天然微集料的功能與集成

    關(guān)鍵詞： 生態(tài)建材； 微集料； 功能； 集成

    當(dāng)前材料的發(fā)展趨勢可以歸納為以下幾個(gè)特點(diǎn)：復(fù)合化、多功能化、智能化、低維化和設(shè)計(jì)、工藝、功能一體化。材料通過復(fù)合可得到新的功能或使之多功能化，甚至智能化。目前， 廣泛使用的普通建材在功能方面存在如下問題， ①功能單一； ②熱損失大； ③環(huán)境協(xié)調(diào)性差； ④含有害物質(zhì)。

   
    要解決建筑材料在功能方面存在的不足，必須加大力度， 開發(fā)研制符合生態(tài)和環(huán)境要求的新型功能型建材。發(fā)展生態(tài)建材必須加強(qiáng)建材功能原理的研究，包括基礎(chǔ)理論和工藝原理的研究。近幾十年來，在研究結(jié)構(gòu)材料取得巨大成就的同時(shí)， 特別注意對(duì)具有特殊物理、化學(xué)和生物學(xué)特性材料的研究，即功能材料的研究。有人把功能材料（特別是智能材料）的研制稱為現(xiàn)代煉丹術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)材料科學(xué)的挑戰(zhàn)。

    建筑材料的功能化研究受到越來越廣泛的重視，特別是與仿生結(jié)構(gòu)功能和環(huán)境協(xié)調(diào)功能相聯(lián)系的功能建材（即生態(tài)建材），已成為21 世紀(jì)建材發(fā)展的重要方向^{[ 1 ]} 。

建筑材料的生態(tài)功能是指建筑材料在使用過程中所表現(xiàn)出的與生態(tài)學(xué)和環(huán)境學(xué)相聯(lián)系的一系列屬性。微集料是指材料中能夠顯示特定功能，并在復(fù)合、疊加后產(chǎn)生功能協(xié)同效應(yīng)

的獨(dú)立組元。

    居室是人類生活的主要空間，人們一生中的絕大部分時(shí)間是在室內(nèi)度過的。隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)居室的要求不再僅僅是遮風(fēng)避雨、維持生存，而是追求更為舒適和

有利身心健康的條件，這已是世界建筑發(fā)展的方向。

當(dāng)前用于室內(nèi)的裝飾、裝修材料的施工和使用過程中揮發(fā)和散發(fā)著有害的氣體和物質(zhì)，這些氣體和物質(zhì)污染室內(nèi)空氣， 并引起多種疾病，影響著人們的身體健康。建筑材料的毒性和對(duì)人體健康的危害體現(xiàn)在它的制造、使用和后期處理的全過程。由于大多數(shù)人有90 %的時(shí)間都是在室內(nèi)渡過，所以減少室內(nèi)污染尤為重要。

    目前，世界上許多發(fā)達(dá)國家都投入很大力量研究開發(fā)建筑材料的生態(tài)功能。除利用仿生學(xué)原理制造各種各樣的結(jié)構(gòu)材料外，業(yè)已開發(fā)出可以抗菌、除臭的光催化殺菌、防霉陶瓷，可

控離子釋放型抗菌玻璃，電致臭氧除臭、殺菌陶瓷等新型陶瓷裝飾材料和衛(wèi)生潔具。這些材料用于居室，尤其是廚房、廁所等細(xì)菌易于繁殖滋生的地方，是改善居室生活環(huán)境的理想材料，也是公共場所理想的裝飾、裝修材料。

    建材的生態(tài)功能可充分發(fā)揮其環(huán)境協(xié)調(diào)作用。例如：具調(diào)溫、調(diào)濕、吸收二氧化碳的建筑材料可達(dá)到調(diào)節(jié)居室內(nèi)小環(huán)境的能力，使人類居住條件更為優(yōu)越；具防火、防水、隔音、調(diào)光等功能的建筑材料，可使居室感到更有安全感、舒適感。建筑材料的環(huán)境協(xié)調(diào)功能的研究是改善人們生活條件，構(gòu)筑舒適宜人的生存空間所不可缺少的，將成為21 世紀(jì)最具活力的研究內(nèi)容之一，有著廣闊的應(yīng)用前景^{[ 2 ]} 。

    我國人口多、密度大、居住密集，這更需要經(jīng)常保護(hù)和改善室內(nèi)小環(huán)境。為了創(chuàng)造人類健康和長壽的小環(huán)境，開發(fā)抗菌材料、吸臭材料、調(diào)溫、調(diào)濕材料和有利于健康的其它功能材料是非常必要的。目前國際上已開發(fā)了有抗菌性能并無毒的乳膠漆、涂料、抗菌面磚和衛(wèi)生陶瓷等。

利用仿生原理還可生產(chǎn)智能建材，它是一種能“感覺”出周圍環(huán)境的變化并能針對(duì)環(huán)境的變化采取相應(yīng)對(duì)策的材料。當(dāng)外界的壓力、聲音、溫度、光波、電磁波等物理量的變化時(shí)，它將產(chǎn)生新的自適應(yīng)變化，進(jìn)而顯示其功能。如調(diào)色、調(diào)溫、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電、主動(dòng)質(zhì)量阻尼技術(shù)等。

    21 世紀(jì)民用建筑所使用的材料應(yīng)該是具有多功能的、促進(jìn)健康和提高生活質(zhì)量的生態(tài)建筑材料。

    地球上生活著各種各樣的動(dòng)物和植物，它們以其精巧的軀體結(jié)構(gòu)和特異的生存功能給建筑材料功能的研究以新的、有益的啟示。建材仿生可從生物軀體的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、色彩及生態(tài)特征等方面獲得生態(tài)功能的原理，并應(yīng)用于建筑材料的生產(chǎn)。

    在建材的結(jié)構(gòu)和功能上，人們利用仿生學(xué)原理，取得了很大的成效。例如模仿蜂巢的組織結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)出了輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱的蜂窩泡沫混凝土、加氣混凝土、泡沫玻璃等等。在仿生方面人們應(yīng)用一定結(jié)構(gòu)的裝飾材料，可將風(fēng)、光等對(duì)建筑產(chǎn)生負(fù)面影響的能量，轉(zhuǎn)化為高層建筑環(huán)境所需能量的一部分，化害為利，變廢為寶，創(chuàng)造更富有活力的生存與行為環(huán)境，并滿足節(jié)能的要求；在色彩和質(zhì)感上，人們也利用仿生原理，研究出千姿百態(tài)、五彩繽紛的建筑材料，可緩解人們的情緒和壓力，達(dá)到調(diào)節(jié)氛圍的作用；在成分上，生物的組成并非復(fù)雜，其構(gòu)筑也是在低溫下進(jìn)行的，這給人們很大的啟示，并促使人們尋找化學(xué)組成簡單、工藝簡單并節(jié)省能量、減少環(huán)境污染的新型技術(shù)。又如，人們利用荷葉的出污泥而不染的特性，研制出自凈和防污漬防水材料和涂料。

    我國是能源消耗大國，建筑能耗占全國能源消耗總量的四分之一，比發(fā)達(dá)國家高三倍。使用保溫隔熱材料，降低墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，采用高新技術(shù)開發(fā)利用太陽能，加強(qiáng)建筑保溫是節(jié)能降耗的最有效措施之一。

    日本把太陽電池與外墻和瓦片一體化后解決了陰影時(shí)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率以及貯能系統(tǒng)等一系列問題，并提出2600 萬戶太陽住宅的計(jì)劃。因此，研究太陽能貯熱的墻體和屋面、光電發(fā)電、致冷墻體和屋面等高新技術(shù)，是進(jìn)一步提高電熱轉(zhuǎn)換率、節(jié)約能源、降低成本的有效措施。因此，建材微集料功能的開發(fā)與應(yīng)用，直接影響到建筑的節(jié)能、降耗和資源消耗。微集料的功能開發(fā)與應(yīng)用是提高。       

    21 世紀(jì)建筑綜合功能的主要發(fā)展方向。

    微集料的功能問題，是生態(tài)建材的基因問題；微集料復(fù)合后的功能集成問題，是生態(tài)建材多功能化或功能復(fù)合化的關(guān)鍵問題。

    建材生態(tài)功能的研究涉及許多基礎(chǔ)學(xué)科，如晶體結(jié)構(gòu)學(xué)、能態(tài)學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、生物擬態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)等。材料具備一定的生態(tài)功能是基于成分、結(jié)構(gòu)或復(fù)合構(gòu)造與復(fù)合界面的不同特性，這些特性可歸屬為化學(xué)、物理或結(jié)構(gòu)效應(yīng)引起的，且具備一定的規(guī)律。

建材微集料生態(tài)功能的研究應(yīng)向微觀和宏觀兩極發(fā)展。宏觀水平的研究，從仿生發(fā)展到構(gòu)造材料的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲得高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、輕質(zhì)、保溫、隔熱、隔音及其他性能。微觀水平的研究，從組成材料的礦物個(gè)體，乃至深入到分子、原子的層次。微集料功能集成的定向性變化需從宏觀水平和微觀水平上進(jìn)行綜合研究。

    建筑材料生態(tài)功能主要涉及材料的一次功能，即材料具有輸出的能量與輸入的能量屬于同種形式的屬性，如力學(xué)功能、聲學(xué)功能、熱學(xué)功能等；也涉及材料的二次功能，即高次功能， 這類材料輸出的能量與輸入的能量屬于不同種形式的屬性，如光電轉(zhuǎn)換功能，光分解反應(yīng)功能等。

    仿生學(xué)已有悠久的歷史，并有大量的由生物擬態(tài)學(xué)的啟示開發(fā)的仿生材料。早期飛機(jī)的就是模擬蜻蜒飛行設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)在人類已能夠設(shè)計(jì)制造更高性能的結(jié)構(gòu)材料、功能材料、智能材料，并且將在不同尺度上制造材料（如納米級(jí)～分子級(jí)等）。解剖學(xué)研究表明，動(dòng)物或人的皮是具多功能結(jié)構(gòu)的典型智能生物材料之一，具有可彎曲變形、調(diào)節(jié)溫度、防水、阻止化學(xué)物質(zhì)和細(xì)菌進(jìn)入及自修復(fù)等功能的復(fù)雜層狀組織。比利時(shí)的建筑師與工程師模仿變色蜥蜴的皮膚具有對(duì)環(huán)境能作出反應(yīng)的特點(diǎn)，在建筑界面外裝置一層遮陽百葉作雙層皮，通風(fēng)管道置于雙層皮中。夏天可阻擋陽光，減少冷氣負(fù)荷，冬天雙層皮又可作日光采集器，加熱空氣，預(yù)熱空調(diào)。這既達(dá)到了裝飾的目的，又達(dá)到了節(jié)能的目的。

    生物材料的微觀組織和性能關(guān)系的研究為材料合成技術(shù)提供了許多新思想。研究發(fā)現(xiàn)，盡管是同一種材料，但其組織形態(tài)差異很大，有的可提供極高的力學(xué)性能，科學(xué)家對(duì)昆土蘭果殼的研究發(fā)現(xiàn)，它所以極難形成裂紋的原因是堅(jiān)硬的果殼含有纖維束，而且是任意方向的，幾乎100 %占據(jù)了殼的空間，在整體上形成各向同性體。這種結(jié)構(gòu)的結(jié)果是不存在任何薄弱的環(huán)節(jié)使裂紋得以傳播。這表明在微集料型建筑材料中，纖維型集料必須在各個(gè)方向上無定向分布才能達(dá)到最佳的強(qiáng)度，或者盡可能使纖維狀礦物在材料中無擇優(yōu)取向性生長。前者的原理可應(yīng)用于玻璃纖維等作集料的墻體材料或其它建材制品中，后者的原理可應(yīng)用于石膏及微孔硅酸鈣等制做墻體材料或其它建材制品中。

    蜜蜂用蜂蠟建造的巢穴強(qiáng)度高、保溫、隔熱、吸音、透氣性好；貝殼在化學(xué)成分上95 %是碳酸鈣（文石），5 %是有機(jī)質(zhì)，兩者粘結(jié)成在構(gòu)造上呈曲面型強(qiáng)度很高的整體，而且并不需要高溫?zé)Y(jié)。其抗張強(qiáng)度高達(dá)100 兆帕，遠(yuǎn)大于水泥。這給人類一重要啟示。目前人類使用的主要膠凝材料或?yàn)闊o機(jī)或?yàn)橛袡C(jī)膠凝材料，且存在前者強(qiáng)度低、成本高，后者毒性大、安全性低的問題。美國國家實(shí)驗(yàn)室已研制出一種高強(qiáng)度聚合物水泥，它是用水溶性糖醛醇的聚合物制成的，組分少，工藝簡單，可用于快速修補(bǔ)公路、橋梁和機(jī)場跑道。我國古代勞動(dòng)人民利用石灰和糯米糊制作的膠凝材料，耐久性高，強(qiáng)度高。

    以上表明生物擬態(tài)學(xué)在建材生產(chǎn)中占有十分重要的位置， 應(yīng)加強(qiáng)研究，努力開拓發(fā)展仿生建材技術(shù)與產(chǎn)品。仿生建材中微集料（如昆土蘭果殼中的單根纖維）的功能研究非常重要，但微集料功能的集成規(guī)律（尤如昆土蘭果殼中所有纖維的無定向均勻交織排布）研究，同樣應(yīng)受到特別的重視。

    我國是能源消耗大國，應(yīng)用保溫隔熱材料，加強(qiáng)建筑保溫是建筑節(jié)能降耗的最有效措施之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國用于采暖年能耗111 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，比發(fā)達(dá)國家高3 倍，外墻傳熱系數(shù)高4 ～5 倍。因此，解決傳熱系數(shù)小于1W/ m2·K的墻體材料是建筑節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

    自然界產(chǎn)出的某些天然礦物或巖石，由于它們具有密度小、熱導(dǎo)率低而具有良好的保溫、隔熱功能，如纖蛇紋石石棉、纖維水鎂石、纖維狀海泡石及浮巖、硅藻土、火山凝灰?guī)r等；部分礦物或巖石自然狀態(tài)不具有上述功能，如：蛭石、珍珠巖、黑耀巖、頁巖等；它們的焙燒加工產(chǎn)物具備上述功能，如膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、膨脹頁巖等；現(xiàn)在已開發(fā)生產(chǎn)出多種具有上述功能的人工集料，如陶粒、巖棉、微孔硅酸鈣、漂珠等。具有保溫、隔熱功能的材料同時(shí)具備輕質(zhì)、吸音的功能。

    上述天然礦物巖石材料或人工合成材料其共同的功能屬性是多孔。但它們各自的微孔特征是不同的，包括孔的大小、形狀、連通情況等。研究同種微集料氣孔的大小、形狀、連通性與熱導(dǎo)性、吸聲率等的關(guān)系以及對(duì)輕質(zhì)、保溫、隔熱性而言，功能之間的影響，研究多種微集料復(fù)合后即功能集成后熱導(dǎo)性、吸聲率等變化以及集成功能的變化，探討最佳配方，并從理論上總結(jié)集成規(guī)律，以指導(dǎo)節(jié)能降耗型功能建材的生產(chǎn)。

    蛭石的可改造性與工業(yè)利用前期研究結(jié)果表明，作為多孔性微集料膨脹蛭石具有良好的輕質(zhì)、保溫、隔熱、阻燃、吸音及吸收/ 放出水分（調(diào)節(jié)濕度）等多種功能，是建材多功能體的典型材料之一，但這些功能的集成規(guī)律和與其它屬性不同的微集料復(fù)合和集成功能的研究還需要進(jìn)一步深入^{[ 3 ]} 。

    隔熱保溫功能材料涉及多種學(xué)科，如傳熱學(xué)等。多孔性微集料功能研究的關(guān)鍵是材料的熱物性質(zhì)的機(jī)理的研究，包括熱導(dǎo)、熱膨脹、熱輻射等。研究表明，固體材料的熱物理性質(zhì)取決于它們晶格振動(dòng)或熱振動(dòng)。從量子理論出發(fā)，可以用聲子來描述固體中的晶格振動(dòng)。固體材料的熱導(dǎo)率主要取決于聲子的平均自由程。多孔性微集料的熱物理性質(zhì)與固體材料的熱物理性質(zhì)的形成機(jī)理有其共同的方面，但差別仍很大，其機(jī)理的研究與微集料的多孔性特征等有關(guān)。前期結(jié)果表明多孔性微集料熱物理性質(zhì)除受孔的形狀大小、連通性的因素影響外，還與孔的組合規(guī)律性、構(gòu)成多孔微集料的晶格對(duì)稱性、原子量、彈性及密度等因素有關(guān)。

    多孔微集料的研究除對(duì)建筑節(jié)能降耗及改善微環(huán)境有重要意義外，還對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng)及吸聲、隔音材料的研究具有重要的意義。

    環(huán)境與人存在基本的能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)換關(guān)系、循環(huán)關(guān)系。環(huán)境協(xié)調(diào)材料就是在人一定的活動(dòng)空間內(nèi)調(diào)整光、熱、空氣、水分等媒質(zhì)維持良好的狀態(tài)，達(dá)到人與環(huán)境的能量與物質(zhì)供需平衡狀態(tài)，使居住環(huán)境舒適、人體處于一種健康狀態(tài)。

    1、調(diào)整微氣候環(huán)境材料：采用帶有天然或人工微孔如沸石、海泡石、坡縷石、硅藻土等材料：利用這種材料的“呼吸”功能、貯熱功能、水———水蒸汽轉(zhuǎn)換功能、調(diào)整小空間的氣溫、濕度變化和熱輻射影響。其原理是利用多孔材料對(duì)分子大小不同的氣體如O₂ 、CO₂ 、H₂O 蒸汽選擇性吸附、脫附、透過的原理或不同相轉(zhuǎn)換和熱熔大的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)空氣中的CO₂ 的濃度、水蒸汽的百分比和室內(nèi)溫度。這類材料研究的關(guān)鍵是調(diào)整的輻度和各種調(diào)整功能的銜接與一體化。

    2、凈化微環(huán)境材料： 噪聲、電磁輻射（從紫外———可見———紅外———微波）粉塵與活性有機(jī)物污染等對(duì)人居住空間和人身健康帶來危害。利用噪聲和電磁輻射均是波的形成的污染特征，采用相應(yīng)孔級(jí)級(jí)配吸收波的方式消除對(duì)聽覺、皮膚、器官的損傷。吸波、濾波和抵抗波破壞性是這類材料研究的難點(diǎn)，研究材料孔結(jié)構(gòu)與分布與波能的關(guān)系是解決該類材料應(yīng)用的前提。開發(fā)重點(diǎn)應(yīng)是選用天然多孔材料和人工帶孔材料。針對(duì)天然多孔材料和纖維材料中有強(qiáng)吸附作用、強(qiáng)脫水作用、機(jī)械刺入作用以及貴金屬離子和短波長光線的殺傷作用研制吸附脫塵、吸附殺傷活性生物材料。例如利用硅灰石、纖維海泡石吸附、刺入作用殺傷寄生蟲、細(xì)菌等。又如利用Ag/ 沸石對(duì)芽胞桿菌、綠膿桿菌、沙門氏菌、葡萄球菌、大腸桿菌、霍亂等病菌，尤其是對(duì)肝炎病毒有良好滅殺效果（日本正在試驗(yàn)用在O - 157 病菌的滅殺上）及穩(wěn)定期長、使用廣泛、安全性好、無毒、高效的特點(diǎn)，制成多功能微粒系列、復(fù)粒系列，可廣泛以膜、纖維、板塊、顆粒的形式交叉組合，這種多功能微集料具有殺菌性廣泛、耐熱性高、使用方便的特點(diǎn)。

    Cu 基、Zn 基、Ag 基固體殺菌系列微集料可組裝在陶瓷基、有機(jī)基等裝飾材料上發(fā)揮它們的殺菌作用。如利用泡沫固定多功能微集料使其在潮濕、陽光不充分的地方緩慢釋放殺菌因子達(dá)到消除霉菌的目的。

    二氧化氯具有放出原子氧的功能，是一種負(fù)氧離子化學(xué)劑，用多孔材料固定載附系列微集料，可組裝在室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)中清新空氣，仿造回歸大自然的感覺。另外，利用改型多孔材料如Ag/ 沸石對(duì)NOx 的選擇性吸附功能可以交換居室環(huán)境中低濃度NOx ，并利用其對(duì)N₂O、NO+ 可逆吸附及NO- 、NO₃ 不可逆吸附功能，利用太陽能或電子輻射再生。該功能微集料是解決尾氣污染的有效途徑^{[ 4 ]} 。

    1、生態(tài)建材與天然微集料功能與集成應(yīng)抓住生態(tài)建材功能的“基因”微集料的光、熱、電、磁、波等以及結(jié)構(gòu)、界面、復(fù)合等方面進(jìn)行開發(fā)研究并把這些功能進(jìn)行集成。

    2、生態(tài)建材的微集料功能與集成開發(fā)研究主要側(cè)重于微集料如下方面：結(jié)構(gòu)仿生功能開發(fā)研究；環(huán)境協(xié)調(diào)功能開發(fā)研究；不同微集料功能的集成規(guī)律與技術(shù)開發(fā)。

    [1 ]龔方田，王世忠。生態(tài)建材21 世紀(jì)中國建材的希望[J ] 。中國建材， 1998 ， （1）：34 - 36。

    [2 ]金磊。住區(qū)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵———綠色住宅與綠色建材（之一）——— 國外綠色建筑的發(fā)展。中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，1999 ， （6）：26 - 27。

    [3 ]王正海，曹貞源。蛭石的應(yīng)用現(xiàn)狀及開發(fā)前景[J ] 。新型建筑材料， 1998 ， （6）：11 - 12。

    [4 ]Dong Faqin。The elementary materials of eco2function The papers of The Third International Forum on Advanced Material Science and Technology ，2002 ，Anshan。

    [作者簡介] 　董發(fā)勤（1963 - ），博士，教授，男，長期從事環(huán)境礦物材料教學(xué)與研究工作。

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