能高效产生空气负离子的电气石复合粉体及其制备方法技术

本发明专利技术提供制备高效产生空气负离子复合粉体的技术、工艺和配方。将天然极性矿物，如铁电气石、镁电气石、铁镁电气石、锂电气石等超细粉碎，并与稀土复合盐类（或稀土复合氧化物）、纳米半导体材料等进行机械化学复合；或将极性矿物电气石经过表面处理（如，１００～９００℃热处理、表面酸碱处理）再与稀土盐类和纳米光催化半导体材料复合制备一种高效率产生负空气离子复合材料。该产生空气负离子的复合粉体比单纯电气石和其它材料产生空气负离子能力提高２倍以上，可用于建筑内墙装饰腻子、涂料、纤维、塑料等，增加空气中的负离子浓度达到室外或旷野中空气负离子浓度的水平。本材料同时具有抗菌和空气净化功能。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用稀土盐类、纳米光催化半导体材料和天然极性矿物电气石进行机械化学和理化技术处理形成的一种高效率产生负空气离子的复合材料。1986年日本环境学家Kubo发现电气石具有抗水体污染作用，1998年利用电气石的电解水作用申报“产生空气负碱性离子的方法和设备”的美国专利(专利号5728288)，目前，主要用空气负离子发生器来提高室内空气负离子的浓度，其主要缺点一是要消耗电能，二是采用电晕放电产生空气负离子的同时，易于产生有害气体，如氮氧化物NOx和臭氧O3等。本
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术是研制出稀土激活的电气石复合粉体，可用于建筑物的内墙装饰材料，克服空气负离子发生器的缺点，利用装饰材料的发射负离子功能来增加室内空气负离子浓度达室外旷野水平，没有能源的消耗和其它污染。此外，还可把该空气负离子粉体用于纤维、塑料等用于增加其与空气作用产生空气负离子功能。本专利技术的技术方案包括一种能高效产生空气负离子的复合粉体，其特征是主要成分为极性矿物电气石、稀土复合盐或稀土氧化物和半导体催化材料，其中电气石占58～90％，稀土复合盐或稀土氧化物占2～40％，光催化半导体材料占2～40％。所说的极性矿物电气石为选自铁电气石、镁电气石、铁镁电气石、锂电气石中的一种或几种。所说的稀土复合盐为选自LaPO4、CePO4、NdPO4、Ce(NO3)3、La(NO3)3、Nd(NO3)3，或稀土氧化物为选自CeO2、Ce2O3、La2O3、Nd2O3中的一种或几种。所说的光催化半导体材料为选自纳米二氧化钛、氧化锌、氧化锡、三氧化二铁、氧化钨中的至少一种。一种制备上述能高效产生空气负离子复合粉体的方法，其特征是铁电气石、镁电气石、铁镁电气石、锂电气石经过使粒径至少小于10微米的超细粉碎后，表面经过热处理或/和酸或碱处理再与其它组份混合。上述方法中所说的表面热处理温度区间为100～900℃，热处理时间为1～3小时。本专利技术方法中酸处理时所使用的酸为HF、H2SO4、HCl、HNO3中的一种或几种的混合溶液，碱处理中所使用的碱为LiOH、NaOH、KOH三者之一或二者混合，也可用KHSO4∶CaF2的2∶1混合物。所说铁电气石、镁电气石、铁镁电气石、锂电气石中的一种或几种与稀土类LaPO4、CePO4、NdPO4、Ce(NO3)3、La(NO3)3、Nd(NO3)3或氧化物CeO2、Ce2O3、La2O3、Nd2O3中的一种或几种的采取机械混合方式或以水为介质进行研磨混合。以下对本专利技术中各个组份的作用机理作较详细的阐述和说明本专利技术首次利用稀土盐或氧化物、纳米半导体材料与理化处理过的电气石进行机械化学复合，利用稀土离子来激活提高电气石对空气分子的电离能力。稀土元素的原子结构特点是原子半径大，原子外层的电子结构相同(都是两个电子)，次外层的电子结构基本相同，而第三层的4f轨道上有未成对电子，电子的电离能低。纳米半导体起增加光活性、调节粉体表面导电能力的作用，正是由于稀土元素有变价特性，在电气石颗粒的强电场作用下，增加电子转移能力，增强电气石电场对空气中水分子电解能力，使水合羟基离子OH-(H2O)n增多，提高了空气负离子的发射能力。本专利技术的目的是利用稀土复合盐或复合氧化物的激活作用，利用纳米半导体材料增加光活性、调节电导率作用，电气石的表面理化处理可使之易于和稀土及纳米半导体材料复合，从而提高极性矿物电气石电解空气中的水的能力，从而增加空气中的离子。极性矿物的特性选取和处理电气石(Tourmaline)是一种由Al、Na、Ca、Mg、B和Fe等元素组成的含水、氟等环状硅酸盐晶体矿物。其成分中富含挥发组分硼和水，所以多与气候作用有关，多产于伟晶岩及气成热液矿床中。是具有单极性轴的矿物晶体，其化学通式为电气石矿物的化学成分非常复杂，直到二十世纪五十年代对其晶体结构确定以后，才提出比较合理的成分其通式可表示为XY3Z6Si6O18(BO3)3W4，式中，X＝Na、Ca、K、□(空位)，Y＝Mg2+、Fe2+、Mn2+、Al、Fe3+、Mn3+、Li，Z＝Al、Fe3+、Cr3+、Mg，W＝OH、F、O。X，Y，Z三位置的原子或离子种类不同会影响电气石的颜色。依据在Y位占位原子种类的不同，将电气石分为铁电气石、镁电气石、铁镁电气石、锂电气石等等。19世纪末发现其具有压电和热释电效应，20世纪80年代日本环境学家Kubo发现其晶体一端吸附铜离子，推断其具有自然电极性。我们对不同种类的电气石进行研究发现有些种类的电气石确实存在自发激化，并用扫描电镜和电子探针直接观测到了电气石的电极性和电气石粉体颗粒间的相互排斥与吸引，但并非所有的电气石都具有较高的电极性，应对矿物进行筛选。产于伟晶岩中的铁电气石、镁电气石、铁镁电气石、锂电气石等都有比较强的自发激化性质。本专利技术中选用的电气石为这几种电气石中的一种或几种。电气石颗粒沿晶体极性轴C轴的两端带有自发激化电荷，类似于永久性磁铁一样其自发电极不会消失，能长期保持其电极性作用。1微米以下电气石颗粒表面附近的电场可达107v/m。对电气石进行超细处理，可增加其比表面积，也增加了电气石的电场效能。本专利技术要求对电气石进行超细粉碎，粒径小于10微米，最好小于3微米，小于1微米更能发挥其电性能。对电气石进行100～900℃温度热处理，可以提高其表面电极性。本专利技术要求在100～900℃之间，选择一个温度进行热处理。热处理一方面可以使粉体表面吸附的气体分子脱离，另一方面由于热作用影响其结构的稳定性，来增加其自极化强度。本专利技术要求对超细粉碎电气石进行表面处理，或不处理均可。但进行表面酸碱处理可以剥离或除去表面吸附的空气分子(如O2、N2、CO2、H2O等)，减小由于颗粒电极性吸附极性分子而将表面自激化电荷部分中和的影响，从而更有利于电气石颗粒表面电场作用的发挥。电气石除了溶解于单种HF外，还溶解于两种或两种以上酸的混合液；溶解于强碱如NaOH、KOH或以特定比例配制两种盐的混合盐。本专利技术电气石颗粒的表面处理采用混合酸、强碱或以一定比例配制的混合盐。稀土盐或氧化物的选取稀土元素的最外层为两个6s电子，第三层的4f电子从0填充到14，尤其是原子序数小的前几种元素4f层填充电子数少。这些电子结构特征决定稀土元素的前几种容易产生电子转移，例如镧、铈和钕的电离能分别为5.61eV、5.65eV、5.49eV，不仅在稀土元素中，在整个化学元素中电离也是比较低的。所以本专利技术选用镧、铈和钕的盐类或复合氧化物作为产生空气负离子复合材料的激活剂。纳米半导体粉体的选取半导体材料在超细情况下，尤其是达到纳米级时，会表现出极大的光活性。选用光活性比较大的纳米半导体材料添加到稀土复合的电气石粉体中的目的是为了增加材料的吸收光子能力，使复合粉体有能量来源，更有效地激活电气石电离空气分子(尤其是空气中的水分子)能力。此外，光催化半导体粉体包围电气石颗粒还具有调节表面导电能力作用，如前所述所选用的半导体粉体有纳米二氧化钛、氧化锌、氧化锡、三氧化二铁、氧化钨等。当前生产技术上比较成熟、成本比较低、效果比较好的纳米半导体材料是二氧化钛(锐钛型)，二氧化钛的禁带宽度为3.2eV，可见光中的紫外部分完全可以提供产生空气离子所需能量。稀土盐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能高效产生空气负离子的复合粉体，其特征是主要成分为极性矿物电气石、稀土复合盐或稀土氧化物和半导体催化材料，其中电气石占５８～９０％，稀土复合盐或稀土氧化物占２～４０％，光催化半导体材料占２～４０％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金宗哲，梁金生，冀志江，王静，隋同波，白树军，张连松，
申请(专利权)人：中国建筑材料科学研究院，北京市建筑涂料厂，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]