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    功能型建筑陶瓷技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

    2020-08-09 08:37:52孫飛野柯善軍田維馬超
    佛山陶瓷 2020年7期

    孫飛野 柯善軍 田維 馬超

    摘 要:建筑陶瓷的功能化是陶瓷行業(yè)的發(fā)展方向之一。本文基于最新的研究成果,對(duì)抗菌陶瓷、防靜電陶瓷、調(diào)濕陶瓷、發(fā)光陶瓷、發(fā)熱陶瓷、自清潔陶瓷、除甲醛陶瓷和發(fā)泡陶瓷的技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行歸納,并對(duì)存在的問(wèn)題和解決方案進(jìn)行闡述。

    關(guān)鍵詞:功能型建筑陶瓷;抗菌陶瓷;調(diào)濕陶瓷;發(fā)泡陶瓷

    1 前 言

    建筑陶瓷最基本的功能是保護(hù)建筑物的內(nèi)外墻及地面,并為建筑物提供一定的裝飾效果。建筑陶瓷功能化的外在原因是隨著生活水平的不斷提高,人們不僅滿足于建筑陶瓷的基本裝飾作用,希望通過(guò)賦予陶瓷一定的功能性,進(jìn)一步提高人居環(huán)境水平。而促使建陶行業(yè)開(kāi)展功能型建筑陶瓷產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的內(nèi)在原因是由陶瓷行業(yè)本身決定的,"三高"的陶瓷生產(chǎn)企業(yè)面臨著國(guó)家不斷升級(jí)的節(jié)能減排政策,疊加礦產(chǎn)資源、能源資源、勞動(dòng)力資源日益短缺的現(xiàn)狀,促進(jìn)了建筑陶瓷的功能化發(fā)展[1]。

    本文對(duì)近幾年功能型建筑陶瓷技術(shù)取得的研究成果進(jìn)行總結(jié),并對(duì)存在的問(wèn)題、解決途徑和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行闡述。

    2 功能型建筑陶瓷技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

    2.1 抗菌陶瓷

    抗菌陶瓷是通過(guò)在釉料或者陶瓷表面施用一定量具有抗菌、抑菌效果的抗菌劑,達(dá)到對(duì)微生物生長(zhǎng)和繁殖的抑制,控制微生物含量低于致病濃度,從而實(shí)現(xiàn)抗菌、抑菌效果。由于對(duì)表面的微生物產(chǎn)生了抑制,因此抗菌陶瓷也具有一定的除臭功能[2]。

    鄧秋玲[3]以硝酸銀、四水硝酸鈣和磷酸氫二銨作為主要原料,采用共沉淀法合成載銀羥基磷灰石,與硅藻土混合后避光攪拌,在800℃條件下進(jìn)行燒結(jié),得到具有抗菌、抑菌效果的載銀羥基磷灰石/硅藻土粉體??咕鷾y(cè)試的結(jié)果表明,以該粉體制備的抗菌陶瓷對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率達(dá)到了99%以上,ICP-MS結(jié)果顯示出抗菌陶瓷銀離子溶出量低于飲用水中銀離子標(biāo)準(zhǔn)濃度。TiO2系光催化抗菌陶瓷[4]主要是利用具備光催化抗菌作用的TiO2、ZnO2等抗菌薄膜[5]實(shí)現(xiàn)抑菌、抗菌效果。此外,一系列改性的鈦[6]和鋅[7]類(lèi)抗菌材料也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌效果。

    學(xué)校、醫(yī)院、餐廳、公共衛(wèi)生間等是微生物生長(zhǎng)和繁殖的理想場(chǎng)所,僅憑日常的消殺不能獲得持續(xù)的抗菌、抑菌效果。一些具有致病性的病原微生物在建筑室內(nèi)環(huán)境中滋生傳播,不僅對(duì)人體健康構(gòu)成威脅,還會(huì)增加傳染性疾病肆虐的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計(jì),每年全球因病菌導(dǎo)致的死亡人口超過(guò)1700萬(wàn)??咕沾勺鳛槟軌蛴行б种莆⑸锘顒?dòng)的建筑材料之一,目前在抗菌建筑材料的市場(chǎng)占比為9.1%,未來(lái)還有非常大的市場(chǎng)增長(zhǎng)空間[8]。

    2.2 防靜電陶瓷

    靜電是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷,當(dāng)帶靜電物體接觸與其有電位差的物體時(shí)會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移,出現(xiàn)放電現(xiàn)象甚至產(chǎn)生電火花。一般來(lái)講,材料的絕緣性能越好,越容易產(chǎn)生靜電。以往的防靜電產(chǎn)品主要是:環(huán)氧樹(shù)脂板、三聚氰胺板、PVC防靜電涂料、防靜電橡膠板等高分子材料,這些材料存在不耐磨、易老化、耐久性和防污性能差的缺點(diǎn)。

    向陶瓷釉料中加入一定量包裹有鋁摻雜氧化鋅(AZO)導(dǎo)電粉的料漿,經(jīng)1170℃燒結(jié)后得到體電阻率達(dá)5.9×107Ω的防靜電陶瓷磚。該瓷磚的電阻值隨導(dǎo)電粉添加量或?qū)щ姺奂?xì)度增加而減小。此外,釉料的粒度分布和含水率對(duì)防靜電陶瓷磚的性能也有也有一定的影響[9]。由于二氧化錫具有乳濁作用,因此銻摻雜的二氧化錫(ATO)類(lèi)導(dǎo)電粉不適用于作為要求豐富裝飾效果的防靜電陶瓷的導(dǎo)電材料,但是可以用于制備藍(lán)色的防靜電瓷磚[10]。

    靜電的產(chǎn)生幾乎是不可避免的,同時(shí)其危害也是巨大的,尤其在煉油、化工、橡膠、電子、機(jī)械等行業(yè)中,因靜電引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故比比皆是。由此,人們耗費(fèi)了大量的財(cái)力、物力、人力去改造升級(jí)設(shè)備,提高設(shè)備的抗靜電性能。防靜電陶瓷能夠有效的引導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移,防止電荷產(chǎn)生累積,避免出現(xiàn)尖端放電產(chǎn)生電火花。因此,防靜電陶瓷在加油站[11]、機(jī)房[12]、醫(yī)院[13]、車(chē)站[14]等場(chǎng)景有非常大的應(yīng)用潛力。

    2.3調(diào)濕陶瓷

    空氣濕度與人體感受有非常直接的關(guān)聯(lián),人體適宜的空氣濕度范圍在40%~70%之間??諝鉂穸冗^(guò)高會(huì)抑制人體散熱功能的發(fā)揮,使人感到悶熱、煩躁、食欲不振;空氣濕度過(guò)低則容易使人感覺(jué)口干舌燥、喉嚨腫痛、聲音嘶啞,容易誘發(fā)感冒。

    海泡石具有豐富的微孔結(jié)構(gòu),是良好的調(diào)濕和吸附材料。調(diào)濕瓷磚中5nm以下的微孔在中等濕度(75%)的環(huán)境下具有強(qiáng)吸濕特性,而孔體積貢獻(xiàn)最大的10nm及以上尺寸的孔則作為潮濕空氣進(jìn)出的孔道,因此優(yōu)化海泡石的孔徑分布是材料具備良好吸放濕響應(yīng)的保證[15]。有人以傳統(tǒng)陶瓷原料和拋光磚廢渣作為多孔調(diào)濕陶瓷的骨架,外加硅藻土、海泡石等吸附材料,探索了粉料的顆粒級(jí)配對(duì)樣品調(diào)濕性能的影響[16]。

    調(diào)濕技術(shù)主要分為兩類(lèi):主動(dòng)調(diào)濕和被動(dòng)調(diào)濕。主動(dòng)調(diào)濕技術(shù)是通過(guò)消耗電能或其他能源,基于一定設(shè)備的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)提高或降低空氣濕度的調(diào)節(jié)技術(shù),這種技術(shù)耗能大,容易使人產(chǎn)生"建筑綜合征"[17]。被動(dòng)調(diào)濕則是利用調(diào)濕材料自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),感知外界變化,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度,起到一定的蓄放作用。被動(dòng)調(diào)濕技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需消耗額外能源即可將環(huán)境濕度調(diào)節(jié)到人體適宜范圍,其中,調(diào)濕陶瓷是被動(dòng)調(diào)濕技術(shù)一種實(shí)現(xiàn)形式。

    調(diào)濕陶瓷主要應(yīng)用于辦公室、醫(yī)院病房、家居臥室、衛(wèi)生間等場(chǎng)所,通過(guò)對(duì)空氣濕度進(jìn)行調(diào)節(jié),降低空氣中病菌的生存活力[18],改善潮濕悶熱、干燥的體感,提高了人體舒適度。

    目前的調(diào)濕陶瓷技術(shù)主要是在陶瓷磚表面形成具有孔隙結(jié)構(gòu)的吸附釉層,此類(lèi)陶瓷表面存在微孔結(jié)構(gòu),因此對(duì)瓷磚的防污性能產(chǎn)生一定的影響。

    2.4 發(fā)光陶瓷

    發(fā)光陶瓷是一類(lèi)釉料中含有光致發(fā)光材料的陶瓷磚,在外界光源照射下完成吸光、儲(chǔ)能過(guò)程,當(dāng)撤去外界光源后,儲(chǔ)存在發(fā)光陶瓷中的能量以光能形式釋放,實(shí)現(xiàn)無(wú)源發(fā)光效果。發(fā)光陶瓷可以廣泛的用于住宅消防通道、地下通道、酒店、室外體育場(chǎng)、衛(wèi)生間等公共場(chǎng)所,具有較大的節(jié)能減排意義。

    發(fā)光陶瓷中常見(jiàn)的發(fā)光材料為金屬硫化物,最典型的為ZnS、CdS等。以此類(lèi)材料制備的發(fā)光陶瓷具有發(fā)光具有發(fā)光性能良好、發(fā)光效率高的優(yōu)點(diǎn)。燒成溫度較低則是金屬硫化物發(fā)光材料的不足。以鋁酸鹽、硅酸鹽或鋁硅酸鹽為基質(zhì),摻雜Eu3+、Dy3+、Yb3+等稀土離子制備的發(fā)光陶瓷[19],其發(fā)光強(qiáng)度和余輝時(shí)間是金屬硫化物發(fā)光陶瓷的數(shù)十倍,但是鋁酸鹽類(lèi)發(fā)光材料與基礎(chǔ)釉料存在相容性差的問(wèn)題。針對(duì)目前研究現(xiàn)狀,發(fā)光陶瓷在發(fā)光強(qiáng)度、余輝時(shí)間、發(fā)光材料與釉料的兼容性等方面都還有較大的提升空間[20]。

    發(fā)光陶瓷具有裝飾和蓄能發(fā)光的作用,在高速隧道和城市隧道中鋪貼發(fā)光陶瓷,以往來(lái)車(chē)輛的照明燈光為源進(jìn)行蓄能,可以有效提高隧道內(nèi)的照明亮度和路面的照明均勻度[21]。此外,發(fā)光陶瓷可以用于消防應(yīng)急照明,以及逃生標(biāo)志和指示逃生路線[22]等。

    2.5 發(fā)熱陶瓷

    隨著生活水平的不斷提高,居民對(duì)家居生活品質(zhì)有了更高的要求,地暖裝修逐漸成為家庭裝修的熱門(mén)。首先,自下而上的輻射采暖方式非常符合人體的生理需求;其次,地暖在環(huán)保、節(jié)能和不額外占用家庭空間等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

    瓷磚是目前廣泛采用的建筑材料,與木地板相比,瓷磚具有導(dǎo)熱性能強(qiáng)、升溫速率線性等[23]優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)有的發(fā)熱瓷磚技術(shù)主要是在瓷磚背面增加發(fā)熱層和保溫層,使熱能能夠由瓷磚底部集中向瓷磚表面輻射,從而獲得較好的加熱和保溫效果。此外,溫控設(shè)備可以對(duì)加熱瓷磚的表面溫度進(jìn)行精確調(diào)控,實(shí)現(xiàn)分區(qū)域的個(gè)性化溫度控制。由于無(wú)需對(duì)線路進(jìn)行額外改造,目前普遍采用220V家用電直接供能的方案。此外,出于用電安全的考慮,近年來(lái)也出現(xiàn)了36V低壓直流發(fā)熱瓷磚。低壓直流發(fā)熱瓷磚的優(yōu)點(diǎn)是以低于人體安全電壓進(jìn)行供能,避免人體接觸高壓,大大減輕了居民使用的心理負(fù)擔(dān)。低壓加熱瓷磚對(duì)供電電源要求較高,需要加裝變壓裝置并換用標(biāo)號(hào)更高的輸電線路。

    由于加熱瓷磚應(yīng)用才剛剛起步,產(chǎn)銷(xiāo)量還不大,相關(guān)陶瓷企業(yè)大多采用人工的方式進(jìn)行生產(chǎn),限制了加熱瓷磚的生產(chǎn)產(chǎn)能。目前,組裝加熱瓷磚機(jī)器人[24]的研究也已經(jīng)在同步開(kāi)展中,未來(lái)勢(shì)必會(huì)對(duì)加熱瓷磚的生產(chǎn)和推廣產(chǎn)生積極的影響。

    2.6 自清潔陶瓷

    自清潔陶瓷是在陶瓷表面覆蓋一層具有催化性能或憎水效果的膜層,利用陽(yáng)光或雨水自然沖刷陶瓷表面,實(shí)現(xiàn)陶瓷的自清潔效果。按照其作用機(jī)理,主要分為兩類(lèi):

    2.6.1親水型自清潔陶瓷

    親水型自清潔陶瓷是在陶瓷磚表面覆蓋一層親水的二氧化鈦膜層,該膜層在太陽(yáng)光的照射下發(fā)生光催化反應(yīng),對(duì)陶瓷磚表面覆蓋的蛋白質(zhì)、腐殖質(zhì)等有機(jī)物進(jìn)行分解,裂解成易溶于水的小分子化合物。由于二氧化鈦具有較強(qiáng)的親水作用,在雨水、露水的作用下,分解的小分子化合物被水流沖刷帶走,實(shí)現(xiàn)陶瓷的自清潔效果[25, 26]。

    2.6.2 疏水型自清潔陶瓷

    在陶瓷表面固定一層具有疏水效果的無(wú)機(jī)或有機(jī)涂層,用于減小瓷磚表面張力,提高陶瓷表面的表觀接觸角。接觸角超過(guò)120°且滑動(dòng)角小于10°的疏水表面即具有一定的自清潔和防污作用。目前大多數(shù)超疏水材料都涉及有機(jī)化合物,如有機(jī)硅、聚苯乙烯接枝的超疏水材料[27]等。然而有機(jī)超疏水材料并不適用于惡劣環(huán)境,在一些特殊環(huán)境中,有機(jī)超疏水材料會(huì)在外界環(huán)境的作用下緩慢降解,表面修飾的涂層也非常容易遭受到機(jī)械性破壞。因此有機(jī)超疏水材料在耐久性、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面存在一定的問(wèn)題。目前,無(wú)機(jī)金屬納米管疏水材料合成研究已經(jīng)獲得了積極的進(jìn)展,為無(wú)機(jī)超疏水材料在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考[28]。

    依據(jù)使用環(huán)境的不同,采用不同類(lèi)型的自清潔陶瓷。如在衛(wèi)生間、盥洗室內(nèi)采用疏水型自清潔陶瓷,可以有效的避免陶瓷表面粘附水漬和產(chǎn)生霧水,減少人工清洗和相應(yīng)的維護(hù)工作。在建筑的外墻采用親水型自清潔陶瓷,常見(jiàn)的灰塵、動(dòng)物糞便等污漬容易被雨水沖刷,實(shí)現(xiàn)外墻磚的自清潔效果,結(jié)合陶瓷材料的耐久性,使外墻裝飾歷久彌新。

    2.7 除甲醛陶瓷

    近年來(lái),室內(nèi)空氣污染問(wèn)題越來(lái)越受到民眾的關(guān)注,其中甲醛是家具、建材中最普遍的污染物。有研究表明,長(zhǎng)時(shí)間接觸高濃度的甲醛會(huì)對(duì)人體的眼、鼻、喉等器官造成嚴(yán)重的危害,使人產(chǎn)生惡心、眩暈、頭疼等癥狀,嚴(yán)重威脅到居民的身體健康。

    選取高效光觸媒作為納米二氧化鈦光催化材料,通過(guò)粘附材料和特定工藝,將光觸媒結(jié)合到瓷磚表面,得到具有除甲醛功效的陶瓷產(chǎn)品[29]。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,除甲醛陶瓷具有明顯的甲醛消除效果。采用該技術(shù)制備的除甲醛陶瓷耐久性能優(yōu)異,經(jīng)多次擦洗和浸泡,除甲醛效果幾乎沒(méi)有下降。

    目前常見(jiàn)的除甲醛技術(shù)主要有兩種類(lèi)型:物理吸附和化學(xué)分解?;钚蕴渴亲畛R?jiàn)的物理吸附除甲醛產(chǎn)品,其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉,缺點(diǎn)是吸附不穩(wěn)定,容易脫附釋放出甲醛分子,造成二次污染。除甲醛陶瓷中含有能夠催化甲醛分子分解的納米二氧化鈦,屬于化學(xué)分解除甲醛產(chǎn)品。在商業(yè)和家居情境下,除甲醛陶瓷鋪貼面積較大,因而可以提供較好的除甲醛效果,提供良好的空氣環(huán)境,有效的避免吸附類(lèi)除甲醛產(chǎn)品容易脫附的缺點(diǎn)。

    2.8發(fā)泡陶瓷

    發(fā)泡陶瓷作為新興綠色環(huán)保墻體建筑材料,具有輕質(zhì)高強(qiáng)、防火阻燃、防潮防水、保溫隔熱等優(yōu)良特性。發(fā)泡陶瓷的生產(chǎn)原料取材自礦山尾礦[30]、工業(yè)固廢[31]等,實(shí)現(xiàn)了廢物資源的再利用。

    向發(fā)泡陶瓷坯料中添加錳泥和二氧化鈦顆粒,燒結(jié)后得到的發(fā)泡陶瓷耐火極限性能達(dá)到3.47h,抗壓抗折性能也有一定的提升[32]。以?xún)?nèi)蒙古珍珠巖尾礦為主要原料,添加膨潤(rùn)土、白云石、長(zhǎng)石等作為熔劑,使用碳化硅和螢石為發(fā)泡劑,制備了導(dǎo)熱系數(shù)小于0.09 W/(m·K)的隔熱發(fā)泡陶瓷[33]。

    隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,建筑能耗已經(jīng)成為一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。實(shí)踐證明,使用保溫隔熱材料是建筑節(jié)能最直接有效的方法之一[34]。由于發(fā)泡陶瓷中含有高氣孔率的閉孔式結(jié)構(gòu),因此發(fā)泡陶瓷可以用于保溫、隔熱的墻體材料。此外,研究人員目前正在針對(duì)隔音泡沫陶瓷開(kāi)展研究,預(yù)期產(chǎn)品可以廣泛的應(yīng)用于商業(yè)及家庭的房間隔音,避免使用容易產(chǎn)生空氣污染的高分子隔音材料。

    目前發(fā)泡陶瓷產(chǎn)品面臨的主要問(wèn)題有:(1)發(fā)泡陶瓷的產(chǎn)品工藝、配方用料、生產(chǎn)工藝流程還沒(méi)有統(tǒng)一,產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊;(2)相應(yīng)的國(guó)家和行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)滯后;(3)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的發(fā)泡陶瓷生產(chǎn)設(shè)備。以上原因限制了發(fā)泡陶瓷技術(shù)的發(fā)展,不過(guò)隨著未來(lái)裝配式建筑的興起,發(fā)泡陶瓷技術(shù)面臨著巨大的發(fā)展和應(yīng)用前景。

    3 結(jié) 語(yǔ)

    隨著陶瓷行業(yè)集中度的不斷提升,普通低質(zhì)陶瓷產(chǎn)品將逐漸淡出市場(chǎng),功能型陶瓷磚將成為企業(yè)洞察消費(fèi)者需求,展示研發(fā)實(shí)力的重要平臺(tái)。在保障建筑陶瓷裝飾性能的基礎(chǔ)上,給消費(fèi)者帶來(lái)諸如自清潔、抗菌、防靜電、發(fā)光、調(diào)濕、等一系列附加功效,不僅有利于提升消費(fèi)者生活品質(zhì),更有利于引導(dǎo)和促進(jìn)陶瓷產(chǎn)業(yè)向技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品迭代發(fā)展。

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