論功能型建筑陶瓷的作用及其應(yīng)用

稅安澤 覃東 張勇林 等

摘要：將建筑陶瓷功能化是陶瓷行業(yè)的主要發(fā)展方向之一。本文對(duì)功能型建筑陶瓷，如自潔陶瓷、抗菌陶瓷、太陽能陶瓷、遠(yuǎn)紅外輻射陶瓷、防靜電陶瓷、發(fā)光陶瓷、調(diào)濕陶瓷、負(fù)離子陶瓷、多孔隔熱陶瓷、透水磚、吸聲陶瓷、吸收電磁波陶瓷和吸收二氧化碳陶瓷等方面進(jìn)行了歸納，并闡述了各種功能型瓷磚的原理、工藝和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：功能型建筑陶瓷；自潔；抗菌；負(fù)離子；調(diào)濕；吸聲；應(yīng)用

1 引言

在陶瓷礦物資源以及能源資源日益枯竭、勞動(dòng)力日漸緊缺、節(jié)能減排要求不斷提高以及國際低碳要求的大環(huán)境下，我國建筑衛(wèi)生陶瓷正在逐漸從拼產(chǎn)量為主的經(jīng)營方式向著以質(zhì)量、規(guī)格、檔次等為主的經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變。

建筑陶瓷的功能化，是國內(nèi)外建筑陶瓷行業(yè)的主要發(fā)展方向之一[1]。功能化建筑陶瓷是在保證裝飾效果的前提下，賦予陶瓷其它功能，以提供人類更好的活動(dòng)環(huán)境的一類陶瓷。同一類陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)成本基本相同，在保證性價(jià)比前提下，陶瓷產(chǎn)品的價(jià)值隨著功能的增加而提高，產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)隨之相應(yīng)地增強(qiáng)[2]。建筑陶瓷的功能化還可以使陶瓷品種、規(guī)格多樣化，更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求。

本文對(duì)各種功能型建筑陶瓷磚進(jìn)行了總結(jié)，并闡述了它們的原理、生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用。

2 功能型建筑陶瓷的作用及應(yīng)用

2.1自潔陶瓷

2.1.1光催化（親水）陶瓷

二氧化鈦（TiO2）在紫外線照射激發(fā)后具有光催化作用，在瓷磚表面負(fù)載一層納米級(jí)TiO2顆粒，使得瓷磚具有自清潔和抗菌、除臭功能。這種薄膜透明無色，不影響釉面的裝飾效果。此外，TiO2薄膜屬于無機(jī)材料，具有不易燃和耐腐蝕的特性。

經(jīng)紫外線激發(fā)后，TiO2涂層瓷磚的光催化作用會(huì)持續(xù)很長時(shí)間（長于夜間時(shí)間），能破壞有機(jī)物結(jié)構(gòu)，提高瓷磚表面的潤濕性。它所具有的功效如下：

（1） 滅菌

TiO2被激發(fā)后產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)，具有強(qiáng)氧化性，當(dāng)有機(jī)物、微生物、細(xì)菌等與二氧化鈦薄膜接觸時(shí)， 就被氧化成二氧化碳和水。

（2） 自清潔或易清潔性

由于TiO2涂層潤濕性高，水可輕易在瓷磚表面鋪展開。因此自來水、雨水在這種瓷磚表面就相當(dāng)于清潔劑。油脂、灰塵不易粘附在光催化涂層上，容易脫離瓷磚面。綜合表現(xiàn)為自清潔或易清潔性，可降低清潔劑的用量。

（3） 防霧

水滴是瓷磚表面霧化的直接原因。凝結(jié)水在潤濕性高的TiO2涂層瓷磚表面鋪展開來難以形成水滴，起到防霧作用。且干燥時(shí)又能去除污跡，使得瓷磚表面保持干凈。這種性能在浴室尤其重要，使瓷磚具有優(yōu)良的沖洗效果，如圖1所示。

（4） 清新空氣

在循環(huán)流動(dòng)的空氣中，光催化瓷磚將與其表面接觸的微生物殺滅，從而具有除臭、清新空氣的作用。

光催化TiO2瓷磚一般是用溶膠—凝膠法預(yù)先制備TiO2溶膠，然后采用浸漬提拉、離心或噴涂等方法，將TiO2溶膠涂在陶瓷表面，經(jīng)500～700℃熱處理后獲得光催化瓷磚[3,4]。

光催化親水瓷磚在20世紀(jì)70年代由日本發(fā)明，可用于衛(wèi)生陶瓷、外墻釉面磚、醫(yī)院病房等方面，正受到越來越多人的歡迎。

2.1.2疏水陶瓷

疏水是指固體表面上的表觀接觸角超過90°的一種表面現(xiàn)象。接觸角超過120°，滑動(dòng)角小于10°的超疏水表面就具有自潔和防污性能[5]。在瓷磚表面涂覆疏水性的涂層，疏水涂層是一種由有機(jī)和無機(jī)材料組合成的納米顆粒，能減小瓷磚表面張力，從而顯著增加瓷磚表面與外部液體的接觸角，使液體形成液滴。同時(shí)易于滾動(dòng)而帶走表面的雜質(zhì)（如灰塵），猶如荷葉的“荷葉作用”使水珠易于滾動(dòng)，如圖2所示。國外已有公司生產(chǎn)這種具有自潔和防污功能的疏水瓷磚。

2.2抗菌陶瓷

在陶瓷釉中或表面上浸漬、噴涂或者滾印上無機(jī)抗菌劑，從而使陶瓷制品表面上的致病細(xì)菌控制在必要水平之下?？咕沾稍诒ＷC陶瓷裝飾效果的前提下，具有抗菌、除臭功能。

2.2.1銀系抗菌陶瓷

將含有Ag+離子的無機(jī)物加入釉料中燒制抗菌釉。微量的Ag+離子進(jìn)入菌體內(nèi)部，破壞微生物細(xì)胞(細(xì)菌、病毒等)的呼吸系統(tǒng)及電子傳輸系統(tǒng)，引起活性酶的破壞或氨基酸的壞死[6]。與此同時(shí)，Ag+離子的催化作用可將氧氣或水中的溶解氧轉(zhuǎn)換為具有抗菌作用的活性氧。

2.2.2光觸媒鈦系抗菌陶瓷

光觸媒TiO2不僅具有自潔功能，還具有很強(qiáng)的抗菌功能。在大于其帶隙能的紫外線照射后，TiO2的光催化作用能將環(huán)境中有害有機(jī)物降解為CO2和H2O，且光照下生成的過氧化氫和羥基自由基，具有殺菌作用[7]。

2.2.3 稀土激活銀系、光觸媒系復(fù)合抗菌陶瓷

在銀系、光觸媒抗菌劑中加入含有稀土元素的原料而制成。光觸媒受到紫外線照射時(shí)，產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，稀土元素的價(jià)電子帶因俘獲光催化電子而被激活[8]。由于稀土元素的激活，使抗菌劑的表面活性增大，達(dá)到提高抑菌的效果，產(chǎn)生保健、抗菌、凈化空氣的綜合功效。

2.2.4 遠(yuǎn)紅外抗菌陶瓷

將遠(yuǎn)紅外材料(鋯、錳、鐵、鈷、鎳其氧化物等)加入到陶瓷原料中燒制成瓷，在常溫下能發(fā)射出8～18?滋m波長的遠(yuǎn)紅外線。紅外輻射能直接穿透細(xì)胞壁，細(xì)菌體分泌的毒素在此環(huán)境下容易受到破壞，能有效破壞菌體的新陳代謝和抑制其生長繁殖，從而具有殺菌功能[9]。而且遠(yuǎn)紅外線具有優(yōu)良的保健功能。

2.3太陽能陶瓷

隨著能源價(jià)格上漲，以及更多環(huán)保政策的出臺(tái)，太陽能利用產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷高速的發(fā)展。瓷磚所占空間面積巨大，將瓷磚與太陽能技術(shù)結(jié)合具有重大的意義。

2.3.1太陽能發(fā)電瓷磚

太陽能光伏電池瓷磚是在釉層里加入氧化錫或氧化鈷電極層，然后在釉料表面復(fù)合硅層（即光伏電池）和透明保護(hù)膜；或直接在坯體表面復(fù)合多層有機(jī)硅、透明導(dǎo)電膜和防反射保護(hù)膜，接線后瓷磚就具有太陽能發(fā)電作用[10]。太陽能瓷磚可用于屋頂磚、外墻磚，還可聯(lián)合有機(jī)硅層與瓷磚結(jié)構(gòu)來做成隔聲系統(tǒng)。圖3顯示的是高速公路上安裝的光伏電池瓷磚。

2.3.2吸收太陽能的黑色瓷磚

黑色物體具有較高的光熱吸收、轉(zhuǎn)換效率。在普通陶瓷原料中加入一定比例的鈦釩尾渣，由于釩尾渣的V、Ti等第四周期過渡元素化合物含量高，可制得陽光吸收率高達(dá)90%的黑色瓷磚[11]。釩鈦黑瓷磚采用傳統(tǒng)瓷磚生產(chǎn)工藝，可以充分利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備。

黑色陶瓷的光熱轉(zhuǎn)換效率高，可應(yīng)用于太陽能房頂、暖氣片、紅外輻射地板等方面。黑瓷板目前多用于太陽能加熱熱水，未來可發(fā)展用于太陽能發(fā)電。

2.4紅外輻射陶瓷

遠(yuǎn)紅外線具有優(yōu)良的滅菌、活化、保健等特性。在發(fā)達(dá)國家，遠(yuǎn)紅外保健產(chǎn)品已相當(dāng)普及。將紅外輻射材料添加進(jìn)釉料中，制成紅外輻射瓷磚。除了本文提到的抗菌功能，還具有促進(jìn)新陳代謝、消除疲勞、提高免疫力等保健作用。

對(duì)于紅外輻射瓷磚，首先要選擇高性能的紅外輻射粉體。紅外粉體可吸收環(huán)境熱量，然后以遠(yuǎn)紅外能量形式輸出，其實(shí)質(zhì)是材料的分子偶極矩的變化與光的振蕩電場(chǎng)相互作用的結(jié)果。多離子體系在振動(dòng)過程中容易改變分子的對(duì)稱性而使偶極距發(fā)生變化，紅外線的吸收和發(fā)射能力強(qiáng)。目前研究熱點(diǎn)是由過渡金屬氧化物高溫?zé)频募饩嚯x子摻雜體系[12]。

將約10%的遠(yuǎn)紅外粉體加入到釉料中，然后把釉漿施在坯體上，經(jīng)燒成制得具有發(fā)射遠(yuǎn)紅外線功能的陶瓷制品。研究表明，輻射性能隨遠(yuǎn)紅外粉體添加量的增多而提高，釉面光澤度和顯微硬度也提高，釉白度略為降低，對(duì)釉面裝飾效果并無不良影響[13]。

2.5防靜電瓷磚

靜電給一些行業(yè)和日常生活帶來危害，如靜電放電引起易燃物起火爆炸、電子產(chǎn)品損壞、人體受到電擊等[14]。防靜電陶瓷是在釉層中或者坯體中加入導(dǎo)電材料而具有防靜電性能，如圖4所示。相對(duì)防靜電橡膠板、防靜電水磨石等，其具有長效、不發(fā)塵、耐磨、裝飾效果較好等優(yōu)點(diǎn)。

導(dǎo)電釉的原理是將導(dǎo)電顆粒材料與陶瓷結(jié)合，使導(dǎo)電顆粒在陶瓷中形成連續(xù)的導(dǎo)電通道，使離子的遷移變得容易，當(dāng)陶瓷的電阻降到1.0×105～1.0×109Ω時(shí)，將較大提高其表面靜電釋放速度，達(dá)到防靜電效果[15]。

研究表明，釉中的晶相對(duì)防靜電陶瓷的電性能的影響體現(xiàn)在晶相的阻隔作用、釉成分的偏析、導(dǎo)電成分的偏析等方面。結(jié)果還表明，透明釉、鋇無光釉均能制備電性能良好的防靜電陶瓷，而鋯乳濁釉中鋯英石晶相會(huì)降低防靜電陶瓷的表面電阻，不適于制備防靜電陶瓷[16]。

國內(nèi)對(duì)防靜電瓷磚有較深入的研究和應(yīng)用。防靜電陶瓷磚國家標(biāo)準(zhǔn)(防靜電陶瓷磚，GB 26539-2011[17])已于2011年6月16日正式分布實(shí)施。

2.6發(fā)光陶瓷

發(fā)光瓷磚是把發(fā)光粉（一般是光致發(fā)光長余輝材料）添加到陶瓷釉料中，在有光源照時(shí)進(jìn)行吸光、儲(chǔ)光，撤去光照后仍能夠長時(shí)間發(fā)光（可高達(dá)10h）的陶瓷磚。

傳統(tǒng)的發(fā)光粉主要是硫化鋅和硫化鈣熒光體，為了防止高溫降低其發(fā)光性能，燒成溫度一般低于800℃，因此，坯釉結(jié)合性較差。近年來，稀土離子激活的鋁酸鹽、硅酸鹽已經(jīng)成為長余輝材料的主體，具有發(fā)光亮度高、余輝時(shí)間長、高溫穩(wěn)定性好、無毒無放射性等優(yōu)點(diǎn)[18]。

合適的基礎(chǔ)釉組成和燒成溫度制度是獲得良好的發(fā)光性能和釉面質(zhì)量的技術(shù)關(guān)鍵。蓄光粉的加入量越多，發(fā)光性能越好，但加入量過多會(huì)導(dǎo)致坯釉結(jié)合性變差，且成本也會(huì)隨之增加，蓄光粉的最佳加入量為30%左右[19]。

2.7負(fù)離子瓷磚

較高的空氣負(fù)離子濃度是高空氣質(zhì)量所必須具備的條件之一。在自然界里，植物的光合作用、水流撞擊、雷電現(xiàn)象等都可以產(chǎn)生大量的負(fù)離子。而在空氣差的環(huán)境中，空氣負(fù)離子濃度較低，增加空氣負(fù)離子濃度對(duì)促進(jìn)人體健康具有重要意義。

電氣石是以含硼為特征的鋁、鈉、鐵、鎂、鋰的環(huán)狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物，可以使空氣電離產(chǎn)生負(fù)離子，其原理是：電氣石存在的永久性電極，使其表面具有強(qiáng)電場(chǎng)，強(qiáng)電場(chǎng)將空氣中的水分子電離生成OH-和H+，而OH-與極性的水分子結(jié)合形成水合羥基負(fù)離子OH-(H20)n（n=8～10），即空氣負(fù)離子，散發(fā)到空氣中提升空氣負(fù)離子濃度[20]。

將電氣石磨成超細(xì)粉，按5%～15%比例加入到釉料或坯料中燒制成負(fù)離子陶瓷。燒成溫度不易過高（電氣石的負(fù)離子釋放量會(huì)隨溫度的升高而下降），應(yīng)控制在1090℃[21]。

2.8調(diào)濕陶瓷

當(dāng)空氣中相對(duì)濕度在40%～70%范圍時(shí)，有利于人類居住和物品的保存。過高的濕度會(huì)讓人感到胸悶，物品易霉；濕度過低則會(huì)讓人感到干燥，物品也容易干裂。調(diào)濕瓷磚依靠自身的吸放濕特性，感應(yīng)所調(diào)空間空氣濕度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣相對(duì)濕度。

調(diào)濕材料內(nèi)部具有大量的連通微孔，比表面積高，且孔徑分布適當(dāng)，孔隙能夠?qū)諝庵兴魵猱a(chǎn)生毛細(xì)管凝聚作用。當(dāng)空氣中濕度大時(shí)，微孔會(huì)自動(dòng)吸附水蒸氣；而空氣干燥時(shí)，釋放水分。在調(diào)節(jié)濕度的同時(shí)，還具有除臭和防止微生物滋生的效果。

多孔陶瓷材料，如沸石、硅藻土、海泡石等具有優(yōu)良的調(diào)濕性能[22-24]。以它們?yōu)樵?，與其他陶瓷料配合或者在陶瓷基體表面復(fù)合一層調(diào)濕層，就獲得調(diào)濕瓷磚。

日本已將保濕瓷磚產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)也開展了調(diào)濕材料的研究。值得注意的是，孔隙率高的多孔材料防污性能較差，因此需要考慮其可清潔性。

2.9多孔功能性瓷磚

多孔瓷磚由于具有不同的孔隙結(jié)構(gòu)（孔隙率、孔徑分布和孔徑大?。┒哂型杆⑽?、隔熱等功能。有關(guān)多孔陶瓷的研究已很深入，在此進(jìn)行歸納并簡述其原理工藝。

2.9.1隔熱保溫磚

近年來，由于有機(jī)保溫材料的耐火性差而引起建筑物火災(zāi)頻發(fā)。陶瓷材料成為保溫材料的主要研究課題之一。把陶瓷做成內(nèi)部含有大量封閉氣孔的結(jié)構(gòu)，因?yàn)闅怏w的導(dǎo)熱系數(shù)小而獲得優(yōu)良的隔熱保溫性能。

以陶瓷廢料為主要原料，添加發(fā)泡材料或造孔劑，經(jīng)高溫?zé)瞥傻姆涓C狀閉氣孔陶瓷，具有隔熱性強(qiáng)、質(zhì)輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。拋光磚廢料內(nèi)含拋光時(shí)磨頭磨損物碳化硅、氯氧鎂水泥等高溫發(fā)泡物質(zhì)，燒成時(shí)易使坯體變形而難以作為實(shí)心燒結(jié)陶瓷的原料，但卻是制備閉孔隙的隔熱保溫陶瓷的良好材料[25]。以拋光磚廢料為主要原料，不用添加發(fā)泡劑，可制得輕質(zhì)高強(qiáng)的多孔保溫建筑陶瓷[26]。

2.9.2透水磚

透水磚的連通孔隙尺寸大，能夠?qū)⒂晁畼O快導(dǎo)入地下，干燥時(shí)水分又通過孔隙回到空氣中，起到排水、調(diào)節(jié)濕度的作用。陶瓷透水磚的制備方法包括添加造孔劑法、顆粒堆積法等制成。工業(yè)化生產(chǎn)一般采用顆粒堆積法，它是以適當(dāng)顆粒配比、粒徑為10～40目的廢陶瓷顆粒等工業(yè)廢料為主要原料，輔以高溫粘結(jié)劑等。通過壓制成形、干燥和燒成制得孔徑在0.3～2mm的三維連通孔隙陶瓷，具有較高的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)[27]。

2.9.3吸聲磚

隨著噪聲污染日益嚴(yán)重，社會(huì)對(duì)吸聲材料的需求量快速增長。多孔吸音陶瓷的裝飾性高、質(zhì)輕、機(jī)械性能好、中低頻吸音性能優(yōu)良、安裝簡便，是吸聲材料的主要發(fā)展方向之一[28]。

多孔吸聲陶瓷具有高達(dá)80%的連通孔隙率，孔徑約10～500?滋m。制備方法也包括造孔劑法、顆粒堆積法等。圖5為吸聲陶瓷的內(nèi)部孔隙和外觀圖。

2.10其它功能性瓷磚

除了上述的功能型建筑陶瓷外，還有其它不常見的功能型建筑陶瓷。根據(jù)外加材料的不同功能，可以獲得相應(yīng)功能的瓷磚。

在陶瓷原料中加入軟性鐵氧體的金屬氧化物或金屬粉體，可以燒制成吸收電磁波的瓷磚。其中軟性鐵氧體是吸收電磁波的重要成分，可充分利用含有這些金屬氧化物的廢料，如鍍鋅廢渣、赤泥等廢料[29]。

在瓷磚表面涂覆可以吸收二氧化碳和硫化物、氮化物等氣體的材料，就可以讓瓷磚具有吸收相應(yīng)氣體的功能，用于室內(nèi)時(shí)可提高空氣質(zhì)量，提供一個(gè)更舒適的生活環(huán)境。

3 結(jié)語

隨著人們生活水平的提高，越來越多的人注重瓷磚的附加功能，功能型建筑陶瓷為人們創(chuàng)造舒適衛(wèi)生的環(huán)境，其市場(chǎng)越來越大。

在陶瓷生產(chǎn)成本不斷上升的大環(huán)境下，建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)調(diào)整刻不容緩。在這過程中，應(yīng)以高新技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向著綠色方向發(fā)展。因此，在發(fā)揮建筑衛(wèi)生陶瓷裝飾性的同時(shí)，增加包括自潔、抗菌、吸收太陽能、遠(yuǎn)紅外輻射、防靜電、發(fā)光、調(diào)濕、釋放負(fù)離子、多孔等功能，是陶瓷行業(yè)發(fā)展的主要方向之一。

企業(yè)作為市場(chǎng)機(jī)制的主體，應(yīng)以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向加大科研經(jīng)費(fèi)投入，增強(qiáng)企業(yè)科研創(chuàng)新能力，還應(yīng)重視教育和發(fā)展創(chuàng)新文化。同時(shí)，企業(yè)、大學(xué)、研究院所應(yīng)尋求緊密的合作，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)調(diào)整的技術(shù)創(chuàng)新模式、框架，促進(jìn)我國陶瓷行業(yè)向世界領(lǐng)先水平發(fā)展。

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