負離子及遠紅外納米材料（電氣石）在衛(wèi)生、保健等紡織品領(lǐng)域的應用研究

負離子及遠紅外納米材料（電氣石）在衛(wèi)生、保健等紡織品領(lǐng)域的應用研究

四川大學輕紡與食品學院

摘　要: 論述了電氣石自發(fā)產(chǎn)生負氧離子和遠紅外線輻射的機理與功能,并介紹了其在衛(wèi)生保健紡織品領(lǐng)域的應用和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞: 功能性整理;負氧離子;遠紅外線;納米技術(shù);應用

一、        前言

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,生活水平的不斷提高,人們對衣著、服裝的功能性也越來越重視。服裝不再只具有遮羞、防寒的作用,抗菌、遠紅外線保健,防紫外線等功能性紡織品更多地受到人們的喜愛。電氣石由于具有自發(fā)產(chǎn)生負氧離子、遠紅外線輻射和電磁屏蔽等特性,在紡織品的復合功能化和綠色環(huán)?；陌l(fā)展趨勢中正日益顯露出廣闊前景。

二、        電氣石及其特性

?  電氣石

電氣石是以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鋰環(huán)狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽礦物質(zhì),化學式為NaR3Al6Si6B3O27 (OH) 4 。其中Na 可局部被K和Ca 代替,OH 可被F 代替,但沒有Al 代替Si 的現(xiàn)象。R 位置同質(zhì)多相廣泛,主要有4 種組分: R = Mg 鎂電氣石、R = Fe 黑電氣石、R = Li + Al鋰電氣石,R = Mn 鈉錳電氣石,且隨產(chǎn)地而不同[1 ,2 ] 。表1、2[3 ]是不同產(chǎn)地的電氣石的特征和化學組成,其化學組成隨產(chǎn)地和礦區(qū)的不同有很大變化。電氣石的晶體結(jié)構(gòu)為三方晶系,基本特點為硅氧四面體組成復三方環(huán)。硼(B) 配位數(shù)是3 ,組成平面三角形;鎂(Mg) 配位數(shù)是6 (其中兩個是OH- ) ,組成八面體,與〔BO3〕共氧相連;在硅氧四面體的復三方環(huán)上方的空隙中有配位數(shù)為9 的一階陽離子鈉分布;環(huán)間以〔AlO6 (OH) 〕八面體相連結(jié)。電氣石晶體呈柱狀,集合體呈棒狀[1 - 4 ] 。顏色隨組分不同而異。

表1 　不同產(chǎn)地電氣石的表觀特征

表2 　不同產(chǎn)地電氣石的化學組成

?  電氣石的自發(fā)極化效應

試驗證實,電氣石晶體在沿其三次對稱軸的兩端會積聚一定量的異性電荷,產(chǎn)生異性兩極;與一般只有放入電場才會產(chǎn)生電極化“誘電體”不同,電氣石不放入電場中,礦石本身也會產(chǎn)生電極化,其電極不受外界電場影響[5 ] 。Voigt 檢測了室溫下電氣石晶體的自發(fā)化極值,得到Ps = 0. 011μ C/ cm2 。一般認為,極化電荷的產(chǎn)生是由電氣石具有的熱電性和壓電性引起的。當電氣石晶體所處環(huán)境溫度與壓力變化時,晶體中帶電粒子之間發(fā)生相對位移,正負電荷中心發(fā)生分離,晶體總電矩發(fā)生變化,從而產(chǎn)生極化電荷[6 ] 。電氣石的自發(fā)極化效應是的,與其結(jié)構(gòu)和組分密切相關(guān)。

三、        電氣石在紡織品中的應用

?  具有自發(fā)產(chǎn)生負氧離子的紡織品

2  電氣石產(chǎn)生負氧離子的機理

根據(jù)大地測量學和地球物理學國際聯(lián)盟大氣聯(lián)合委員會采用的理論,空氣負離子(即負氧離子) 的分子式是O2^- (H₂O) n 、或OH(H₂O) n 、或CO₄^- (H₂O) n 。

電氣石釋放負離子的機理目前有幾種解釋。其中之一是歸因于電氣石對水的電解作用。電氣石具有性自發(fā)電極,這種電極能使其周圍空氣中的水分子發(fā)生微弱的電解作用;H₂O 電解為OH- 和H+ ,氫離子在電氣石電極之間的微弱電流中得到電子:

2H+ + 2e →H2 ↑

氫氧根離子與水分子結(jié)合形成空氣負離子:

OH^- + nH₂O →OH^- (H₂O) n

根據(jù)這種理論,電氣石釋放負離子的濃度與其自發(fā)極化效應強弱有關(guān),必要條件是空氣中的水分[6 ,7 ] 。

由于電氣石具有壓電性和熱電效應,因此在溫度、壓力變化的情況下,能引起電氣石晶體的電勢差,使周圍的空氣發(fā)生電離,被擊中的電子附著于鄰近的水和氧分子,并使其轉(zhuǎn)化為空氣負離子,即負氧離子。發(fā)生的負氧離子在空氣中移動,將負電荷輸送給細菌、灰塵、煙霧微粒以及水滴等,電荷與這些微粒相結(jié)合,從而達到凈化空氣的目的[6 ,18 ] 。

表3 可以釋放負離子的礦石

2  負氧離子的功效

預防醫(yī)學科學研究證明,空氣中負離子含量是衡量空氣質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。對生物來說,空氣中的負離子像食物中的維生素一樣重要,稱之為“空氣維生素”、“長壽素”[8 ] ?？茖W研究發(fā)現(xiàn),負氧離子能與細菌、灰塵、煙霧等帶正電的微粒相結(jié)合,并聚集成球落到地面,從而起到殺菌和消除異味(香煙煙霧、裝修材料中釋放出的有害氣體所產(chǎn)生的異味等) 的作用。當室內(nèi)空氣中負氧離子的濃度達到200 000 個/ cm3 時,空氣中的飄塵量會減少98 %以上。飄塵直徑越小,越易受負氧離子作用而被沉淀,所以在含有高濃度負氧離子的空氣中,直徑在微米以下的微塵、細菌、病毒等幾乎為零。因此,負氧離子的多少是衡量空氣是否清新的重要標準之一[9 ] 。

世界衛(wèi)生組織的規(guī)定,當空氣中負氧離子濃度不低于1000～1500 個/ cm³ 時,被視為是清新空氣。負氧離子優(yōu)良的除臭性能,可保持良好的生活空間,并可釋放出人體需要的多種微量元素,有利于人體健康。同時負氧離子可通過對人體呼吸道或皮膚的刺激引起其神經(jīng)反射,并影響身體各系統(tǒng),從而起到促進新陳代謝、預防流感、增強機體抗病能力和恢復人體平衡的功效等[10 ] 。

表4 負離子含量與人體健康的關(guān)系

2  負氧離子紡織品

電氣石能夠自發(fā)地產(chǎn)生負氧離子,穿著經(jīng)過電氣石微粒整理后的服裝,可在人體周圍形成負氧離子的聚集。且電氣石是性釋放負離子的天然礦物材料,與人工獲得負離子的方法相比,電氣石釋放負氧離子不耗能,不產(chǎn)生臭氧和活性氧,制成的服裝或者裝飾用紡織品,可以改善周圍大環(huán)境和人體小環(huán)境的空氣質(zhì)量,是理想的綠色環(huán)境友好材料[6 ] 。

由于電氣石的熱電性,將改性電氣石微粒添加到化纖中,制成各種負氧離子紡織品,在服用過程中與人體水分子及周圍空氣中的水分子發(fā)生電解作用,產(chǎn)生負氧離子,與空氣中帶正電荷的有害混合物中和,使人感到舒服;同時也可與人體分泌物、身體上的寄生物及有害細菌結(jié)合,起到殺菌、除臭的功效。

據(jù)日本媒體報道[11 ] ,日本松下電器與一家礦石研究所合作,采用納米級電氣石和一種激發(fā)劑混入聚酯原液中生產(chǎn)出特殊滌綸,共同開發(fā)出一種在“靜置”條件下能源源不斷產(chǎn)生負氧離子的織物;日本日清紡新推出的負氧離子產(chǎn)品“IONAGE”,是將放射性礦石(電氣石) 微粉化后,混煉加入附著在織物上;日本倉敷只將放射性礦微粉與遠紅外礦石粉分層附著在織物上,以提高織物的負離子化效果,生產(chǎn)出“HOLIC”織物,其A4紙大小的織物在空氣中產(chǎn)生的負離子為150個/ cm³ ,接近森林中負離子的效果，我們國家在這方面也有大量研究，目前許多國內(nèi)廠家已生產(chǎn)出接近甚至超過國際同行水準的負離子紡織成品。

表5 負離子纖維及紡織品的應用

附：負離子紡織品產(chǎn)生效能儀器

1、  動態(tài)負離子檢測儀

美國AIC-2M(AIC-1000)空氣負離子檢測儀）

日本KEC-900高精度空氣負離子檢測儀

日本COM-3200pro專業(yè)型高精度空氣負離子檢測儀

（日本負離子機能協(xié)會推薦產(chǎn)品）

2、  靜態(tài)負離子檢測儀

日本COM-3010pro高精度礦石（電氣石、負離子粉等）負離子檢測儀

（日本負離子機能協(xié)會推薦產(chǎn)品）

日本EB-15高精度礦石（電氣石、負離子粉等）負離子檢測儀

?  發(fā)生遠紅外的保健紡織品

2  電氣石發(fā)生遠紅外的機理

紅外線是電子波譜的一部分,其波長為0. 76～1000μm ,介于可見光與微波之間。按波長不同又分為近紅外(0. 76～1. 50μm) 、中紅外(1. 5～5. 6μm) 、遠紅外(8～14μm) 和超遠紅外(15～1000μm) [13 ,14 ] 。

電氣石能自發(fā)產(chǎn)生紅外線的現(xiàn)象與其電學性質(zhì)有關(guān)。如前所述,電氣石同時具有顯著的壓電性與熱電性,即使在常溫下,一旦環(huán)境壓力或溫度發(fā)生微弱變化,其內(nèi)部分子振動增強,偶極矩發(fā)生變化,即熱運動使極性分子激發(fā)到更高的能級,當它向下躍遷至較低能級時,就以發(fā)射電磁波的方式釋放多余的能量,其余的能量以光子形式被帶走。因此,電氣石向外界發(fā)射電磁波的動力來自于外界環(huán)境溫度與壓力的變化,該過程實質(zhì)上是電氣石與環(huán)境之間的能量交換[5 ,6 ] 。

2  電氣石的保健理療功能

根據(jù)基爾霍夫定律可知,紅外吸收的機理主要是光譜匹配共振吸收,即當輻射源的輻射波長與被輻射物的吸收波長相一致時,該物體就吸收大量的紅外輻射。在紅外輻射下,人體支配小動脈和毛細血管的交感神經(jīng)張力降低,小動脈和毛細血管擴張,出現(xiàn)主動性充血,體溫升高[15 ] 。

表6 　不同產(chǎn)地天然黑色電氣石的比輻射率值

注:表中ε1 為全波長積分發(fā)射率;ε2 為8～25μm 積分發(fā)射率;中心波長(帶寬1μm) ;ε3 為8. 45μm;ε4 為9. 50μm;ε5 為10.60μm;ε6 為12. 50μm;ε7 為13. 50μm;ε8 為14～25μm。

天然黑色電氣石紅外吸收特性分析曲線

從表3 可看出,電氣石在常溫下能發(fā)射波長4～14μm,發(fā)射率在0. 90 以上的遠紅外線。從圖1 可知,在波長為4～8μm(2500～1250 cm^{- 1})范圍內(nèi)未見明顯吸收現(xiàn)象;在3. 0μm (3300 cm^{- 1} ) 、7. 8μm (1283 cm^{- 1} ) 、9. 6μm (1042cm^{- 1}) 、14. 2μm(704 cm^{- 1})和20. 1μm(498 cm^{- 1})處均有明顯的吸收峰存在。這表明不同產(chǎn)地的黑色電氣石,雖然其化學組成變化較大,其熱釋電特性有明顯的差異[3] ,但它的紅外吸收光譜比較穩(wěn)定,在室溫下的吸收譜形特征基本相似,在9. 6μm(1042 cm^{- 1})附近均有較強的吸收峰。根據(jù)紅外特性吸收率Aλ等于發(fā)射率ελ的定律可知,在9. 6μm附近將有較強的法向比輻射率,這也與表3 中ε4 (9. 5μm) 值較大相符。

人體體表溫度大致在31～33 ℃左右,根據(jù)維恩位移定律,人體皮膚表面的紅外輻射峰值波長在9～10μm左右;根據(jù)匹配吸收理論,人體皮膚對9～10μm的紅外輻射有良好的吸收效應[3 ] 。由于遠紅外線中4～14μm 波長紅外線最易被人體吸收,使人體各部位都產(chǎn)生生理熱效應,使組織溫度升高,擴張血管,血流加速,局部血液循環(huán)得到改善,形成保健理療的功能,故有促進傷口愈合、炎癥收縮、解除肌肉痙攣和鎮(zhèn)痛等作用。

2  電氣石保健理療紡織品

將電氣石用于紡織品,其發(fā)射遠紅外線與釋放負氧離子的兩種功能協(xié)同作用,比單一功能更能激發(fā)人體細胞的活性,促進人體血液循環(huán)及新陳代謝,是理想的保健功能材料,可制成內(nèi)衣、健康寢具、窗簾和沙發(fā)套等產(chǎn)品[7 ,8 ] 。

電氣石應用于紡織品的關(guān)鍵技術(shù)在于電氣石超細粉的制備與表面改性。通過超細技術(shù)將電氣石加工到微米級直至亞微米或納米級,可極大提高電氣石顆粒的表面活性。采用對電氣石進行改性試驗,改性后的電氣石與EVA、PP、PE 等混合加工可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品,如具有EVA 樹脂層的鞋襪材料、具有抗菌性能的電氣石內(nèi)衣等[16 ] 。

日本大和紡將放射性礦石微粉與遠紅外微粒按一定比例混合后,經(jīng)整理附著于織物上,開發(fā)了“IONINA”新產(chǎn)品[11 ] 。這種方法使織物具有負離子和遠紅外雙重效果,其床單產(chǎn)品經(jīng)使用檢測,證明對被檢測者腦電波中的α波產(chǎn)生抑制,因此對一些慢性病有較好的輔助療效。日本富士紡利用溫泉中的天然發(fā)射性礦石,經(jīng)納米技術(shù)與聚酯纖維結(jié)合,生產(chǎn)出“STAIYAZ”負離子織物[11 ] ,經(jīng)醫(yī)學臨床實驗證明,對腰痛、肩疼、關(guān)節(jié)炎及過敏性皮炎等有顯著療效。我國中國臺灣省工研院化工所與慶祥光波公司,利用納米技術(shù)和光波遠紅外原料,共同開發(fā)出納米遠紅外紡織品[12 ] 。

附：遠紅外保健功能產(chǎn)品效能儀器

中國臺灣ET-302高精度遠紅外熱放射率檢測儀

?  電氣石紡織品的制備方法

2  纖維改性功能化

利用化纖改性技術(shù),將電氣石微粉材料作為添加劑對纖維進行改性,制備功能化纖維。例如,利用溶液共混制備負氧離子纖維復合材料。制備過程大致如下:

將基材化合物溶解于適當?shù)娜軇┲?span lang="EN-US" style="FONT-SIZE: 12px; FONT-FAMILY: 黑體">,加入電氣石填料粒子,充分攪拌使粒子在溶液中分散,混合均勻后,進行聚合反應制備樣品,然后進行紡絲加工[17 ] 。在這一過程中,電氣石微粒在合成纖維的反應過程中直接混入或者利用熔融共混方法在聚合物紡絲過程中添加,制成功能化纖維。此過程是將電氣石微粒均勻分散在熔融的聚合物中,無需改變聚合物的生產(chǎn)工藝過程。

負離子纖維的生產(chǎn)工藝流程　原材料→化學和物理方法加工→納米級粉體→表面改性→配料→擠出→制造母粒→烘干→再配料→紡絲→成品

負離子材料的納米級粉體一般在母粒中占40 %～60 % ,經(jīng)過紡絲配料,最多占絲總重量的4 %～10 % ,若高比例摻入這些材料的納米粉體,在紡絲過程中使紡絲液流動性差,單絲斷裂強度下降[18 ] 。

2  紡織品后整理

天然纖維因其服用的舒適性而被廣泛接受,但又因其本身的一些缺點需進行加工整理。后整理方法主要是把電氣石微粒材料通過整理加工,使其附著在織物表面,從而賦予紡織品具有自發(fā)產(chǎn)生負氧離子和遠紅外發(fā)射的功能。對織物進行后整理的方法大致為有浸軋法和浸漬法[17 ,19 ] ,適用于棉、毛、絲、麻等天然纖維和粘膠等再生纖維素纖維的負離子遠紅外整理[20 ] 。

四、        結(jié)語

一直以來,電氣石作為寶石礦物加以利用,少量用于儀器設(shè)備中的光學元件,大量非寶石級電氣石幾乎未得到利用。1989 年,日本學者Kubo 發(fā)現(xiàn)并提出電氣石具有自發(fā)極化效應,從而為電氣石的應用,尤其是在環(huán)境與健康領(lǐng)域的應用開辟出嶄新的途徑。近年來,人們已經(jīng)開發(fā)出了許多保健衛(wèi)生功能紡織品,但具有抗菌衛(wèi)生功能的紡織品需通過化學方法實現(xiàn)抗菌、殺菌的功能,其添加的組分或整理劑有時會使不同的消費個體產(chǎn)生一些過敏反應,或?qū)Νh(huán)境造成一定的負面影響。面對國際環(huán)保標準日益嚴厲的現(xiàn)狀,尋求一條“物理抗菌”的衛(wèi)生保健紡織品加工途徑十分必要。此外,目前的保健整理加工(如遠紅外加工等) 采用的添加組分功能比較單一。從紡織品衛(wèi)生保健的發(fā)展趨勢來看,多種功能復合是新一代紡織品整理加工及其助劑開發(fā)的必然途徑。電氣石納米紡織品還有許多值得我們繼續(xù)深入研究的價值,主要表現(xiàn)為自清潔、防紫外線、衛(wèi)生保健、防輻射(電磁屏蔽) [21 ]等新功能。它必將在功能性紡織品應用領(lǐng)域顯示出更為廣闊的市場發(fā)展前景。

作者簡介:

劉　強(1977 - ) , 男,四川大學紡織化學與染整工程專業(yè)碩士研究生,主要從事紡織品功能整理的研究工作。

參考文獻:

1.        Nakamura T , Kubo T . Tourmaline group crystals reaction with water[J ] . Ferroelectrics ,1992 ,137 :13 - 31.

2.        Kubo . Interface activity of water given rise by tourmaline [J ] .Solid Sate Physic ,1989 ,24(12) .

3.        楊如增,楊滿珍,寥宗廷,等. 天然黑色電氣石紅外輻射特性研究[J ] . 同濟大學學報,2002 , (2) .

4.        Sugihara ,et al. Rayon fiber containing tourmaline particles and method for the preparation thereof [ P] . US Patent :5863653 ,1999- 1 - 26.

5.        Nishi Y. PH self2controlling induced by tourmaline[J ] . Journal of Intelligent Material Systems and Structures , 1996 , (7) : 260 -263.

6.        張志湘,馮安生,郭珍旭. 電氣石的自發(fā)極化效應在環(huán)境與健康領(lǐng)域的應用[J ] . 中國非金屬礦工業(yè)導刊,2003 ,(1) .

7.        Yoshio MACHI. Physiology effects when wearing AP fiber cloth containing special tourmaline crystal powder[J ] . Journal of Inter2 national Society of Life Information Science ,2001 ,19(1) .

8.        欒鳳祥. 關(guān)于負離子遠紅外線紡織品應用理論的探討[J ] . 天津紡織科技,2000(6)

9.        21 世紀的生態(tài)紡織制品%%負離子纖維紡織品[J ] . 紡織標準與質(zhì)量,2001(2) .

10.     叢繼信. 神奇的負氧離子[J ] . 健康,2003(3) .

11.     日本紡織業(yè)全力突破納米技術(shù)[N] . 中國紡織報,2003.8. 26.

12.     吳　明. 負離子纖維前景廣闊[N] . 中國紡織報,2003. 7.23.

13.     白長城,張海興,方湖寶. 紅外物理[M] . 北京:電子工業(yè)出版社,1989 . 33 - 35.

14.     聞輅. 礦物紅外光譜學[M] . 北京:科學出版社,1988. 16- 30.

15.     吳大誠,杜仲良,高緒珊. 納米纖維[M] . 北京化學工業(yè)出版社,2002. 98 - 103.

16.     魏健,劉渝燕,張開水. 電氣石應用專屬性研究[J ] . 非金屬礦,2003(1) .

17.     陳榮圻. 納米材料與保健功能紡織品[J ] . 染料工業(yè),2002(4) .

18.     高繼成. 負離子紡織品的開發(fā)與應用[J ] . 江蘇紡織,2003(3) .

19.     唐志勇,張德仁. 納米材料和納米技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應用[J ] . 上海紡織科技,2002(8) .

20.     劉吉平,田軍. 紡織科學中的納米技術(shù)[M] . 北京:中國紡織工業(yè)出版社,2003. 400～401.

21.     陳小立,閻克路,趙擇卿. 納米吸波材料在人體防護中應用現(xiàn)狀及其發(fā)展方向[J ]. 紡織科學與研究,2002(2) .

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