防滑陶瓷磚的研究與進展

謝明貴，夏詩明，張 杰

（廣東省清遠市質量計量監督檢測所，清遠511500）

1 引言

隨著經濟的發展和人民生活水平的不斷提高，人們的消費水平和對視覺美觀的追求也不斷提升。高檔光滑的地面材料產品正急劇搶占著裝飾材料的市場，陶瓷地磚生產技術不斷革新，集經濟、實用、美觀和易清潔等諸多優點的陶瓷地磚正逐漸成為主要的地面裝飾材料。也正是由于過于追求裝飾的整體視覺效果，而導致大多數陶瓷地磚產品表面因過于光滑而帶來了重大安全隱患問題。我國人口稠密區均屬于亞熱帶氣候且較多集中在沿海經濟發達地區，雨水及潮濕天氣多，當雨天或清潔過后，潮濕季節或沐浴時，地面材料防滑性能下降，容易發生滑倒、摔傷事故，甚至造成嚴重的傷亡事故。據有關資料顯示，在我國每年因地面濕滑摔傷的人數呈上升趨勢，例如：2008我國因地面濕滑摔傷事件在案就有506.5萬起，因濕滑摔倒的糾紛約7.65萬件，賠償金高達2.8億元人民幣以上[1]；在美國每年都有一百萬人左右遭到滑倒、絆倒等傷害[1、2]；在英國，僅 2005年因工作場所地面滑倒和絆倒的重大傷害約有一萬件[1、3]。地面防滑問題已成為當前必須面對并解決的重大公共安全問題。

陶瓷地磚防滑性能是陶瓷磚安全性能評價的重要指標之一，滑倒或跌倒是浴室、洗手間、公共場合以及其它潮濕光滑地面的常見事故。目前，在國內，隨著消費者對安全意識的普及和提高，對陶瓷產品的要求由單純追求裝飾效果慢慢轉變為同時重視使用安全性。此外，《陶瓷磚》（GB/T4100-2015）國家新標準于2015年12月1日起正式實施，該新標準的頒布和實施也在陶瓷地磚防滑性能上要求更加嚴格。我國又計劃起草國家標準《防滑陶瓷磚》與《陶瓷磚防滑性等級評價指南》，具體確定摩擦系數的測試方法。此舉既考慮到與世界各地標準的兼容互認，也考慮到貿易上與國際通用標準的接軌。在歐美等發達國家早已對地面材料的防滑性能進行了大量理論研究，并制定了一系列地面防滑評價體系以及相關法律[4-11]，以幫助消費者更加科學合理地選擇陶瓷產品用于地面裝飾。

2 地面防滑機理的發展

在國外，很早就開始對地面安全性能進行了研究，尤其是在地面防滑機理的研究方面做了大量工作。1981年，Strandberg[12]等就做了人行走時滑倒的研究，之后Lanshammar[13]，Perkins[14]，Leamon[15]，Li[16]，Myung[17]和 Chang[18]等研究者均認為摩擦力越大，防滑性能可能越好。還有不少針對靜摩擦和動摩擦與人行走時產生的摩擦類型進行研究，大多認為動摩擦更符合人行走時產生摩擦的類型[13、19-20]。而據相關研究，鞋底和地面的摩擦系數是測量其中摩擦力的最重要因素，摩擦系數越大，防滑級別則越高，因此摩擦性能已被廣泛地應用于地面防滑的重要指標[21]。地面材料、粗糙度、污染物以及鞋底的紋路均是影響鞋底和地面間摩擦系數的因素[18、22-25]。Thomas D.Proctor[3]等利用流體動壓潤滑理論闡釋一定的表面粗糙度可有效提高防滑性能。Harris，G.W.[26]等得出粗糙度峰谷值為8～10 μm時，在潮濕的地面上具有合適的防滑性能。Stevenson MG[27-31]等人通過模擬人行走時受到的摩擦力，研究在不同環境中的滑倒機理以及引起滑倒的主要影響因子。當人踩在含有液體的地面上時，則滿足了壓膜效應形成的條件。根據式（1）Moor的壓膜效應[32]，地面的液體延遲了鞋底和地面產生摩擦力的時間，因此，這種條件下極易發生滑倒事件。

式中，h0——液體初始厚度；h——液體厚度；t——液體厚度從h0降低到h所需時間；FN——正應力；K——形狀因子；μ——黏度；A——表面接觸面積。

很多研究者根據壓膜效應探索了很多影響摩擦力的因素。Pcocter和Coleman[3]利用壓膜效應證明了一定程度的表面紋理可增加接觸時的摩擦力；Chang[22]等人的研究表明含有表面污液的地面粗造度的增加有助于改善其壓膜效應；Lemon和Griffiths[33]指出污染液體黏度越大，則鞋底與地面之間的液體厚度越大，因此需要更大的表面粗糙度才足以確保一定的防滑性；也有人提出在濕滑的地面上若有更高更尖銳的表面突起可有效增大表面摩擦系數，進而明顯改善壓膜效應導致的滑溜[34]；還有學者認為在鞋底設計合適的條紋可在壓膜效應形成后有效地排出液體，加快鞋底與地面的接觸，從而降低滑倒的風險[35-37]。由于地面液體黏度對和表面粗糙度是滑溜產生的關鍵因素，因此有研究者研究了在達到具有一定防滑性的前提下，不同黏度的液體與表面粗糙度的對應關系，如表1。

表1 不同黏度液體對應的地面粗糙度[38]

Chen[39]等人選擇了兩種鞋底材料在六種不同黏度范圍的液體和五種粗糙度不同的表面進行摩擦系數的測試，并選擇 Ra 用于表征表面粗糙度[18、22、26、28、36、40-41]。研究結果顯示（如圖1，2）鞋底材料是影響摩擦系數最重要的因素，液體的黏度次之，地面粗糙度的影響在三者中最小。然而，當液體黏度高于38.0 mPa·s時，鞋底材料和粗糙度的影響將變得很微弱，摩擦系數將幾乎為零。

相關研究表明，包括表面粗糙度和波紋度在內的表面參數均對摩擦力有影響[42]。Chang[18]等人總結了所有表征表面粗糙度和波紋度的參數（表2），并出于現實考慮提出，在測試條件受限時，測量Ra值則足以表征摩擦力，若能得到Rpm和Δa的測試數據，則可提高對摩擦的預見性。圖3展示了以丙三醇水溶液濃度為70%的液體作為污染液時，在三種不同取樣長度[43]（0.8 mm、2.5 mm、8 mm）下，表面粗糙度與摩擦系數之間的關系。三種取樣長度0.8 mm、2.5 mm、8 mm所對應的Ra與摩擦系數之間的相關性分別為0.85、0.92、0.98。作者最后還提到，孔隙率和滲透性將會影響污染液停留在地面的總量，因此，也將會對接觸時產生的摩擦力有影響。

雖然很多研究均表明表面粗糙度和波紋度與摩擦力測量值有很大相關性[26-28，30-31]，但也有學者提出疑問，表面粗糙度和波紋度與表面所處的位置緊密相關，當位置發生變化時，其相關數值一般也會發生變化[18、22]。

表2 表面參數的定義

根據Chang[44]的研究，在實驗測試條件下（表3），表面坡度的算術平均值（WΔa）是與摩擦系數具有最高相關性的表面參數。摩擦系數與WΔa的關系如圖4、5所示。并研究了污染物介質黏度對摩擦力的影響，作者認為當污染物介質黏度低時，兩個界面接觸時，載荷幾乎由固-固接觸支撐，盡管此時表面粗糙度對摩擦力影響很大，但并沒有高黏度污染物介質時表面粗糙度對摩擦力的影響大，因此，這種情況下表面參數與摩擦力之間的相關性較差；隨著污染物介質黏度的增加，流體動力潤滑效應將變得與固-固接觸時產生摩擦的效果同等重要，表面特征參數將更加顯著地影響接觸時產生的摩擦力，因此，固體表面參數與摩擦力之間的相關性隨之增大；當污染物介質黏度繼續增大時，流體動力潤滑效應將起到主導作用，此時，兩個固體之間幾乎被分隔開，摩擦力幾乎消失，因此，此時固體表面參數與摩擦力之間幾乎不存在相關性[45]，結果如圖6所示，表面砂磨條件見表4，摩擦力測試條件見表3所示。

表3 摩擦力測試條件

表4 表面砂磨工藝參數

選擇具有適當摩擦系數的陶瓷地磚是防止滑倒的必要條件（圖11），而影響陶瓷地磚摩擦系數的因素不僅來自陶瓷磚本身，也與鞋底材料（圖8）、表面狀態（圖7、10）有關。研究表明，合適的鞋底材料對于防止滑倒有至關重要的作用；當地面存在液體時，無論是哪種液體，其摩擦力都將因壓膜效應而急劇下降（圖9）[42]。

3 防滑陶瓷磚制備技術

國內外在陶瓷表面防滑技術的研究主要包括增加陶瓷產品表面粗糙度、增強陶瓷產品表面自清潔和干燥功能、利用吸盤原理提升防滑性能三種類型。其中以通過增加表面粗糙度進而增強防滑性能的研究居多。

3.1 增加陶瓷產品表面粗糙度的技術研究

3.1.1 通過模具或后續加工制造凹凸槽

最常見的增加陶瓷磚產品防滑性能的方法使用模具或后續加工在產品表面制造凹凸槽或條紋，王鐸等[46-55]通過模具或后續處理加工生產表面具有明顯凹凸溝槽的瓷磚產品，有效提高了防滑性能，但這類瓷磚均存在耐污性能較差的問題。

3.1.2 通過工藝技術在釉中加入干粒或制造凸起制備具有凹凸顆粒感的釉面

羅杰華[56]在磚坯施底釉或印花釉后，均勻布施一層20～160目的干釉粒，經高溫煅燒后，采用半拋技術將表層珠粒狀玻化釉層凸頂部分進行原有凸頂高度1/3～1/2的磨削拋光，得到防滑、防污性能良好且不失美感的瓷磚產品，同樣利用類似技術的還有[57-63]等人；還有通過在釉料中加入金剛砂[64-65]，進而提高其防滑和耐磨性能；洪兆凱[51]更是結合了設置凹凸槽和表面凹凸顆粒的方式增加瓷磚的防滑性能，他設計了在磚表面密布均勻密的凸出顆粒和凹凸組合線的工藝，有效地提高瓷磚的防滑效果；張延偉[66-67]把瓷磚表面設計成瓷本體和釉面相間分布的產品，因而起到防滑的效果。

3.1.3 利用防滑劑制造凹凸表面效果

有些研究者[68-71]通過將強酸性或強堿性腐蝕液噴涂在陶瓷磚表面，將玻璃相侵蝕，從而在瓷磚表面形成細小的凹陷，提高瓷磚的摩擦系數；銀龍等[72-74]則研發了帶有防滑微粒的防滑劑，能夠在基材表面形成防滑涂層；也有研究者通過將防滑陶瓷墨水印刷在陶瓷磚表面，形成規則排列的高度介于30～100μm間的凸起顆粒，最后經燒成得到防滑性能優異的防滑磚[75]。

3.1.4 通過改善原料的相互配比或宏觀性能

蔡國楨等人[76-87]通過合理調配坯體或釉漿的配方，制備了防滑性能優于普通瓷磚的產品；祁國亮[88]將不同級配的坯體顆粒混合壓制成磚坯，在磚坯的坯體顆粒級配中創造性的使用了粒徑＞20目的顆粒，有效克服了在磚坯中不適于使用大顆粒的技術偏見，瓷磚也具有更好的防滑性能；梁桐燦[89]在不對現有有釉陶瓷磚的生產工藝做出重大改變的基礎上，重點對坯體的配方組成、底、面釉熔塊的組成、底、面釉的配方組成等進行調整與優化，在坯體配方中添加較大量的污泥渣，制備出性能優良，且具有防滑效果的有釉陶瓷磚產品。通過高倍掃描式電子顯微鏡觀察產品釉表面，呈現如鋁尖晶石晶體針狀堅硬的突出物，并在產品表面噴少許水的情況下測試防滑系數達到0.8，防滑等級達到R12。

3.2 增強陶瓷產品表面自清潔和干燥功能的技術研究

江顯異[90]設計了一種透水防滑地磚，該產品包括：復合在一起的底層，中間層和面層，其中，底層為致密陶瓷層，在底層上設有貫通其上下表面的去水孔；中間層為多孔陶瓷層，該多孔陶瓷層上設有多個等效孔徑不大于去水孔的通孔；面層為裝飾釉料層，該裝飾釉料層上設有多個等效孔徑不大于通孔的微孔。中間層為至少兩層以上，各層間通孔的等效孔徑由下到上遞減。該類防滑地磚具有透水性能佳，防滑好的特點。

3.3 利用吸盤原理提升防滑性能的技術研究

榮繼華[91]在釉面磚的面釉層上設置有一層可形成紋路或坑洼結構的防滑劑層，防滑劑層上的紋路可以和接觸面在壓力下形成機械咬合力，而坑洼結構則可以和接觸面在壓力下產生負壓，形成吸力。在這兩種結構的協同作用下，磚面的防滑效果將大大提高，滑劑層的紋路和坑洼結構都是微米級的，保證了磚面的整體效果不被破壞。

4 結語與展望

目前，防滑陶瓷磚的制備技術已較豐富，消費市場也常有各種類型的防滑磚產品問世，但市場反饋始終差強人意，產品總存在一些消費痛點，或防滑效果持續性差；或防污和易清潔能力不好；或美觀性能大打折扣。在政策和市場的影響之下，兼具美觀、實用和防滑性能的陶瓷磚將會成為家居內裝和公共場所裝飾的新寵兒，這也將為中國陶瓷磚產品走向國際市場鋪展更寬廣的道路。