奇才负离子健康涂料的研究与应用

李青山  王新伟（燕山大学材料科学与工程学院高分子材料工程系）

闫平  英民  祁材  李世昌（铜牛集团北京股份有限公司）

原载：2004国际涂料应用和特种印花交流会论文集；271-274

〖摘要〗本文概述了涂料的发展与应用，论述了目前各生产领域都广泛关注的负离子的一些特性和对人的影响与作

用，以及负离子添加剂在涂料、衣物涂层中的应用与展望。

〖关键词〗涂料  负离子  环保  健康  涂层

 

1   前言

    随着现代生活水平的提高，人们对生存环境的要求特别渴望拥有一个健康的工作环境。然而，现代工业的发展带来的污染、负效应却在不断影响着这种环境，特别是空气洁净度正在遭受极大的破坏，空气中的正负离子平衡严重失调，负离子数目锐减。

    目前，在环境评价中，空气负离子浓度被列为衡量空气质量的一个重要参数。空气中适当浓度的负离子对消除悬浮在空气中的粉尘和有毒有害气体，抑制细菌霉菌和净化空气，对人们的健康长寿和生态环境，均具有极其重要的作用，被誉为"空气维生素"和 "大气中的长寿素"。1994年，我国颁布了《环境标志产品技术要求》(HJB2004-94)。其中，对环保型涂料的基本要求是:

    (1)产品的性能指标、安全指标应符合各自产品标准的要求;

    (2)产品配制或生产过程中，不得使用甲醛、卤化物溶剂或芳族碳氢化合物;

    (3)产品中不得含有汞及其化合物，不得使用含铅、镉、铬及其化合物的颜料着色。

    符合这3条要求的产品即为 "环境友好型涂料"。若产品通过有关法定检测机构的检测并认定，则可以在包装上印制 "中国环境标志"图案。本文提出了满足上述要求的、并且释放负离子的健康型涂料、涂层的新的一代涂料的概念。

2   涂料的发展创造工程研究

涂料的应用开始于史前时代，中国使用生漆和桐油作为涂料至少有4000年以上的历史，秦始皇墓的兵马俑已使用了彩色的涂料，在马王堆出土的汉代文物中更有精美的漆器，埃及也早已知道用阿拉伯胶、蛋青等来制备色漆，用于服饰与装饰。11世纪欧洲开始用亚麻油制备油基清漆，17世纪含铅的油漆得到发展，而且在1762年在波士顿就开始了用石磨制漆，此后工业制漆得到较快的发展。20世纪20年代杜邦公司开始使用硝基纤维素作为喷漆，它的出现为汽车提供了快干、耐久和光泽好的涂料、20世纪20-30年代Stuadinger.W.H.Carothes以及其后他的助手P.J.Flory对高分子化学和物理的研究，为高分子科学的发展奠定了基础，也为现代涂料的发展奠定了基础，此后涂料工业便和高分子科学的发展结下了不解之缘，20世纪30年代开始有了醇酸树脂，后来它发展成为涂料中最重要的品种——醇酸漆。20世纪40年代Ciba化学公司等发展了环氧树脂涂料，它的出现使防腐蚀涂料有了突破性发展。20世纪50年代开始使用聚丙烯酸酯涂料，聚丙烯酸酯涂料具有优良的性质，如优越的耐久性和高光泽，结合当时出现的静电喷涂技术，使汽车漆的发展又上了一个台阶，例如出现了高质量的金属闪光漆。在20世纪50年代，Ford Motor公司和Glidden油漆公司发展了阳极电泳漆，以后PPG又发展了阴极电泳漆，电泳漆不但是一种低污染的水性漆，而且进一步提高了涂料防腐蚀的效果。20世纪60年代聚氨酯涂料得到较快的发展，它可以室温固化，而且性能特别优异，尽管价格较贵，但仍受到重视，是最有前途的现代涂料品种之一。粉末涂料是一种无溶剂涂料，它的制备方法更接近于塑料成型的方法，20世纪50年代开始研制，由于受到涂装技术的限制，一直到20世纪70年代才得到很大发展。20世纪80年代涂料发展的重要标志是杜邦公司发现的基团转移聚合方法，基团转移聚合可以控制聚合物的分子量和分子量分布以及共聚物的组成，是制备高固体份涂料用的聚合物的理想聚合方法，有人认为它是高分子化学发展的一个新的里程碑，但它却首先在涂料上得到应用。至此，可以看到涂料的发展已和高分子科学的发展同步进行了。

3   涂料的应用

    涂料是保护材料的一种重要手段，也是对各种材料进行改性并赋予新性能的最简便的方法。由于传统的涂料使用大量的有机溶剂，涂料成膜后，有机溶剂全部挥发至大气中，造成大气污染，危害人类健康。同时，有机溶剂作为重要的化工原料，挥发至大气直接造成资源浪费。近年来，各国为控制VOC的排放量，制定了日益严格的法规，以便对有机物的排放进行有效的控制。因此，开发并推广低污染、无污染涂料势在必行。

    目前，国内外发展起来的低污染涂料 (也称环保型涂料)品种主要有水性涂料、粉末涂料、高固体分和辐射固化涂料。水性涂料脱离以有机物为溶剂，采用水为溶剂，VOC易达到环保要求，该涂料品种流平性好，但在光泽、装饰性和其他性能方面不及溶剂型涂料。随着近几年来的研究开发，水性涂料的应用领域不断拓宽。粉末涂料、高固体分和辐射固化涂料等低污染涂料在整个涂料中占据重要地位，具有进一步发展前景。

    另外，涂料的作用发展至今共经历了三代：第一代是指普通的涂料，主要起装饰与保护作用；第二代是指环保涂料，在保证一般涂料作用的同时对环境起保护作用；第三代便是本文所述及的负离子涂料——绿色健康型环保涂料，这种系列涂料不仅具有高强度、持久性和明显的装饰作用，而且可持续释放负离子，从而增加空气中负离子的浓度，达到改善环境的目的。这种负离子内墙涂料系列产品释放的负离子浓度，能将室内空气负离子浓度提高到公园、郊外或旷野的水平，从而使人们的生活和工作环境更健康、更环保。应用第

三代涂料创制的涂层印花、制造了随身携带的负离子发生器。

4   奇才负离子添加剂的功能与特性

  4·1  负离子添加剂

    随着现代生活水平的提高，人类对自身生存环境的要求也越来越高，渴望永远有一个清爽舒适环保的生活、工作环境。然而，污染不断地破坏着空气的清洁度，空气中的正负离子平衡严重失调。空气负离子对消除悬浮在空气中的粉尘及有毒有害气体，抑制细菌霉菌，净化空气，有着及其重要的作用。因此，以人造负离子提高环境中负离子浓度，维持适当的正负离子平衡的科学研究成为一项前沿科学，这样的产品日益受到人们的欢迎。

    奇才负离子添加剂，能应用于纤维织物、涂料、塑料、橡胶、油墨等各大领域，其中用于涂料、织物涂层可以降解室内甲醛、苯等污染，释放出有益于增进人体健康的负离子，具有广阔的发展前景。 奇才负离子添加剂是以蛋白石为主要原料，同时添加多种功能材料经采用特殊超细加工技术生产而成的白色，灰白色，浆体或粉体。蛋白石内部结构具有20-60纳米，可以吸附有毒、有害气体和元素。这一重要的发现与研究使蛋白石的研究有了突破性的进展，使蛋白石这种微米级粒径、纳米级孔材料的研究进入了21世纪时代的前沿阵地。蛋白石除了具有独特的纳米级微孔强大的吸附作用外，而且具有可以释放天然的负离子的优良的性能，把负离子功能性产品带进日常生活，增加室内负离子浓度，可以带给人们“回归自然”的享受。负离子对人体的影响，据专家观察研究认为，主要有一下作用:

a.对神经系统的影响：可使大脑皮层功能及脑力活动加强，精神振奋，工作效益提高，能使睡眠质量得到改善。负离子还可使脑组织的氧化过程力度加强，使脑组织获得更多的氧

b.对心血管系统的影响：负离子有明显扩张血管的作用，可解除动脉血管痉挛，达到降低血压的目的，负离子对于改善心脏功能和改善心肌营养也大有好处，有利于高血压和心脑血管疾患病人的病情恢复。

c.对血液系统的影响：研究证实，负离子有使血液变慢、延长凝血时间的作用，能使血中含氧量增加， 有利于血氧输送、吸收和利用。

d.负离子对呼吸系统的影响最明显：这是因为负离子是通过呼吸道进入人体的，它可以提高人的肺活量。有人曾经试验，在玻璃面罩中吸入空气负离子30分钟，可使肺部吸收氧气量增加2%，而排出二氧化碳量可增加14.5%，故负离子有改善和增加肺功能的作用。

4·1·1物理特性

负离子涂料添加剂每个单元体的正、负电荷中心无法重合，故两端形成正极、负极，构成了一个永久带电体永久电极。由于正、负电荷无对称中心，即具有偶极矩，当外界温度发生微小变化或外加压力发生微小变化则离子间距及键角发生变化，诱发偶极矩，导致束缚在单元体表面的自由电荷层一部分被放出来，从而使其呈带电状态或在闭合回路中形成电流，在其周围形成电场及微电流。同时，由于有偶极矩的存在，使负离子涂料添加剂具有优良的远红外功能。正是靠着单元体的永久电极、电场及微电流等物理作用，导致了负离子涂料添加剂具有持续释放负离子、去除甲醛、氨、苯有害气体及异味，抗菌、抑菌等功能。

4·1·2功能原理

a.持续释放负离子功能 因负离子涂料添加剂的每个单元体具有永久电极，当空气中的水分子与其接触时，永久电极瞬间放电，从而使水发生电解:H2OH++ OH- 由于H+移动速度很快，迅速向永久电极的负极移动，吸收电子发生反应2H++2eH2而OH-移动速度慢，所以与水分子H20结合发生反应OH-+H2OH3O2-，从而达到永久释放H3O2-负离子的目的。

b.去除有害气体及异味：因负离子涂料添加剂带有纳米级微孔，可以吸附有害气体及异味，每个单元体具有永久电极，当空气中的水分子与其接触时，永久电极瞬间放电，从而使之发生电解，去除有害气体及异味。

c.抗菌、抑菌: 负离子涂料、涂层添加剂具有很强的抗菌抑菌效果，包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、霉菌等，抗菌抑菌率＞97%(CMA测定)。细菌大多带正电荷，在空气中被大量H3O2-包覆或被H3O2-所中和，使其失去增生与繁殖的条件。

d.辐射远红外线: 负离子涂料添加剂单元体的正、负电荷无对称中心，即具有偶极矩，当它们做热运动时，相应的偶极矩发生变化，即热运动使极性分子激发到更高的能级，当它们向下跃迁时把多余的能量以电磁波的方式放出， 从而产生波长2µm-8µm，发射率为0.91以上的远红外线辐射。

4.2 发展绿色健康型环保涂料是必然趋势

涂料的生产和涂装两个环节正是人类生存环境的重要污染源之一。随着人类生活质量的逐渐提高，涂料进入人们的生活和家庭，与人们的关系越来越密切，它所造成的环境对人门的影响越来越大。人们为提高生存质量，要求改善环境和保护环境的呼声越来越高；低污染、无污染、节约能源、绿色环保化越来越成为世界涂料工业的发展趋势。为了保护环境，世界各国除严格限制使用含镍 (Ni)、铬 (Cr)、镉 (Cd)、汞 (Hg)等重金属原料外，又都相继制定了严格控制有机挥发性化合物VOC排放标准的法规，从法律上确立了环保涂料的地位，奠定了它的未来发展的市场基础，为我国环保涂料的发展法律化树立了榜样。"绿色健康型环保涂料"是人们高度重视生态环境保护后提出的新概念。所谓 "绿色涂料" 即对生态环境不造成危害、对人类健康不产生负面影响的涂料。所谓 "健康涂料" 即不仅对生态环境不造成危害，而且能促进人类健康的涂料。世界各先进国家涂料生产企业在涂料生产环保化方面，目前的主要目标和具体做法是:1、加强 "三废"的回收处理；2、研制开发低污染、无污染、节约能源的涂料品种；3、努力改进涂料的涂装工艺。

对环境和人类健康产生不良影响的涂料中的有害成分主要包括以下几类：重金属类颜料、助剂以及有机类分散介质 (溶剂)。除了早就限制重金属颜料在涂料中使用外，当前世界各国均致力于开发低VOC(挥发性有机化合物)的涂料，主要有以下几类：1、水溶性涂料以水为分散介质而代替有机挥发性分散介质的涂料；2、无溶剂涂料又称100%固体分涂料，无分散介质；3、粉末涂料使用时以水作为分散介质。由于负离子具有多种特殊功能，因此负离子涂料必将成为新一代建筑涂料中备受人们的青睬的产品。

5           结束语

清新、洁净的环境，是维持我们身心平衡，保持健康的重要因素。空气、水、阳光被誉为生命三大构成要素，其中空气为首要因素。然而，现代工业环境的污染，使空气的洁净度遭受到极大的损害，空气中正负离子的平衡被破坏，日益增多的微粒粉尘和污染物，各种机械及电器产生的正离子，使能够给我们舒适生活环境的空气负离子数目急剧减少，人类的健康受到莫大的威胁。空气负离子，也被称为 "空气维生素"，它对消除悬浮在空气中的粉尘颗粒及有毒有害的气体，抑制细菌、霉菌，净化空气，有着极其重要的作用。在我们住的地方以及我们所到之处，只要稍加注意便会发现，处处都有涂料的存在，人人都要穿衣服，把衣服创制成随身携带的负离子发生器，具有重大意义。因此，负离子涂料和涂层的研究与发展是改善空气中正负离子失调的有效途径，其应用市场前景广阔。形成了新一代健康涂料和健康衣物、纺织品。

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