TiO2納米晶膠體在衛(wèi)生陶瓷中的運用

白靜靜

摘 要：納米TiO2具備優(yōu)良的光催化性、超親水性及化學穩(wěn)定性，被廣泛用于污染治理、室內空氣凈化、自清潔涂層等方面，是近年來新材料、光化學和光催化領域研究的熱點之一。本文將納米TiO2應用于衛(wèi)生陶瓷表面，制備具有自潔和抗菌效果的多功能衛(wèi)浴產品。該類產品的成功研發(fā)及推廣應用不僅能改善人們生活環(huán)境，拓寬傳統(tǒng)陶瓷的應用領域，同時對于傳統(tǒng)陶瓷的產業(yè)升級具有重大的現實意義。

關鍵詞：納米TiO2;自潔抗菌;衛(wèi)生陶瓷

1 背 景

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，全社會的節(jié)約資源、環(huán)保意識在不斷增強，人們對生活品質的要求越來越高。與此同時，由于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化步伐的加快，資源、生態(tài)環(huán)境還在持續(xù)惡化，地球變暖趨勢逐步明顯，細菌滋生、變異，傳染病的感染、發(fā)病率也逐步上升。尤其是近些年的SARS 病毒、流感、禽流感等流行性疾病的肆虐使得人們認識到居住環(huán)境的凈化、清潔的室外空氣、有效的保護水資源等都與健康息息相關，也催生了環(huán)保用品的大市場。為此，人們對傳統(tǒng)的建筑衛(wèi)生陶瓷制品提出了更高的要求，主要集中表現在陶瓷制品的自潔、環(huán)保和抗菌等方面。

為了保持衛(wèi)生陶瓷表面清潔和良好的外觀，日常生活中常用方法是采用表面活性劑、酸性除垢劑或堿性除垢劑之類的清潔劑，用清潔刷反復地洗擦其表面。主要利用清潔劑的化學去垢能力和清潔刷的機械力作用，除去沉積在衛(wèi)生陶瓷表面上的污漬或污垢。但這種方式帶來了水資源的大量浪費，清洗后的表面在短時間內又會被污染，需要經常重復清理，工作量大。同時，清洗劑的大量使用給人類環(huán)境帶來很大的負面影響，主要是引起水體的富營養(yǎng)化，造成水體的污染，而且攝入量過多對人體健康也造成一定程度的危害。另一方面，目前人們使用的衛(wèi)生陶瓷產品，如馬桶、洗手盆等在使用時經常接觸人體排泄物和帶菌的人體，從而在這些陶瓷的表面可沾染和滋生各種致病菌和條件致病菌，人們與之接觸后很容易受到感染。為了減少煩瑣的清洗，節(jié)約用水，得到更為清潔的表面，開發(fā)光催化、自潔、抗菌功能陶瓷材料，提高陶瓷制品的環(huán)保、自潔及抗菌能力是提高人們生活質量，降低環(huán)境負荷的有效途徑。

2 國內外同類產品和技術現狀

為了降低陶瓷制品清洗的勞動強度，降低洗滌劑對環(huán)境的負荷以及對人體健康的危害，自20世紀90年代開始，德國、日本、美國、加拿大和法國等一些科技發(fā)達國家相繼開展了關于建筑衛(wèi)生陶瓷領域自潔-抗菌技術的研究，申請了一系列專利，并有相關產品的問世。日本是最早開發(fā)自潔-抗菌陶瓷的國家。日本東京大學對自潔陶瓷、玻璃等光催化建材的研制開發(fā)位于各國前列，成績顯著。日本TOTO、Toyota 和Nissan 等公司均成功開發(fā)出含有納米TiO2光催化劑的自潔-抗菌陶瓷和玻璃等產品。英國Pilkington 公司開發(fā)出涂覆約40 nm 厚的TiO2薄層，在紫外光照射下能起到分解有機污染物、殺菌及自清潔的作用。美國ATOFINA和PPG公司也采用類似的方法生產自清潔-抗菌陶瓷和玻璃，但因其成本較高，至今仍未在市場上推廣。歐洲的自潔-抗菌產品的研究主要集中在德國，其次英國、美國制造商也在加快開發(fā)、推廣應用的步伐。此外，包括SACMI、Graniti Fiandre 公司在內意大利陶瓷公司，也在不斷研究開發(fā)具有特殊功能的納米TiO2陶瓷釉料產品。

我國雖是陶瓷生產大國，但目前仍在許多技術領域落后于日本等發(fā)達國家。近年來，我國雖然投入了一定量的人力物力用于先進陶瓷的研究開發(fā)，但與日本等國先進水平相比，仍存在一定距離。自潔-抗菌陶瓷作為先進陶瓷的一種，隨著人們生活水平的提高，將有更廣泛的市場前景。對納米TiO2自潔-抗菌功能陶瓷的研究主要集中在部分高校和陶瓷企業(yè)，高校如清華大學、武漢大學、華南理工大學、暨南大學、華南師范大學等;陶瓷企業(yè)如廣東唯美陶瓷、廣東東鵬陶瓷（潔具）、廣東磚石陶瓷及廣東金意陶陶瓷等。主要將納米TiO2應用在衛(wèi)生陶瓷、外墻磚及內墻磚釉料中的應用研究，但是自潔-抗菌效果不明顯，作用不穩(wěn)定。因此，國內目前仍處于研發(fā)階段，還沒有真正進入產業(yè)化。

3 發(fā)展趨勢和前景預測

人們對陶瓷制品的質量與性能要求越來越高，借助科技的發(fā)展人們擁有了性能優(yōu)良的各種功能陶瓷。綜觀傳統(tǒng)的陶瓷行業(yè)的發(fā)展，我國陶瓷行業(yè)也隨著國際上陶瓷的競爭趨勢，傳統(tǒng)陶瓷也逐步趨向功能化。近年來傳統(tǒng)建筑陶瓷功能化的發(fā)展方向主要為自潔-抗菌瓷磚、遠紅外瓷磚和防靜電瓷磚等。其中自潔-抗菌瓷磚是上世紀90年代初興起的一種新的陶瓷，是材料科學和微生物學相結合的產物，它具有抗菌、除臭、保健、自潔等功能，從而可廣泛應用于衛(wèi)生醫(yī)療、家庭居室、旅游賓館、民用或工業(yè)建筑等。早在90年代初，發(fā)達國家已在醫(yī)院、餐廳、高級住宅率先使用了自潔-抗菌陶瓷。近年來，國外陶瓷品牌如TOTO和INAX 等已有很多制品增加了自潔-抗菌的功能。

同時，我國傳統(tǒng)陶瓷產業(yè)具有悠久的歷史和光輝的發(fā)展歷程，但在現代化工業(yè)進程中，傳統(tǒng)陶瓷產業(yè)由于多種因素卻步履維艱并陷入了困境。在新形勢下，產業(yè)升級是實現傳統(tǒng)陶瓷產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，只有依靠科技進步與技術創(chuàng)新，對傳統(tǒng)陶瓷進行提升與發(fā)展，使其脫胎換骨，變得更清潔環(huán)保，產品附加值更高，產業(yè)鏈更長，競爭力更強，才能融入當今的節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。

因此，開展納米TiO2自潔-抗菌功能陶瓷的研究符合現階段利用高新技術改造傳統(tǒng)陶瓷產業(yè)的發(fā)展要求，增加傳統(tǒng)陶瓷產品的科技含量和附加值，有利于拓展傳統(tǒng)陶瓷的應用范圍，對于傳統(tǒng)陶瓷行業(yè)的發(fā)展有很大的促進作用，并有可能成為新的經濟增長點，為經濟和社會發(fā)展做出重要貢獻。

據統(tǒng)計，2011 年國內各類建筑衛(wèi)生陶瓷總產量約為85億m2。以2011 年數據為基準預測，如果賦予其中5/10000的陶瓷磚以自潔-抗菌功能，則自潔-抗菌功能陶瓷的總量可達425萬m2;如果因增加自潔-抗菌功能增值按25元/m2，則新增附加值可達1億元以上。目前，國內對納米TiO2自潔-抗菌陶瓷的研究仍處于研發(fā)試驗階段，還有較多關鍵技術沒有得到完全的解決。如果相關技術問題得到合理的解決，隨著項目成果的不斷推廣，在傳統(tǒng)陶瓷中所占的比例將會逐漸增大，因此，該項目將具有非常好的產業(yè)化前景。

4 實 驗

選用不同的鈦源和硅源，分別制備不同性質的TiO2、SiO2溶膠;采用創(chuàng)新的溶劑熱微乳液法，通過溶液中納米團簇的尺寸控制實現低溫誘導結晶，獲得具有納米晶結構特征的TiO2溶膠。并將穩(wěn)定的TiO2、SiO2溶膠應用于衛(wèi)生陶瓷產品表面，在現有衛(wèi)生陶瓷的生產工藝流程后期增加一步涂覆納米溶膠流程，通過熱處理來增加涂層結晶性和結合力，制備具有自潔和抗菌多功能的衛(wèi)生陶瓷產品。

4.1 涂布液材料的制備

（1）選擇不同的鈦源，如鈦酸丁酯、異丙醇鈦、四氯化鈦或者硫酸鈦等，分別制備高穩(wěn)定性的TiO2溶膠。采用創(chuàng)新的溶劑熱微乳液法，實現納米團簇的尺寸控制及低溫誘導結晶，制備不同性能的納米晶TiO2溶膠。

（2）選擇不同的硅源，如正硅酸乙酯、水玻璃（分子篩處理）、硅溶膠等，分別制備高穩(wěn)定性的SiO2溶膠。采用化學法，實現納米團簇的尺寸和結晶控制，制備不同性能的納米晶SiO2溶膠。

TiO2的XRD譜圖與TEM照片如圖1、圖2所示。表1、表2為納米TiO2在不同材料中應用的自潔和抗菌性能測試結果。

4.2 涂布工藝

（1）由于衛(wèi)浴產品多為異形結構，涂層的厚度和均勻性控制是制作的關鍵。試驗采用刷涂、淋涂、噴涂等涂覆工藝。

（2）衛(wèi)浴產品需要定期清洗，涂層結合力是使用的關鍵，進行單層、多層和混合層的涂覆，并考察涂布液濃度、涂層厚度、后處理工藝等對涂層的結合力和致密度的影響。

4.3 生產工藝流程

5 結 語

通過的溶劑熱微乳液法，實現了TiO2納米晶膠體的高效可控合成。該方法結合溶劑熱和微乳液法的特點，使得溶液中納米團簇的尺寸可控并能夠在低溫下發(fā)生誘導化結晶。將具有納米晶結構的TiO2溶膠應用于衛(wèi)生陶瓷產品的表面，由于材料本身已經實現晶化，因此不需要專門的晶化工藝，也避免了氧化鈦與釉面的化學反應。同時在涂層材料中引入納米SiO2材料，有利于降低材料的成本，提高涂層與陶瓷基體的結合力。