TiO2納米晶膠體在衛生陶瓷中的運用

白靜靜

摘 要：納米TiO2具備優良的光催化性、超親水性及化學穩定性，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應用于衛生陶瓷表面，制備具有自潔和抗菌效果的多功能衛浴產品。該類產品的成功研發及推廣應用不僅能改善人們生活環境，拓寬傳統陶瓷的應用領域，同時對于傳統陶瓷的產業升級具有重大的現實意義。

關鍵詞：納米TiO2;自潔抗菌;衛生陶瓷

1 背 景

隨著科技的發展和人民生活水平的提高，全社會的節約資源、環保意識在不斷增強，人們對生活品質的要求越來越高。與此同時，由于工業化、城鎮化步伐的加快，資源、生態環境還在持續惡化，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，也催生了環保用品的大市場。為此，人們對傳統的建筑衛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、環保和抗菌等方面。

為了保持衛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境帶來很大的負面影響，主要是引起水體的富營養化，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，節約用水，得到更為清潔的表面，開發光催化、自潔、抗菌功能陶瓷材料，提高陶瓷制品的環保、自潔及抗菌能力是提高人們生活質量，降低環境負荷的有效途徑。

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達國家相繼開展了關于建筑衛生陶瓷領域自潔-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位于各國前列，成績顯著。日本TOTO、Toyota 和Nissan 等公司均成功開發出含有納米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、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，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，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，作用不穩定。因此，國內目前仍處于研發階段，還沒有真正進入產業化。

3 發展趨勢和前景預測

人們對陶瓷制品的質量與性能要求越來越高，借助科技的發展人們擁有了性能優良的各種功能陶瓷。綜觀傳統的陶瓷行業的發展，我國陶瓷行業也隨著國際上陶瓷的競爭趨勢，傳統陶瓷也逐步趨向功能化。近年來傳統建筑陶瓷功能化的發展方向主要為自潔-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生醫療、家庭居室、旅游賓館、民用或工業建筑等。早在90年代初，發達國家已在醫院、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，我國傳統陶瓷產業具有悠久的歷史和光輝的發展歷程，但在現代化工業進程中，傳統陶瓷產業由于多種因素卻步履維艱并陷入了困境。在新形勢下，產業升級是實現傳統陶瓷產業可持續發展的必由之路，只有依靠科技進步與技術創新，對傳統陶瓷進行提升與發展，使其脫胎換骨，變得更清潔環保，產品附加值更高，產業鏈更長，競爭力更強，才能融入當今的節約型、環境友好型社會。

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陶瓷產業的發展要求，增加傳統陶瓷產品的科技含量和附加值，有利于拓展傳統陶瓷的應用范圍，對于傳統陶瓷行業的發展有很大的促進作用，并有可能成為新的經濟增長點，為經濟和社會發展做出重要貢獻。

據統計，2011 年國內各類建筑衛生陶瓷總產量約為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。并將穩定的TiO2、SiO2溶膠應用于衛生陶瓷產品表面，在現有衛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，分別制備高穩定性的TiO2溶膠。采用創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生誘導化結晶。將具有納米晶結構的TiO2溶膠應用于衛生陶瓷產品的表面，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。