TiO2納米晶膠體在衛(wèi)生陶瓷中的運(yùn)用

白靜靜

摘 要：納米TiO2具備優(yōu)良的光催化性、超親水性及化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛用于污染治理、室內(nèi)空氣凈化、自清潔涂層等方面，是近年來新材料、光化學(xué)和光催化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本文將納米TiO2應(yīng)用于衛(wèi)生陶瓷表面，制備具有自潔和抗菌效果的多功能衛(wèi)浴產(chǎn)品。該類產(chǎn)品的成功研發(fā)及推廣應(yīng)用不僅能改善人們生活環(huán)境，拓寬傳統(tǒng)陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)陶瓷的產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：納米TiO2;自潔抗菌;衛(wèi)生陶瓷

1 背 景

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，全社會(huì)的節(jié)約資源、環(huán)保意識(shí)在不斷增強(qiáng)，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求越來越高。與此同時(shí)，由于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化步伐的加快，資源、生態(tài)環(huán)境還在持續(xù)惡化，地球變暖趨勢(shì)逐步明顯，細(xì)菌滋生、變異，傳染病的感染、發(fā)病率也逐步上升。尤其是近些年的SARS 病毒、流感、禽流感等流行性疾病的肆虐使得人們認(rèn)識(shí)到居住環(huán)境的凈化、清潔的室外空氣、有效的保護(hù)水資源等都與健康息息相關(guān)，也催生了環(huán)保用品的大市場(chǎng)。為此，人們對(duì)傳統(tǒng)的建筑衛(wèi)生陶瓷制品提出了更高的要求，主要集中表現(xiàn)在陶瓷制品的自潔、環(huán)保和抗菌等方面。

為了保持衛(wèi)生陶瓷表面清潔和良好的外觀，日常生活中常用方法是采用表面活性劑、酸性除垢劑或堿性除垢劑之類的清潔劑，用清潔刷反復(fù)地洗擦其表面。主要利用清潔劑的化學(xué)去垢能力和清潔刷的機(jī)械力作用，除去沉積在衛(wèi)生陶瓷表面上的污漬或污垢。但這種方式帶來了水資源的大量浪費(fèi)，清洗后的表面在短時(shí)間內(nèi)又會(huì)被污染，需要經(jīng)常重復(fù)清理，工作量大。同時(shí)，清洗劑的大量使用給人類環(huán)境帶來很大的負(fù)面影響，主要是引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化，造成水體的污染，而且攝入量過多對(duì)人體健康也造成一定程度的危害。另一方面，目前人們使用的衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品，如馬桶、洗手盆等在使用時(shí)經(jīng)常接觸人體排泄物和帶菌的人體，從而在這些陶瓷的表面可沾染和滋生各種致病菌和條件致病菌，人們與之接觸后很容易受到感染。為了減少煩瑣的清洗，節(jié)約用水，得到更為清潔的表面，開發(fā)光催化、自潔、抗菌功能陶瓷材料，提高陶瓷制品的環(huán)保、自潔及抗菌能力是提高人們生活質(zhì)量，降低環(huán)境負(fù)荷的有效途徑。

2 國內(nèi)外同類產(chǎn)品和技術(shù)現(xiàn)狀

為了降低陶瓷制品清洗的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低洗滌劑對(duì)環(huán)境的負(fù)荷以及對(duì)人體健康的危害，自20世紀(jì)90年代開始，德國、日本、美國、加拿大和法國等一些科技發(fā)達(dá)國家相繼開展了關(guān)于建筑衛(wèi)生陶瓷領(lǐng)域自潔-抗菌技術(shù)的研究，申請(qǐng)了一系列專利，并有相關(guān)產(chǎn)品的問世。日本是最早開發(fā)自潔-抗菌陶瓷的國家。日本東京大學(xué)對(duì)自潔陶瓷、玻璃等光催化建材的研制開發(fā)位于各國前列，成績(jī)顯著。日本TOTO、Toyota 和Nissan 等公司均成功開發(fā)出含有納米TiO2光催化劑的自潔-抗菌陶瓷和玻璃等產(chǎn)品。英國Pilkington 公司開發(fā)出涂覆約40 nm 厚的TiO2薄層，在紫外光照射下能起到分解有機(jī)污染物、殺菌及自清潔的作用。美國ATOFINA和PPG公司也采用類似的方法生產(chǎn)自清潔-抗菌陶瓷和玻璃，但因其成本較高，至今仍未在市場(chǎng)上推廣。歐洲的自潔-抗菌產(chǎn)品的研究主要集中在德國，其次英國、美國制造商也在加快開發(fā)、推廣應(yīng)用的步伐。此外，包括SACMI、Graniti Fiandre 公司在內(nèi)意大利陶瓷公司，也在不斷研究開發(fā)具有特殊功能的納米TiO2陶瓷釉料產(chǎn)品。

我國雖是陶瓷生產(chǎn)大國，但目前仍在許多技術(shù)領(lǐng)域落后于日本等發(fā)達(dá)國家。近年來，我國雖然投入了一定量的人力物力用于先進(jìn)陶瓷的研究開發(fā)，但與日本等國先進(jìn)水平相比，仍存在一定距離。自潔-抗菌陶瓷作為先進(jìn)陶瓷的一種，隨著人們生活水平的提高，將有更廣泛的市場(chǎng)前景。對(duì)納米TiO2自潔-抗菌功能陶瓷的研究主要集中在部分高校和陶瓷企業(yè)，高校如清華大學(xué)、武漢大學(xué)、華南理工大學(xué)、暨南大學(xué)、華南師范大學(xué)等;陶瓷企業(yè)如廣東唯美陶瓷、廣東東鵬陶瓷（潔具）、廣東磚石陶瓷及廣東金意陶陶瓷等。主要將納米TiO2應(yīng)用在衛(wèi)生陶瓷、外墻磚及內(nèi)墻磚釉料中的應(yīng)用研究，但是自潔-抗菌效果不明顯，作用不穩(wěn)定。因此，國內(nèi)目前仍處于研發(fā)階段，還沒有真正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。

3 發(fā)展趨勢(shì)和前景預(yù)測(cè)

人們對(duì)陶瓷制品的質(zhì)量與性能要求越來越高，借助科技的發(fā)展人們擁有了性能優(yōu)良的各種功能陶瓷。綜觀傳統(tǒng)的陶瓷行業(yè)的發(fā)展，我國陶瓷行業(yè)也隨著國際上陶瓷的競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)，傳統(tǒng)陶瓷也逐步趨向功能化。近年來傳統(tǒng)建筑陶瓷功能化的發(fā)展方向主要為自潔-抗菌瓷磚、遠(yuǎn)紅外瓷磚和防靜電瓷磚等。其中自潔-抗菌瓷磚是上世紀(jì)90年代初興起的一種新的陶瓷，是材料科學(xué)和微生物學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它具有抗菌、除臭、保健、自潔等功能，從而可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生醫(yī)療、家庭居室、旅游賓館、民用或工業(yè)建筑等。早在90年代初，發(fā)達(dá)國家已在醫(yī)院、餐廳、高級(jí)住宅率先使用了自潔-抗菌陶瓷。近年來，國外陶瓷品牌如TOTO和INAX 等已有很多制品增加了自潔-抗菌的功能。

同時(shí)，我國傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)具有悠久的歷史和光輝的發(fā)展歷程，但在現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程中，傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)由于多種因素卻步履維艱并陷入了困境。在新形勢(shì)下，產(chǎn)業(yè)升級(jí)是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，只有依靠科技進(jìn)步與技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)傳統(tǒng)陶瓷進(jìn)行提升與發(fā)展，使其脫胎換骨，變得更清潔環(huán)保，產(chǎn)品附加值更高，產(chǎn)業(yè)鏈更長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，才能融入當(dāng)今的節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。

因此，開展納米TiO2自潔-抗菌功能陶瓷的研究符合現(xiàn)階段利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，增加傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品的科技含量和附加值，有利于拓展傳統(tǒng)陶瓷的應(yīng)用范圍，對(duì)于傳統(tǒng)陶瓷行業(yè)的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用，并有可能成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011 年國內(nèi)各類建筑衛(wèi)生陶瓷總產(chǎn)量約為85億m2。以2011 年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)預(yù)測(cè)，如果賦予其中5/10000的陶瓷磚以自潔-抗菌功能，則自潔-抗菌功能陶瓷的總量可達(dá)425萬m2;如果因增加自潔-抗菌功能增值按25元/m2，則新增附加值可達(dá)1億元以上。目前，國內(nèi)對(duì)納米TiO2自潔-抗菌陶瓷的研究仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段，還有較多關(guān)鍵技術(shù)沒有得到完全的解決。如果相關(guān)技術(shù)問題得到合理的解決，隨著項(xiàng)目成果的不斷推廣，在傳統(tǒng)陶瓷中所占的比例將會(huì)逐漸增大，因此，該項(xiàng)目將具有非常好的產(chǎn)業(yè)化前景。

4 實(shí) 驗(yàn)

選用不同的鈦源和硅源，分別制備不同性質(zhì)的TiO2、SiO2溶膠;采用創(chuàng)新的溶劑熱微乳液法，通過溶液中納米團(tuán)簇的尺寸控制實(shí)現(xiàn)低溫誘導(dǎo)結(jié)晶，獲得具有納米晶結(jié)構(gòu)特征的TiO2溶膠。并將穩(wěn)定的TiO2、SiO2溶膠應(yīng)用于衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品表面，在現(xiàn)有衛(wèi)生陶瓷的生產(chǎn)工藝流程后期增加一步涂覆納米溶膠流程，通過熱處理來增加涂層結(jié)晶性和結(jié)合力，制備具有自潔和抗菌多功能的衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品。

4.1 涂布液材料的制備

（1）選擇不同的鈦源，如鈦酸丁酯、異丙醇鈦、四氯化鈦或者硫酸鈦等，分別制備高穩(wěn)定性的TiO2溶膠。采用創(chuàng)新的溶劑熱微乳液法，實(shí)現(xiàn)納米團(tuán)簇的尺寸控制及低溫誘導(dǎo)結(jié)晶，制備不同性能的納米晶TiO2溶膠。

（2）選擇不同的硅源，如正硅酸乙酯、水玻璃（分子篩處理）、硅溶膠等，分別制備高穩(wěn)定性的SiO2溶膠。采用化學(xué)法，實(shí)現(xiàn)納米團(tuán)簇的尺寸和結(jié)晶控制，制備不同性能的納米晶SiO2溶膠。

TiO2的XRD譜圖與TEM照片如圖1、圖2所示。表1、表2為納米TiO2在不同材料中應(yīng)用的自潔和抗菌性能測(cè)試結(jié)果。

4.2 涂布工藝

（1）由于衛(wèi)浴產(chǎn)品多為異形結(jié)構(gòu)，涂層的厚度和均勻性控制是制作的關(guān)鍵。試驗(yàn)采用刷涂、淋涂、噴涂等涂覆工藝。

（2）衛(wèi)浴產(chǎn)品需要定期清洗，涂層結(jié)合力是使用的關(guān)鍵，進(jìn)行單層、多層和混合層的涂覆，并考察涂布液濃度、涂層厚度、后處理工藝等對(duì)涂層的結(jié)合力和致密度的影響。

4.3 生產(chǎn)工藝流程

5 結(jié) 語

通過的溶劑熱微乳液法，實(shí)現(xiàn)了TiO2納米晶膠體的高效可控合成。該方法結(jié)合溶劑熱和微乳液法的特點(diǎn)，使得溶液中納米團(tuán)簇的尺寸可控并能夠在低溫下發(fā)生誘導(dǎo)化結(jié)晶。將具有納米晶結(jié)構(gòu)的TiO2溶膠應(yīng)用于衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)品的表面，由于材料本身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)晶化，因此不需要專門的晶化工藝，也避免了氧化鈦與釉面的化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)在涂層材料中引入納米SiO2材料，有利于降低材料的成本，提高涂層與陶瓷基體的結(jié)合力。