專利名稱：電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料，特別是利用天然極性礦物鐵電氣石改性制備電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代社會(huì)城市化的加劇，世界各國(guó)普遍存在的問題是城市的空間越來越大， 而森林越來越少，這意味著數(shù)千年來一直為人類和動(dòng)物界提供清新空氣的空氣負(fù)離子濃度的減少。在人煙稠密的大都市、工業(yè)污染地區(qū)、密閉的空調(diào)間，所產(chǎn)生的污染物及污染物的液體、固體和各種生物體與空氣形成的氣溶膠，使大量的小空氣離子結(jié)合成大離子而沉降、 失去活性，及使小的空氣負(fù)離子濃度降低，并出現(xiàn)正、負(fù)離子很不平衡狀態(tài)，而令人感到不適，甚至頭昏、頭痛、惡心、嘔吐、情緒不安、呼吸困難、工作效率下降，以至引起一些癥狀不明的病變。而室內(nèi)空間的更加密閉，使得空氣負(fù)離子在室內(nèi)存在的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室外，而這造成了人類身體的更加不適，情況嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致肺功能衰竭，這些情況的出現(xiàn)，大部分是由于室內(nèi)空氣負(fù)離子濃度太低的緣故。因此，以人造空氣負(fù)離子提高室內(nèi)環(huán)境中空氣負(fù)離子濃度，以維持其適當(dāng)?shù)恼?fù)離子平衡，改善室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，日益受到人們的關(guān)注。1989年，日本學(xué)者Kubo首次發(fā)現(xiàn)了電氣石存在自發(fā)電極、電氣石微粒周圍存在靜電場(chǎng)現(xiàn)象，就此對(duì)電氣石微粉的電場(chǎng)效應(yīng)展開了一系列應(yīng)用研究，由此興起了電氣石在環(huán)境、家居保健領(lǐng)域的研究新熱潮。電氣石具有永久性的自發(fā)電極，由于自發(fā)極化效應(yīng)，在電氣石的周圍存在著以c軸軸面為兩極的靜電場(chǎng)，E0=PJ2 ε QO據(jù)Voigt給出的夂值，得到4=6. 2X106V/m。靜電場(chǎng)隨著遠(yuǎn)離中心迅速減弱，盡=(2/3MQ(a/r)3，a為電氣石微粒半徑，r為距中心的距離。由此可知，在電氣石表面厚度十幾微米范圍內(nèi)存在107(最高值廣104V/m的高場(chǎng)強(qiáng)。在靜電場(chǎng)的作用下，水分子發(fā)生微弱電解，發(fā)生
H:0>H-+0H-反應(yīng)，生成0H_和水分子結(jié)合形成負(fù)離子，可以增加空氣中的
負(fù)離子數(shù)，改善人們的生活環(huán)境。在中國(guó)的電氣石中，新疆阿爾泰電氣石產(chǎn)生的負(fù)離子濃度較高，可達(dá)到935 1060個(gè)/cm3 (測(cè)試量為100g，測(cè)試面積為O. 5m2)，桂林產(chǎn)電氣石可達(dá)到660 960個(gè)/cm3 (方法同前),云南電氣石為520 850個(gè)/cm3 (方法同前),河北電氣石為 450 800個(gè)/cm3 (方法同前)。至于內(nèi)蒙古電氣石有學(xué)者報(bào)道可達(dá)到18625個(gè)/cm3,從文獻(xiàn)的研究過程來看，極不清楚測(cè)試的量、面積、方法以及使用何種設(shè)備，因而無法分析對(duì)比。據(jù)報(bào)道，巴西電氣石產(chǎn)生負(fù)離子濃度可達(dá)到1200個(gè)/cm3，如果情況屬實(shí)則應(yīng)該是世界上產(chǎn)生負(fù)離子濃度最高的天然電氣石了。然而，天然電氣石產(chǎn)生的負(fù)離子普遍存在濃度相對(duì)的情況，限制了其使用范圍。為了進(jìn)一步提高電氣石負(fù)離子產(chǎn)生能力，對(duì)其進(jìn)行了大量的改性研究。金宗哲等研究了一種基于稀土氧化物、納米半導(dǎo)體和電氣石機(jī)械混合制備而成的空氣負(fù)離子材料，其產(chǎn)生負(fù)離子濃度比純電氣石高出2倍以上。唐芳瓊等設(shè)計(jì)了一種介孔二氧化硅包覆電氣石與二氧化鈦顆粒的復(fù)合體負(fù)離子材料，介孔二氧化硅具有強(qiáng)大的吸附性，能夠把一些正離子吸附掉， 保留負(fù)離子。他們研究的電氣石改性材料產(chǎn)生的空氣負(fù)離子僅基于電氣石自有自發(fā)電場(chǎng)、 光吸收材料和吸附性，這些出現(xiàn)負(fù)離子的過程主要在電氣石單晶顆粒的表面進(jìn)行，忽略掉了空氣中始終存在的保持著平衡狀態(tài)的Hp H-+ OH-分解式中的0H—，這個(gè)0H—的濃度有可能大大超過電氣石表面電離產(chǎn)生的0!Γ，因而如果能充分利用空氣中的0Η_，則有可能大大提升負(fù)離子產(chǎn)生的能力。發(fā)明人在前期的基礎(chǔ)研究中，發(fā)現(xiàn)微量摻雜核素能極大提高納米氧化鈦的空氣負(fù)離子產(chǎn)生能力，而且核素自身也具有極大的產(chǎn)生空氣負(fù)離子的能力， 只是由于含量較大會(huì)帶來安全性的問題而沒有廣泛使用(紅色氧化鈰就由于含有Th而具有較高的負(fù)離子產(chǎn)生能力)。此外，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)電氣石自身及產(chǎn)生的空氣負(fù)離子一定程度上也能屏蔽一些電磁波的輻射，只有由于屏蔽效能較低而沒有進(jìn)行更深入的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用天然極性礦物鐵電氣石改性制備電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料及其制備方法，這種核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料不僅能高效產(chǎn)生空氣負(fù)離子，而且電磁屏蔽功能強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是
本發(fā)明的電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料的制備方法，包括如下步驟
(1)把電氣石礦在氣流磨中超細(xì)粉碎，采用浮選工藝提純，然后用酸堿處理掉一些雜質(zhì)，再在50(T60(rC下熱處理6(Tl80分鐘；
(2)制備電氣石與硝酸鐵(Fe(NO3)3·9Η20)溶膠的配制及電氣石表面包覆納米a -Fe2O3 核殼結(jié)構(gòu)粉體先采用溶膠-凝膠法制備一定濃度的硝酸鐵透明溶膠，然后把經(jīng)過步驟(I) 處理的粒度為400(Γ8000目的電氣石超細(xì)粉體倒入溶膠中，繼續(xù)攪拌至形成凝膠，烘干，取出并在300°C下煅燒6(Γ180分鐘得電氣石表面包覆納米a -Fe2O3核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粉體；
(3)制備電氣石\a -Fe2O3X摻雜TiO2溶膠的配制及電氣石表面包覆a -Fe2O3X摻雜TiO2 雙層納米核殼結(jié)構(gòu)粉體先采用溶膠-凝膠法制備摻雜納米TiO2溶膠，然后把步驟(2)所得電氣石表面包覆Q-Fe2O3復(fù)合粉體倒入溶膠中，持續(xù)攪拌，直至形成凝膠，烘干，取出并在300°C下煅燒6(Γ180分鐘即可得到電氣石表面包覆a -Fe2O3XTiO2雙層核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合粉體。摻雜納米TiO2的摻雜元素分三種方式各自摻雜I .在TiO2納米殼層中摻雜可見光光激發(fā)金屬兀素V、Bi和無機(jī)非金屬兀素N、S,摻雜時(shí)選取金屬兀素中的一種和無機(jī)非金屬元素中的一種進(jìn)行共同摻雜；II .摻雜核激發(fā)元素Th JII.同時(shí)摻雜核激發(fā)元素Th與光激發(fā)元素中的任何一種。其中金屬及無機(jī)非金屬元素?fù)诫s含量各自占納米TiO2質(zhì)量的
O.06 O. 8% ;核激發(fā)元素Th摻雜含量占納米TiO2質(zhì)量的O. 01 O. 1% ；
(4)制備電氣石表面包覆Fe304\摻雜TiO2雙層納米核殼結(jié)構(gòu)粉體將步驟(3)中制備得到的電氣石表面包覆a -Fe2O3和摻雜TiO2雙層納米核殼結(jié)構(gòu)粉體在先經(jīng)過抽真空后通入氬氣或氮?dú)鈿夥盏墓苁綘t中熱處理12(Γ180分鐘即可得到電氣石表面包覆Fe3OA摻雜 TiO2雙層納米核殼結(jié)構(gòu)粉體，再把這些包覆好的粉體在球磨機(jī)中球磨5 10小時(shí)即得到電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料。其中電氣石粉體、磁性納米Fe3O4殼層、摻雜納米TiO2殼層在電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料中各自所占質(zhì)量百分比為電氣石65 85%、磁性納米Fe3O4為10 20%、摻雜納米TiO2占5 15%。
所述的電氣石為黑色鐵電氣石，先經(jīng)過超細(xì)粉碎至400(Γ8000目，然后經(jīng)過浮選工藝和酸堿處理去掉大多數(shù)伴生礦和雜質(zhì)后并經(jīng)過50(T60(rc的熱處理而得。所述的摻雜納米TiO2的摻雜元素前軀體分別為釩酸銨(NH4V03)、硝酸鉍 (Bi(NO3)3 · 5H20)、尿素(CO(NH2)2)、硫脲(H2NCSNH2)、硝酸釷(Th(NO3)4 · 4H20)。所述的納米TiO2的前軀體為鈦酸丁酯。本制備方法可通過調(diào)整電氣石、納米Fe3O4、摻雜納米TiO2含量及納米TiO2摻雜元素含量來調(diào)控該材料產(chǎn)生的空氣負(fù)離子濃度和電磁屏蔽效果。本發(fā)明制備的電氣石基空氣負(fù)尚子與電磁屏蔽功能基兀材料，能廣生聞效的空氣負(fù)離子和具有良好的電磁屏蔽效果。性能測(cè)試表明，所得電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料能產(chǎn)生濃度最高達(dá)1800個(gè)/cm3的空氣負(fù)離子，電磁屏蔽效能最高為23dB ； 對(duì)于含有Th的功能基元材料,則最高能產(chǎn)生3600個(gè)/cm3的空氣負(fù)離子，電磁屏蔽效能最高為26dB。由于該基兀材料同時(shí)借助電氣石自發(fā)電場(chǎng)和磁性納米Fe3O4自發(fā)磁場(chǎng)對(duì)光生或光核生電子的電磁調(diào)控(其中電氣石自發(fā)電場(chǎng)提供電子在其表面的直線移動(dòng)，減少電子與空穴的重新復(fù)合；而磁性納米Fe3O4自發(fā)磁場(chǎng)則使得電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)進(jìn)而使部分電子離開粉體表面進(jìn)入空氣中)，使得更多光生或光核激發(fā)納米TiO2產(chǎn)生的電子能夠進(jìn)入空氣中并中和空氣中水分子離解產(chǎn)生的H+，破壞了空氣中原有的H2O OF + H+離解平衡，促使平衡向有利于0H_產(chǎn)生方向進(jìn)行，于是產(chǎn)生的0!1_與水分子結(jié)合形成空氣負(fù)離子(0H_ + H2O —OF(H2O))。當(dāng)功能基元材料中不含有Th時(shí)，可用于居室環(huán)境，產(chǎn)生空氣負(fù)離子維持人體健康和屏蔽電磁波對(duì)人體的輻射；含有Th時(shí)，由于Th含量極低，仍然滿足國(guó)家A類建材標(biāo)準(zhǔn)，可用于空氣流通的辦公場(chǎng)所和會(huì)議中心。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，原材料成本低，因而具有極大實(shí)用性和推廣前景。


圖I電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料制備工藝技術(shù)路線圖。
具體實(shí)施例方式下面通過對(duì)比樣和10個(gè)實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明絕非僅限于實(shí)施例所述的實(shí)施方式。對(duì)比樣和10個(gè)實(shí)施例各成分含量的說明見表1，外加一個(gè)純鐵電氣石粉體對(duì)比樣。表I:
權(quán)利要求
1.一種電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基兀材料的制備方法,其特征是包括如下步驟(1)把電氣石礦在氣流磨中超細(xì)粉碎，采用浮選工藝提純，然后用酸堿處理掉一些雜質(zhì)，再在500-600°C下熱處理6(Tl80分鐘；(2)制備電氣石硝酸鐵溶膠及電氣石表面包覆納米a-Fe2O3核殼結(jié)構(gòu)粉體先采用溶膠-凝膠法制備一定濃度的硝酸鐵透明溶膠，然后把粒度為4000-8000目的電氣石超細(xì)粉體倒入溶膠中，繼續(xù)攪拌至形成凝膠，烘干，取出并在300°C下煅燒60-180分鐘得電氣石表面包覆納米a -Fe2O3核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粉體；其中電氣石為黑色的鐵電氣石；(3)制備電氣石\a -Fe2O3X摻雜TiO2溶膠及電氣石表面包覆a -Fe2O3X摻雜TiO2雙層納米核殼結(jié)構(gòu)粉體先采用溶膠-凝膠法制備摻雜納米TiO2溶膠，然后把步驟(I)所得電氣石表面包覆a -Fe2O3復(fù)合粉體倒入溶膠中，持續(xù)攪拌，直至形成凝膠，烘干，取出并在300°C 下煅燒60-180分鐘即可得到電氣石表面包覆a -Fe2O3XTiO2雙層核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合粉體；(4)制備電氣石表面包覆Fe304\摻雜TiO2雙層納米核殼結(jié)構(gòu)粉體將步驟(3)中制備得到的電氣石表面包覆a -Fe2O3和摻雜TiO2雙層納米核殼結(jié)構(gòu)粉體，在先經(jīng)過抽真空后通入氬氣或氮?dú)鈿夥盏墓苁綘t中熱處理120-180分鐘即可得到電氣石表面包覆Fe3OA摻雜 TiO2雙層納米核殼結(jié)構(gòu)粉體，再把這些包覆好的粉體在球磨機(jī)中球磨5-10小時(shí)即得到電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征是步驟(3)所述的摻雜納米TiO2的摻雜元素的方式為下述三種摻雜方式中的一種I .在TiO2納米殼層中摻雜可見光光激發(fā)金屬兀素V、Bi和無機(jī)非金屬兀素N、S,摻雜時(shí)選取金屬兀素中的一種和無機(jī)非金屬兀素中的一種進(jìn)行共同摻雜；II ·摻雜核激發(fā)元素Th JII.同時(shí)摻雜核激發(fā)元素Th與可見光光激發(fā)元素中的任何一種；其中金屬及無機(jī)非金屬兀素?fù)诫s含量各自占納米TiO2質(zhì)量的O. 06-0. 8% ； 核激發(fā)元素Th摻雜含量占納米TiO2質(zhì)量的O. 01-0. 1%。
3.用權(quán)利要求I或2所述的制備方法制備的電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基元材料，其特征是其中電氣石粉體、磁性納米Fe3O4殼層、 摻雜納米TiO2殼層在電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料中各自所占質(zhì)量百分比為電氣石65-85%、磁性納米Fe3O4為10_20%、摻雜納米TiO2占5_15%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料及其制備方法，具體步驟是1、將硝酸鐵溶液與電氣石超細(xì)粉混合、烘干、煅燒得電氣石表面包覆納米α-Fe2O3\TiO2核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粉體；2、把α-Fe2O3\TiO2復(fù)合粉體與氧化鈦溶膠混合、烘干、煅燒得到電氣石表面包覆α-Fe2O3\TiO2雙層核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合粉體；3、進(jìn)一步把步驟2的產(chǎn)品在氬氣或氮?dú)獾臍夥諣t中煅燒，得到電氣石表面包覆Fe3O4\TiO2核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合粉體；4、將步驟3所得產(chǎn)品經(jīng)球磨后即得到電氣石基空氣負(fù)離子與電磁屏蔽功能基元材料。本發(fā)明產(chǎn)品產(chǎn)生的負(fù)離子濃度高，電磁屏蔽能力強(qiáng)，且制備工藝簡(jiǎn)單，原材料成本低。
文檔編號(hào)C09K3/00GK102585762SQ20121003137
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月13日
發(fā)明者朱保華, 楊濤, 楊玲, 袁昌來, 許積文 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)