菌生化反應所需的能量，第壹種殺菌基團利用抑止電子活性運動，而使氧化、磷酸化的作用無法完成，造成無ATP的環境，細菌則無法生長分裂而死亡。

第二種抑菌基團則使細菌法接受ATP的能量，導致細菌死亡，此兩種基團互相交叉加成作用，達到完全的抗菌效果。

第二類的抗菌商品是組合"銀"及"矽膠"而產生的無機抗菌材料，這材料具有多孔性，而銀則具有殺菌、抗菌能力，而對人體無不良的影響。

這類抗菌商品的製造方法有兩種，其壹是在聚合過程中加入銀粉而製成纖維，另壹方式是在紡絲機熔融時混入銀粉；而矽膠則以塗佈加工的方式覆蓋在纖維表面，以防止銀產生因氧化而變色，進而達到持續抗菌的效果。

本文則是以第三類方法可將聚氨基甲酸酯（PU）薄膜塗佈於纖物表面，形成壹層超細微孔薄膜，由於該薄膜具有排除體內產生之蒸氣，而織物外層之病菌則排除在外，構成防菌功能。

這種超細微孔薄膜亦可塗佈於不同織物上，以形成多功能防護性紡織品，例如Kevlar防彈衣，以超細微孔薄膜進行塗層加工後則具有防彈、防水及抗菌等多重功能。

在注重個人衛生和提升生活品質的前提下，抗菌防臭紡織品自然成為日常生活必需品，而抗菌纖維製品應用於醫療用品更是附加價值提升的極致表現。