防滑陶瓷磚的研究與進(jìn)展

謝明貴，夏詩明，張 杰

（廣東省清遠(yuǎn)市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，清遠(yuǎn)511500）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們的消費(fèi)水平和對(duì)視覺美觀的追求也不斷提升。高檔光滑的地面材料產(chǎn)品正急劇搶占著裝飾材料的市場(chǎng)，陶瓷地磚生產(chǎn)技術(shù)不斷革新，集經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、美觀和易清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)的陶瓷地磚正逐漸成為主要的地面裝飾材料。也正是由于過于追求裝飾的整體視覺效果，而導(dǎo)致大多數(shù)陶瓷地磚產(chǎn)品表面因過于光滑而帶來了重大安全隱患問題。我國(guó)人口稠密區(qū)均屬于亞熱帶氣候且較多集中在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，雨水及潮濕天氣多，當(dāng)雨天或清潔過后，潮濕季節(jié)或沐浴時(shí)，地面材料防滑性能下降，容易發(fā)生滑倒、摔傷事故，甚至造成嚴(yán)重的傷亡事故。據(jù)有關(guān)資料顯示，在我國(guó)每年因地面濕滑摔傷的人數(shù)呈上升趨勢(shì)，例如：2008我國(guó)因地面濕滑摔傷事件在案就有506.5萬起，因濕滑摔倒的糾紛約7.65萬件，賠償金高達(dá)2.8億元人民幣以上[1]；在美國(guó)每年都有一百萬人左右遭到滑倒、絆倒等傷害[1、2]；在英國(guó)，僅 2005年因工作場(chǎng)所地面滑倒和絆倒的重大傷害約有一萬件[1、3]。地面防滑問題已成為當(dāng)前必須面對(duì)并解決的重大公共安全問題。

陶瓷地磚防滑性能是陶瓷磚安全性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，滑倒或跌倒是浴室、洗手間、公共場(chǎng)合以及其它潮濕光滑地面的常見事故。目前，在國(guó)內(nèi)，隨著消費(fèi)者對(duì)安全意識(shí)的普及和提高，對(duì)陶瓷產(chǎn)品的要求由單純追求裝飾效果慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)重視使用安全性。此外，《陶瓷磚》（GB/T4100-2015）國(guó)家新標(biāo)準(zhǔn)于2015年12月1日起正式實(shí)施，該新標(biāo)準(zhǔn)的頒布和實(shí)施也在陶瓷地磚防滑性能上要求更加嚴(yán)格。我國(guó)又計(jì)劃起草國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《防滑陶瓷磚》與《陶瓷磚防滑性等級(jí)評(píng)價(jià)指南》，具體確定摩擦系數(shù)的測(cè)試方法。此舉既考慮到與世界各地標(biāo)準(zhǔn)的兼容互認(rèn)，也考慮到貿(mào)易上與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)的接軌。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家早已對(duì)地面材料的防滑性能進(jìn)行了大量理論研究，并制定了一系列地面防滑評(píng)價(jià)體系以及相關(guān)法律[4-11]，以幫助消費(fèi)者更加科學(xué)合理地選擇陶瓷產(chǎn)品用于地面裝飾。

2 地面防滑機(jī)理的發(fā)展

在國(guó)外，很早就開始對(duì)地面安全性能進(jìn)行了研究，尤其是在地面防滑機(jī)理的研究方面做了大量工作。1981年，Strandberg[12]等就做了人行走時(shí)滑倒的研究，之后Lanshammar[13]，Perkins[14]，Leamon[15]，Li[16]，Myung[17]和 Chang[18]等研究者均認(rèn)為摩擦力越大，防滑性能可能越好。還有不少針對(duì)靜摩擦和動(dòng)摩擦與人行走時(shí)產(chǎn)生的摩擦類型進(jìn)行研究，大多認(rèn)為動(dòng)摩擦更符合人行走時(shí)產(chǎn)生摩擦的類型[13、19-20]。而據(jù)相關(guān)研究，鞋底和地面的摩擦系數(shù)是測(cè)量其中摩擦力的最重要因素，摩擦系數(shù)越大，防滑級(jí)別則越高，因此摩擦性能已被廣泛地應(yīng)用于地面防滑的重要指標(biāo)[21]。地面材料、粗糙度、污染物以及鞋底的紋路均是影響鞋底和地面間摩擦系數(shù)的因素[18、22-25]。Thomas D.Proctor[3]等利用流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論闡釋一定的表面粗糙度可有效提高防滑性能。Harris，G.W.[26]等得出粗糙度峰谷值為8～10 μm時(shí)，在潮濕的地面上具有合適的防滑性能。Stevenson MG[27-31]等人通過模擬人行走時(shí)受到的摩擦力，研究在不同環(huán)境中的滑倒機(jī)理以及引起滑倒的主要影響因子。當(dāng)人踩在含有液體的地面上時(shí)，則滿足了壓膜效應(yīng)形成的條件。根據(jù)式（1）Moor的壓膜效應(yīng)[32]，地面的液體延遲了鞋底和地面產(chǎn)生摩擦力的時(shí)間，因此，這種條件下極易發(fā)生滑倒事件。

式中，h0——液體初始厚度；h——液體厚度；t——液體厚度從h0降低到h所需時(shí)間；FN——正應(yīng)力；K——形狀因子；μ——黏度；A——表面接觸面積。

很多研究者根據(jù)壓膜效應(yīng)探索了很多影響摩擦力的因素。Pcocter和Coleman[3]利用壓膜效應(yīng)證明了一定程度的表面紋理可增加接觸時(shí)的摩擦力；Chang[22]等人的研究表明含有表面污液的地面粗造度的增加有助于改善其壓膜效應(yīng)；Lemon和Griffiths[33]指出污染液體黏度越大，則鞋底與地面之間的液體厚度越大，因此需要更大的表面粗糙度才足以確保一定的防滑性；也有人提出在濕滑的地面上若有更高更尖銳的表面突起可有效增大表面摩擦系數(shù)，進(jìn)而明顯改善壓膜效應(yīng)導(dǎo)致的滑溜[34]；還有學(xué)者認(rèn)為在鞋底設(shè)計(jì)合適的條紋可在壓膜效應(yīng)形成后有效地排出液體，加快鞋底與地面的接觸，從而降低滑倒的風(fēng)險(xiǎn)[35-37]。由于地面液體黏度對(duì)和表面粗糙度是滑溜產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，因此有研究者研究了在達(dá)到具有一定防滑性的前提下，不同黏度的液體與表面粗糙度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1。

表1 不同黏度液體對(duì)應(yīng)的地面粗糙度[38]

Chen[39]等人選擇了兩種鞋底材料在六種不同黏度范圍的液體和五種粗糙度不同的表面進(jìn)行摩擦系數(shù)的測(cè)試，并選擇 Ra 用于表征表面粗糙度[18、22、26、28、36、40-41]。研究結(jié)果顯示（如圖1，2）鞋底材料是影響摩擦系數(shù)最重要的因素，液體的黏度次之，地面粗糙度的影響在三者中最小。然而，當(dāng)液體黏度高于38.0 mPa·s時(shí)，鞋底材料和粗糙度的影響將變得很微弱，摩擦系數(shù)將幾乎為零。

相關(guān)研究表明，包括表面粗糙度和波紋度在內(nèi)的表面參數(shù)均對(duì)摩擦力有影響[42]。Chang[18]等人總結(jié)了所有表征表面粗糙度和波紋度的參數(shù)（表2），并出于現(xiàn)實(shí)考慮提出，在測(cè)試條件受限時(shí)，測(cè)量Ra值則足以表征摩擦力，若能得到Rpm和Δa的測(cè)試數(shù)據(jù)，則可提高對(duì)摩擦的預(yù)見性。圖3展示了以丙三醇水溶液濃度為70%的液體作為污染液時(shí)，在三種不同取樣長(zhǎng)度[43]（0.8 mm、2.5 mm、8 mm）下，表面粗糙度與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。三種取樣長(zhǎng)度0.8 mm、2.5 mm、8 mm所對(duì)應(yīng)的Ra與摩擦系數(shù)之間的相關(guān)性分別為0.85、0.92、0.98。作者最后還提到，孔隙率和滲透性將會(huì)影響污染液停留在地面的總量，因此，也將會(huì)對(duì)接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦力有影響。

雖然很多研究均表明表面粗糙度和波紋度與摩擦力測(cè)量值有很大相關(guān)性[26-28，30-31]，但也有學(xué)者提出疑問，表面粗糙度和波紋度與表面所處的位置緊密相關(guān)，當(dāng)位置發(fā)生變化時(shí)，其相關(guān)數(shù)值一般也會(huì)發(fā)生變化[18、22]。

表2 表面參數(shù)的定義

根據(jù)Chang[44]的研究，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下（表3），表面坡度的算術(shù)平均值（WΔa）是與摩擦系數(shù)具有最高相關(guān)性的表面參數(shù)。摩擦系數(shù)與WΔa的關(guān)系如圖4、5所示。并研究了污染物介質(zhì)黏度對(duì)摩擦力的影響，作者認(rèn)為當(dāng)污染物介質(zhì)黏度低時(shí)，兩個(gè)界面接觸時(shí)，載荷幾乎由固-固接觸支撐，盡管此時(shí)表面粗糙度對(duì)摩擦力影響很大，但并沒有高黏度污染物介質(zhì)時(shí)表面粗糙度對(duì)摩擦力的影響大，因此，這種情況下表面參數(shù)與摩擦力之間的相關(guān)性較差；隨著污染物介質(zhì)黏度的增加，流體動(dòng)力潤(rùn)滑效應(yīng)將變得與固-固接觸時(shí)產(chǎn)生摩擦的效果同等重要，表面特征參數(shù)將更加顯著地影響接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，因此，固體表面參數(shù)與摩擦力之間的相關(guān)性隨之增大；當(dāng)污染物介質(zhì)黏度繼續(xù)增大時(shí)，流體動(dòng)力潤(rùn)滑效應(yīng)將起到主導(dǎo)作用，此時(shí)，兩個(gè)固體之間幾乎被分隔開，摩擦力幾乎消失，因此，此時(shí)固體表面參數(shù)與摩擦力之間幾乎不存在相關(guān)性[45]，結(jié)果如圖6所示，表面砂磨條件見表4，摩擦力測(cè)試條件見表3所示。

表3 摩擦力測(cè)試條件

表4 表面砂磨工藝參數(shù)

選擇具有適當(dāng)摩擦系數(shù)的陶瓷地磚是防止滑倒的必要條件（圖11），而影響陶瓷地磚摩擦系數(shù)的因素不僅來自陶瓷磚本身，也與鞋底材料（圖8）、表面狀態(tài)（圖7、10）有關(guān)。研究表明，合適的鞋底材料對(duì)于防止滑倒有至關(guān)重要的作用；當(dāng)?shù)孛娲嬖谝后w時(shí)，無論是哪種液體，其摩擦力都將因壓膜效應(yīng)而急劇下降（圖9）[42]。

3 防滑陶瓷磚制備技術(shù)

國(guó)內(nèi)外在陶瓷表面防滑技術(shù)的研究主要包括增加陶瓷產(chǎn)品表面粗糙度、增強(qiáng)陶瓷產(chǎn)品表面自清潔和干燥功能、利用吸盤原理提升防滑性能三種類型。其中以通過增加表面粗糙度進(jìn)而增強(qiáng)防滑性能的研究居多。

3.1 增加陶瓷產(chǎn)品表面粗糙度的技術(shù)研究

3.1.1 通過模具或后續(xù)加工制造凹凸槽

最常見的增加陶瓷磚產(chǎn)品防滑性能的方法使用模具或后續(xù)加工在產(chǎn)品表面制造凹凸槽或條紋，王鐸等[46-55]通過模具或后續(xù)處理加工生產(chǎn)表面具有明顯凹凸溝槽的瓷磚產(chǎn)品，有效提高了防滑性能，但這類瓷磚均存在耐污性能較差的問題。

3.1.2 通過工藝技術(shù)在釉中加入干粒或制造凸起制備具有凹凸顆粒感的釉面

羅杰華[56]在磚坯施底釉或印花釉后，均勻布施一層20～160目的干釉粒，經(jīng)高溫煅燒后，采用半拋技術(shù)將表層珠粒狀?；詫油鬼敳糠诌M(jìn)行原有凸頂高度1/3～1/2的磨削拋光，得到防滑、防污性能良好且不失美感的瓷磚產(chǎn)品，同樣利用類似技術(shù)的還有[57-63]等人；還有通過在釉料中加入金剛砂[64-65]，進(jìn)而提高其防滑和耐磨性能；洪兆凱[51]更是結(jié)合了設(shè)置凹凸槽和表面凹凸顆粒的方式增加瓷磚的防滑性能，他設(shè)計(jì)了在磚表面密布均勻密的凸出顆粒和凹凸組合線的工藝，有效地提高瓷磚的防滑效果；張延偉[66-67]把瓷磚表面設(shè)計(jì)成瓷本體和釉面相間分布的產(chǎn)品，因而起到防滑的效果。

3.1.3 利用防滑劑制造凹凸表面效果

有些研究者[68-71]通過將強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性腐蝕液噴涂在陶瓷磚表面，將玻璃相侵蝕，從而在瓷磚表面形成細(xì)小的凹陷，提高瓷磚的摩擦系數(shù)；銀龍等[72-74]則研發(fā)了帶有防滑微粒的防滑劑，能夠在基材表面形成防滑涂層；也有研究者通過將防滑陶瓷墨水印刷在陶瓷磚表面，形成規(guī)則排列的高度介于30～100μm間的凸起顆粒，最后經(jīng)燒成得到防滑性能優(yōu)異的防滑磚[75]。

3.1.4 通過改善原料的相互配比或宏觀性能

蔡國(guó)楨等人[76-87]通過合理調(diào)配坯體或釉漿的配方，制備了防滑性能優(yōu)于普通瓷磚的產(chǎn)品；祁國(guó)亮[88]將不同級(jí)配的坯體顆?；旌蠅褐瞥纱u坯，在磚坯的坯體顆粒級(jí)配中創(chuàng)造性的使用了粒徑＞20目的顆粒，有效克服了在磚坯中不適于使用大顆粒的技術(shù)偏見，瓷磚也具有更好的防滑性能；梁桐燦[89]在不對(duì)現(xiàn)有有釉陶瓷磚的生產(chǎn)工藝做出重大改變的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)坯體的配方組成、底、面釉熔塊的組成、底、面釉的配方組成等進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，在坯體配方中添加較大量的污泥渣，制備出性能優(yōu)良，且具有防滑效果的有釉陶瓷磚產(chǎn)品。通過高倍掃描式電子顯微鏡觀察產(chǎn)品釉表面，呈現(xiàn)如鋁尖晶石晶體針狀堅(jiān)硬的突出物，并在產(chǎn)品表面噴少許水的情況下測(cè)試防滑系數(shù)達(dá)到0.8，防滑等級(jí)達(dá)到R12。

3.2 增強(qiáng)陶瓷產(chǎn)品表面自清潔和干燥功能的技術(shù)研究

江顯異[90]設(shè)計(jì)了一種透水防滑地磚，該產(chǎn)品包括：復(fù)合在一起的底層，中間層和面層，其中，底層為致密陶瓷層，在底層上設(shè)有貫通其上下表面的去水孔；中間層為多孔陶瓷層，該多孔陶瓷層上設(shè)有多個(gè)等效孔徑不大于去水孔的通孔；面層為裝飾釉料層，該裝飾釉料層上設(shè)有多個(gè)等效孔徑不大于通孔的微孔。中間層為至少兩層以上，各層間通孔的等效孔徑由下到上遞減。該類防滑地磚具有透水性能佳，防滑好的特點(diǎn)。

3.3 利用吸盤原理提升防滑性能的技術(shù)研究

榮繼華[91]在釉面磚的面釉層上設(shè)置有一層可形成紋路或坑洼結(jié)構(gòu)的防滑劑層，防滑劑層上的紋路可以和接觸面在壓力下形成機(jī)械咬合力，而坑洼結(jié)構(gòu)則可以和接觸面在壓力下產(chǎn)生負(fù)壓，形成吸力。在這兩種結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用下，磚面的防滑效果將大大提高，滑劑層的紋路和坑洼結(jié)構(gòu)都是微米級(jí)的，保證了磚面的整體效果不被破壞。

4 結(jié)語與展望

目前，防滑陶瓷磚的制備技術(shù)已較豐富，消費(fèi)市場(chǎng)也常有各種類型的防滑磚產(chǎn)品問世，但市場(chǎng)反饋始終差強(qiáng)人意，產(chǎn)品總存在一些消費(fèi)痛點(diǎn)，或防滑效果持續(xù)性差；或防污和易清潔能力不好；或美觀性能大打折扣。在政策和市場(chǎng)的影響之下，兼具美觀、實(shí)用和防滑性能的陶瓷磚將會(huì)成為家居內(nèi)裝和公共場(chǎng)所裝飾的新寵兒，這也將為中國(guó)陶瓷磚產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)鋪展更寬廣的道路。