功能性矿物及应用

功能性矿物及应用

一、礦物材料

礦物材料（Mineral Materials）是70年代末由地質學工作者提出的一個新概念，並专门快發展成為一門相對獨立的學科。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：

能被直截了当利用或經過簡單的加工處理（如破裂、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、岩石為要紧原料，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；

這些材料的直截了当利用目標要紧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，涉及範圍专门廣泛，本文僅對其中的一些重要發展方向加以探討。

奈米礦物材料

奈米技術的開發和應用風靡全球，在今後相當長的一個時期裏，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。

環境礦物材料

90年代初，日本學者山本良一（Yamamoto）第一提出了環境材料的概念，专门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一。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，以及那些直截了当具有淨化環境，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一類，不如說是針對材料研究、設計、開發、生產、使用而提出的一種新理念、新要求，這種理念適用於各種材料。一样而言，天然礦物是一類資源豐富、價格低廉、能源消耗最少、污染少、與環境協調性最佳的材料。一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、膨脹珍宝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要紧領域。

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一。能源礦物材料要紧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、膨脹珍宝岩、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。這類材料要紧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一定的絕熱性能，今後它仍將是隔熱材料的主體，但在進一步提升材料強度、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要紧方向。

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，或具有专门高的表面電性，或具有良好的光、電、聲轉換效應。從能量的吸取、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一個新的途徑，並在礦物材料領域中形成一個新的分支。

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差不多上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专门性能的系統研究和記錄，不僅對開發礦物資源的應用途徑专门有效，而且對開發具有专门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，變得更為直截了当和富有成效。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，一些具有吸附、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，在新一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

所謂高功能性粉體要紧是指一样礦物的超細微粉，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，紫外線等均具有一定的吸取特性。同時一样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（Polymer blend）製作多功能性之聚氨基甲酸酯（Polyurethane, PU）產品，如抗紫外線（Ultra-vi olet cut, 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

紫外線是電磁波的一種，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320～400 nm，290～320nm，200～290nm，其中UV-C因被臭氧層隔離一样並未到達地面。從太陽所放出的光線只有47%到達地球表面，也确实是說地球大氣層將其大氣吸取了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