王麗娟，魏慶一，楊建偉，張睿卓，梁金生

（1.河北工業(yè)大學能源與環(huán)保材料研究所，天津 300130；2.河北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境與信息特種功能材料教育部重點實驗室，天津 300130）

陶瓷易潔性測試裝置與評價研究

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)大學能源與環(huán)保材料研究所，天津 300130；2.河北工業(yè)大學生態(tài)環(huán)境與信息特種功能材料教育部重點實驗室，天津 300130）

依據(jù)陶瓷表面油污殘留量法測試原理，設計開發(fā)了一種陶瓷易潔性測試裝置．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)此評價陶瓷的易潔性；并用紫外可見分光光度計法驗證其測試可靠性．研究結(jié)果表明應用本裝置測試陶瓷易潔性結(jié)果準確可靠，且測試操作簡單易行．

陶瓷；易潔性；油污殘留量法；紫外可見分光光度法；測試裝置

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對環(huán)境與人體健康造成危害，并且清洗過程也費時費力．于是人們對傳統(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，對于陶瓷的自潔性、抗污性，人們已經(jīng)進行了較深入的研究，主要包括以下幾種方法：陶瓷表面超級光滑技術(shù)[1-3]、陶瓷表面超級憎水膜技術(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]．但對于易潔陶瓷少有研究報道，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行擦洗，僅依靠陶瓷本身表面物理化學性質(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)品國家標準與行業(yè)標準中，沒有陶瓷易潔性相關(guān)技術(shù)指標規(guī)定，關(guān)于陶瓷易潔性測試方法研究，也未見其他相關(guān)文獻報道．

因此，關(guān)于陶瓷的易潔性，需要進行進一步的研究，開發(fā)出更適合的評價方法和評價裝置，從而建立一套可靠性高、科學準確、簡單易行的評價標準和測試方法,用來指導陶瓷產(chǎn)品生產(chǎn)和消費．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）測試原理設計開發(fā)一種陶瓷易潔性的測試裝置，建立陶瓷易潔性的評價體系．

1 實驗

1.1 實驗樣品

陶瓷樣品共6種，分別為G1、G2、G3、G4、G5、G6．其中G1、G2實驗室自制陶瓷，釉面配料的基礎配方是MgO 3.7%，CaO 2.2%，K2O 8.7%，Na2O 14%，A l2O320%和SiO251.4%（文中含量均為質(zhì)量分數(shù)），G1為加入3%的海泡石，G2加入4%的電氣石，G3、G6為市場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間，用陶瓷表面單位面積的油污殘余量A來評判陶瓷制品的易潔性能，具體的測試方法如下：

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、落渣、毛孔等表面缺陷．試片數(shù)量為6塊，分別用游標卡尺測量試片工作面尺寸，計算面積．

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，取出后用蒸餾水再沖洗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為預處理后試片重量，g；W1為試驗清洗后試片重量，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—無水乙醇基礎溶液，再以蒸餾水為背景，將所得到的基礎溶液在200～400nm波段進行掃描，得到溶液的吸收曲線．從吸收曲線中的特征吸收峰，確定測試光波長．在波長處測定濃度為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，建立標準曲線．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，通過一個沖洗裝置，使恒溫25℃的自來水從陶瓷片樣品的對角進行沖洗，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，所得溶液進行吸光度測試，所得結(jié)果與以上建立的標準曲線對比，從而標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 陶瓷易潔性測試裝置的結(jié)構(gòu)設計

該陶瓷易潔性測試裝置由供水儲水系統(tǒng)、循環(huán)沖水系統(tǒng)、樣品臺、污水收集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5部分組成．其中，供水儲水系統(tǒng)主要包括加熱棒、測溫元件、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、試驗沖頭組成，樣品臺主要包括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、時間/計數(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陶瓷易潔性能的裝置結(jié)構(gòu)示意圖．

上水箱體尺寸為：長150～200 mm、寬150～200mm和高100～150mm，滿足每次測試用水量至少1L的設計要求．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氣動管相連．45°角的試片托的尺寸為：長50～60mm、寬50～60mm和高50～60mm；45°的試片托與試驗沖頭相距29～31 cm．

2.2 陶瓷易潔性測試裝置的組裝

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

該裝置各個部件安置和連接方式如下：通過螺釘固定的活動定位夾將上托板固定在左右兩根鐵架臺側(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，加熱棒和測溫元件分別通過上水箱體上蓋上的兩個孔插入上水箱體中，然后通過導線分別與恒溫控制器相應的接點相連．在上水箱體底部中點左右兩側(cè)的上水箱體長度的四分之一等距處各開一個流水口，該流水口通過螺紋與調(diào)節(jié)閥進水口密封連接．調(diào)節(jié)閥出水口、進水電磁閥、頂部打孔的定量容器、沖水電磁閥和試驗沖頭依次通過氣動管相互密封連接，進水電磁閥和沖水電磁閥又分別通過導線與時間/計數(shù)程序控制器相連，再用一個通過螺釘固定于鐵架臺中立柱上的調(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試驗沖頭，接水盤安置于下托板上，下托板再用兩個活動定位夾固定在兩根鐵架臺側(cè)立柱的下方部位．下水箱體置于鐵架臺底座上，試驗污水由接水盤收集之后通過管路存放于下水箱體中，時間/計數(shù)程序控制器和恒溫控制器放置于控制器箱體中．圖2為陶瓷易潔性測試裝置的實物圖．

圖2 陶瓷易潔性測試裝置實物圖Fig.2 Evaluationdeviceobjectdiagram of easycleaning property of ceramic

2.3 陶瓷易潔性

應用易潔性測試裝置，對陶瓷樣品G1～G6的釉面進行易潔性測試．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價標準（見表2），結(jié)合易潔性測試結(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準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．因此對所用樣本進行排序，從易潔到不易潔的順序為：G1、G4、G2、G5、G3、G6．

表2 陶瓷易潔性評價標準Tab.2 Evaluation criterion of easy-cleaning property

2.4 易潔性測試裝置的可靠性驗證

用紫外可見分光光度計法，測試陶瓷釉面清洗液中的油酸溶液吸光度，計算殘留于陶瓷釉面中油污的量，進一步評價陶瓷釉面的易潔性能．

從油酸/無水乙醇基礎溶液的吸收曲線（圖3），可以確定油酸的特征吸收峰波長為269nm，在269nm處測定標準濃度的油酸/無水乙醇溶液的吸光度，建立標準曲線，如圖4所示．根據(jù)標準曲線，計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準曲線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的測試結(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，應用重量法測試與評價陶瓷易潔性科學合理、數(shù)據(jù)可靠，且應用重量法測試易潔性具有設備簡單、易于操作的優(yōu)點．

3 結(jié)論

依據(jù)陶瓷表面油污殘留量法測試原理，研制出一套陶瓷易潔性測試裝置．該裝置主要包括供水儲水系統(tǒng)、循環(huán)沖水系統(tǒng)、樣品臺、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試樣品的時間、流量、流速、溫度相同，減少了測試誤差．研究結(jié)果表明，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，無需使用其他特殊的配套儀器，檢測成本低，速度快，效果直觀．且應用本裝置測試陶瓷易潔性結(jié)果準確可靠，測試操作簡單易行．

[1]Hayakawa，Hayashi，Ando，etal．Sanitary earthen products：US，6514622[P]．2003-02-04．

[2]劉守友，劉光泉，張舉平，等．衛(wèi)生陶瓷防污靚白釉的研制[J]．陶瓷，2003，5（1）：24-25．

[3]王惠文，劉擁軍．一種具有納米自潔釉面的衛(wèi)生潔具及其制造方法：中國，02125311.0[P]．2003-01-08．

[4]JohnHClint，AmandaCWicks．Adhesionunderwater：surfaceenergy considerations[J]．International JournalofAdhesion and Adhesives，2001，21：267-273．

[5]Saranya Ashokkumar，JensAdler-Nissen，PerMller．Factorsaffecting thewettability ofdifferentsurfacematerialsw ith vegetableoilathigh temperaturesand its relation to cleanability[J]．Applied Surface Science，2012，263：86-94．

[6]Kuisma R，F(xiàn)r?berg L，Kym?l?inen H，et al．M icrostruture and cleanability of uncoated and fluoropolymer，zirconis and titania coated ceram ic glazed surfaces[J]．Journalof the European Ceramic Society，2007，27：101-108．

[7]賀飛，唐懷軍，趙文寬，等．二氧化鈦光催化自潔功能陶瓷的研制[J]．武漢大學學報：理學版，2001，47（4）：419-424．

[8]墻薔，倪紅衛(wèi)，幸偉，等．銀的抗菌作用機理[J]．武漢科技大學學報：自然科學版，2007，30（2）：121-124．

[9]Wang L J，Liang JS，Han D Y，et al．Effectof nanometer far-infraredmaterials on the cleanability of ceram ic glazes[J]．Advanced M aterials Research，2011，178：103-108．

[10]Piispanen M，M??tt?J，A reva S，et al．Chemical resistance and cleanability of coated glazed surfaces[J]．Journal of the European Ceram ic Society，2009，9：1855-1860．

[11]梁金生，王麗娟，孟軍平，等．陶瓷易潔性及評價方法研究[J]．中國建材科技，2006，18（3）：107-111．

[12]張晉．超級親水易潔陶瓷材料的研究[D]．天津：河北工業(yè)大學，2006．

[13]胡世豪．超級親水易潔抗菌功能陶瓷的制備與評價[D]．天津：河北工業(yè)大學，2008．

[責任編輯 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

地方高校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（201210080002）；“十二五”國家科技支撐計劃項目重點課題（2011BAE30B04）

王麗娟（1977-），女（漢族），副研究員，博士．