可降解環保陶瓷的制備及性能研究

吳軍明 吳雋 李其江 張茂林 袁文瓚

（1.景德鎮陶瓷學院，景德鎮：333001；2.景德鎮出入境檢驗檢疫局，景德鎮：333000）

1 引言

中國是當今世界陶瓷生產大國，現有宏大的生產規模，近千萬的陶瓷從業人員，配套完整的產業鏈，驚人的產量[1]。截止2007年底，我國僅日用陶瓷一項年產量就已達130億件[2]。然而，陶瓷制品生產過程中耗能高、廢棄過程中處理難，造成的環境污染和資源短缺等問題，也逐漸凸顯出來，并已成為陶瓷行業可持續發展所不容忽視的問題。

針對上述問題，世界各國正在尋求各種有效的解決途徑[3-6]，可自然風化降解環保陶瓷也正是在這種形勢下應運而生。1999年以來，中國建材網、中國建材報訊、福建之窗、中國陶瓷企業網等相繼報道了在我國福建德化等地成功開發了一類在較低溫度下（即比傳統陶瓷制品低100～200℃）一次燒成，且破碎后丟棄于自然界中可在較短時間內（半年至一年左右）自然風化降解的新型輕質環保陶瓷。然而，有關可自然風化降解環保陶瓷的降解機理、制作工藝等的研究和報道卻非常少[7-8]。因此，深入探索這類新型輕質環保陶瓷的工藝特征，不僅對于指導我國陶瓷生產，提升我國陶瓷制品質量，降低生產過程中的能耗和廢棄過程中帶來的環境問題具有非常重要的現實意義，還將為實現陶瓷生產可持續發展打下堅實基礎。

2 實驗方法

2.1 德化、潮州樣品測試分析

選擇了德化、潮州生產的5件典型可風化降解環保陶瓷樣品，為了探明此類新型可風化降解環保陶瓷的工藝特征信息，揭示新型可風化降解環保陶瓷的原料配方，實驗采用美國EDAX公司生產的Eagle-Ⅲ超大樣品室能量色散X熒光能譜儀，測試分析了樣品胎體的化學組成，結果如表1。同時，還采用高溫熱膨脹儀、真空吸水率測試儀等方法對樣品胎體的燒成溫度、吸水率等性能進行了測試分析，結果如表2所示。

2.2 可風化降解環保陶瓷的制備和性能測試

在測試分析及前期工藝探索實驗的基礎上，研究選擇以粘土、長石、石英、石灰石為原料，通過調整配方中各種原料的加入量進行了系列試制實驗。同時，為了研究實驗制品的風化降解性能，并分析探討配方改變對制品風化降解性能的影響情況，選擇將實驗制備的樣品和德化、潮州所產可風化降解陶瓷分別進行人工模擬風化降解實驗，即將每個樣做成三塊重量為10克左右的塊狀樣品烘干稱重記錄，然后分別置于常溫下裝有1%稀鹽酸的燒杯中充分浸泡反應，144h后取出烘干分別測量浸泡后樣品的重量，并計算每個樣品的平均重量損失率，實驗結果如圖1所示。

表1 德化、潮州產可風化降解環保陶瓷的化學組成（w t%）Tab.1 The chemical compositions of samples from Dehua and Chaozhou

表2 樣品物理性能測試結果Tab.2 The physical properties of samples

表3 德化、潮州樣品胎體的理論配方Tab.3 The theory formula of bodies from Dehua and Chaozhou

3 分析與討論

3.1 制備工藝探索

表1是德化、潮州所產的可風化降解環保陶瓷樣品的化學組成結果，從樣品的化學組成結果可以看出，樣品胎體內部CaO含量比普通陶瓷制品高出數倍，有些甚至高達10.83%。可見，這類可風化降解環保陶瓷在化學組成上明顯有別于普通陶瓷制品。為了更好地開展可風化降解環保陶瓷工藝實驗，根據表1化學組成百分含量結果，計算得出了各個樣品的胎式和樣品坯體的理論配料量[9]，所得計算結果如表3。

表2樣品的燒成溫度和吸水率結果表明，可風化降解環保陶瓷的燒成溫度在1060℃左右，吸水率在25%左右。可見，這類新型環保陶瓷具有燒結程度不高，內部存在較多孔隙的典型特征。相關研究證明，可風化降解環保陶瓷的化學組成、內部結構正是影響其后期風化降解的主要因素[8]。因此，實驗擬定如表4所示的系列工藝配方，同時采用最高燒成溫度為1060℃，并在最高溫度保溫10min，然后自然冷卻至常溫的燒成制度開展了系列工藝實驗，并研究了不同組成配方對樣品可風化降解性能的影響情況。

表4 制備實驗的原料配方Tab.1 The raw material formula of samples

圖1 不同樣品降解實驗前后的重量變化曲線Fig.1 The weight loss of samples in degradation experiments

3.2 配方組成對制品風化降解性能的影響

從圖中實驗結果可以看出，實驗制備的五個樣品（除1號樣品外）的降解性能均達到了較為理想的結果，重量損失率數值均大于德化、潮州所產可風化降解環保陶瓷樣品。另外，從圖中可看出3號樣品重量損失率最大，具有最好的風化降解性能，結合表2德化、潮州樣品化學組成結果和表4實驗配方，可知樣品配方中氧化鈣含量（石灰石的加入量）對于樣品的風化降解性能影響最大，當其加入量從5%到15%時，重量損失率呈現逐漸增大的趨勢，而加入量超過15%繼續增加時，重量損失率卻又呈現出逐漸下降的趨勢。由此，可初步判斷制品中石灰石的引入量在15%時，制品的風化降解性能最好。

4 結論

（1）德化、潮州所產可風化降解環保陶瓷制品胎體化學組成明顯有別于其他普通陶瓷制品，CaO含量很高，有些甚至高達10%以上。

（2）可風化降解環保陶瓷屬于低溫陶瓷制品，燒成溫度在1060℃左右。

（3）實驗表明，碳酸鈣的加入量是影響樣品風化降解性能的主要因素，加入量為15%的制品風化降解性能最好。

1劉垚,周健兒,吳大選.中國日用陶瓷工業現狀及可持續發展戰略.硅酸鹽通報,2005,5:20～24

2中國輕工工藝品進出口商會陶瓷分會.日用陶瓷質量安全手冊.2009,4

3左鐵鏞等.國外環境材料的研究進展及發展動向.材料導報, 1997,11（5）:1

4 Tieyong Zuo,Tianmin Wang and Zuoren Nie.Ecomaterials research in China.Materials and Design,2001,22(2):107

5翁端.關于生態環境材料研究的一些基本思考.材料導報, 1999,13（1）:12

6王天民,郝維昌.生態環境材料--社會可持續發展的物質基礎.航空學報,2002,23（5）:459

7袁文瓚,吳軍明等.日用陶瓷鉛鎘溶出量的檢測與酸侵蝕的研究.檢驗檢疫科學,2009,19（1）:42～44

8吳軍明,吳雋等.新型環保陶瓷自然風化降解機理初探.陶瓷學報,2009,30（2）:190～194

9李家駒.陶瓷工藝學.北京:中國輕工業出版社,2006,116～126