負(fù)離子人造板研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

石林，袁少飛，王洪艷，張建，陳杰，郝向陽，李琴

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.浙江省林業(yè)科學(xué)研究院 浙江省竹類研究重點(diǎn)實驗室，浙江 杭州 310023）

人類健康與空氣質(zhì)量密切相關(guān)[1]。隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，居住環(huán)境污染問題日益突出，特別是隨著室內(nèi)裝飾裝修材料的普遍應(yīng)用，大量有害有毒物質(zhì)被帶入室內(nèi)，導(dǎo)致居住生活、工作環(huán)境中的空氣負(fù)離子減少。醫(yī)學(xué)研究表明，負(fù)離子能夠直接作用于人體的中樞神經(jīng)，促進(jìn)血液循環(huán)，并且具有增強(qiáng)身體免疫力、緩解身心疲勞、抑菌殺菌的作用[2]，負(fù)離子還能與室內(nèi)的有害氣體發(fā)生反應(yīng)，有效減輕裝修污染[3]，起到空氣凈化的作用。因此，負(fù)離子功能產(chǎn)品受到消費(fèi)者的青睞，負(fù)離子人造板在室內(nèi)裝飾中的應(yīng)用越來越廣泛[4]。本文綜述了負(fù)離子材料研究現(xiàn)狀、負(fù)離人造板工藝、檢測方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析了負(fù)離子人造板當(dāng)前面臨的相關(guān)問題，并對其發(fā)展趨勢做出展望，旨在為負(fù)離子人造板的發(fā)展提供參考。

1 負(fù)離子材料研究現(xiàn)狀

1.1 產(chǎn)生負(fù)離子的方法

人工制造負(fù)離子的方式主要有4種，即噴水法、放射源法、電暈放電法、天然礦石法[5-6]，其中天然礦石法是目前應(yīng)用最廣泛的方法[7-9]。天然礦石主要有電氣石、奇冰石、奇才石[10]、鐳石、蛋白石、六環(huán)石、托瑪琳石和古代海底礦物層等，此外，還有一些無機(jī)多孔材料、稀土型復(fù)合鹽、光觸媒材料也可以釋放負(fù)離子。

為使負(fù)離子材料具有更優(yōu)異的負(fù)離子釋放性能，復(fù)合負(fù)離子材料[11]和負(fù)離子材料改性[12]等都是目前研究的重要方向，眾多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。蔡夢軍等[13]用聚羧酸鹽做改性劑，研究電氣石粉的改性工藝，將電氣石粉超細(xì)化處理后具有較高的負(fù)離子釋放量。王付龍[14]用硅烷偶聯(lián)劑超細(xì)負(fù)離子粉表面進(jìn)行有機(jī)改性，再通過懸浮聚合法制備包覆的超細(xì)負(fù)離子粉體微球，達(dá)到了對超細(xì)負(fù)離子粉穩(wěn)定化處理的目的，提高了微球中負(fù)離子粉的有效含量。

1.2 負(fù)離子的作用與功效

負(fù)離子具有生物效應(yīng)，能改善大腦皮層，刺激精神，改善肺功能，加速呼吸纖維組織的運(yùn)動，加速基礎(chǔ)代謝等功能，對呼吸道疾病、支氣管哮喘、支氣管炎和肺氣腫有一定的療效，被醫(yī)學(xué)界稱為“空氣維生素”[15-16]；負(fù)離子可殺菌抑菌，如抑制霍亂弧菌、傷寒桿菌和葡萄球菌等細(xì)菌的生長，殺死大腸桿菌[17-18]，其主要機(jī)制是負(fù)離子與細(xì)菌結(jié)合后會引起細(xì)菌能量轉(zhuǎn)移或結(jié)構(gòu)變化，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡[19]；負(fù)離子還可以凈化空氣。日本科學(xué)家Kubo最先發(fā)現(xiàn)了電氣石存在可以釋放負(fù)離子的永久性電極，并且預(yù)測了電氣石可以改善環(huán)境，具有很高的應(yīng)用價值[20-22]。它能與環(huán)境中顆粒物（PM2.5等）、甲醛、氮氧化物、苯系物等有害物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)[23-25]，從而起到凈化空氣的作用。

1.3 釋放機(jī)理及其影響因素

目前發(fā)現(xiàn)的負(fù)離子材料主要是具有壓電性和熱電性的天然礦石，當(dāng)環(huán)境溫度或環(huán)境壓力發(fā)生輕微變化時，負(fù)離子材料會產(chǎn)生熱電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，即存在電熱和電壓差，從而使相鄰的空氣分子電離[26-27]，并轉(zhuǎn)化為負(fù)離子。

負(fù)離子材料釋放負(fù)離子的能力除取決于自身結(jié)構(gòu)外，還受到多方面因素的影響[28]，如氣流、水流、負(fù)離子材料的濃度、與空氣的接觸面積、承載率、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等因素對其釋放能力均有影響?？滴慕躘29]的研究證明了電氣石與空氣接觸面增大、溫度的升高或波動、環(huán)境濕度的增大都會促進(jìn)電氣石釋放負(fù)離子效率；王晴等[30]發(fā)現(xiàn)負(fù)離子粉的摻量增加、負(fù)離子粉粒度的減小或環(huán)境濕度的增大都有利于增加板材的負(fù)離子釋放量，其中濕度的變化影響更明顯；彭友等[31]對人造板進(jìn)行負(fù)離子催化處理，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)負(fù)離子濃度隨其承載率的增加而增加。

2 負(fù)離子人造板研究現(xiàn)狀

負(fù)離子人造板通常是將負(fù)離子材料與人造板通過浸漬、涂布、共混等方法制成[32]能夠持續(xù)釋放負(fù)離子的人造板[33]。按基材或處理對象不同可分為負(fù)離子膠合板、負(fù)離子纖維板、負(fù)離子細(xì)木工板、負(fù)離子刨花板、負(fù)離子定向刨花板等。

2.1 生產(chǎn)工藝研究進(jìn)展

近年來，研究學(xué)者們對負(fù)離子人造板生產(chǎn)工藝的研究主要集中在負(fù)離子材料的添加方式方面。負(fù)離子材料的添加方式大致可以分為以下五種。

2.1.1 負(fù)離子裝飾紙 將負(fù)離子粉和生產(chǎn)浸漬膠膜紙相結(jié)合，制成負(fù)離子裝飾紙再將其覆貼在人造板的表面。如陳建新等[34]將負(fù)離子粉均勻的涂布在浸漬紙上，然后對細(xì)木工板進(jìn)行覆貼，得到負(fù)離子改性的浸漬紙飾面板，經(jīng)檢測這種細(xì)木工板的負(fù)離子釋放量平均值為1 344個·cm-3；田應(yīng)祥[35]將特制負(fù)離子濃縮液滾涂于浸漬紙的表面制得負(fù)離子浸漬裝飾紙，然后將負(fù)離子裝飾紙鋪放于基材層的表面，熱壓冷卻后得到負(fù)離子板。用此種方法制得的負(fù)離子板，負(fù)離子能夠直接接觸到空氣，但在使用時要盡量保持干燥。

2.1.2 負(fù)離子改性膠黏劑 通過對制備基材的膠黏劑進(jìn)行負(fù)離子粉改性，使用負(fù)離子粉改性膠黏劑制成負(fù)離子人造板。如陳濤等[36]將負(fù)離子添加劑加入到大豆無醛膠中制得負(fù)離子大豆膠黏劑并用于制備負(fù)離子膠合板，研究發(fā)現(xiàn)添加負(fù)離子粉不會對大豆膠的使用性能產(chǎn)生影響，并測得其負(fù)離子釋放量可達(dá)到1 000個·cm-3以上。用此種方法制得的負(fù)離子膠合板，空氣不能與負(fù)離子粉直接接觸，負(fù)離子釋放速度慢，在添加相同含量的負(fù)離子粉時，較第一種方法相比，負(fù)離子釋放量低。

2.1.3 負(fù)離子涂飾材料 將負(fù)離子材料添加到油漆、涂料中涂飾在人造板表面制成負(fù)離子人造板。一般是在制漿階段加入負(fù)離子粉體，使負(fù)離子粉體與其他填料充分混合，或先將負(fù)離子粉體和潤濕分散劑混合制成負(fù)離子漿加入到油漆、涂料中，使油漆和涂料具有釋放負(fù)離子的功能。如趙傳山等[37]將負(fù)離子超細(xì)研磨后與PVA、CMC、有機(jī)硅油和水配置成固含量為70%的涂料，經(jīng)檢測其負(fù)離子釋放量可達(dá)3 800個·cm-3。用此種方法制成的人造板不宜在高溫高濕環(huán)境中使用。

2.1.4 負(fù)離子水液 將負(fù)離子水液直接噴涂在人造板的表面。由于液體的蒸發(fā)速度較快，用這種方法所制得的負(fù)離子人造板的負(fù)離子釋放時間很短，易失水形成負(fù)離子晶體，更為嚴(yán)重的是如果該負(fù)離子晶體被人體吸收會使身體發(fā)生病變甚至致癌，所以目前使用這種方法的人造板并不多見。

2.1.5 負(fù)離子無機(jī)人造板 將負(fù)離子粉通過偶聯(lián)劑改性將其與木材、竹材、秸稈、無機(jī)材料等充分混合后制成負(fù)離子功能無機(jī)人造板。如高俊權(quán)[38]通過添加有復(fù)合穩(wěn)定劑、硬脂酸、竹木粉和負(fù)離子礦粉等組分制成一種環(huán)保性防火性能優(yōu)良的負(fù)離子裝飾板。用此種方法在各種材料混合時負(fù)離子粉的添加量高于前幾種方法的添加量，將會導(dǎo)致其產(chǎn)品的放射性高于其他產(chǎn)品。

綜上所述，前兩種方法在目前生產(chǎn)中使用較多且操作簡便，其產(chǎn)品種類與生產(chǎn)量也高于其他幾種，其他幾種方法目前在人造板領(lǐng)域的應(yīng)用較少。

2.2 負(fù)離子人造板相關(guān)產(chǎn)品

上述負(fù)離子人造板工藝在生產(chǎn)中已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，目前市面上還出現(xiàn)了一些多功能復(fù)合負(fù)離子人造板，這種人造板既有釋放負(fù)離子的功能，又具有其他功能。如邸勝華[39]發(fā)明了一種負(fù)離子防火板，該板材從上到下依次設(shè)置了裝飾層、負(fù)離子凈化層、蛭石板層、香樟木板層、陶粒板層和耐磨層，層與層之間通過黏合劑連接，具有較好的防火、防蛀、空氣凈化和耐磨的作用；張煥兵等[40]將裝飾紙浸漬在抗菌抗病毒液及負(fù)離子膠液中，烘干后將得到的裝飾紙與基材熱壓從而得到負(fù)離子抗菌抗病毒飾面人造板，可用于室內(nèi)墻板、門板、衣柜等，尤其適用于抗疫、具有傳染性的空間裝飾裝修；孫豐文等[41]將經(jīng)表面改性處理的生物質(zhì)粉體材料、磷酸三鈉和硫酸鎂、硅微粉、氯氧鎂水泥充分混合后制備具有阻燃防火、誘生負(fù)離子、輕質(zhì)等功能型無醛裝飾板。除此之外，還有抗菌防霉木制裝飾板、負(fù)離子絕緣復(fù)合板、負(fù)離子除醛板、負(fù)離子凈味板等多功能負(fù)離子板。這些多功能負(fù)離子復(fù)合板已被應(yīng)用于室內(nèi)墻板、門板、衣柜、鞋柜等家具與裝飾。

3 負(fù)離子檢測評價方法

隨著市場上負(fù)離子人造板產(chǎn)品的增多，也出現(xiàn)了一些“純屬虛構(gòu)”“偷換概念”的負(fù)離子產(chǎn)品[42]，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。所以對負(fù)離子產(chǎn)品釋放量的檢測評價是十分必要的，這對促進(jìn)負(fù)離子產(chǎn)品的市場規(guī)范與負(fù)離子產(chǎn)品健康發(fā)展的意義不言而喻。

3.1 負(fù)離子釋放量檢測方法

負(fù)離子釋放量是衡量負(fù)離子人造板釋放負(fù)離子能力的一個重要指標(biāo)。目前，關(guān)于人造板的負(fù)離子釋放量檢測方法主要有兩種，一種是靜態(tài)測試法，另一種是動態(tài)測試法。

JC/T 1016—2006（材料負(fù)離子發(fā)生量的測試標(biāo)準(zhǔn)）中已經(jīng)對靜態(tài)測試法有了詳細(xì)的介紹，靜態(tài)測試法是針對負(fù)離子功能性涂料和板材誘發(fā)負(fù)離子能力評價而設(shè)計的方法[43]。靜態(tài)測試法是通過測量規(guī)定時間內(nèi)的累計電荷量，科學(xué)分析計算其數(shù)值，最后得出測量結(jié)果，通過計算機(jī)監(jiān)控會降低周圍因素對其造成的影響；而動態(tài)測試法是以JC/T 2110—2012（室內(nèi)空氣離子濃度測試方法）作為參考而規(guī)定的一種實驗方法，測試結(jié)果為每立方厘米釋放的負(fù)離子量[44]。此方法通過使用換風(fēng)裝置使空氣產(chǎn)生流動來測試其瞬時值。所以動態(tài)測試法受到風(fēng)速和環(huán)境等因素的影響會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性，其管理方式是通過人員的現(xiàn)場監(jiān)測，所以人為因素也會對其測試結(jié)果造成一定的影響。將兩者進(jìn)行對比可以得出，靜態(tài)測試法比起動態(tài)測試法具有更科學(xué)、更可觀、更準(zhǔn)確的評價效果。制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)會使檢測過程更加規(guī)范，檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。

3.2 負(fù)離子人造板相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)

不同儀器、不同的測試環(huán)境等都會影響負(fù)離子的測試結(jié)果，制定標(biāo)準(zhǔn)的過程就是比較并確定測試儀器及測試條件方法的過程[45]，表1是一些國內(nèi)外負(fù)離子相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。

表1 負(fù)離子相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Testing standard on negative ions

JC/T 1016—2006中規(guī)定了負(fù)離子功能材料及其制品的負(fù)離子發(fā)生量的測試方法；在此基礎(chǔ)上，GB/T 28628—2012中明確闡述了材料誘生空氣離子的離子量測試系統(tǒng)、測試條件、測試方法和測試步驟等一系列相關(guān)內(nèi)容；JC/T 2110—2012是專門針對各類建筑的室內(nèi)空氣離子的濃度測試的規(guī)定；JC/T 2040—2010中對負(fù)離子功能裝飾材料的測試方法、空氣負(fù)離子誘生量、放射性限量及檢驗規(guī)則進(jìn)行了規(guī)定；LY/T 3235—2020是針對負(fù)離子功能人造板及其制品的制定標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)定負(fù)離子發(fā)生材料要求、負(fù)離子功能人造板產(chǎn)品要求、檢驗方法、檢驗規(guī)則等。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定規(guī)范了負(fù)離子人造板市場，為負(fù)離子人造板的評價提供了依據(jù)。

選擇科學(xué)的測試儀器、制定一套科學(xué)的測試方法并制定負(fù)離子產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠規(guī)范負(fù)離子產(chǎn)品市場，促進(jìn)負(fù)離子產(chǎn)品市場發(fā)展。

4 負(fù)離子人造板存在的問題

4.1 負(fù)離子材料放射性檢測存在監(jiān)管盲區(qū)

負(fù)離子材料一般是由天然礦石磨制而來，這些天然礦石中會含有放射性物質(zhì)，但目前對負(fù)離子粉的放射性監(jiān)測研究相對較少。一部分廠家并不了解此類負(fù)離子材料的危害性，為了提高產(chǎn)品的負(fù)離子釋放量而大量地添加這類放射性材料。這類做法導(dǎo)致市場上大部分產(chǎn)品放射性嚴(yán)重超標(biāo)。有些使用含負(fù)離子粉產(chǎn)品的生產(chǎn)單位在未履行有關(guān)管理程序的情況下，通過網(wǎng)絡(luò)等途徑隨意購買含放射性的物質(zhì)用于生產(chǎn)，導(dǎo)致在負(fù)離子產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中存在監(jiān)管盲區(qū)[46]。

4.2 負(fù)離子人造板可持續(xù)釋放性能差

負(fù)離子人造板在使用過程中容易受周圍環(huán)境的影響（如氣流、濕度、溫度），其釋放量相對不太穩(wěn)定，且負(fù)離子人造板隨著使用年限的增長，負(fù)離子釋放功能也會隨之衰減，保持負(fù)離子長效穩(wěn)定釋放是需要解決的技術(shù)難題。

4.3 負(fù)離子人造板質(zhì)量參差不齊

由于負(fù)離子人造板市場還未形成規(guī)范的監(jiān)督制度，導(dǎo)致目前市場上的負(fù)離子人造板質(zhì)量參差不齊，部分產(chǎn)品只具備了釋放負(fù)離子的能量，但空氣中沒有負(fù)離子或負(fù)離子釋放量很低，使消費(fèi)者對負(fù)離子行業(yè)的產(chǎn)生了負(fù)面認(rèn)識。

4.4 缺乏關(guān)于負(fù)離子人造板的抗菌、降醛性能的質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)

負(fù)離子能與空氣中的污染物相互作用，抑菌除菌、分解有害氣體，但目前關(guān)于負(fù)離子對細(xì)菌、甲醛等有害物質(zhì)的去除效果沒有規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，對于負(fù)離子人造板的抗菌以及降醛性能缺乏充分的研究和評估標(biāo)準(zhǔn)。

5 展望

目前，負(fù)離子人造板的研究雖然在負(fù)離子材料、負(fù)離子人造板工藝、負(fù)離子檢測方法等方面已經(jīng)取得一些成果，但仍存在著一些問題，還需進(jìn)一步的研究。因此，筆者對負(fù)離子人造板未來的研究重點(diǎn)做出如下展望。

（1）加強(qiáng)對負(fù)離子材料結(jié)構(gòu)的研究，并深入研究其影響因素。研究負(fù)離子人造板在使用過程中的穩(wěn)定與衰減性規(guī)律，并對負(fù)離子濃度變化的影響因素的分析，從而對負(fù)離子材料的使用原理、工藝方法和應(yīng)用效果進(jìn)行比較，使人造板能夠長效穩(wěn)定地釋放負(fù)離子，為負(fù)離子人造板的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供方法和理論依據(jù)。

（2）加快開發(fā)能釋放負(fù)離子新材料并制定負(fù)離子材料放射性相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)。雖然負(fù)離子誘發(fā)源礦物的負(fù)離子誘發(fā)效果優(yōu)異，但其本身所具有的放射性對其使用造成一定限制[47]。所以開發(fā)新的、安全性高的新材料是十分重要的。此外，目前我國只是針對裝修建材有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，對其他產(chǎn)品未有明確限制標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)離子材料放射性檢測必須引起足夠重視，制定相關(guān)產(chǎn)品放射性質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)十分重要。

（3）加快制定負(fù)離子人造板對空氣凈化作用的評價方法，強(qiáng)化市場監(jiān)管。深入研究負(fù)離子人造板系列產(chǎn)品對室內(nèi)空氣環(huán)境的凈化作用，制定科學(xué)的適用于負(fù)離子人造板的對空氣凈化作用的評價方法，確保進(jìn)入市場的負(fù)離子人造板相關(guān)產(chǎn)品符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，為規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量和質(zhì)檢機(jī)構(gòu)提供依據(jù)。

隨著負(fù)離子人造板研究的不斷深入，未來負(fù)離子人造板也將展現(xiàn)出更加優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)價值和廣闊的市場前景。