詹建懷

摘 要：本文探討了日用玻璃陶瓷的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，包括分析日用玻璃陶瓷的特性，與日用陶瓷特性的比較。重點研究了產(chǎn)品研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的主要環(huán)節(jié)，為研發(fā)、創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供思路。

關健詞：日用玻璃陶瓷；研發(fā)；產(chǎn)業(yè)化

1 引言

日用玻璃陶瓷是一種采用玻璃陶瓷材質、具備日用（包括可以用于接觸食物）特性和功能的器具，如盤、碗、杯、碟、匙、壺、鍋等。

GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》標準的術語和定義中，對玻璃陶瓷的定義為“由結晶相和玻璃相構成的一類復合材料，一般通過對玻璃進行適當加熱處理以使玻璃體內產(chǎn)生足量結晶相而獲得”；對日用玻璃陶瓷的定義為“供日常使用的玻璃陶瓷制品”[1]。

玻璃是一種非晶態(tài)的無機非金屬材料，玻璃陶瓷是由足量微晶和玻璃構成的復相無機材料。玻璃陶瓷由結晶相和玻璃相二者構成，其原料也比普通玻璃更復雜。在復合材料中加入易于誘導析晶的物質（如氟化物材料）時，有利于結晶相形成，在適當溫度環(huán)境中，晶體得以生長。具有足量結晶相的玻璃陶瓷相對普通玻璃，在力學性能和抗熱震性等方面有較大變化和改善。這種變化和改善，可使制品的功能和特性變化和提升。

玻璃和陶瓷都是以硅酸鹽礦物為主要原料，除了各自組成的原料品種不同之外，制品生產(chǎn)工藝還有差異。陶瓷是材料經(jīng)成型之后再進行燒制；玻璃和玻璃陶瓷都是對材料熔煉成液體后再進行成型。玻璃陶瓷沿用了玻璃的制備工藝，同時增加溫度對晶體培育環(huán)節(jié)，這種工藝相對陶瓷更適用于機械化和自動化生產(chǎn)。

日用玻璃陶瓷可以制成近似于日用陶瓷的器型，其顏色變化可以避開著色劑的作用，而是通過晶體與外部光線的作用，使制品產(chǎn)生顏色變化，如高白度日用玻璃陶瓷，其白度可高于普通日用陶瓷，白度均值可達到84.1W。

日用陶瓷通常是在胎體上施釉，其胎體是陶或瓷質，其釉層性質是玻璃；而日用玻璃陶瓷不需施釉，其胎體內外材質相同。在化學穩(wěn)定性方面，日用玻璃陶瓷與日用陶瓷相近，日用玻璃玻璃陶瓷更優(yōu)良，不存在釉面磨損或破壞之后，抗腐蝕能力產(chǎn)生變化的問題。日用玻璃陶瓷在晶相變化和材料熱膨脹系數(shù)改進之后，其制品的物理性能可以優(yōu)于日用陶瓷，包括制品耐碰撞、硬度高而耐劃磨、耐熱性提高等方面。

20世紀50年代，美國康寧公司率先研發(fā)了玻璃陶瓷，也利用玻璃陶瓷材料制作出日用玻璃陶瓷，其生產(chǎn)技術和產(chǎn)品銷售至今還處于世界的領先地位。中國大陸在日用玻璃陶瓷的研發(fā)和生產(chǎn)方面起步較慢，但在近幾年來有較快的發(fā)展，特別是高白度日用玻璃的質量和產(chǎn)量方面均有大幅度提升。目前，中國大陸生產(chǎn)的日用玻璃陶瓷已批量出口，出口量大于內銷量。

日用玻璃陶瓷在中國具有廣闊的發(fā)展前景。由于日用玻璃陶瓷的技術和生產(chǎn)工藝不同于日用陶瓷，國內行業(yè)對日用玻璃陶瓷的認識和實踐慢于國外發(fā)達國家的相關行業(yè)，對日用玻璃陶瓷的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面必須加強探索和研究，有助于產(chǎn)業(yè)的有效、快速和可持續(xù)發(fā)展。

2 產(chǎn)品的研發(fā)

日用玻璃陶瓷的產(chǎn)品研發(fā)，與其它產(chǎn)品的研發(fā)流程有著近似的方面，都必須經(jīng)歷策劃、計劃、設計開發(fā)的實施等階段，還必須包括設計開發(fā)的評審、驗證、確認等方面。根據(jù)產(chǎn)品特性和要求，采用恰當?shù)难邪l(fā)方法，使設計開發(fā)產(chǎn)生效果，并對后續(xù)的生產(chǎn)產(chǎn)生作用。

2.1研發(fā)的策劃

產(chǎn)品研發(fā)的策劃，包含了可行性研究過程。應對產(chǎn)品的發(fā)展前景，包括市場前景、技術背景進行調查和分析；應明確研發(fā)產(chǎn)品、包括品種的目標市場、消費群體的需求，也包括潛在需求；應確定產(chǎn)品檔次以及性價比優(yōu)勢，避免產(chǎn)品在市場的同質化或高成本低售價；應明確產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的技術背景，確保產(chǎn)品生產(chǎn)中獲得成熟生產(chǎn)技術和工藝。由于日用玻璃陶瓷偏重機械化，自動化和連續(xù)式生產(chǎn)，生產(chǎn)必須達到一定規(guī)模，投資和相關配套必須相匹配，這些方面，都必須經(jīng)過研究和分析。國內曾有企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)和小批量生產(chǎn)之后就停滯不前，或項目中途下馬，主要原因在于可行性研究不充分，技術和資源無法匹配，需要解決和配套問題無法落實。

產(chǎn)品研發(fā)的策劃應形成計劃，包括目標和輸出的要求、資源要求等。計劃應進行設計開發(fā)階段劃分，確定各階段的評審、驗證和確認活動、明確人員的職責和權限，確保各個方面之間的接口不脫節(jié)。研發(fā)策劃中應包括設計開發(fā)的輸入和輸出要求，輸入的要求主要有：產(chǎn)品特性和功能要求、采用的標準等；輸出的要求主要有：滿足輸入的要求、為采購、生產(chǎn)提供信息、確定產(chǎn)品接收準則、確定產(chǎn)品安全和正常使用所必需的特性等。

2.2研發(fā)實施

2.2.1原料配方

原料配方關系到日用玻璃陶瓷的外觀顏色和內在晶體形態(tài)，對制品的衛(wèi)生和物理性能也有影響。傳統(tǒng)的玻璃可分為硼硅玻璃和鈉鈣玻璃兩大類，而日用玻璃陶瓷不是鈉鈣玻璃，也不是完全的硼硅玻璃，比較接近硼硅玻璃，但其配方中的材料比硼硅玻璃更加復雜。

目前，日用的玻璃陶瓷絕大多數(shù)為乳白色，近似于日用陶瓷。要使制品白度提高，不是采用著色劑調控的方式，而是在于晶態(tài)控制。原料配方中應考慮到晶核的產(chǎn)生、晶體的生長，制品中的晶體比例通常在30 ～ 70%之間。配方研究是研發(fā)中關鍵技術之一，并與后續(xù)成型及溫度處理等工藝相結合，才能使制品質量達到設計的要求。下面提供筆者所在企業(yè)發(fā)明專利的一例配方，曾采用該配方制備出高白度日用玻璃陶瓷（見表1）。

2.2.2產(chǎn)品器型設計

產(chǎn)品品種及器型設計以市場需求為導向。應考慮到目標市場中消費群體的生活習慣和要求；應與后續(xù)生產(chǎn)的工藝特點相結合。例如：外銷產(chǎn)品應考慮到國外消費者以冷食為主，盤子應淺，碗宜大，如沙拉碗是供蔬菜和調料混合時使用，容積不能太??；內銷的中餐具則不同，應適應熱食，深盤可容少量的湯汁，飯碗及湯碗規(guī)格不同。內銷產(chǎn)品可套裝設計，按日用陶瓷的套裝為32頭、48頭等，配備盤、碗、盆、匙、碟等。由于制品成型工藝的特點，日用玻璃陶瓷餐具下面不帶腳，以平底為主。器皿內面接觸食物部分應盡量光滑，便于清洗；接觸桌面部分不能太光滑，防止使用時器皿容易在桌面滑動。

制品外觀裝飾可以采用貼花、彩繪等形式，可以借用日用陶瓷的外觀裝飾方式，但其顏色料及烤彩工藝與日用陶瓷有所區(qū)別。鉛、鎘溶出量控制是一項衛(wèi)生需求，因而在花面設計中，應同時考慮到顏色料及花面顏色對鉛、鎘溶出量的影響，盡量減少碳酸鎘、鉛丹等易于導致鉛、鎘溶出量超標的原料加入。

產(chǎn)品器型及外觀裝飾設計中，可參考訂貨商的要求，如國外客戶通常喜歡來圖訂貨。當來圖與生產(chǎn)工藝及衛(wèi)生要求等產(chǎn)生矛盾時，應與客戶協(xié)商并做修改。企業(yè)自行設計和創(chuàng)新的器型及花面，可以通過市場調查，直接征求消費者意見等形式，確保產(chǎn)品器型和花面適應于市場并為消費者所歡迎。下面提供一組日用玻璃陶瓷的產(chǎn)品圖片（見圖1）。

2.2.3樣品制作

設計開發(fā)到批量生產(chǎn)，通常經(jīng)歷小試、中試和批量生產(chǎn)過程。樣品制作是設計開發(fā)連接小試的階段。這一過程包括產(chǎn)品及模具圖紙設計、模具的制作或改進、生產(chǎn)工藝的選用、設備的選用。樣品制作中可由多個專業(yè)工作小組配合進行，各自承擔某一階段工作，既分工又合作。各個階段工作應保持接口，防止相互脫節(jié)。應保持信息溝通和反饋，特別是涉及必要的更改時，應進行論證。條件許可時，樣品制作可放在規(guī)?；a(chǎn)線上制作，考核配方、工藝在批量生產(chǎn)的適應性。有些樣品制作成功，而在批量生產(chǎn)過程出現(xiàn)了許多不適應問題，原因之一是試制室與生產(chǎn)線的條件差異所導致。

2.2.4研發(fā)的驗證

驗證的主要目的之一是確保研發(fā)的輸出滿足輸入的要求。驗證是通過提供客觀證據(jù)來證明設計開發(fā)的成果是成功和有效的。作為日用玻璃陶瓷研發(fā)的驗證，通常可以針對研發(fā)的各個階段及產(chǎn)品。配方、圖紙、模具等，可以在樣品制作過程得到驗證，生產(chǎn)工藝放到生產(chǎn)線上進行驗證，產(chǎn)品可以通過檢驗和試驗進行驗證。有效的驗證是研發(fā)成功的一種保障。

樣品制作過程雖然涉及配方、模具、生產(chǎn)工藝等，但量少和規(guī)模小，與生產(chǎn)線上生產(chǎn)存在條件上的差異，存在偶然性風險。例如，樣品制作過程順利，而在后續(xù)的批量生產(chǎn)中可能會發(fā)現(xiàn)不適應?？梢酝ㄟ^多次，或變換方式和條件進行驗證。產(chǎn)品驗證應通過檢驗和試驗，應包括產(chǎn)品安全衛(wèi)生、外觀、物理性能等方面的檢測。企業(yè)有實驗室條件時，應在企業(yè)內部進行檢測，也應送到有資質的外部機構進行檢測。產(chǎn)品驗證應依據(jù)相關的標準，可以采用現(xiàn)有的國標、行標或地方標準，有些新產(chǎn)品或企業(yè)認為必要嚴于外部標準要求時，可制定企業(yè)標準。日用玻璃陶瓷目前已有GB/T 30771-2014標準可執(zhí)行，如果產(chǎn)品外銷，還可對應產(chǎn)品接收國家的要求。

2.2.5研發(fā)的確認

確認是通過提供客觀證據(jù)，對特定的要求已得到滿足的認定，確認可以是實際或是模擬的。在企業(yè)內部，確認可以在驗證的基礎上進行，可由多個相關方面進行確認，應有一定理論基礎和豐富實踐經(jīng)驗人員參與確認。在企業(yè)外部，可請消費者，特別是國外客戶直接要求的產(chǎn)品，應請客戶代表參與產(chǎn)品確認。在現(xiàn)有的產(chǎn)品外貿慣例中，客戶會在取得產(chǎn)品樣品后，在境外或委托第三方機構進行檢測，對器型、外觀方面進行確認?？蛻舻拇_認應保持記錄和證據(jù)。

2.2.6研發(fā)的評審

評審的作用包括：研發(fā)結果是否符合策劃和計劃的要求；發(fā)現(xiàn)并提出必要的糾正、補充或更改。評審可以針對研發(fā)的某一個階段，如配方的評審、圖紙的評審、樣品的評審，也可以是研發(fā)結果的總評審。評審應結合策劃和計劃的要求，當發(fā)現(xiàn)不能滿足要求時，應分析原因，擬定糾正或改進措施，包括必要的更改。評審的參加人員應包括有關的職能代表。在研發(fā)開始至完成階段，最少應進行最終評審?？山Y合驗證、確認的結果進行綜合評價，并確認研發(fā)的輸出，包括提供的采購、生產(chǎn)工藝、技術規(guī)范，標準等方面信息是否完整和充分。

2.2.7更改

研發(fā)過程中經(jīng)常會涉及必要的更改。任何更改都應進行評審、驗證和確認。因為更改可能會涉及和影響相關聯(lián)的一些方面，一項更改有時會涉及其它多方面的更改。因此，更改不可以是隨意性的。更改的結果應進行驗證和確認，如配方更改可能會引起產(chǎn)品性能的變化；樣品的更改可能會脫離客戶的要求；杯蓋尺寸的更改可能會影響杯蓋與杯體的尺寸配合。

2.2.8研發(fā)的記錄

研發(fā)的過程，包括各個階段均應保持記錄，包括信息、數(shù)據(jù)等方面的記錄。評審、驗證、確認和更改的記錄必須保存，最好是保存原始的記錄。在電腦普及的目前，記錄可由電腦保存，方便查閱，但應備份、防止信息丟失。記錄對于后續(xù)的生產(chǎn)和今后類似的研發(fā)方面都具有重要作用。

3 產(chǎn)業(yè)化

研發(fā)成果可以轉化并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，成果的社會和經(jīng)濟效益將通過產(chǎn)業(yè)化來體現(xiàn)。日用玻璃陶瓷的產(chǎn)業(yè)化與其它輕工產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化有著許多相同之處，但也有特殊的方面。

由于日用玻璃陶瓷的生產(chǎn)中，包含產(chǎn)品生產(chǎn)的機械化、連續(xù)式生產(chǎn)等特點，通常都需要規(guī)?；洼^大的投資。日用陶瓷或一些普通玻璃器皿生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模可大也可小，比較靈活；而日用玻璃陶瓷產(chǎn)業(yè)化時，產(chǎn)量通常都較大，如美國康寧和法國弓箭等公司屬下的工廠都具有一定規(guī)模和生產(chǎn)能力。如果采用較小的規(guī)模，只能針對性地生產(chǎn)一些個性化較強的產(chǎn)品。企業(yè)應根據(jù)產(chǎn)品的品種、產(chǎn)量規(guī)劃生產(chǎn)場地、設備、配套專用模具；應研究并確定原料配方、配備檢測手段、制定生產(chǎn)工藝規(guī)范。

3.1廠房

日用玻璃陶瓷的生產(chǎn)通常采用通用廠房。廠房應具有一定高度，確保熔煉爐等設備可安裝；廠房應可容下熔爐、成型機，隧道式退火爐等主要設備，這些設備通常為連續(xù)式生產(chǎn)線；廠房應有利于排氣通風、應安排產(chǎn)品的臨時貯存和工具車的運轉。

3.2 主要設備

3.2.1 熔煉爐

目前較為先進的熔煉爐是冷頂熔煉爐，采用電力加熱。在爐的中、下層部分設置加熱裝置，爐的下端設置出料口（輸出已經(jīng)熔煉的玻璃漿），供產(chǎn)品成型使用。經(jīng)配制的固體顆粒原料從爐頂開口處均勻投入，原料下沉至爐的中、下層時被加熱熔煉并形成玻璃漿輸出使用。由于爐頂投入和爐下輸出保持均衡和同步，爐內的上面層始終保持一層冷料，這層冷料有效地阻擋下部熱氣和揮發(fā)氣體的逃逸，具有節(jié)能和環(huán)保作用。

生產(chǎn)企業(yè)有能力進行創(chuàng)新和設備改進時，可將熔爐從一道供料（出漿）供給一臺成型機形式，改進成多道供料配備多臺成型機，改變原有的一座熔爐配備一條供料道和一臺成型機生產(chǎn)單一品種的局限，使一座熔爐的輸出可以同時生產(chǎn)不同花色品種。這種方式可以實現(xiàn)少投資，提高設備利用率，滿足多品種同時布產(chǎn)的需求，而且更加節(jié)能和降低生產(chǎn)成本。下面為一種熔化爐三道導料的輸送裝置圖（見圖2）。

3.2.2 成型設備及模具

日用玻璃陶瓷的成型方式與普通玻璃器皿的成型方式有許多近似之處，與日用陶瓷和建筑陶瓷的成型方式完全不同。日用玻璃陶瓷的成型通常是將經(jīng)熔煉的玻璃漿計量投放進模具，由模具通過擠壓，使制品成型。離心甩制是日用玻璃陶瓷成型的創(chuàng)新方法，適用于生產(chǎn)扁平或深度一般的器型，如盤、碟、碗、盆等。

目前，日用玻璃陶瓷的成型通常是模具與成型機結合。與自動生產(chǎn)線相配套的成型機大多數(shù)為多工位的，以轉盤帶動模具移動，采用機械方式進行開模，由機械手移動經(jīng)成型的工件，將工件從模具中轉移到輸送裝置上。

模具通常由鋼質材料制成。模具可以是公模和母模組合，也可以是只設母模。采用離心甩制的成型方式則只有母模，玻璃漿計量投入母模中，母模轉動發(fā)生的離心作用，使玻璃漿沿著母模內壁延伸和展開，玻璃漿固化后則成為器皿。離心甩制的器皿內腔表面沒有公模的摩擦，表面光滑度較高；而器皿外表面與母模摩擦，光滑度較差。這種情況，符合器皿的使用要求，使接觸食物部分衛(wèi)生易清洗，器皿外部有防滑作用。

制品在成型過程中，計量投料關系到制品的厚度、重量。當投料量偏差時，會導致制品殘缺或報廢。采用精準投料控制對于制品成型的合格率有較大的保障，投料的時機及目標位置必須準確。在技術創(chuàng)新中，采用紅外線探測并控制精準投料，是制品連續(xù)式生產(chǎn)中的一種有效手段。下面提供一種紅外線精準導料的多工位成型裝置示意圖（見圖3）。

3.2.3成型制品的退溫、晶化或鋼化

制品在成型之后熱度較高，需要退溫并消除內應力；日用玻璃陶瓷在成型過后還存在內部晶化過程；有些制品需要進行鋼化。以上工藝可以分開各自進行，也可在生產(chǎn)線上合并進行和綜合控制。

日用玻璃陶瓷的晶化除了原料中加入了形核劑材料，可以誘導析晶的因素外，還在于特定的溫度環(huán)境中使制品產(chǎn)生晶相變化。在生產(chǎn)線上，退溫和晶化處理可以合并進行，可以通過對階段時間溫度的有效控制，完成晶化處理和退溫。在生產(chǎn)線上，晶化的結果很難從肉眼直觀感覺到，工藝的控制和設備的可控精度是晶化效果的保障。鋼化處理可提高制品材質的密度，使制品強度等物理性能優(yōu)化。鋼化通常是采用急冷方式，可以是風冷或吸熱物質（如水、礦物油等）快速吸熱。鋼化可獨立進行，也可在生產(chǎn)線上合并進行。

3.2.4冷加工

經(jīng)成型和處理的制品表面可能會存在一些外觀缺陷，如模痕（模具合縫痕跡及工具吸附痕跡），這些缺陷除了影響美觀或使用安全外，部分缺陷可能會引起應力的變化。如制品表面裸露的點或坑，可能會引起制品內部的應力集中，導致制品易于破損或抗熱震性下降。制品表面的光滑，可形成較好的壓應力。一般的冷加工（如機械修磨）不會產(chǎn)生化學作用，只是產(chǎn)生外觀效果和物理作用。當采用化學清洗劑清洗制品表面殘留污物時，應防止化學物質對制品表面層的破壞，應清除化學物質在制品表面的殘留。

3.2.5外觀裝飾

日用玻璃陶瓷的外觀裝飾近似于日用陶瓷，可以采用彩繪或貼花紙形式。使用的顏色料應盡量采用結晶材料，熔點較低，而且烤彩溫度在700℃以下較適宜。太高的烤彩溫度可能導致制品的晶體變化，但較低溫度則存在鉛、鎘溶出量超標的風險。除了顏色料中減少鉛、鎘相關材料的引入之外，在烤彩中應保證充分的氧化氣氛?？静矢G爐的排氣通風應良好，讓分解和揮發(fā)的物質和氣體充分排放。采用輥道、網(wǎng)帶傳送、隧道式等連續(xù)式生產(chǎn)窯爐較為適應。烤彩溫度應均勻，應建立烤彩制度并嚴格試行。采用試燒方式，對樣品進行檢測，確認質量和工藝符合要求時才進行批量生產(chǎn)。采用樹脂花紙膜層夾在制品中間，使玻璃層完全遮蓋花面方式，能達到衛(wèi)生和美觀效果，但其成型方式改變，采用復合方式時工藝較為復雜，技術難度較高，而且需要專用設備。

3.2.6產(chǎn)品主要質量要求

日用玻璃陶瓷的主要質量要求包括：外觀質量、抗熱震性、鉛、鎘、砷、銻溶出量、微波爐適應性、產(chǎn)品規(guī)格誤差等。

抗熱震性是要求產(chǎn)品在使用時遇到一般的冷熱驟變時制品不開裂；鉛、鎘、砷、銻的溶出量限定是衛(wèi)生要求。鉛、鎘溶出量限定與日用陶瓷相同，主要是針對裝飾花面顏色料中含鉛、鎘物質的殘存和裸露時、被酸、堿侵蝕而分解溶出；在一些玻璃制品中，可能會有加入砷、銻物質，起到對玻璃漿的澄清作用。目前的日用玻璃陶瓷生產(chǎn)中，基本不存在專門加入砷、銻材料現(xiàn)象。日用玻璃陶瓷的標準制定中，為防止砷、銻有可能存在和溶出，在技術要求中特加入砷、銻溶量限量要求。筆者在歷年自產(chǎn)產(chǎn)品的送檢中，以及國內目前生產(chǎn)的同類產(chǎn)品中，尚未發(fā)現(xiàn)砷、銻溶出量超標現(xiàn)象。

日用玻璃陶瓷常被消費者用于微波爐加熱食物。在實踐中，當制品抗熱震性符合標準要求時，微波爐上使用通常也能符合。標準對制品的外觀和規(guī)格誤差作出限定，確保制品規(guī)范化。外銷產(chǎn)品中，產(chǎn)品接收方可能會對外觀和規(guī)格誤差提出新的要求，可以通過工藝的處理得以滿足。

4 結論

日用玻璃陶瓷的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，是日用餐飲具、廚具生產(chǎn)行業(yè)的一項研究課題。分析并明確日用玻璃陶瓷制品的功能特性和目標市場，加強研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的研究，可以幫助企業(yè)少走彎路，促進項目的有效實施和產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。在研發(fā)中通過有效地策劃和計劃，并強化驗證、確認和評審，能使研發(fā)輸出和結果達到預期目的，從而使成果轉化和產(chǎn)業(yè)化更加順利和有效。產(chǎn)業(yè)化中選用適宜的技術、工藝、配套較先進的設備和模具，有利于產(chǎn)品檔次和質量的穩(wěn)定和提升，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的總體業(yè)績。

參考文獻

[1] GB/T 30771—2014日用玻璃陶瓷[s].2014.