抗紫外線礦物窗簾的原理及具體應(yīng)用

蔣證好

摘 要：過度曝曬在紫外線的照射下對(duì)人體的健康有極大危害。很多家庭、企業(yè)和機(jī)關(guān)里大家都拉起窗簾，打開日光燈，在日光燈下工作。這種做法不僅對(duì)人的視力造成損害，還會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)?？棺贤饩€礦物窗簾通過在窗簾上依附礦物質(zhì)薄膜，讓人們可以既享受到自然光的照明，又不會(huì)被紫外線曬傷。我們通過大量試驗(yàn)找出材料的配比，最后成功做出了抗紫外線礦物薄膜，并成功做出抗紫外線礦物窗簾。

關(guān)鍵詞：紫外線；礦物；窗簾

中圖分類號(hào)：TS195.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）01-0028-03

Abstract： Excessive exposure to ultraviolet radiation is very harmful to human health. In many homes， businesses， and offices， people draw curtains， turn on fluorescent lights， and work under fluorescent lights. Such practices not only cause damage to human vision， but also result in a great waste of resources. The anti-ultraviolet mineral curtains， through the the attachment of the mineral film， enable people to enjoy natural light in the lighting， and not be ultraviolet （UV） sunburn. Through a large number of experiments， the proportion of materials has been found， and the anti-UV mineral film is successfully made， and do anti-UV mineral curtains.

Keywords： ultraviolet ray； mineral； curtain

1 研究背景

紫外線的照射對(duì)人類的皮膚有很大傷害。近年來，由于氟利昂等對(duì)地球臭氧層造成的破壞，陽光中紫外線指數(shù)越來越高。紫外線照射雖有一定殺菌作用，但是過度曝曬在紫外線下，會(huì)對(duì)人的眼睛、皮膚乃至神經(jīng)中樞造成不可逆的損害。隨著生活品質(zhì)的提高，人們逐漸開始重視紫外線的危害，并不斷尋求解決方法。在外出時(shí)可以人們使用遮陽傘、遮陽衣帽和防曬霜來解決這一問題。在室內(nèi)環(huán)境下，為了避免紫外線的傷害，人們選擇白天拉上窗簾，打開日光燈，在日光燈下工作和生活。但是這種做法有利有弊，雖然可以避免紫外線的傷害，但是日光燈的光線不僅會(huì)對(duì)人的視力造成損害，同時(shí)產(chǎn)生了大量的能源耗費(fèi)。

那么如何讓人們享受到自然光，又能避免紫外線的照射，更重要的是達(dá)到節(jié)能減排作用呢？由此出發(fā)，我們開始了抗紫外線礦物窗簾的研究。

2 開發(fā)原理

2.1 絹云母的特性與功能

絹云母是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽。絹云母的結(jié)構(gòu)是鱗片狀的單斜晶體，彈性好、耐熱絕緣、具抗酸性。絹云母的高縱橫比的二維片狀結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)效果。絹云母的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)產(chǎn)生的消光效果可以屏障紫外線、微波和紅外線，能大大提高產(chǎn)品的耐磨性，減緩老化。目前國內(nèi)使用絹云母主要是用于陶瓷，化工及化肥工業(yè)，化妝品填料，造紙，塑料工業(yè)等補(bǔ)強(qiáng)填料。

絹云母屬單斜晶系，其光軸角遠(yuǎn)小于白云母的光軸角。同時(shí)絹云母在制品的混煉過程中，會(huì)平行定向排列，疊片云母之間可以隨機(jī)錯(cuò)位，使光軸面相互斜交或正交，產(chǎn)生消光作用。光軸角越小，消光作用越好，所以絹云母礦物屏蔽紫外光、微波、紅外線的功能比白云母好得多。[1]

2.2 抗紫外線礦物窗簾的開發(fā)原理

抗紫外線礦物窗簾就是利用絹云母屏蔽紫外線的功能，將之附著到滌綸布上，從而生產(chǎn)出抗紫外線礦物窗簾。我們的作品是一種具有很強(qiáng)的抗紫外線功能的布料，并且透光性良好、耐磨耐腐蝕、柔韌性好?？蓮V泛用于家居窗簾隔離紫外線，與傳統(tǒng)的窗簾相比透光性良好，減少日光燈的使用，大大節(jié)省電能。

該布料分為兩部分，抗紫外線薄膜和絲織物，起抗紫外線作用的材料從礦物著手。抗紫外線薄膜是由TPE軟膠和具有抗紫外線功能的絹云母顆粒。絲織物纖維為增強(qiáng)體，TPE軟膠為基體與絹云母顆?；旌险辰Y(jié)，利用物理擠壓使TPE膠和絹云母粉組成的均勻混合物依附于絲織物上。用控制變量法找出絹云母粉和TPE膠的最優(yōu)配比，在其混合物受熱融化時(shí)，在織物上擠壓成薄膜。檢驗(yàn)產(chǎn)品抗紫外線強(qiáng)度采用對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將產(chǎn)品上的薄膜覆蓋于紫外線強(qiáng)度試紙上，在紫外線燈照射下，檢驗(yàn)產(chǎn)品的性能。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 材料選擇

方案的第一步是選擇材料，我們要求做出來的窗簾具有以下特性：一是具有抗紫外線功能；二是透光性比較好，盡可能小地影響室內(nèi)的光線明暗；三是與普通窗簾相比外觀和觸感相差不大，盡量更好；四是盡量拉低與普通窗簾布的價(jià)格差距，即縮小試驗(yàn)中生產(chǎn)成本。

為了使產(chǎn)品的外觀和觸感與普通窗簾相差盡可能小，我們選擇在布料表面覆蓋一層抗紫外線膜。通過文獻(xiàn)查找和對(duì)比，鑒于既要具有抗紫外線功能又不能影響光線照射，我們采用透光率強(qiáng)的絹云母作為生產(chǎn)抗紫外線膜的材料。在絹云母粉顆粒大小的選擇上，為了防止顆粒過小破壞絹云母晶體形狀，顆粒過大與TPE膠混合不均勻，采用3000母大小的絹云母粉。粘合材料出于經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，同時(shí)為確保表面的抗紫外線薄膜具有柔韌度和耐磨性，我們采用TPE熱熔膠作為制作薄膜的原料。TPE是一種熱塑性彈性體材料，應(yīng)用范圍廣泛，環(huán)保無毒安全，觸感柔軟，加工性能優(yōu)越，無須硫化，可以循環(huán)使用降低成本，既可以二次注塑成型，也可以單獨(dú)成型。一方面TPE膠與絹云母混合后加熱即可擠壓拉伸成膜，生產(chǎn)成本低，具有很好的經(jīng)濟(jì)性；另一方面TPE膠環(huán)保無污染，可循環(huán)使用，具有很好的環(huán)保性。在織物的選擇上，為了增大TPE膠與織物的接觸面積，選擇了網(wǎng)面滌綸布料。

3.2 流程設(shè)計(jì)

在材料選擇以后，為了更好地確保抗紫外線薄膜的抗紫外線特性最大化，我們需要解決絹云母和TPE膠的配比問題，并由此設(shè)計(jì)了整個(gè)試驗(yàn)的流程。為找出最佳配比，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下流程：首先是使用不同配比的絹云母和TPE膠混合均勻后，加熱、擠壓、拉伸成薄膜。通過這樣得到絹云母和TPE膠不同配比下的抗紫外線膜。其次是制作紫外線照射燈和封閉箱，準(zhǔn)備紫外線強(qiáng)度指示卡等相關(guān)材料。試驗(yàn)的目的是測(cè)定不同材料配比生產(chǎn)出來的抗紫外線膜的抗紫外線性能好壞，所以需要有恒定輻射比率的紫外線燈管和避免外界紫外線照射的封閉箱。這樣就可以保證照射到不同抗紫外線膜上的紫外線強(qiáng)度一致。紫外線強(qiáng)度指示卡放在薄膜的下方，以顯示穿透薄膜照射到指示卡上的紫外線的強(qiáng)度，從而計(jì)算出抗紫外線膜的抗紫外線性能。再次是在封閉箱中用紫外線燈穿透不同配比下的抗紫外線薄膜，對(duì)紫外線強(qiáng)度指示卡進(jìn)行不同時(shí)長的紫外線照射。最后，在多次試驗(yàn)后，統(tǒng)計(jì)紫外線強(qiáng)度指示卡的數(shù)值，從而算出不同材料配比的抗紫外線膜的抗紫外線性能的強(qiáng)弱，并列出曲線，通過分析對(duì)比找出絹云母和TPE膠的最優(yōu)配比。

4 試驗(yàn)過程

抗紫外線膜成膜的過程很簡(jiǎn)單，分三個(gè)步驟。一是混合，TPE膠與絹云母粉提前混合均勻；二是加熱與攪拌，混合材料在60℃左右溫度下就能熔化，邊加熱邊攪拌，待混合材料加熱到熔融狀態(tài)；三是擠壓拉伸成膜，將熔融狀態(tài)下的材料取出，在平整的表面用平整的硬物擠壓拉伸至薄膜狀，經(jīng)過5秒左右，薄膜即可成型。

為了探究TPE膠與絹云母的合適比例，我們進(jìn)行了多次試驗(yàn)。我們固定TPE膠35克，絹云母粉分別從0克、1克增加，至10克以上左右時(shí)將干擾薄膜的壓制。取制成的薄膜小片，覆蓋到紫外線強(qiáng)度測(cè)試指示卡上，對(duì)薄膜抗紫外線效果進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)試紙中央色塊顏色深淺辨別透過薄膜紫外線強(qiáng)度。具體流程如圖1。

我們將融化的膠融入粉后用玻璃棒在試驗(yàn)臺(tái)上面進(jìn)行拉伸擠壓，讓它變成一個(gè)很薄的薄膜，我們的膠的質(zhì)量為35g，加入的絹云母粉的質(zhì)量為2g、3g、4g、6g、7g、8g、9g七組，每一組都有做成了一個(gè)條狀薄膜。絹云母和TPE膠質(zhì)量比例為8：35時(shí)，效果最好，再增加絹云母的比例效果變化不大。其抗紫外線能力曲線如圖2。

在試驗(yàn)中，為了增大TPE軟膠加熱時(shí)的受熱面積，我們選擇坩堝加熱。加熱時(shí)，對(duì)受熱融化的TPE膠顆粒用玻璃棒頭端輕輕擠壓并攪拌至熔融狀態(tài)。最后在滌綸布上對(duì)合適比例絹云母和TPE膠混合物進(jìn)行擠壓成型即可。抗紫外線礦物布料的具體生產(chǎn)流程圖3：

5 試驗(yàn)成果和經(jīng)濟(jì)分析

5.1 適應(yīng)各種場(chǎng)合，節(jié)能環(huán)保效果明顯

抗紫外線礦物窗簾無論是工作環(huán)境還是居住環(huán)境中都可以使用。我們生產(chǎn)出的布料與普通窗簾相比，有以下四個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是透光性更強(qiáng)，可以讓人們更好地享受陽光。二是具備更強(qiáng)的抗紫外線能力，抗紫外線能力達(dá)到了72%。三是結(jié)實(shí)耐用，非機(jī)械破壞都撕扯不爛。四是觸感更順滑，由于外表附著一層礦物質(zhì)膜，抗紫外線礦物窗簾的觸感更順滑。

抗紫外線礦物窗簾可以讓人們?cè)谙硎茏匀还獾耐瑫r(shí)避免紫外線過度曝曬造成的傷害。同時(shí)抗紫外線窗簾為人們避免紫外線的傷害提供了一種新的方案，從而減少日光燈的使用，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的效果。

抗紫外線礦物窗簾制作流程簡(jiǎn)單，僅需對(duì)按照配比混合成的材料進(jìn)行簡(jiǎn)單加熱在擠壓拉伸，耗能極少。透明TPE材料是容易回收利用，可以降低成本，使用過的透明TPE可以簡(jiǎn)單的再生之后可以回收利用，這樣就減少了環(huán)境污染，擴(kuò)大了再生資源來源?？梢哉f，這一產(chǎn)品是對(duì)光能的又一次開發(fā)和利用，讓人人都能夠擁抱陽光，遠(yuǎn)離輻射，節(jié)能減排。

5.2 抗紫外線礦物窗簾的經(jīng)濟(jì)分析

我們分別購買了TPE膠、絹云母粉、紫外線殺菌燈、紫外線強(qiáng)度指示卡、化學(xué)儀器及藥品，具體消耗的成本不足200元，可見抗紫外線礦物質(zhì)窗簾的成本并不高。具體成本如下表1：

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，我們進(jìn)行了數(shù)十次的試驗(yàn)，總成本算下來只有146元。在規(guī)模生產(chǎn)下，我們的礦物質(zhì)窗簾的成本將無限接近所消耗的TPE膠、絹云母粉、加熱材料的成本之和，這方面一共是50元以下?？棺贤饩€礦物窗簾可以減少輻射，抗紫外線礦物窗簾可以減少72%的紫外線輻射，可以讓人在自然光之下生活工作。這樣就無需為了避免紫外線的傷害而開日光燈。假設(shè)日光燈功率為50w，白天使用6個(gè)小時(shí)，那么一年下來，通過少使用日光燈可以節(jié)省110度電。假設(shè)電費(fèi)0.5元，那么我們使用抗紫外線礦物窗簾每年可以節(jié)省55元。這樣來算，相對(duì)于普通窗簾，其實(shí)我們的窗簾對(duì)于用戶來說價(jià)格更低。

同時(shí)，制造抗紫外線礦物窗簾可以開發(fā)絹云母的新用途。目前絹云母的主要用途是陶瓷，化工及化肥工業(yè)，化妝品填料，造紙，塑料工業(yè)等補(bǔ)強(qiáng)填料。我國的絹云母具有分布廣、產(chǎn)量大的特點(diǎn)，但是由于分布較分散，不具備集中開發(fā)的優(yōu)勢(shì)。通過抗紫外線礦物窗簾的生產(chǎn)，可以拓展絹云母的用途，促進(jìn)絹云母這一礦物質(zhì)的有效開發(fā)，使絹云母的優(yōu)勢(shì)性能得到更好發(fā)揮，開辟絹云母利用的新市場(chǎng)。

6 應(yīng)用前景

抗紫外線礦物窗簾具有很好的透光性和抗紫外線性，既可以減少紫外線的輻射還能讓房間更亮，達(dá)到節(jié)能的良好效果，運(yùn)用到教室的窗簾上可以減少燈管的使用量和增加燈管的使用壽命，所以說我們的產(chǎn)品是將光能的又一次利用和開發(fā)，能讓人人都能擁抱陽光，遠(yuǎn)離輻射，節(jié)能減排。

參考文獻(xiàn)：

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