陶器表面的水蒸發(fā)特性研究

摘 要：陶器是歷史最悠久的容器。相對于其他材質的日用容器，陶器粗糙多孔的表面，在使用過程中會產生一些特殊的表現，如陶器里面剩余水分能夠更快自發(fā)干燥，從而保持清潔。這種現象雖然在生活中觀察到，但從未進行過專門研究論證。本研究以建水紫陶為主要研究對象，對比其他材質的容器，在相同條件下進行蒸發(fā)的實驗，分析了容器材質對蒸發(fā)的影響，并結合掃描電鏡等手段，對機理進行分析探索。研究發(fā)現，在紫陶容器里面水的蒸發(fā)速度明顯快于其他材質（玻璃、塑料、瓷器等）的容器，而紫陶表面的多孔結構形成的毛細效應以及紫陶材質本身的親水的特性是其主要原因。

關鍵詞：建水紫陶；蒸發(fā)；接觸角；毛細效應

1 背景

陶器伴隨著人類文明從原始到現代，在現代的生活中仍然起到巨大的作用。目前我國各地仍然保存著很多的陶瓷窯口，比如著名的四大名陶，宜興紫砂、建水紫陶、廣西欽州陶、重慶榮昌陶等[1]。陶器的日用場合基本與水和熱有關，如燉鍋、汽鍋、茶具等。因此為了提高日用陶的使用體驗，在陶器的材料選擇和器型設計上，應該充分了解陶器的水熱特性。陶的抗熱性能方面，已有不少研究論文。在日用細瓷湯鍋熱穩(wěn)定性的研究進展文章中，林偉河等人[2]簡要闡述了耐熱陶瓷的分類，以及提高陶瓷材料抗熱震性的途徑。譚訓彥等人[3]采用鋰輝石為主要原料，向樣品中添加15 %的膨潤土，使用球磨制備陶瓷泥漿，注漿成型后燒結制備的樣品致密度高，吸水率低，耐急冷急熱性能10次不裂。而實際上，陶器使用過程中的很多特性實際上是陶與水之間的關系，但是這方面中外的研究卻都極少見到。

水的蒸發(fā)是液態(tài)到氣態(tài)的過程，屬于汽化現象的一種[4]，是一個吸熱過程[5]。在一定溫度下的小系統(tǒng)里面，水會與表面的蒸汽達成熱力學平衡。而如果外界環(huán)境的水蒸氣的氣壓小于液體表面的平衡蒸汽氣壓，那么液體表面的蒸汽就會不斷流失，液體也會不斷蒸發(fā)，直到最后全部蒸干[6]。當然蒸發(fā)的過程與表面積具有很大的關系[7]。不同材質的容器由于其表面特性、熱傳導性等的差異，其蒸發(fā)快慢完全不同。蒸發(fā)速度受液體性質[8]、溫度 [9]、表面空氣流速 [10]、壓強[11]、表面粗糙度、表面張力等因素影響。

在建水紫陶茶具實際使用過程中發(fā)現，當水杯中有剩余水分的時候，紫陶杯子往往非常容易發(fā)生剩余水分快速蒸干的現象。這是一個防止因為長期放置剩水而導致發(fā)霉的有利的特性，這也應該是所有陶器的共同特點?；谶@個特點，我們以建水紫陶器具為代表，對陶器表面的水的蒸發(fā)特性為出發(fā)點，研究具體蒸發(fā)的現象，并嘗試從材料和結構的角度進行闡釋。

2實驗

2.1實驗材料

實驗對象選用大小形狀基本一致（碗狀容器的開口直徑12.2±0.3 cm，高度6.0±0.5 cm；杯狀容器的開口直徑6.0±0.9 cm，高度10.0±0.5 cm）的樣品。碗狀容器包括建水紅泥紫陶碗、建水白泥紫陶碗、陶瓷碗、玻璃碗、塑料碗，杯狀容器包括建水紅泥紫陶杯、建水白泥紫陶杯、陶瓷杯、玻璃杯，實驗材料選用水、甲基藍試劑（AR，99%）。

2.2蒸發(fā)量測試

將不同材質的碗狀容器、杯狀容器洗凈放入干燥箱內50℃的溫度下干燥30 min后冷卻稱重，再分別向每個容器中加入等質量的水，將全部容器放置在相同的環(huán)境中，開始計時并觀察每個容器中水的蒸發(fā)情況，記錄同一時間不同容器的蒸發(fā)量，具體實驗數據如表1、2所示。

2.3蒸發(fā)過程觀測

為了更加直觀了解水在容器內壁的毛細效應，也就是水在紫陶容器內部能夠爬升的高度。配制濃度為0.2%甲基藍溶液，用量筒分別量取10 ml甲基藍溶液放入建水紅泥紫陶、建水白泥紫陶里，在相同的實驗環(huán)境中開始實驗并觀察，待甲基藍溶液蒸發(fā)干以后，可以借用殘留的甲基藍的顏色及其深淺變化觀察紫陶內壁及橫截面，陶瓷容器、玻璃容器也進行相同實驗。

2.4陶器表面接觸角測試

準備紅泥紫陶片、白泥紫陶片各一片，用一次性塑料滴管向紅泥紫陶片、白泥紫陶片各滴一滴水（大約0.05 ml），進行觀察。

3結果與討論

通過不同材質的碗狀容器稱重實驗對比發(fā)現，在相同實驗條件下，水在紫陶碗里的蒸發(fā)速度與其他材質容器里的蒸發(fā)速度有明顯區(qū)別。由表1可知不同容器在不同時段的四個蒸發(fā)實驗中，紫陶碗的蒸發(fā)速度明顯快于其他材質的碗，當蒸發(fā)時間為169 h紅泥紫陶碗、白泥紫陶碗的蒸發(fā)速度分別是0.187 g/h和0.210 g/h，其次是瓷碗、玻璃碗、塑料碗，其蒸發(fā)速度分別是0.153 g/h、0.146 g/h、和0.136 g/h。而不同時長的實驗，其測試結果都顯示紫陶碗的蒸發(fā)速度明顯快于其他材質的碗，如圖1所示。不同的實驗下，因為蒸發(fā)受溫度、空氣流速、壓強等因素影響，所以不同時間下的蒸發(fā)速度有所不同。

為了驗證不同器型的影響，我們通過不同材質的杯型容器蒸發(fā)實驗進行對比。在相同條件下，水在紫陶杯里的蒸發(fā)速度與其他材質杯子里的蒸發(fā)速度也有明顯區(qū)別。在不同水量的蒸發(fā)實驗中，其蒸發(fā)間隔測試時間分別為28 h、59 h、83 h、114 h，紫陶的平均蒸發(fā)速度最快，白泥紫陶杯和紅泥紫陶杯分別是 0.068 g/h和0.065 g/h，其次是玻璃杯、瓷杯，分別是0.063 g/h，0.058 g/h。開口直徑玻璃杯＞瓷杯＞紅泥紫陶杯＞白泥紫陶杯，但紫陶杯的蒸發(fā)速度最快，杯型的實驗進一步驗證了陶器的蒸發(fā)性能最佳。相對于碗狀的容器，杯狀的容器的蒸發(fā)速度約為碗形容器的1/3，其不同材質的杯型容器的蒸發(fā)速度之間的差別也相對小一些。這個與杯型容器的深度以及開口尺寸有關，杯型容器的開口小、深度大，容器內外的氣體對流與物質交換的速度相對較低，而且已經蒸發(fā)的水蒸氣也更加容易重新冷凝。

從碗狀以及杯狀容器的蒸發(fā)實驗對比可以看出來，不同的器型的紫陶對水的蒸發(fā)的速度都是明顯快于相同器型的其他材質的器物。相對于陶器，瓷器、玻璃、塑料等器物親水或者疏水的特性各不相同，但是表面都相對比較光滑。所以，陶器表面更快的蒸發(fā)速度，與紫陶的粗糙表面以及親水性能均可能有一定關系。在蒸發(fā)實驗的過程中，我們發(fā)現，水在紫陶器具里面的時候，水漬會沿著紫陶的內壁向上延伸，導致整個陶瓷內壁都被潤濕。如此增加了蒸發(fā)面積，也因此會加快了水的蒸發(fā)速度。因為實驗用的水呈無色透明，為進一步觀察實驗現象，我們使用甲基藍溶液作為蒸發(fā)對象，讓甲基藍溶液在蒸發(fā)過程中留下顏色作為標記，可以清楚地看到不同實驗階段上升的程度。

圖3（a）、圖4（a）所示為甲基藍溶液在紅泥紫陶及白泥紫陶中的初始液面。從圖3（b）、圖4（b）可以看出來，在蒸發(fā)過程中溶液在紫陶內壁上發(fā)生浸潤，而且浸潤的高度不斷上升額外增加了蒸發(fā)的有效表面積，從而蒸發(fā)速度加快。而在內壁上的孔洞發(fā)生蒸發(fā)以后，孔洞重新干燥，同時又會從底下的液體部分再次虹吸補充，這是個動態(tài)的過程。可以推測，剛發(fā)生表面潤濕的時候，內壁表面上，蒸發(fā)的速度和浸潤會繼續(xù)發(fā)生和擴大；而在一定階段，內壁表面，尤其是高位部分，蒸發(fā)的速度等于虹吸速度，這時候達到平衡，表面浸潤不會繼續(xù)擴大，也就是達到最高位置；隨著蒸發(fā)的進行和液面的下降，以及可能某個時間外面濕度降低，從而使蒸發(fā)速度快于虹吸的速度，那么表面就發(fā)生干燥，留下了干的甲基藍的印記。如此直到最后全部蒸發(fā)干燥，遺留下來甲基藍的深淺不一的痕跡。從圖3（c）、圖4（c）可以看出，其最高位置的痕跡并不平整，這與蒸發(fā)過程中可能的氣流、溫度以及器具表面的粗糙度本身不均勻都存在關聯(lián)。紅泥紫陶大約4.5 h后達到最高點，白泥紫陶大約3.5 h后達到最高點。甲基藍溶液完全干燥以后，將紫陶切開，從橫截面可以看出來，初始液面，浸潤上升的最高液面，以及蒸發(fā)過程中壁面最高位變化的情況，如圖3（c）、圖4（c）所示。

紫陶中的甲基藍溶液完全蒸發(fā)后最高浸潤面到達杯口位置，受蒸發(fā)的其他因素影響，液面上升的高度有所波動，選取6個點進行測量，紅泥紫陶、白泥紫陶的平均上升高度分別為2.874 cm、3.326 cm。而瓷器、玻璃容器中甲基藍溶液初始蒸發(fā)液面與甲基藍溶液完全蒸發(fā)后的液面為同一液面，從圖5、圖6可以看到黑色記號筆的位置未發(fā)生任何變化。

甲基藍溶液的蒸發(fā)實驗可以看出來，溶液不但會沿著陶面向上攀升，而且甲基藍溶液自然蒸干的痕跡的顏色從上到下由淺變深，說明了在蒸發(fā)過程中，液面上方的紫陶內壁的孔隙里面的液體與水溶液的水體是不斷進行傳質交換的，而且紫陶面的蒸發(fā)速度超過水體自身的蒸發(fā)速度。因此隨著水分的蒸發(fā)，水中的甲基藍的濃度不斷變大，從而導致甲基藍痕跡從上到下，顏色出現漸變的現象。

另外，從瓷器以及塑料的干燥痕跡可以看出來比較明顯的咖啡環(huán)現象[12]，尤其是杯底的部分。所謂咖啡環(huán)效應是因為液滴在蒸發(fā)過程中，液滴邊緣的表面積相對其他部分更大，導致水分的蒸發(fā)速度更快，使得溶質在邊緣位置累積，最后形成顏色較深的環(huán)狀圖案。這是因為瓷器以及塑料表面光滑，不存在如同陶器內表面的粗糙多孔的結構，因此咖啡環(huán)現象明顯。而陶瓷內表面因為粗糙多孔，水滴容易暈開，然后迅速蒸發(fā)，因此也形成表面圈痕，但是表面圈痕往往比后面新的痕跡要淺，因此不同于咖啡環(huán)的效應。

陶器內部的水沿著陶器內壁向上浸潤爬升，其原因是陶器表面以及內部布滿了聯(lián)通的孔道。從圖7的微觀照片可以看出來，紫陶表面及截面分布著微小的孔隙。而這些聯(lián)通的孔道因為孔徑很小，為毛細效應創(chuàng)造了很好的條件。毛細效應發(fā)生的原因，是毛細管的管徑很小，導致親水材質的管道內部的凹液面的曲率較大，這樣水的表面張力就能把水從低位抽到高位。從公式（1）可以看出來，液面上升的高度，與表面張力γ成正比，與管徑R成反比。θ為液面與管壁的交角，它取決于液、氣種類和管壁材料等因素。材料本身的親水的程度，決定了θ的大小。越是親水的材料，cosθ的值越大，從而毛細管效應也越明顯。而液體的表面張力以及材料本身固定的情況下，上升高度也大，通常表明了紫陶內部的孔隙R越小。

通過紫陶表面接觸角實驗，觀察到紫陶的接觸角均小于90度，說明紫陶表面是親水性的，水較易潤濕紫陶，紫陶的接觸角小，表面張力大，毛細效應就越明顯，水的蒸發(fā)面積就越大從而加快蒸發(fā)速度。從圖9看出紅泥紫陶的接觸角略大于白泥紫陶。

紫陶表面以及內部的空隙，顯然是由于陶泥的顆粒形成的，而且表面由于沒有玻璃特性的釉層的保護，其空隙結構布滿了陶器的整體，因此，作為茶具或者裝水的器具，水是可以充滿這些空隙結構的。在蒸發(fā)過程中除了水體表面的液體蒸發(fā)，水可以通過陶的空隙的毛細效應向上擴張，從而增大了與空氣以及陶的接觸面積，從而加快紫陶器具內水體的蒸發(fā)。

而白泥和紅泥的空隙率存在區(qū)別，也與其泥料本身的特性的不同造成的。通過不同泥料廠的粒徑分析結果可得建水泥顆粒的體積平均粒徑在6-8 μm之間，建水紅泥成品的孔隙率為1%左右，而建水白泥成品的孔隙率為8.8%[13]，可見白泥陶更加疏松多孔，也更有利于水在杯壁的爬升以及蒸發(fā)面積的提高，從而提高蒸發(fā)的速率。

不同的原料，其親水程度不同，孔徑大小也不同?？傮w而言，空隙率越高，孔徑越小對水的毛細效應越明顯，其自然蒸發(fā)的速度也會越快。通過表面浸潤的高度，以及一些相關的數據，可以大概估算出孔徑的大小。按照浸潤高度紅泥為2.9 cm左右，白泥為3.3 cm左右。根據公式（1），取θ為0°的最小值估算，紅泥和白泥的孔徑最大是0.5 mm和0.45 mm。當然具體cosθ的值肯定小于1，其實際孔徑也肯定是小于0.5 mm和0.45 mm，比如50 um左右，如圖10所觀察到的孔。而根據我們通過壓汞測試的孔徑分布，紅泥的平均的孔徑為810 nm，白泥為210 nm[14]，遠小于通過虹吸效應得到的數值。

4結論

通過實驗驗證了陶器與水的相互作用明顯不同于其他材質的容器，以建水紫陶為代表的陶器的蒸發(fā)速率明顯快于陶瓷、玻璃、塑料容器，并且發(fā)現孔隙率更高的白泥紫陶的蒸發(fā)速度比紅泥紫陶更快。通過設計實驗設計以及分析，認為陶器內表面粗糙多孔的結構，使得液體水通過表面的孔結構的虹吸效應，沿著內壁上升，從而增加了蒸發(fā)面積加快蒸發(fā)速度，實現快速干燥。因此可能具有減少細菌滋生的優(yōu)點。通過甲基藍溶液的蒸干實驗，進一步發(fā)現陶器表面干燥過程的特性，表現出與光滑表面咖啡環(huán)效應不同的特征。

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Abstract： Pottery is the oldest container in history. Compared to other materials of daily containers， the rough and porous surface of pottery can produce some special manifestations during use， such as the residual water inside the pottery being able to dry spontaneously more quickly， thus maintaining cleanliness. Although this phenomenon has been observed in daily life， it has never been specifically studied and demonstrated. This study focuses on Jianshui purple pottery as the main research object， compares containers made of other materials， conducts evaporation experiments under the same conditions， analyzes the influence of container materials on evaporation， and combines scanning electron microscopy and other methods to analyze and explore the mechanism. Research has found that the evaporation rate of water in purple ceramic containers is significantly faster than other materials （such as glass， plastic， porcelain， etc.）， and the capillary effect formed by the porous structure on the surface of purple ceramic and the hydrophilic properties of the purple ceramic material itself are the main reasons for this.

Keywords： Jianshui purple pottery; Evaporation; Contact angle; Capillary effect