摘 要：陶器是歷史最悠久的容器。相對(duì)于其他材質(zhì)的日用容器，陶器粗糙多孔的表面，在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些特殊的表現(xiàn)，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(xiàn)象雖然在生活中觀察到，但從未進(jìn)行過(guò)專門(mén)研究論證。本研究以建水紫陶為主要研究對(duì)象，對(duì)比其他材質(zhì)的容器，在相同條件下進(jìn)行蒸發(fā)的實(shí)驗(yàn)，分析了容器材質(zhì)對(duì)蒸發(fā)的影響，并結(jié)合掃描電鏡等手段，對(duì)機(jī)理進(jìn)行分析探索。研究發(fā)現(xiàn)，在紫陶容器里面水的蒸發(fā)速度明顯快于其他材質(zhì)（玻璃、塑料、瓷器等）的容器，而紫陶表面的多孔結(jié)構(gòu)形成的毛細(xì)效應(yīng)以及紫陶材質(zhì)本身的親水的特性是其主要原因。

關(guān)鍵詞：建水紫陶；蒸發(fā)；接觸角；毛細(xì)效應(yīng)

1 背景

陶器伴隨著人類文明從原始到現(xiàn)代，在現(xiàn)代的生活中仍然起到巨大的作用。目前我國(guó)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(chǎng)合基本與水和熱有關(guān)，如燉鍋、汽鍋、茶具等。因此為了提高日用陶的使用體驗(yàn)，在陶器的材料選擇和器型設(shè)計(jì)上，應(yīng)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(xì)瓷湯鍋熱穩(wěn)定性的研究進(jìn)展文章中，林偉河等人[2]簡(jiǎn)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(xùn)彥等人[3]采用鋰輝石為主要原料，向樣品中添加15 %的膨潤(rùn)土，使用球磨制備陶瓷泥漿，注漿成型后燒結(jié)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(shí)際上，陶器使用過(guò)程中的很多特性實(shí)際上是陶與水之間的關(guān)系，但是這方面中外的研究卻都極少見(jiàn)到。

水的蒸發(fā)是液態(tài)到氣態(tài)的過(guò)程，屬于汽化現(xiàn)象的一種[4]，是一個(gè)吸熱過(guò)程[5]。在一定溫度下的小系統(tǒng)里面，水會(huì)與表面的蒸汽達(dá)成熱力學(xué)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(huì)不斷流失，液體也會(huì)不斷蒸發(fā)，直到最后全部蒸干[6]。當(dāng)然蒸發(fā)的過(guò)程與表面積具有很大的關(guān)系[7]。不同材質(zhì)的容器由于其表面特性、熱傳導(dǎo)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(zhì)[8]、溫度 [9]、表面空氣流速 [10]、壓強(qiáng)[11]、表面粗糙度、表面張力等因素影響。

在建水紫陶茶具實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水杯中有剩余水分的時(shí)候，紫陶杯子往往非常容易發(fā)生剩余水分快速蒸干的現(xiàn)象。這是一個(gè)防止因?yàn)殚L(zhǎng)期放置剩水而導(dǎo)致發(fā)霉的有利的特性，這也應(yīng)該是所有陶器的共同特點(diǎn)。基于這個(gè)特點(diǎn)，我們以建水紫陶器具為代表，對(duì)陶器表面的水的蒸發(fā)特性為出發(fā)點(diǎn)，研究具體蒸發(fā)的現(xiàn)象，并嘗試從材料和結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行闡釋。

2實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用大小形狀基本一致（碗狀容器的開(kāi)口直徑12.2±0.3 cm，高度6.0±0.5 cm；杯狀容器的開(kāi)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(shí)驗(yàn)材料選用水、甲基藍(lán)試劑（AR，99%）。

2.2蒸發(fā)量測(cè)試

將不同材質(zhì)的碗狀容器、杯狀容器洗凈放入干燥箱內(nèi)50℃的溫度下干燥30 min后冷卻稱重，再分別向每個(gè)容器中加入等質(zhì)量的水，將全部容器放置在相同的環(huán)境中，開(kāi)始計(jì)時(shí)并觀察每個(gè)容器中水的蒸發(fā)情況，記錄同一時(shí)間不同容器的蒸發(fā)量，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、2所示。

2.3蒸發(fā)過(guò)程觀測(cè)

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

2.4陶器表面接觸角測(cè)試

準(zhǔn)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(jìn)行觀察。

3結(jié)果與討論

通過(guò)不同材質(zhì)的碗狀容器稱重實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，水在紫陶碗里的蒸發(fā)速度與其他材質(zhì)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(shí)段的四個(gè)蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)中，紫陶碗的蒸發(fā)速度明顯快于其他材質(zhì)的碗，當(dāng)蒸發(fā)時(shí)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(shí)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，其測(cè)試結(jié)果都顯示紫陶碗的蒸發(fā)速度明顯快于其他材質(zhì)的碗，如圖1所示。不同的實(shí)驗(yàn)下，因?yàn)檎舭l(fā)受溫度、空氣流速、壓強(qiáng)等因素影響，所以不同時(shí)間下的蒸發(fā)速度有所不同。

為了驗(yàn)證不同器型的影響，我們通過(guò)不同材質(zhì)的杯型容器蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。在相同條件下，水在紫陶杯里的蒸發(fā)速度與其他材質(zhì)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(shí)驗(yàn)中，其蒸發(fā)間隔測(cè)試時(shí)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(kāi)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(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了陶器的蒸發(fā)性能最佳。相對(duì)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(zhì)的杯型容器的蒸發(fā)速度之間的差別也相對(duì)小一些。這個(gè)與杯型容器的深度以及開(kāi)口尺寸有關(guān)，杯型容器的開(kāi)口小、深度大，容器內(nèi)外的氣體對(duì)流與物質(zhì)交換的速度相對(duì)較低，而且已經(jīng)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(shí)驗(yàn)對(duì)比可以看出來(lái)，不同的器型的紫陶對(duì)水的蒸發(fā)的速度都是明顯快于相同器型的其他材質(zhì)的器物。相對(duì)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(duì)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(guān)系。在蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，水在紫陶器具里面的時(shí)候，水漬會(huì)沿著紫陶的內(nèi)壁向上延伸，導(dǎo)致整個(gè)陶瓷內(nèi)壁都被潤(rùn)濕。如此增加了蒸發(fā)面積，也因此會(huì)加快了水的蒸發(fā)速度。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)用的水呈無(wú)色透明，為進(jìn)一步觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，我們使用甲基藍(lán)溶液作為蒸發(fā)對(duì)象，讓甲基藍(lán)溶液在蒸發(fā)過(guò)程中留下顏色作為標(biāo)記，可以清楚地看到不同實(shí)驗(yàn)階段上升的程度。

圖3（a）、圖4（a）所示為甲基藍(lán)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(lái)，在蒸發(fā)過(guò)程中溶液在紫陶內(nèi)壁上發(fā)生浸潤(rùn)，而且浸潤(rùn)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(nèi)壁上的孔洞發(fā)生蒸發(fā)以后，孔洞重新干燥，同時(shí)又會(huì)從底下的液體部分再次虹吸補(bǔ)充，這是個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程?？梢酝茰y(cè)，剛發(fā)生表面潤(rùn)濕的時(shí)候，內(nèi)壁表面上，蒸發(fā)的速度和浸潤(rùn)會(huì)繼續(xù)發(fā)生和擴(kuò)大；而在一定階段，內(nèi)壁表面，尤其是高位部分，蒸發(fā)的速度等于虹吸速度，這時(shí)候達(dá)到平衡，表面浸潤(rùn)不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，也就是達(dá)到最高位置；隨著蒸發(fā)的進(jìn)行和液面的下降，以及可能某個(gè)時(shí)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(lán)的印記。如此直到最后全部蒸發(fā)干燥，遺留下來(lái)甲基藍(lán)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(guò)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(guān)聯(lián)。紅泥紫陶大約4.5 h后達(dá)到最高點(diǎn)，白泥紫陶大約3.5 h后達(dá)到最高點(diǎn)。甲基藍(lán)溶液完全干燥以后，將紫陶切開(kāi)，從橫截面可以看出來(lái)，初始液面，浸潤(rùn)上升的最高液面，以及蒸發(fā)過(guò)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(lán)溶液完全蒸發(fā)后最高浸潤(rùn)面到達(dá)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(dòng)，選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)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(lán)溶液初始蒸發(fā)液面與甲基藍(lán)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(hào)筆的位置未發(fā)生任何變化。

甲基藍(lán)溶液的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)可以看出來(lái)，溶液不但會(huì)沿著陶面向上攀升，而且甲基藍(lán)溶液自然蒸干的痕跡的顏色從上到下由淺變深，說(shuō)明了在蒸發(fā)過(guò)程中，液面上方的紫陶內(nèi)壁的孔隙里面的液體與水溶液的水體是不斷進(jìn)行傳質(zhì)交換的，而且紫陶面的蒸發(fā)速度超過(guò)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(lán)的濃度不斷變大，從而導(dǎo)致甲基藍(lán)痕跡從上到下，顏色出現(xiàn)漸變的現(xiàn)象。

另外，從瓷器以及塑料的干燥痕跡可以看出來(lái)比較明顯的咖啡環(huán)現(xiàn)象[12]，尤其是杯底的部分。所謂咖啡環(huán)效應(yīng)是因?yàn)橐旱卧谡舭l(fā)過(guò)程中，液滴邊緣的表面積相對(duì)其他部分更大，導(dǎo)致水分的蒸發(fā)速度更快，使得溶質(zhì)在邊緣位置累積，最后形成顏色較深的環(huán)狀圖案。這是因?yàn)榇善饕约八芰媳砻婀饣淮嬖谌缤掌鲀?nèi)表面的粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，因此咖啡環(huán)現(xiàn)象明顯。而陶瓷內(nèi)表面因?yàn)榇植诙嗫?，水滴容易暈開(kāi)，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(yīng)。

陶器內(nèi)部的水沿著陶器內(nèi)壁向上浸潤(rùn)爬升，其原因是陶器表面以及內(nèi)部布滿了聯(lián)通的孔道。從圖7的微觀照片可以看出來(lái)，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?yàn)榭讖胶苄?，為毛?xì)效應(yīng)創(chuàng)造了很好的條件。毛細(xì)效應(yīng)發(fā)生的原因，是毛細(xì)管的管徑很小，導(dǎo)致親水材質(zhì)的管道內(nèi)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(lái)，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(xì)管效應(yīng)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(nèi)部的孔隙R越小。

通過(guò)紫陶表面接觸角實(shí)驗(yàn)，觀察到紫陶的接觸角均小于90度，說(shuō)明紫陶表面是親水性的，水較易潤(rùn)濕紫陶，紫陶的接觸角小，表面張力大，毛細(xì)效應(yīng)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(nèi)部的空隙，顯然是由于陶泥的顆粒形成的，而且表面由于沒(méi)有玻璃特性的釉層的保護(hù)，其空隙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的。在蒸發(fā)過(guò)程中除了水體表面的液體蒸發(fā)，水可以通過(guò)陶的空隙的毛細(xì)效應(yīng)向上擴(kuò)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(nèi)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(guò)不同泥料廠的粒徑分析結(jié)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(jiàn)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(duì)水的毛細(xì)效應(yīng)越明顯，其自然蒸發(fā)的速度也會(huì)越快。通過(guò)表面浸潤(rùn)的高度，以及一些相關(guān)的數(shù)據(jù)，可以大概估算出孔徑的大小。按照浸潤(rùn)高度紅泥為2.9 cm左右，白泥為3.3 cm左右。根據(jù)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(dāng)然具體cosθ的值肯定小于1，其實(shí)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(jù)我們通過(guò)壓汞測(cè)試的孔徑分布，紅泥的平均的孔徑為810 nm，白泥為210 nm[14]，遠(yuǎn)小于通過(guò)虹吸效應(yīng)得到的數(shù)值。

4結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了陶器與水的相互作用明顯不同于其他材質(zhì)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(xiàn)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(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及分析，認(rèn)為陶器內(nèi)表面粗糙多孔的結(jié)構(gòu)，使得液體水通過(guò)表面的孔結(jié)構(gòu)的虹吸效應(yīng)，沿著內(nèi)壁上升，從而增加了蒸發(fā)面積加快蒸發(fā)速度，實(shí)現(xiàn)快速干燥。因此可能具有減少細(xì)菌滋生的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)甲基藍(lán)溶液的蒸干實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)陶器表面干燥過(guò)程的特性，表現(xiàn)出與光滑表面咖啡環(huán)效應(yīng)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