电气石玻璃复合材料性能研究.docx
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电气石玻璃复合材料性能研究
河北工业大学
毕业论文
作者:
马晓楠学号:
061953
学院:
材料科学与工程
专业:
无机非金属材料
专业方向:
能源与环境材料
题目:
电气石/玻璃复合材料性能研究
指导者:
孟军平助理研究员
评阅者:
薛刚副研究员
2010年6月14日
毕业设计(论文)中文摘要
电气石/玻璃复合材料性能研究
摘要:
对电气石/玻璃复合材料进行XRD、SEM、FTIR测试,研究复合材料晶体结构、表面形貌及其红外辐射性能。
实验证明复合材料中电气石成分不仅镶嵌在玻璃表面,同时存在于玻璃内部,且复合材料的红外辐射率较高。
将电气石/玻璃复合材料与去离子水作用1h,测试作用前后水的表面张力、pH值、电导率和溶解氧等性能指标。
结果显示:
复合材料对水有活化作用,能减小水表面张力、调节pH值至弱碱性、提高水电导率及水溶解氧含量。
用电气石/玻璃复合材料处理过的水对绿豆进行培养,定期观察并记录绿豆的生长状态。
结果显示绿豆发芽和生长状况均得以改善,表明复合材料对绿豆的生长有一定的促进作用。
关键词:
电气石玻璃复合材料活化水生物效应
毕业设计(论文)外文摘要
Title:
Propertyoftheglasscompositesincludingtourmaline
Abstract:
Thetourmaline/glasscompositematerialsweretestedbyusingXRD,SEMandFTIR.Thecrystalstructure,surfacemorphologyandinfraredradiationwereanalysed.Theexperimentalresultsshowedthatthetourmalineparticleswerenotonlyontheglasssurface,butalsoembeddedintheinsideofglass.Thecompositeexhibitedhigherinfraredradiationrate.
Thedeionizedwaterwastreatedfor1hbytheglasscomposites.Theindexesincludingthesurfacetension,pHvalue,conductivityanddissolvedoxygenofthewatersampleweretestedrespectively.Theresultsshowedthatthecompositeshadthefunctiontotheactivatedwater.Thesurfacetensionofwatercanbereduced,thepHvaluecanbeadjustedtoalkalescence,thewaterconductivityandoxygencontentcanbeincreased.
Themungbeanswereculturedusingthewatertreatedbythecomposites.Thegrowthstatewasregularlyobservedandrecorded.Theresultsshowedthat,thegerminationandgrowthcouldimproved,thecompositematerialshadacertainroleinmungbeans’growth.
Keywords:
tourmaline,glass,composites,activatedwater,biologicaleffect
目次
1引言…………………………………………………………………………………1
2国内外研究现状………………………………………………………………1
2.1电气石…………………………………………………………………………1
2.1.1电气石的结构与性能……………………………………………………1
2.1.2电气石的应用……………………………………………………………5
2.1.3电气石复合材料的应用…………………………………………………5
2.2玻璃…………………………………………………………………………6
2.2.1玻璃的结构与性能……………………………………………………6
2.2.2玻璃的应用…………………………………………………………6
3电气石处理水生物效应的作用机理………………………………………………7
3.1调控水的pH值………………………………………………………………8
3.2活化水…………………………………………………………………………8
3.3净化水质,保护水中环境……………………………………………………8
4本课题研究内容……………………………………………………………………8
5实验及数据分析……………………………………………………………………8
5.1实验方案………………………………………………………………………9
5.2实验仪器………………………………………………………………………9
5.3复合材料性能表征及分析…………………………………………………9
5.3.1X射线衍射分析…………………………………………………………9
5.3.2扫描形貌分析……………………………………………………………10
5.3.3红外辐射性能……………………………………………………………11
5.4复合材料对水的作用机制……………………………………………………11
5.4.1复合材料对水表面张力的影响…………………………………………11
5.4.2复合材料对水pH值的影响……………………………………………12
5.4.3复合材料对水电导率的影响……………………………………………13
5.4.4复合材料对水溶解氧的影响……………………………………………13
5.5复合材料的生物效应…………………………………………………………14
结论…………………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………………17
致谢…………………………………………………………………………………19
1引言
电气石(Tourmaline)是电气石族矿物的总称,又称托玛琳。
托玛琳出现在我国是公元644年,是唐太宗征西时得到的,称之为“碧玺”,托玛琳化学成分比较复杂,是一种以含硼为主,还含铝、钠、铁、镁、锂等元素的硅酸盐矿物。
托玛琳最早发现于斯里兰卡,人们注意到这种宝石在受热时会带上电荷,这种现象称为热释电效应,故得名电气石。
电气石作为一种新型的工业矿物,在环保、电子、医药、化工、轻工、建材等领域,由于矿物独特的性质及产品的高附加值,受到世界各国的普遍重视。
随着开发应用与工艺技术研究的深入,现已取得了较大的发展,展现出广阔的应用前景。
目前已有许多关于电气石复合材料的研究,且大部分都取得了可观的成果,但到目前为止国内外对于电气石/玻璃复合材料的研究还很少。
因此本课题研究电气石/玻璃复合材料的性能以及它的生物效应,将为电气石/玻璃复合材料的应用奠定基础。
2国内外研究现状
2.1电气石
2.1.1电气石的结构与性能
电气石(托玛琳)化学成分复杂,是以含硼为特征的铝、钠、铁、镁、锂的环状结构硅酸盐矿物。
其工艺名称为“碧玺”。
一般产于花岗伟晶岩型及高温气成热液型矿床中,是一种典型高温气成矿物。
电气石的化学通式为XY3Z6[Si6O18][BO3]3(O,OH,F)4,其中X=Ca、K、Na,Y=Fe2+、Mg2+、Al、Li、Fe3+、Mn2+,Z=Al、Cr3+、Fe3+。
电气石由硅氧四面体组成[Si6O18]12-六方环,硼与氧形成三角形配位,组成[BO3]三角形;它有两种八面体,一种是Y-O八面体,另一种是Z-O八面体,Y与Z八面体共棱连接形成水镁石结构段,Z八面体之间也共棱连接成平行于C轴的螺旋柱。
晶体结构属于三方晶系,空间群为R3m,电气石是具有单向极轴的异极性矿物,三重对称轴为C轴,垂直于C轴无对称轴和对称面,也无对称中心。
晶体呈柱状,集合体呈棒状、柱状、放射状、束针状以及致密块或隐晶质块状[1,2,3]。
图1为电气石结构在(001)面上的投影。
图1电气石结构在(001)面上的投影
电气石特殊的晶体结构使其具有自发极化、压电、热电、释放负离子和辐射远红外线等性能。
(1)自发极化性
当电气石晶粒很小时,电气石微粒的作用相当于一电偶极子(如图1所示)。
由于正负电荷的作用相互抵消,在平行于c轴方向电场强度最大[4]。
电场强度计算公式为:
,其中p=ql为电偶极距,方向由-q指向+q;ar为从电偶极子指向测点的单位矢量;q为带电量;l为电气石c轴长度;r为测点与电气石中心的距离。
电场强度与r3成反比,当r增大时,它比点电荷的电场消减得更快。
电气石微粒可视为一个个独立的微小电场。
当电气石由晶体加工成微粒时,比表面积增大,表面断键数目增多,使它具有自发地吸附外来的离子或原子的倾向。
电气石微粒电极的电场强度大约为107V/m。
静电场随着远离中心迅速减弱,可按如下公式计算:
Er=(2/3)E0(a/r)3,a为电气石微粒半径,r为距中心的距离。
由此可知,在电气石表面厚度十几微米范围内存在107一104V/m的高电场。
当在电气石表面或周围有自由电子存在的时候,自由电子将会被电气石的阳极迅速吸引并牢固的捕获,使自由电子丧失自由运动的能力。
冀志江博士以电气石“自发极化”的评价为核心,对电气石颗粒的电极性进行了研究,利用电子探针(EPA)首次直接观察到了电气石颗粒的自发极化产生的电极性。
电子束轰击电气石微米颗粒后的显微照片中,轰击区域呈现半明半暗形貌,这种形貌反映了电气石颗粒自发极化的存在[5]。
(2)辐射远红外线
由于电气石具有自发极化的永久电极晶体,即具有偶极矩,当分子做热运动时,相应的偶极矩发生变化,热运动使极性分子激发到更高的能级,当它向下跃迁时就把多余的能量以远红外线的方式释放出来,使产生波长4一14μm的远红外辐射[6]。
天然电气石具有复杂的结晶学结构和化学成分,丰富的类质同象替代和晶格缺陷,使电气石的理想晶体的平移对称遭到破坏,产生以杂质或缺陷为中心的局域振动模式,从而影响整个晶体材料的红外辐射特性。
电气石的多种形态缺陷是其具有强红外辐射特性的主要原因。
根据晶格振动理论所得的振动频率关系式,不同质量晶格原子的替代或不同类型缺陷具有不同的晶格振动频率,将直接影响红外辐射特性,天然电气石的品种繁多,红外辐射特性差异悬殊。
杨增如等对新疆、内蒙古和云南等地的天然黑色电气石红外辐射特性进行了测试和分析,结果表明,不同产地和不同矿区的黑色电气石化学成分差异较大,其中氧化铁含量对红外辐射率具有明显影响,随氧化铁含量的增加,红外辐射率下降;天然黑色电气石在还原性气氛条件下进行热处理后,可具有比远红外陶瓷粉料更高的红外比辐射率值,其红外峰值辐射与维恩定律具有很好的对应关系,在室温下峰值辐射波长为9.5μm左右。
研究认为,天然黑色电气石在保暖、保健等领域具有很高的实际应用价值。
此外,电气石粉料平均粒径与红外法向比辐射率值之间存在一定的对应关系,随着粉体粒径的减小,比表面积的增加,红外辐射率呈提高趋势,但粉料粒径小于一定尺寸时,红外辐射率则反而下降,展杰等研究发现平均粒径为4.85μm的粉料,在8-25μm波长的红外法向比辐射率达最高值为0.93[7]。
(3)产生负离子
温度和压力变化引起的电气石晶体之间的电势差,能够使其周围空气中的水分子发生微弱的电解作用;H2O电解OH→H+,氢离子由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→O-H(H2O)-n。
根据大地测量学和地理物理学国际联盟大气联合委员会采用的理论,空气负离子的分子式是O2(H2O)n,或OH-(H2O)n。
负离子的生物效应有:
①使氧自由基无毒化;②使体液呈弱碱性;③使空气质量得到改善;④负离子对促进健康的直接效应;⑤负离子对人体各系统的直接生理效应;⑥负离子对疾病有辅助治疗和康复作用[8]。
空气负离子的作用已被广大医学界所认同,除了有益人体健康之外,还具有杀菌、除尘、除臭作用。
电气石释放负离子不耗能,不产生臭氧和活性氧,是理想的绿色环保材料。
(4)热释电性与压电效应。
电气石的电学特性的发现研究可追溯到1707年荷兰人发现它吸引草木灰。
热释电效应的发现就源于此。
温度的变化,无论是加热还是冷却,在表面绝缘的电气石会产生电极性。
1717年证明了电气石的热释电效应。
1880年Jacques和Pierre第一次报道了电气石的压电性。
电气石的结晶学c轴是极性轴。
定义c轴的正方向为热负极,c轴的反方向(c)为热正极。
不同产地天然电气石的化学成分有较大差异,其中氧化铁含量对热释电效应产生显著影响。
随氧化铁含量的增加,热释电效应明显减弱。
电气石的热释电效应与其常规物理特性有较好的对应关系。
通过检测电气石的密度和折射率即可间接了解电气石的热释电效应。
定性观测热释电的方法有Kundt法、Bleekrode法、Mauriee法和Martin法。
电气石的热释电效应的定量测量有如下结论:
热释电荷量和温度变化区间有关;
在一定的温度区间,加热和冷却产生的电荷量相同;
温度的变化速率不会影响电荷的产生总量;
产生电荷的总量与垂直于c轴的横截面积成正比,和晶体片的厚度无关。
目前电气石的热释电效应用于测温传感器。
电气石在压力作用下两极会产生电荷;反之,c轴平行于电力线方向置入电场中,则会产生压力。
产生压电效应的机理被认为是在压力作用下晶体内部产生偶极离子面,形成偶极矩。
电气石的压电特性有如下特征:
产生的电压和施加的力成正比;
在夹子中电气石的两端颠倒,电压反向;
测得的电压不随沿长方向的位置而改变[9]。
2.1.2电气石的应用
电气石主要的应用表现在水处理、医疗保健等方面:
水处理方面,电气石与水作用,可改变水的pH值、溶解氧、表面张力等。
水被电气石电解后,能获得界面的活性作用、氯的安定化、铁的钝化(预防红色铁锈生成而发生红水)、水的还原化、去除二氧化硅与粘合物(微生物集合体)等各种效果。
电气石与水反应,就能处理连化学洗剂和化学物质都很难处理的问题。
电气石还可以使水保持弱碱性,作为饮用水对人体的偏酸性环境有较好的作用。
医疗保健方面,电气石与水作用可以减小水分子束,活化水分子且可以辐射红外线。
水分子(H2O)并非单独存在,其分子会相互结合,形成分子束。
而电气石可以缩小分子束,分子束较小的水能去除氯或不纯物,味道佳,而且能够提高身体的渗透力。
电气石辐射的远红外线能够渗透到身体深层部位,温暖细胞,促进血液循环,使新陈代谢顺畅。
电气石远红外线发射力将近100%,能与人体辐射的红外线产生共振,以达到活血顺气、强身健体的功效。
电气石还可应用于环境保护、日用化工、建筑装潢、空气净化、节能、水产养殖以及电磁屏蔽等各个领域。
由于电气石矿物独特的性质及产品的高附加值,受到世界各国的普遍重视,并且都在积极开发这种宝贵的资源,不断扩大它的应用范围[10]。
2.1.3电气石复合材料的应用
除了电气石本身的应用之外,电气石复合材料具有更为广阔的应用前景:
电气石/TiO2复合材料将电气石表面包覆TiO2制成一种复合粉体材料。
不仅具有释放负离子和远红外线的功能,而且由于表面TiO2的作用而使自身白度提高。
可以用于制备负离子强化复合地板,发挥空气净化功能,消除室内空气污染物[3]。
金宗哲等研制出一种稀土激活电气石复合粉体,用于建筑物的内墙装饰材料,室内空气负离子浓度达到室外旷野水平[11]。
将电气石微粉与树脂复合制成电气石/树脂复合材料,可以活化燃油,起到节油的作用,同时使烟气中的有害气体排放降低,起到了节能环保的作用[12]。
专利CN1354052A制备了一种含有多孔载体和电气石颗粒的电磁屏蔽材料,这种复合材料可制成辐射家电的外壳,或作为外壳表层,也可纺织成防辐射布料制成服装,或制成防辐射涂料,从而减弱电磁辐射对人体的伤害。
与此同时,它还能释放负离子及辐射远红外线,改善血液循环,促进人体健康。
CN101045893研究出一种电气石粉体复合材料负离子洗衣粉,其可作为各种洗衣粉、洗涤剂的替代品。
其特征是具有洗除衣物上的重金属,削除酚、醛、苯类有害物质,并具有消毒杀菌作用。
从而大大减轻了由洗衣粉、洗涤剂等造成的水污染[13]。
2.2玻璃
2.2.1玻璃的结构与性能
玻璃是具有玻璃化转变现象的非晶态材料,具有各向同性、介稳性、无固定熔点、性质变化连续性和可逆性以及近程有序和远程无序的非晶态结构特征。
以石英玻璃为例,石英玻璃的结构是无序而均匀的,有序范围大约为0.7-0.8nm。
经X射线衍射分析可知,石英玻璃结构是连续的,熔融石英玻璃中Si-O-Si键角分布大约在120°-180°,比结晶态方石英宽,而Si-O和O-O的距离与相应的晶体中一样。
硅氧四面体[SiO4]之间的旋转角宽度完全是无序分布的,[SiO4]以顶角相连,形成一种向三度空间发展的架状结构[14]。
玻璃具有优良的物理和化学性能,其耐压强度高、硬度高、透明、稳定性好、不易变形,是一种用途很广的无机非金属材料。
其中对玻璃制品影响质量较大、对生产过程有较大实际意义的有黏度、析晶性能、光学性能、密度、热膨胀系数、电性能、强度和化学稳定性等性能。
2.2.2玻璃的应用
玻璃的应用十分广泛,主要涉及到滤光、防护、装饰、隔声、隔热等方面。
其按生产工艺不同分为许多类别,如普通平板玻璃、钢化玻璃、中空玻璃、夹层玻璃、热弯玻璃、防弹玻璃等许多种。
其中普通平板玻璃最为常见,主要应用于外墙窗户、门扇等小面积透光造型、室内屏风、玻璃门等。
钢化玻璃是普通平板玻璃经过再加工处理而成一种预应力玻璃,其强度是后者的数倍,抗拉度是后者的3倍以上,抗冲击是后者5倍以上且钢化玻璃不容易破碎,即使破碎也会以无锐角的颗粒形式碎裂,对人体伤害大大降低。
主要应用于汽车等挡风玻璃。
中空玻璃主要用于有隔音要求的装修工程之中。
夹层玻璃一般由两片普通平板玻璃(也可以是钢化玻璃或其他特殊玻璃)和玻璃之间的有机胶合层构成。
当受到破坏时,碎片仍粘附在胶层上,避免了碎片飞溅对人体的伤害。
多用于有安全要求的装修项目。
热弯玻璃样式美观,线条流畅,主要应用于一些高级装修。
防弹玻璃实际上就是夹层玻璃的一种,只是构成的玻璃多采用强度较高的钢化玻璃,而且夹层的数量也相对较多。
多采用于银行或者豪宅等对安全要求非常高的装修工程之中。
相对于普通平板玻璃而言,功能玻璃的应用具有特殊性、多样性的特点。
功能玻璃主要有:
光学、电磁、热学、机械、化学及生物功能玻璃,分别应用于光通信、电池、望远镜镜体、绝缘材料、催化剂及人工齿等方面。
李长久等研制低熔封接微晶玻璃是一种先进的焊接材料,由于其具有低的熔化温度和封接温度,优良的机械强度和化学稳定性,而在很多领域中得到广泛的应用,实现了玻璃、陶瓷、金属、半导体间的相互封接[15]。
蔡玉荣等研制的生物玻璃能实现特定的生物、生理功能。
将生物玻璃植入人体骨缺损部位,它能与骨组织直接结合,起到修复骨组织、恢复其功能的作用[16]。
专利CN1267644A发明了一种自清洁玻璃。
它以普通玻璃为基板,其上由磁控溅射法镀有二氧化钛膜层。
此自清洁玻璃具有良好的亲水性能和分解有机物的能力,因而具有很强的自清洁功能,使用寿命可长达10年以上。
该玻璃可以广泛用作房屋建筑的门窗玻璃和汽车玻璃等[17]。
将电气石添加到玻璃中,会赋予玻璃新的功能,如释放负离子、辐射远红外线等,可以调节水的pH值、增加水中的溶解氧以及活化水分子等,用于水处理、医疗保健及养殖种植等方面。
总之,这些优异的性能将会使电气石/玻璃复合材料拥有更广泛的应用前景[10,18,19]。
3电气石处理水生物效应的作用机理
3.1调控水的pH值
水环境中的pH值直接决定着水中很多的化学和生物过程,同时也反映出水中总的化学和生物学性状,直接或间接影响着生物的生长和繁殖,其量值的变化对水的物理、化学和生物过程均有较大的影响,水环境中的pH变化不仅直接影响水中生物的代谢机能,而且还可影响氨氮、硫化氢和重金属离子等环境因子,从而间接影响水中生物的生长与存活。
研究表明,水生生物适宜的生存环境Ph为7—9.5,即为中性弱碱性。
目前调控pH的方法主要采用酸碱中和法,该方法存在操作繁琐、难以控制等缺点,且容易造成二次污染[20]。
冀志江等研究发现,由于电气石的自然电极性,能够调控水的pH值,它不仅可以使酸性溶液的pH值增大到中性,而且可使碱性溶液的pH值减小趋向中性;并可使水的氧化还原电位为140一200mv;电气石用于水调控,避免了水中pH值和氧化还原电位变化过于频繁而对水生生物的危害,同时够满足水生生物对pH的要求,不污染环境[5]。
3.2活化水
通常天然水的水分子由于氢键作用,缔合成大分子团,导致水分子的活性降低。
电气石可发射远红外线,由于远红外线具有显著的生物学效应,可激活核酸、蛋白质等生物大分子的活性,从而调节机体代谢、免疫等功能,有利于机体机能的恢复和平衡,增加新陈代谢;电气石发射的远红外线,具有高的能量,可与水分子簇中氢键共振,使大分子团的氢键断裂,水分子团变小,增强了水的渗透、溶解、扩散能力。
小分子团簇水进入生物体内,可以激活生物体细胞内酶的活性,促进新陈代谢,提高生物自身免疫力;水在生物体内的运行速度加快,激活细胞更好地吸收溶氧与营养物质,并排除有毒、有害代谢产物,是细胞的“清洁剂”和促生长剂[20]。
4本课题研究内容
(1)电气石/玻璃复合材料基本性能。
(2)研究电气石/玻璃复合材料对水的影响。
(3)电气石/玻璃复合材料的生物效应。
5实验及数据分析
5.1实验方案
(1)电气石/玻璃复合材料性能表征
对复合材料进行XRD、SEM、FTIR测试,观察并分析其晶体结构、表面形貌、微观形貌、红外辐射性能。
(2)电气石/玻璃复合材料作用的水性能检测
将电气石/玻璃复合材料与去离子水作用不同的时间,测试水样的性能指标,包括表面张力、pH值、电导率和溶解氧。
通过数据分析以及总结各指标间的关系,研究电气石/玻璃复合材料与水的作用机制。
(3)电气石/玻璃复合材料的生物效应研究实验
用电气石/玻璃复合材料处理过的水对生物进行培养,定期观察并记录生物的生长状态。
通过实验现象和数据,分析电气石/玻璃复合材料对生物生长的影响。
5.2实验仪器
主要实验所用仪器如表1所示。
表1主要实验仪器及型号和生产厂家
仪器名称
型号
生产厂家
高分辨率均发射扫描电镜
S-4800
日本Hitachi公司
X射线衍射仪
X’PertMPD
荷兰Philips公司
傅立叶变换红外光谱仪
BRUKER-80V
德国BRUKER公司
台式酸度测定仪
HI223
罗马尼亚HANNA公司
电子天平
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