负离子及远红外纳米材料（电气石）在卫生、保健等纺织品领域的应用研究

负离子及远红外纳米材料（电气石）在卫生、保健等纺织品领域的应用研究

四川大学轻纺与食品学院

摘　要: 论述了电气石永久自发产生负氧离子和远红外线辐射的机理与功能,并介绍了其在卫生保健纺织品领域的应用和发展前景。

关键词: 功能性整理;负氧离子;远红外线;纳米技术;应用

一、        前言

随着科学技术的不断发展,生活水平的不断提高,人们对衣着、服装的功能性也越来越重视。服装不再只具有遮羞、防寒的作用,抗菌、远红外线保健,防紫外线等功能性纺织品更多地受到人们的喜爱。电气石由于具有自发产生负氧离子、远红外线辐射和电磁屏蔽等特性,在纺织品的复合功能化和绿色环保化的发展趋势中正日益显露出广阔前景。

二、        电气石及其特性

Ø  电气石

电气石是以含硼为特征的铝、钠、铁、锂环状结构的硅酸盐矿物质,化学式为NaR3Al6Si6B3O27 (OH) 4 。其中Na 可局部被K和Ca 代替,OH 可被F 代替,但没有Al 代替Si 的现象。R 位置同质多相广泛,主要有4 种组分: R = Mg 镁电气石、R = Fe 黑电气石、R = Li + Al锂电气石,R = Mn 钠锰电气石,且随产地而不同[1 ,2 ] 。表1、2[3 ]是不同产地的电气石的特征和化学组成,其化学组成随产地和矿区的不同有很大变化。电气石的晶体结构为三方晶系,基本特点为硅氧四面体组成复三方环。硼(B) 配位数是3 ,组成平面三角形;镁(Mg) 配位数是6 (其中两个是OH- ) ,组成八面体,与〔BO3〕共氧相连;在硅氧四面体的复三方环上方的空隙中有配位数为9 的一阶阳离子钠分布;环间以〔AlO6 (OH) 〕八面体相连结。电气石晶体呈柱状,集合体呈棒状[1 - 4 ] 。颜色随组分不同而异。

表1 　不同产地电气石的表观特征

表2 　不同产地电气石的化学组成

Ø  电气石的自发极化效应

试验证实,电气石晶体在沿其三次对称轴的两端会积聚一定量的异性电荷,产生异性两极;与一般只有放入电场才会产生电极化“诱电体”不同,电气石不放入电场中,矿石本身也会产生电极化,其电极不受外界电场影响[5 ] 。Voigt 检测了室温下电气石晶体的自发化极值,得到Ps = 0. 011μ C/ cm2 。一般认为,极化电荷的产生是由电气石具有的热电性和压电性引起的。当电气石晶体所处环境温度与压力变化时,晶体中带电粒子之间发生相对位移,正负电荷中心发生分离,晶体总电矩发生变化,从而产生极化电荷[6 ] 。电气石的自发极化效应是永久的,与其结构和组分密切相关。

三、        电气石在纺织品中的应用

Ø  具有自发产生负氧离子的纺织品

²  电气石产生负氧离子的机理

根据大地测量学和地球物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论,空气负离子(即负氧离子) 的分子式是O2^- (H₂O) n 、或OH(H₂O) n 、或CO₄^- (H₂O) n 。

电气石永久释放负离子的机理目前有几种解释。其中之一是归因于电气石对水的电解作用。电气石具有永久性自发电极,这种电极能使其周围空气中的水分子发生微弱的电解作用;H₂O 电解为OH- 和H+ ,氢离子在电气石电极之间的微弱电流中得到电子:

2H+ + 2e →H2 ↑

氢氧根离子与水分子结合形成空气负离子:

OH^- + nH₂O →OH^- (H₂O) n

根据这种理论,电气石释放负离子的浓度与其自发极化效应强弱有关,必要条件是空气中的水分[6 ,7 ] 。

由于电气石具有压电性和热电效应,因此在温度、压力变化的情况下,能引起电气石晶体的电势差,使周围的空气发生电离,被击中的电子附着于邻近的水和氧分子,并使其转化为空气负离子,即负氧离子。发生的负氧离子在空气中移动,将负电荷输送给细菌、灰尘、烟雾微粒以及水滴等,电荷与这些微粒相结合,从而达到净化空气的目的[6 ,18 ] 。

表3 可以释放负离子的矿石

²  负氧离子的功效

预防医学科学研究证明,空气中负离子含量是衡量空气质量好坏的关键。对生物来说,空气中的负离子像食物中的维生素一样重要,称之为“空气维生素”、“长寿素”[8 ] 。科学研究发现,负氧离子能与细菌、灰尘、烟雾等带正电的微粒相结合,并聚集成球落到地面,从而起到杀菌和消除异味(香烟烟雾、装修材料中释放出的有害气体所产生的异味等) 的作用。当室内空气中负氧离子的浓度达到200 000 个/ cm3 时,空气中的飘尘量会减少98 %以上。飘尘直径越小,越易受负氧离子作用而被沉淀,所以在含有高浓度负氧离子的空气中,直径在微米以下的微尘、细菌、病毒等几乎为零。因此,负氧离子的多少是衡量空气是否清新的重要标准之一[9 ] 。

世界卫生组织的规定,当空气中负氧离子浓度不低于1000～1500 个/ cm³ 时,被视为是清新空气。负氧离子优良的除臭性能,可保持良好的生活空间,并可释放出人体需要的多种微量元素,有利于人体健康。同时负氧离子可通过对人体呼吸道或皮肤的刺激引起其神经反射,并影响身体各系统,从而起到促进新陈代谢、预防流感、增强机体抗病能力和恢复人体平衡的功效等[10 ] 。

表4 负离子含量与人体健康的关系

²  负氧离子纺织品

电气石能够自发地产生负氧离子,穿着经过电气石微粒整理后的服装,可在人体周围形成负氧离子的聚集。且电气石是永久性释放负离子的天然矿物材料,与人工获得负离子的方法相比,电气石释放负氧离子不耗能,不产生臭氧和活性氧,制成的服装或者装饰用纺织品,可以改善周围大环境和人体小环境的空气质量,是理想的绿色环境友好材料[6 ] 。

由于电气石的热电性,将改性电气石微粒添加到化纤中,制成各种负氧离子纺织品,在服用过程中与人体水分子及周围空气中的水分子发生电解作用,产生负氧离子,与空气中带正电荷的有害混合物中和,使人感到舒服;同时也可与人体分泌物、身体上的寄生物及有害细菌结合,起到杀菌、除臭的功效。

据日本媒体报道[11 ] ,日本松下电器与一家矿石研究所合作,采用纳米级电气石和一种激发剂混入聚酯原液中生产出特殊涤纶,共同开发出一种在“静置”条件下能源源不断产生负氧离子的织物;日本日清纺新推出的负氧离子产品“IONAGE”,是将放射性矿石(电气石) 微粉化后,混炼加入附着在织物上;日本仓敷只将放射性矿微粉与远红外矿石粉分层附着在织物上,以提高织物的负离子化效果,生产出“HOLIC”织物,其A4纸大小的织物在空气中产生的负离子为150个/ cm³ ,接近森林中负离子的效果，我们国家在这方面也有大量研究，目前许多国内厂家已生产出接近甚至超过国际同行水准的负离子纺织成品。

表5 负离子纤维及纺织品的应用

附：负离子纺织品产生效能仪器

1、  动态负离子检测仪

美国AIC-2M(AIC-1000)空气负离子检测仪）

日本KEC-900高精度空气负离子检测仪

日本COM-3200pro专业型高精度空气负离子检测仪

（日本负离子机能协会推荐产品）

2、  静态负离子检测仪

日本COM-3010pro高精度矿石（电气石、负离子粉等）负离子检测仪

（日本负离子机能协会推荐产品）

日本EB-15高精度矿石（电气石、负离子粉等）负离子检测仪

Ø  发生远红外的保健纺织品

²  电气石发生远红外的机理

红外线是电子波谱的一部分,其波长为0. 76～1000μm ,介于可见光与微波之间。按波长不同又分为近红外(0. 76～1. 50μm) 、中红外(1. 5～5. 6μm) 、远红外(8～14μm) 和超远红外(15～1000μm) [13 ,14 ] 。

电气石能自发产生红外线的现象与其电学性质有关。如前所述,电气石同时具有显著的压电性与热电性,即使在常温下,一旦环境压力或温度发生微弱变化,其内部分子振动增强,偶极矩发生变化,即热运动使极性分子激发到更高的能级,当它向下跃迁至较低能级时,就以发射电磁波的方式释放多余的能量,其余的能量以光子形式被带走。因此,电气石向外界发射电磁波的动力来自于外界环境温度与压力的变化,该过程实质上是电气石与环境之间的能量交换[5 ,6 ] 。

²  电气石的保健理疗功能

根据基尔霍夫定律可知,红外吸收的机理主要是光谱匹配共振吸收,即当辐射源的辐射波长与被辐射物的吸收波长相一致时,该物体就吸收大量的红外辐射。在红外辐射下,人体支配小动脉和毛细血管的交感神经张力降低,小动脉和毛细血管扩张,出现主动性充血,体温升高[15 ] 。

表6 　不同产地天然黑色电气石的比辐射率值

注:表中ε1 为全波长积分发射率;ε2 为8～25μm 积分发射率;中心波长(带宽1μm) ;ε3 为8. 45μm;ε4 为9. 50μm;ε5 为10.60μm;ε6 为12. 50μm;ε7 为13. 50μm;ε8 为14～25μm。

天然黑色电气石红外吸收特性分析曲线

从表3 可看出,电气石在常温下能发射波长4～14μm,发射率在0. 90 以上的远红外线。从图1 可知,在波长为4～8μm(2500～1250 cm^{- 1})范围内未见明显吸收现象;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})处均有明显的吸收峰存在。这表明不同产地的黑色电气石,虽然其化学组成变化较大,其热释电特性有明显的差异[3] ,但它的红外吸收光谱比较稳定,在室温下的吸收谱形特征基本相似,在9. 6μm(1042 cm^{- 1})附近均有较强的吸收峰。根据红外特性吸收率Aλ等于发射率ελ的定律可知,在9. 6μm附近将有较强的法向比辐射率,这也与表3 中ε4 (9. 5μm) 值较大相符。

人体体表温度大致在31～33 ℃左右,根据维恩位移定律,人体皮肤表面的红外辐射峰值波长在9～10μm左右;根据匹配吸收理论,人体皮肤对9～10μm的红外辐射有良好的吸收效应[3 ] 。由于远红外线中4～14μm 波长红外线最易被人体吸收,使人体各部位都产生生理热效应,使组织温度升高,扩张血管,血流加速,局部血液循环得到改善,形成保健理疗的功能,故有促进伤口愈合、炎症收缩、解除肌肉痉挛和镇痛等作用。

²  电气石保健理疗纺织品

将电气石用于纺织品,其发射远红外线与释放负氧离子的两种功能协同作用,比单一功能更能激发人体细胞的活性,促进人体血液循环及新陈代谢,是理想的保健功能材料,可制成内衣、健康寝具、窗帘和沙发套等产品[7 ,8 ] 。

电气石应用于纺织品的关键技术在于电气石超细粉的制备与表面改性。通过超细技术将电气石加工到微米级直至亚微米或纳米级,可极大提高电气石颗粒的表面活性。采用硅烷偶联剂对电气石进行改性试验,改性后的电气石与EVA、PP、PE 等混合加工可以生产多种产品,如具有EVA 树脂层的鞋袜材料、具有抗菌性能的电气石内衣等[16 ] 。

日本大和纺将放射性矿石微粉与远红外微粒按一定比例混合后,经整理附着于织物上,开发了“IONINA”新产品[11 ] 。这种方法使织物具有负离子和远红外双重效果,其床单产品经使用检测,证明对被检测者脑电波中的α波产生抑制,因此对一些慢性病有较好的辅助疗效。日本富士纺利用温泉中的天然发射性矿石,经纳米技术与聚酯纤维结合,生产出“STAIYAZ”负离子织物[11 ] ,经医学临床实验证明,对腰痛、肩疼、关节炎及过敏性皮炎等有显著疗效。我国台湾省工研院化工所与庆祥光波公司,利用纳米技术和光波远红外原料,共同开发出纳米远红外纺织品[12 ] 。

附：远红外保健功能产品效能仪器

台湾ET-302高精度远红外热放射率检测仪

Ø  电气石纺织品的制备方法

²  纤维改性功能化

利用化纤改性技术,将电气石微粉材料作为添加剂对纤维进行改性,制备功能化纤维。例如,利用溶液共混制备负氧离子纤维复合材料。制备过程大致如下:

将基材化合物溶解于适当的溶剂中,加入电气石填料粒子,充分搅拌使粒子在溶液中分散,混合均匀后,进行聚合反应制备样品,然后进行纺丝加工[17 ] 。在这一过程中,电气石微粒在合成纤维的反应过程中直接混入或者利用熔融共混方法在聚合物纺丝过程中添加,制成功能化纤维。此过程是将电气石微粒均匀分散在熔融的聚合物中,无需改变聚合物的生产工艺过程。

负离子纤维的生产工艺流程　原材料→化学和物理方法加工→纳米级粉体→表面改性→配料→挤出→制造母粒→烘干→再配料→纺丝→成品

负离子材料的纳米级粉体一般在母粒中占40 %～60 % ,经过纺丝配料,最多占丝总重量的4 %～10 % ,若高比例掺入这些材料的纳米粉体,在纺丝过程中使纺丝液流动性差,单丝断裂强度下降[18 ] 。

²  纺织品后整理

天然纤维因其服用的舒适性而被广泛接受,但又因其本身的一些缺点需进行加工整理。后整理方法主要是把电气石微粒材料通过整理加工,使其附着在织物表面,从而赋予纺织品具有自发产生负氧离子和远红外发射的功能。对织物进行后整理的方法大致为有浸轧法和浸渍法[17 ,19 ] ,适用于棉、毛、丝、麻等天然纤维和粘胶等再生纤维素纤维的负离子远红外整理[20 ] 。

四、        结语

一直以来,电气石作为宝石矿物加以利用,少量用于仪器设备中的光学元件,大量非宝石级电气石几乎未得到利用。1989 年,日本学者Kubo 发现并提出电气石具有永久自发极化效应,从而为电气石的应用,尤其是在环境与健康领域的应用开辟出崭新的途径。近年来,人们已经开发出了许多保健卫生功能纺织品,但具有抗菌卫生功能的纺织品需通过化学方法实现抗菌、杀菌的功能,其添加的组分或整理剂有时会使不同的消费个体产生一些过敏反应,或对环境造成一定的负面影响。面对国际环保标准日益严厉的现状,寻求一条“物理抗菌”的卫生保健纺织品加工途径十分必要。此外,目前的保健整理加工(如远红外加工等) 采用的添加组分功能比较单一。从纺织品卫生保健的发展趋势来看,多种功能复合是新一代纺织品整理加工及其助剂开发的必然途径。电气石纳米纺织品还有许多值得我们继续深入研究的价值,主要表现为自清洁、防紫外线、卫生保健、防辐射(电磁屏蔽) [21 ]等新功能。它必将在功能性纺织品应用领域显示出更为广阔的市场发展前景。

作者简介:

刘　强(1977 - ) , 男,四川大学纺织化学与染整工程专业硕士研究生,主要从事纺织品功能整理的研究工作。

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