陶瓷易潔性測(cè)試裝置與評(píng)價(jià)研究

王麗娟，魏慶一，楊建偉，張睿卓，梁金生

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)保材料研究所，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境與信息特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

陶瓷易潔性測(cè)試裝置與評(píng)價(jià)研究

王麗娟1,2，魏慶一1，楊建偉1，張睿卓1，梁金生1,2

（1.河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)保材料研究所，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境與信息特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130）

依據(jù)陶瓷表面油污殘留量法測(cè)試原理，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種陶瓷易潔性測(cè)試裝置．本方法以油污為模擬物，將其均勻涂抹于陶瓷試樣表面，然后在一定條件下用水沖洗樣片，計(jì)算沖洗前后陶瓷表面單位面積的油污殘余量A，來據(jù)此評(píng)價(jià)陶瓷的易潔性；并用紫外可見分光光度計(jì)法驗(yàn)證其測(cè)試可靠性．研究結(jié)果表明應(yīng)用本裝置測(cè)試陶瓷易潔性結(jié)果準(zhǔn)確可靠，且測(cè)試操作簡(jiǎn)單易行．

陶瓷；易潔性；油污殘留量法；紫外可見分光光度法；測(cè)試裝置

0 引言

陶瓷在日常生活中被廣泛使用，但是在陶瓷清洗過程中使用的各種洗滌劑會(huì)對(duì)環(huán)境與人體健康造成危害，并且清洗過程也費(fèi)時(shí)費(fèi)力．于是人們對(duì)傳統(tǒng)的日用陶瓷制品，提出了更高的要求，希望陶瓷具有優(yōu)良的易潔性．

目前，對(duì)于陶瓷的自潔性、抗污性，人們已經(jīng)進(jìn)行了較深入的研究，主要包括以下幾種方法：陶瓷表面超級(jí)光滑技術(shù)[1-3]、陶瓷表面超級(jí)憎水膜技術(shù)[4-5]、陶瓷表面二氧化鈦涂膜技術(shù)[6-7]、陶瓷抗菌自潔技術(shù)[8-9]、陶瓷智潔技術(shù)[10]．但對(duì)于易潔陶瓷少有研究報(bào)道，為此梁金生等[11]在2006年提出陶瓷易潔性的概念，并開始了超級(jí)親水易潔功能陶瓷[12-13]的研究．提出陶瓷易潔性是指，在正常使用條件下，不借助洗滌劑處理和外力強(qiáng)行擦洗，僅依靠陶瓷本身表面物理化學(xué)性質(zhì)及與水流之間的相互作用就可使污染物不易粘附、自發(fā)脫離陶瓷表面的性能．但是在陶瓷產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，沒有陶瓷易潔性相關(guān)技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，關(guān)于陶瓷易潔性測(cè)試方法研究，也未見其他相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道．

因此，關(guān)于陶瓷的易潔性，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究，開發(fā)出更適合的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)裝置，從而建立一套可靠性高、科學(xué)準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單易行的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法,用來指導(dǎo)陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)和消費(fèi)．基于以上目的，本工作采用陶瓷表面油污殘留量法（即重量法）測(cè)試原理設(shè)計(jì)開發(fā)一種陶瓷易潔性的測(cè)試裝置，建立陶瓷易潔性的評(píng)價(jià)體系．

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

陶瓷樣品共6種，分別為G1、G2、G3、G4、G5、G6．其中G1、G2實(shí)驗(yàn)室自制陶瓷，釉面配料的基礎(chǔ)配方是MgO 3.7%，CaO 2.2%，K2O 8.7%，Na2O 14%，A l2O320%和SiO251.4%（文中含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），G1為加入3%的海泡石，G2加入4%的電氣石，G3、G6為市場(chǎng)采購的普通日用陶瓷、G4為山東某陶瓷廠生產(chǎn)的抗菌日用陶瓷、G5為山東某陶瓷廠生產(chǎn)的骨質(zhì)瓷．

1.2 油污殘留量法

陶瓷制品的易潔性可以用試樣表面單位面積油污殘余量來表示，即在一定條件下將陶瓷試樣用水沖洗一定時(shí)間，用陶瓷表面單位面積的油污殘余量A來評(píng)判陶瓷制品的易潔性能，具體的測(cè)試方法如下：

1）從制品上切取或制作尺寸為50mm×50mm（尺寸誤差小于5mm）的陶瓷片作為試片，試片釉面要求平整光滑，無裂紋、斑點(diǎn)、落渣、毛孔等表面缺陷．試片數(shù)量為6塊，分別用游標(biāo)卡尺測(cè)量試片工作面尺寸，計(jì)算面積．

2）將試片用無水乙醇和蒸餾水依次在超聲波清洗器中清洗10m in，取出后用蒸餾水再?zèng)_洗5m in，在烘箱中以110℃烘干至恒重，取出后放置干燥器中冷卻．

3）測(cè)量烘干后的試片重量，記為W0．

4）用0.05m L/滴的膠頭滴管均勻地將24～30滴色拉油滴于試片工作面上，靜置10m in使油穩(wěn)定鋪展．5）將涂有色拉油的試片置于45°角的試片托上，用20～25℃的蒸餾水進(jìn)行沖洗，出水口直徑1.5 cm，出水口至試片沖洗端高度為30 cm，流量為50m L/s，沖洗時(shí)間為1m in．

6）將沖洗后的試片置于110℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，取出后放置干燥器中冷卻，稱試片重量并記為W1．7）計(jì)算試片表面單位面積油污殘余量A．

式中：A為試片表面單位面積油污殘余量，g/m2；W0為預(yù)處理后試片重量，g；W1為試驗(yàn)清洗后試片重量，g；

S為試片工作面面積，cm2．

1.3 紫外可見分光光度法

以無水乙醇為溶劑，配制濃度為0.5mg/m L、1.0mg/m L、1.5mg/m L的油酸—無水乙醇基礎(chǔ)溶液，再以蒸餾水為背景，將所得到的基礎(chǔ)溶液在200～400nm波段進(jìn)行掃描，得到溶液的吸收曲線．從吸收曲線中的特征吸收峰，確定測(cè)試光波長(zhǎng)．在波長(zhǎng)處測(cè)定濃度為0 mg/m L、0.2mg/m L、0.4mg/mL、0.6 mg/m L、0.8mg/m L、1.0mg/m L、1.2mg/m L、1.4mg/m L、1.5mg/m L的油酸—無水乙醇溶液的吸光度，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線．以油酸為模擬污染物，按照0.5mL/滴的量，將油酸均勻涂抹于陶瓷試樣表面，靜置10min．再將陶瓷樣片45°放置，通過一個(gè)沖洗裝置，使恒溫25℃的自來水從陶瓷片樣品的對(duì)角進(jìn)行沖洗，水流速約為1m/s，出水口至樣片沖洗端高度為30 cm，沖洗時(shí)間為1m in．最后將陶瓷樣片放于110℃烘箱內(nèi)烘干20 m in，取出后在密封的干燥器中放置20m in，使之冷卻至室溫（25℃）．將殘留油污的樣品分別用10m L的無水乙醇溶解其釉面殘留的油污，所得溶液進(jìn)行吸光度測(cè)試，所得結(jié)果與以上建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比，從而標(biāo)定出溶液中油酸的含量，即為陶瓷釉面殘留油污的量．

2 結(jié)果與討論

2.1 陶瓷易潔性測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該陶瓷易潔性測(cè)試裝置由供水儲(chǔ)水系統(tǒng)、循環(huán)沖水系統(tǒng)、樣品臺(tái)、污水收集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5部分組成．其中，供水儲(chǔ)水系統(tǒng)主要包括加熱棒、測(cè)溫元件、循環(huán)水泵和上水箱體，循環(huán)沖水系統(tǒng)由調(diào)節(jié)閥、進(jìn)水電磁閥、調(diào)節(jié)夾、頂部打孔的定量容器、沖水電磁閥、試驗(yàn)沖頭組成，樣品臺(tái)主要包括45°角的試片托和下托板，污水收集系統(tǒng)主要包括接水盤和下水箱體，控制系統(tǒng)主要包括控制器箱體、時(shí)間/計(jì)數(shù)程序控制器和恒溫控制器．圖1為用于油污殘留量法檢測(cè)陶瓷易潔性能的裝置結(jié)構(gòu)示意圖．

上水箱體尺寸為：長(zhǎng)150～200 mm、寬150～200mm和高100～150mm，滿足每次測(cè)試用水量至少1L的設(shè)計(jì)要求．頂部打孔的定量容器是直徑為70mm和高度為130mm的圓柱形，定量容器的頂部打孔的孔徑為2～6mm；沖洗管路選用6mm氣動(dòng)管相連．45°角的試片托的尺寸為：長(zhǎng)50～60mm、寬50～60mm和高50～60mm；45°的試片托與試驗(yàn)沖頭相距29～31 cm．

2.2 陶瓷易潔性測(cè)試裝置的組裝

圖1 陶瓷易潔性測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Evaluation installation draw ing ofeasy-cleaning property of ceram ic

該裝置各個(gè)部件安置和連接方式如下：通過螺釘固定的活動(dòng)定位夾將上托板固定在左右兩根鐵架臺(tái)側(cè)立柱的上方部位，然后將上水箱體放置于上托板上，循環(huán)水泵放置于上水箱體內(nèi)部的左下角，加熱棒和測(cè)溫元件分別通過上水箱體上蓋上的兩個(gè)孔插入上水箱體中，然后通過導(dǎo)線分別與恒溫控制器相應(yīng)的接點(diǎn)相連．在上水箱體底部中點(diǎn)左右兩側(cè)的上水箱體長(zhǎng)度的四分之一等距處各開一個(gè)流水口，該流水口通過螺紋與調(diào)節(jié)閥進(jìn)水口密封連接．調(diào)節(jié)閥出水口、進(jìn)水電磁閥、頂部打孔的定量容器、沖水電磁閥和試驗(yàn)沖頭依次通過氣動(dòng)管相互密封連接，進(jìn)水電磁閥和沖水電磁閥又分別通過導(dǎo)線與時(shí)間/計(jì)數(shù)程序控制器相連，再用一個(gè)通過螺釘固定于鐵架臺(tái)中立柱上的調(diào)節(jié)夾來固定頂部打孔的定量容器．試片托放置于接水盤上并正對(duì)試驗(yàn)沖頭，接水盤安置于下托板上，下托板再用兩個(gè)活動(dòng)定位夾固定在兩根鐵架臺(tái)側(cè)立柱的下方部位．下水箱體置于鐵架臺(tái)底座上，試驗(yàn)污水由接水盤收集之后通過管路存放于下水箱體中，時(shí)間/計(jì)數(shù)程序控制器和恒溫控制器放置于控制器箱體中．圖2為陶瓷易潔性測(cè)試裝置的實(shí)物圖．

圖2 陶瓷易潔性測(cè)試裝置實(shí)物圖Fig.2 Evaluationdeviceobjectdiagram of easycleaning property of ceramic

2.3 陶瓷易潔性

應(yīng)用易潔性測(cè)試裝置，對(duì)陶瓷樣品G1～G6的釉面進(jìn)行易潔性測(cè)試．結(jié)果見表1．

表1 陶瓷釉面易潔性Tab.1 Easy-cleaning property of ceramic glazes

根據(jù)梁金生提出的陶瓷釉面易潔性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見表2），結(jié)合易潔性測(cè)試結(jié)果可以得出，樣品G1和G4為易潔陶瓷，經(jīng)水流沖洗后，樣品釉面殘留油污量的數(shù)值分別為0.45 g/m2、0.48 g/m2，其中G1易潔性為最好，滿足易潔性陶瓷的標(biāo)準(zhǔn)A0.50g/m2．樣品G2、G5釉面殘留油污量均在0.50～1.0g/m2之間，為較易清潔陶瓷，而G3、G6釉面殘留油污量1.65 g/m2、1.69 g/m2，均大于1.0 g/m2，屬易潔性較差陶瓷．因此對(duì)所用樣本進(jìn)行排序，從易潔到不易潔的順序?yàn)椋篏1、G4、G2、G5、G3、G6．

表2 陶瓷易潔性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation criterion of easy-cleaning property

2.4 易潔性測(cè)試裝置的可靠性驗(yàn)證

用紫外可見分光光度計(jì)法，測(cè)試陶瓷釉面清洗液中的油酸溶液吸光度，計(jì)算殘留于陶瓷釉面中油污的量，進(jìn)一步評(píng)價(jià)陶瓷釉面的易潔性能．

從油酸/無水乙醇基礎(chǔ)溶液的吸收曲線（圖3），可以確定油酸的特征吸收峰波長(zhǎng)為269nm，在269nm處測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)濃度的油酸/無水乙醇溶液的吸光度，建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖4所示．根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算陶瓷釉面殘留油污的量．結(jié)果見表3．

圖3 油酸/無水乙醇溶液的紫外光譜圖Fig.3 UV spectrogram of oleic acid/ethanol solution

圖4 油酸/無水乙醇溶液的紫外光吸收標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 Standard curve ofoleic acid/ethanol solution

表3 陶瓷釉面殘留油污量Tab.3 Rudimentalsoil contenton the sample surfaces

從紫外可見分光光度計(jì)的測(cè)試結(jié)果可知，易潔性最好的G1樣品表面殘留的油污量最少為1.11mg，粘附在其釉面上的油污可以在水流動(dòng)力作用下清洗干凈，易潔效果非常好．其余陶瓷釉面殘留油污量由少到多的試樣依此為G4、G2、G5、G3、G6．由此可看出，應(yīng)用重量法測(cè)試與評(píng)價(jià)陶瓷易潔性科學(xué)合理、數(shù)據(jù)可靠，且應(yīng)用重量法測(cè)試易潔性具有設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作的優(yōu)點(diǎn)．

3 結(jié)論

依據(jù)陶瓷表面油污殘留量法測(cè)試原理，研制出一套陶瓷易潔性測(cè)試裝置．該裝置主要包括供水儲(chǔ)水系統(tǒng)、循環(huán)沖水系統(tǒng)、樣品臺(tái)、污水收集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5部分，可保證每次沖洗陶瓷待測(cè)試樣品的時(shí)間、流量、流速、溫度相同，減少了測(cè)試誤差．研究結(jié)果表明，本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需使用其他特殊的配套儀器，檢測(cè)成本低，速度快，效果直觀．且應(yīng)用本裝置測(cè)試陶瓷易潔性結(jié)果準(zhǔn)確可靠，測(cè)試操作簡(jiǎn)單易行．

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[責(zé)任編輯 田豐]

Evaluation and testing equipmentof easy-cleaning property of ceram ics

WANG Li-juan1,2，WEIQing-yi1，YANG Jian-wei1，ZHANG Rui-zhuo1，LIANG Jin-sheng1,2

(1.Instituteof PowerSourceand EcomaterialsScience,HebeiUniversity ofTechnology,Tianjin300130,China;2.Key Laboratory of Special FunctionalMaterialsof EcologicalEnvironmentand Information,M inistry of Education,Tianjin 300130,China)

Based on the principle of the residual oilmeasurement of ceram ic surface,a kind of ceram ic easy-cleaning property testing equipmentw asdesigned and developed.Oilas soilingagentw ascoated on thesurfacesofceram ic sam p les. Then the sam p les were rinsed w ith water under certain conditions.The easy-cleaning property of the ceram ic products can be evaluated by theparameter A,which is defined as the residualoilofunitarea beforeand aftercleaning.The ultraviolet spectrophotometermethod w asused to verify the reliability.Itw as proved that the ceram ic easy-cleaning property results tested by theeasy-cleaning property testing equipmentareaccurateand reliable,and the testoperation issimple. Keywords ceram ics;easy-cleaningproperty;residualoilmeasurement;ultravioletspectrophotometermethod;testing equipment

TQ174.7

A

1007-2373(2014)01-0077-05

2013-11-07

地方高校國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201210080002）；“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目重點(diǎn)課題（2011BAE30B04）

王麗娟（1977-），女（漢族），副研究員，博士．