张勇

上海超高环保科技股份有限公司（上海 200942）

微量元素是保障人体健康的重要物质。人体必需的微量元素包括磷、硫、钾、钠、氯、镁、铁、锌、氟、铷、锶、铜、碘、硒、锰、钴等，这些微量元素在人体的生长发育、生殖遗传、免疫等生理过程中起着极其重要的作用。科学、适当地补充必需的微量元素，可调节生理机能、促进新陈代谢、提高记忆力，使人精力更加充沛。

本研究提供了一种具有纳米微孔的微量元素缓释杯芯的制作方法。采用无机材料中的纳米二氧化钛、纳米氧化锌、木鱼石、钾长石、麦饭石、碧玺和硅藻矿物为主要原料，通过低温粉碎技术及融合配位技术将不同粒径、不同熔融指数的材料归集到相对稳定态，利用紫砂泥特有的黏性和丰富的色彩进行融合配位和烧结。

1 材料的选择与耦合研究

优选无机材料中的纳米二氧化钛和纳米氧化锌以及微米级的木鱼石、钾长石、麦饭石、碧玺和硅藻矿物作为主要原料。

1.1 材料的粒径处理

原料中除了纳米二氧化钛、纳米氧化锌属于纳米级材料，其余都是微米级材料。各原材料的密度与粒径存在较大的差异，具体见表1。这些差异的存在，使得材料与材料之间不能充分融合。纳米二氧化钛和纳米氧化锌粉体的直径为10～50 nm，而木鱼石和钾长石的粒径为1 050～1 200 nm，属于微米级别。如果将纳米材料和微米材料直接进行加工，显然无法制造出具有纳米通道的缓释杯具。基于此，先从粒径差异下手，运用低温粉碎技术对微米级材料进行加工，迫使颗粒材料的脆性断裂温度接近材料粉碎温度的临界值，以达到全面粉碎的目地，从而使材料的粒径趋向于同级别的纳米尺寸，以便融合的材料在高速运转的混料桶中趋于相对一致，不会出现料位分层，满足材料的耦合要求。

表1 材料密度与粒径对照情况

1.2 材料的熔点差异处理

各原材料的熔点也存在较大差异，具体见表2。低温硅藻矿物的熔点为950℃，纳米氧化锌的熔点约为1 975℃，二者熔点相差较大，给烧结成型带来巨大的挑战。采用高低温转变方式，将木鱼石、钾长石、麦饭石、碧玺、硅藻矿物进行融合配位。利用木鱼石和碧玺的黏性，将其与纳米二氧化钛、纳米氧化锌融合在一起，注水、真空成块、晾干并入炉升温至650℃后出炉冷却。将冷却物粉碎制成备用料，再与钾长石、麦饭石进行融合，经过注水、真空成块、晾干、入炉升温至500℃后出炉冷却等工序，最后粉碎制成产品原料。这种转变，既不打开任何键，也不改变原子最邻近的配位数，仅使材料结构发生畸变，原子发生位移，使次级配位改变了烧结温度的契合点，最后统一在1 005℃实现烧结成型。

表2 材料的熔点与配位后成型温度 ℃

1.3 材料的黏性差异处理

各原材料的黏性见表3。配位后的材料加工成型困难、成色单调，无法满足大批量生产的需要和对产品色彩的要求。借鉴紫砂壶的制作工艺，利用紫砂泥对配位材料再次进行改良。由于紫砂泥具有极佳的黏性、丰富的色彩以及良好的匹配温度（其熔点为1 050℃），加入原料中后，产品成型非常方便，符合标准化、批量化加工的要求，而且成色上佳、棱角分明，烧制时成品率高，能确保产品质量。

表3 材料的黏性

2 产品的成型与结构研究

当材料的粒径、温度和黏性差异3个问题解决后，初试烧制温度设定为1 200℃，待成型产品出炉后，测试发现，产品表面呈封闭状态，没有微孔，其扫描电镜照片见图1。

从图1可以看到，由于烧制温度过高，产品表面颗粒间呈熔融状态，放大20 000倍后依然没有任何微孔。对试制产品（A1，A3）浸泡水样进行检测，进一步证实，钾、钠、钙、镁、锌、锶等元素无一能够释放出来（结果见表4）。

图1 初始产品放大扫描电镜图

表4 试制样品水样检测mg/L

经过分析，从烧结温度下手，经过反复试验，找到了合适的温度。第一组烧结温度设为950～980℃，第二组温度控制在980～1 020℃，得到的产品表面大相径庭。第一组产品颜色较深、表面毛糙，说明温度尚欠火候，通过电镜检测，表面的微孔大都在几十微米，具体见图2；第二组产品颜色较浅，表面手感光洁度很好（见图3），电镜检测（放大40 000倍）发现产品表面满布20 nm级别的微孔。

图2 950～980℃烧结样品图

图3 980～1020℃烧结样品图

根据GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》对第一组产品水样（开水浸泡15 min）进行了常规指标的检测，发现该组产品释放的微量元素大大超出了一般优质矿泉水的微量元素标准值，特别是铝元素含量远大于0.2 mg/L的标准限值（见表5）。

表5 950～980℃烧结样品水样检测结果mg/L

第二组产品水样（开水浸泡15 min）常规指标检测结果显示，释放的微量元素符合产品开发预期，各元素溶出量优于一般优质矿泉水的元素标准值，铝元素未检出，出现了锰元素。锰的测定值为0.005～0.009 mg/L，对抑制糖尿病具有积极作用。此外，水样中未检出任何重金属元素。具体见表6。

表6 980～1 020℃烧结样品水样检测结果mg/L

至此，产品的成型与结构研究达到了预期目标，释放的微量元素也满足设计要求。

3 产品应用探讨

微量元素在人体中的含量虽然不多，但是它们对生命活动起着重要作用。人体每天需要的微量元素大体为：钠2 200 mg、钾2 000 ng、钙800 mg、镁320 mg、锌10 mg、锰8 mg、锶1.5 mg和硒0.1 mg。

具有纳米微孔的微量元素缓释杯芯，采用富含微量元素的无机材料为原料。倒入开水后，微量元素会缓释到水中。16个月（每天使用一次，每次开水浸泡15 min）的检测数据表明，杯芯微量元素的缓释量存在较大差异，具体见表7。

图7 微量元素与使用时间的关系mg/L

由表7可知，该杯芯中的微量元素缓释能够持续相当长的一段时间。饮用该杯芯浸泡的水，能帮助人们快速补充钾、钠、镁、钙等有益元素。

4 结语

木鱼石、麦饭石和碧玺含有的多种常量元素和微量元素均为人体所必需，利用这些材料烧制成布满纳米微孔的杯芯，在泡水时微量元素即缓慢释放到水中。该类水是人体获得天然矿物质的一个重要来源。本研究针对原材料的差异进行了处理，并对烧结温度进行了研究，通过一系列实验确定了合适的参数，制备了具有纳米微孔的微量元素缓释杯芯。