1、1超细矿物粉体材料应用现状及其环境安全性研究摘要：梳理并总结了超细矿物粉体材料的使用现状及其环境安全性相关的研究现状，针对矿物粉体材料如何改性成为环境友好材料提出了几点见解。 关键词：超细粉体；矿物材料；颗粒物；毒性 中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）06-0140-03 1 引言 超细粉体材料被誉为 21 世纪四大新材料之一。超细粉体是指大小介于微米粒径（0.510m）和纳米粒径（100nm）之间的颗粒。超细粉体因其粒径小，比表面积、表面能和表面能/结合能大，表现出表面一界面效应、小尺寸效应和量子效应等独特的性质。超细矿物粉体不仅本身是一种功能材
2、料，而且为新功能材料的复合与开发展现了广阔的应用前景，在食品、化工、轻工、医药、化妆品和高科技产业等领域有着广泛的应用，起着极其重要的作用。 随着环境医学和环境矿物学的发展，矿物粉尘对环境和生物体造成的潜在安全性问题愈发受到人们的重视。已有研究表明，大部分矿物粉尘都具有生物毒性，特别是亚微米和纳米级粉尘的毒性效应更为显著。超细粉体材料在生产和使用过程中，甚至废弃以后，会以一种新的形态进入到环境中，其独特的结构和特殊的组成成分在环境中极易被吸收或2转化，并释放自由基、重金属等高活性和有毒有害物质，从而破坏环境和生物体体系平衡。 2 超细矿物粉体材料的性能及其使用现状 超细颗粒具有熔点低、化学活跃
3、性高、磁性强、热传导性好、能吸收电磁波（光学性能）等特性，使它具有广阔的应用范围和良好的发展前景。超细颗粒在催化、低温烧结、复合材料、磁性信息材料、新功能材料、医药及生物工程方面都得到了应用，并取得了令人满意的结果。 2.1 在轻工、化工和建筑行业的应用 超细粉体在轻化工有机合成、化纤、塑料、橡胶、造纸、农药、燃料、油墨及复印粉等领域都有着广泛的应用，来源广泛、成本低廉的矿物超细粉材料不仅能扩大其应用范围，还可产生高额附加值。 在高档铜版纸生产中高岭土（或方解石）超细粉的添加量高达 40%，而加工后高岭土的价格为原来的 1015 倍。6000 目以上的超细粉添加到塑料制品里（如电视机壳） ，不
4、仅可以改善制品外观尺寸、光洁度、颜色、手感等物理指标，还可改善制品的强度、弹性、韧性和抗老化能力。超细滑石粉填料能使涂料涂层光滑，产生优异的色调，在乳胶漆中可以取代部分昂贵的钛白粉。石棉在建筑上主要用来制成石棉板、石棉纸防火板、保温管和窑垫以及保温、防热、绝缘、隔音等材料。添加了纳米二氧化硅的涂料具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表现出极大的活性，能在涂料干燥时形成网状结构，同时增加涂料的强度和光洁度，提高颜料的悬浮性，能保持涂料的颜色长期不退色。 2.2 在食品与医药及农药等领域的应用 3超细矿物粉体材料在医药领域的应用由来已久，不仅是中药还是西药，从古代开始就有将矿物粉作为药用成分载体
5、或者直接发挥药效作用的历史。超细粉体技术的进步，推动了矿物粉体在医药中的应用。超细化后的矿物药物可显著提高其药用效果，主要体现在提高药效成分的溶出和吸收速率，增强药效学活性从而减少剂量提高药材利用率。研究表明，无论是内服药还是外用药，超细化后使用效果都大大提高。利用这些特性，可针对性的开发使用特种医学药品和农药。如针状超微细硅藻土因其具有较强的吸着性，极易粘附于害虫体表，锐利的针状边缘刺入害虫体内，吸收害虫体内大量的水分，达到除害虫的效果。以超细提纯后的膨润土作为基体，开发出的纯天然矿物药物具有无毒副作用，见效快、疗效好，且价格低廉，可被广泛用于胃病、皮肤病和口腔疾病的治疗。 食品行业中的矿物
6、主要是粘土矿物类，硅藻土和活性膨润土等用作饮料和食品的过滤和脱色，也有用其他常见矿物作为食品添加剂。纳米碳酸钙颗粒小、分散均匀，在水中有良好的悬浮性，对食品的色泽、稳定性、风味等没有不良影响，而且超细微碳酸钙颗粒亲水性好，易被吸收，还可用作补钙成分，在钙质保健品中被广泛使用。 2.3 在化妆品和高科技产业中的应用 日化品与日常生活的关系越来越密切，但人们对日化品的安全性也有了更多的关注。非金属天然矿物具有安全、理化性质稳定、无毒副作用和效果明显等特点。尤其是超细粉体技术给日化品行业带来了更多的发展契机。膨润土（蒙脱石）由于其特殊的内部结构，带有不饱和的负4电荷，以及具有强烈的阳离子交换能力和粘
7、附性能，在化妆品中常用作填充剂、药物吸着剂、消毒剂、增稠剂和净化剂使用。超细滑石粉色白、柔软、细腻，具有优良的化学稳定和良好的润滑性，以及对油类具有强烈的吸附性常用于各种润肤粉、美容粉和爽身粉等。绢云母还是一种高级美容化妆品的优质原料。另外，还有炉甘石、麦饭石、海泡石、凹凸棒石和金红石等在化妆品和皮肤保健品中被广泛大量使用。 国防军事和航空航天领域主要是利用超细矿粉及其复合材料的高耐热性、强吸收性、致密性和其他特定属性，制成隔热、吸光吸波、吸收辐射和其他特种材料。石棉与酚醛、聚丙烯等塑料粘合，可以制成火箭抗烧蚀材料和隔音、隔热材料，石棉与各种橡胶混合压模后，还可做成液体火箭发动机连接件的密封材
8、料。超细蛇纹石粉作为润滑油添加剂可大大降低钢摩擦副的摩擦磨损。兰石棉还可作防化学、防原子辐射的衬板、隔板或者过滤器及耐酸盘根、橡胶板等。 3 超细矿物粉体的环境安全性研究进展 部分矿物大颗粒因其本身会释放毒性物质而表现出毒性，部分矿物粉尘因其特有的超细效应诱导或者直接攻击细胞和微生物个体的特定部位而产生毒性，也有部分矿物超微粉体因其强烈的吸着性极易携带其他有毒有害物质被生物体吸收而产生毒性。按其作用对象不同，将超细矿物粉尘环境安全性主要分为流行病学调查、微生物活性和细胞毒性三类。3.1 矿物粉体流行病学调查 超细矿物粉尘能经过人体呼吸系统整个过程，进入人体后会在呼吸5道中沉积，粉体颗粒本身及其
9、溶出物导致机体组织功能紊乱，从而导致病变的发生。粉尘流行病学调查对象由长期在粉尘环境下作业的工人，后来扩大至整个大气粉尘环境中的人群。在我国，以生产性粉尘引起的法定职业病尘肺病为例，累计尘肺病例 60 余万人，近年每年新发尘肺病例在 1 万人左右，并且有上升趋势。另外，流行病学调查结果显示，长期暴露在较大浓度的粉尘环境中，呼吸道系统癌症发病率明显升高。石棉粉尘与间皮瘤、纤维肉瘤、腺癌和鳞状细胞癌的发生有直接关系，长期暴露在高浓度水泥粉尘条件下会导致最大肺活量（FVC）降低。宝石加工工人多发肺结核、肺气肿等疾病。在建筑工业中，可吸入混凝土粉尘的浓度远高于规定的安全底线，要想阻止硅肺病十分困难。纤
10、维状沸石如毛沸石的危害性已引起了相当的关注。研究结果表明，农业粉尘及其个别部分均能因其黏膜炎性和化脓性支气管炎、支气管周围的肺炎和肺脓肿、弥漫性肺硬化、并形成个别的肺结节、淋巴组织增生等明显的生物学作用，并已被临床和形态学所证实。 10m 直径的颗粒物通常沉积在上呼吸道，5m 直径的可进入呼吸道的深部，2m 以下的可100%深入到细支气管和肺泡。持续暴露于不同浓度的长 830m、直径小于 0.25gm 的贵橄榄石、直闪石、透闪石以及二氧化硅颗粒中会造成胸膜瘤。超细矿粉能直接进入肺泡中，又因其活性强、易扩散，对人体健康危害更大，因此，必须在矿粉加工过程中控制加工车间粉体颗粒浓度，并在使用过程中做
11、好防护措施。另外，部分矿物药及其制剂的不当使用可导致损伤和急性肾功能衰竭，产生临床肾毒性病变，如含砷、汞、铅和铜等矿物类药。 63.2 超细矿物粉体的微生物活性研究 微生物与矿物间的吸附（粘附）是两者相互作用的基础。超细粉体颗粒与一般微生物尺寸相近（微米级与亚微米级） ，因而彼此之间的能量交换和物质交换异常活跃。在颗粒界面/细胞膜作用过程中，超细矿物颗粒对微生物发生穿刺、内镶、破壁等行为，以及由此引发的菌体形态、酶、代谢产物的变化，对菌体成分和代谢物质毒性、对菌体成分产生的免疫损伤等生理学上的响应。另一方面，微生物对矿粉有粉化、侵蚀作用，引起颗粒物表面形态、基团、电荷变化等矿物学响应，且微生物
12、释放的代谢产物会加快对矿物颗粒的溶蚀，产生的更多有害成分会刺激菌体造成其荚膜抗吞噬和溶解酶能力的变异，近来有研究学者将之定义为“近尺寸作用” 。 有研究结果显示，方解石、石英和锡石等矿物表面生物吸附率随着pH 值的升高而下降，且微生物会随着生长条件和环境的变化调整自身机能以适应，能够改变对矿物表面的吸附能力，对重金属和有毒有害有机物的吸附能力有明显的提高。亚微米和纳米级别矿物粉尘，对人体皮肤表面和体内寄生的微生物正常生理活动产生影响，从而改变人体防御体系的稳定，导致病变的发生。一定浓度 10m 以下的水镁石能促进大肠杆菌的生长代谢，增加其产物含量及酶的活力，从而增加大肠杆菌的数量。含钙离子或镁
13、离子高的矿物粉尘能促进人体 3 种正常细菌（表皮葡萄球菌、缓征链球菌和大肠杆菌）的生长代谢。 3.3 超细矿物粉体的细胞毒性 超细矿物颗粒对动物组织的毒性主要表现在对细胞的毒性上，通过7对细胞的损伤进而引发病变。国内外研究矿物颗粒细胞毒性试验主要有体外细胞毒性试验和动物试验两种。体外毒性试验用细胞大多使用呼吸道系统细胞，如肺泡巨噬细胞、V79 细胞、A549 细胞和人脐静脉内皮细胞等。有实验表明，含有游离二氧化硅的矿物粉尘都对细胞产生毒性作用，如纳米 SiO2、砂岩矿、水泥粉等；纤维状矿物粉尘比颗粒状矿物细胞毒性强，如石棉类、纤维水镁石、人造纤维等，针状矿物粉尘可以刺破细胞膜，导致细胞破裂而死
14、亡；超细矿物颗粒与细胞相互作用产生了羟自由基（?OH）等活性氧物质，活性氧物质通过破坏细胞膜和影响基因的正常表达破坏细胞体系的稳定性，使得细胞失活或者发生病变。被细胞吞噬的矿物颗粒能长期积聚在细胞内部，如果溶解速度低于积聚速度，则长时间后细胞被矿化，或纤维化，或破裂死亡。大气可吸入颗粒物（PM2.5）主要成分是矿物，矿物超细颗粒吸附附着重金属和有害有机物之后，其细胞毒性明显增强，对人体危害更大，这正成为当今国内外环境领域的研究热点，因此，对于大气颗粒物特别是可吸入颗粒物浓度的控制和污染治理显得尤为重要。 4 结语 随着工业现代化的不断发展和人们对高科技产品需求的日益增多，超细矿物粉体材料的应用前景十分广阔。但是超细矿物颗粒具有不利于环境与生物安全的特性，这势必会妨碍该类材料的推广与使用，尤其是在倡导科学发展和可持续发展理念的当今社会。矿物粉体颗粒的环境毒性主要是由自由基和待溶出离子所致，因此可就消除或者降低这两者释放量入手，如改性、表面酸碱处理或者开发特定矿物粉体替代材料等。8如何开发出环境友好型超细矿物粉体材料是一项极具发展潜力和极大发展空间的新技术，但是统一规范的超细矿物粉体材料的安全性评价体系也亟需制定。
