功能型建筑陶瓷技術的發展及應用

孫飛野　柯善軍　田維　馬超

摘 要：建筑陶瓷的功能化是陶瓷行業的發展方向之一。本文基于最新的研究成果，對抗菌陶瓷、防靜電陶瓷、調濕陶瓷、發光陶瓷、發熱陶瓷、自清潔陶瓷、除甲醛陶瓷和發泡陶瓷的技術發展情況進行歸納，并對存在的問題和解決方案進行闡述。

關鍵詞：功能型建筑陶瓷;抗菌陶瓷;調濕陶瓷;發泡陶瓷

1 前 言

建筑陶瓷最基本的功能是保護建筑物的內外墻及地面，并為建筑物提供一定的裝飾效果。建筑陶瓷功能化的外在原因是隨著生活水平的不斷提高，人們不僅滿足于建筑陶瓷的基本裝飾作用，希望通過賦予陶瓷一定的功能性，進一步提高人居環境水平。而促使建陶行業開展功能型建筑陶瓷產品研發和生產的內在原因是由陶瓷行業本身決定的，"三高"的陶瓷生產企業面臨著國家不斷升級的節能減排政策，疊加礦產資源、能源資源、勞動力資源日益短缺的現狀，促進了建筑陶瓷的功能化發展[1]。

本文對近幾年功能型建筑陶瓷技術取得的研究成果進行總結，并對存在的問題、解決途徑和應用場景進行闡述。

2 功能型建筑陶瓷技術的發展及應用

2.1 抗菌陶瓷

抗菌陶瓷是通過在釉料或者陶瓷表面施用一定量具有抗菌、抑菌效果的抗菌劑，達到對微生物生長和繁殖的抑制，控制微生物含量低于致病濃度，從而實現抗菌、抑菌效果。由于對表面的微生物產生了抑制，因此抗菌陶瓷也具有一定的除臭功能[2]。

鄧秋玲[3]以硝酸銀、四水硝酸鈣和磷酸氫二銨作為主要原料，采用共沉淀法合成載銀羥基磷灰石，與硅藻土混合后避光攪拌，在800℃條件下進行燒結，得到具有抗菌、抑菌效果的載銀羥基磷灰石/硅藻土粉體。抗菌測試的結果表明，以該粉體制備的抗菌陶瓷對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率達到了99%以上，ICP-MS結果顯示出抗菌陶瓷銀離子溶出量低于飲用水中銀離子標準濃度。TiO2系光催化抗菌陶瓷[4]主要是利用具備光催化抗菌作用的TiO2、ZnO2等抗菌薄膜[5]實現抑菌、抗菌效果。此外，一系列改性的鈦[6]和鋅[7]類抗菌材料也表現出優異的抗菌效果。

學校、醫院、餐廳、公共衛生間等是微生物生長和繁殖的理想場所，僅憑日常的消殺不能獲得持續的抗菌、抑菌效果。一些具有致病性的病原微生物在建筑室內環境中滋生傳播，不僅對人體健康構成威脅，還會增加傳染性疾病肆虐的風險。根據世界衛生組織（WHO）統計，每年全球因病菌導致的死亡人口超過1700萬。抗菌陶瓷作為能夠有效抑制微生物活動的建筑材料之一，目前在抗菌建筑材料的市場占比為9.1%，未來還有非常大的市場增長空間[8]。

2.2 防靜電陶瓷

靜電是一種處于靜止狀態的電荷，當帶靜電物體接觸與其有電位差的物體時會發生電荷轉移，出現放電現象甚至產生電火花。一般來講，材料的絕緣性能越好，越容易產生靜電。以往的防靜電產品主要是：環氧樹脂板、三聚氰胺板、PVC防靜電涂料、防靜電橡膠板等高分子材料，這些材料存在不耐磨、易老化、耐久性和防污性能差的缺點。

向陶瓷釉料中加入一定量包裹有鋁摻雜氧化鋅（AZO）導電粉的料漿，經1170℃燒結后得到體電阻率達5.9×107Ω的防靜電陶瓷磚。該瓷磚的電阻值隨導電粉添加量或導電粉細度增加而減小。此外，釉料的粒度分布和含水率對防靜電陶瓷磚的性能也有也有一定的影響[9]。由于二氧化錫具有乳濁作用，因此銻摻雜的二氧化錫（ATO）類導電粉不適用于作為要求豐富裝飾效果的防靜電陶瓷的導電材料，但是可以用于制備藍色的防靜電瓷磚[10]。

靜電的產生幾乎是不可避免的，同時其危害也是巨大的，尤其在煉油、化工、橡膠、電子、機械等行業中，因靜電引發的火災爆炸事故比比皆是。由此，人們耗費了大量的財力、物力、人力去改造升級設備，提高設備的抗靜電性能。防靜電陶瓷能夠有效的引導電荷轉移，防止電荷產生累積，避免出現尖端放電產生電火花。因此，防靜電陶瓷在加油站[11]、機房[12]、醫院[13]、車站[14]等場景有非常大的應用潛力。

2.3調濕陶瓷

空氣濕度與人體感受有非常直接的關聯，人體適宜的空氣濕度范圍在40%～70%之間。空氣濕度過高會抑制人體散熱功能的發揮，使人感到悶熱、煩躁、食欲不振;空氣濕度過低則容易使人感覺口干舌燥、喉嚨腫痛、聲音嘶啞，容易誘發感冒。

海泡石具有豐富的微孔結構，是良好的調濕和吸附材料。調濕瓷磚中5nm以下的微孔在中等濕度（75%）的環境下具有強吸濕特性，而孔體積貢獻最大的10nm及以上尺寸的孔則作為潮濕空氣進出的孔道，因此優化海泡石的孔徑分布是材料具備良好吸放濕響應的保證[15]。有人以傳統陶瓷原料和拋光磚廢渣作為多孔調濕陶瓷的骨架，外加硅藻土、海泡石等吸附材料，探索了粉料的顆粒級配對樣品調濕性能的影響[16]。

調濕技術主要分為兩類：主動調濕和被動調濕。主動調濕技術是通過消耗電能或其他能源，基于一定設備的基礎上實現提高或降低空氣濕度的調節技術，這種技術耗能大，容易使人產生"建筑綜合征"[17]。被動調濕則是利用調濕材料自身結構特點，感知外界變化，動態調節環境濕度，起到一定的蓄放作用。被動調濕技術的最大優點是無需消耗額外能源即可將環境濕度調節到人體適宜范圍，其中，調濕陶瓷是被動調濕技術一種實現形式。

調濕陶瓷主要應用于辦公室、醫院病房、家居臥室、衛生間等場所，通過對空氣濕度進行調節，降低空氣中病菌的生存活力[18]，改善潮濕悶熱、干燥的體感，提高了人體舒適度。

目前的調濕陶瓷技術主要是在陶瓷磚表面形成具有孔隙結構的吸附釉層，此類陶瓷表面存在微孔結構，因此對瓷磚的防污性能產生一定的影響。

2.4 發光陶瓷

發光陶瓷是一類釉料中含有光致發光材料的陶瓷磚，在外界光源照射下完成吸光、儲能過程，當撤去外界光源后，儲存在發光陶瓷中的能量以光能形式釋放，實現無源發光效果。發光陶瓷可以廣泛的用于住宅消防通道、地下通道、酒店、室外體育場、衛生間等公共場所，具有較大的節能減排意義。

發光陶瓷中常見的發光材料為金屬硫化物，最典型的為ZnS、CdS等。以此類材料制備的發光陶瓷具有發光具有發光性能良好、發光效率高的優點。燒成溫度較低則是金屬硫化物發光材料的不足。以鋁酸鹽、硅酸鹽或鋁硅酸鹽為基質，摻雜Eu3+、Dy3+、Yb3+等稀土離子制備的發光陶瓷[19]，其發光強度和余輝時間是金屬硫化物發光陶瓷的數十倍，但是鋁酸鹽類發光材料與基礎釉料存在相容性差的問題。針對目前研究現狀，發光陶瓷在發光強度、余輝時間、發光材料與釉料的兼容性等方面都還有較大的提升空間[20]。

發光陶瓷具有裝飾和蓄能發光的作用，在高速隧道和城市隧道中鋪貼發光陶瓷，以往來車輛的照明燈光為源進行蓄能，可以有效提高隧道內的照明亮度和路面的照明均勻度[21]。此外，發光陶瓷可以用于消防應急照明，以及逃生標志和指示逃生路線[22]等。

2.5 發熱陶瓷

隨著生活水平的不斷提高，居民對家居生活品質有了更高的要求，地暖裝修逐漸成為家庭裝修的熱門。首先，自下而上的輻射采暖方式非常符合人體的生理需求;其次，地暖在環保、節能和不額外占用家庭空間等方面具有獨特的優勢。

瓷磚是目前廣泛采用的建筑材料，與木地板相比，瓷磚具有導熱性能強、升溫速率線性等[23]優勢。已經有的發熱瓷磚技術主要是在瓷磚背面增加發熱層和保溫層，使熱能能夠由瓷磚底部集中向瓷磚表面輻射，從而獲得較好的加熱和保溫效果。此外，溫控設備可以對加熱瓷磚的表面溫度進行精確調控，實現分區域的個性化溫度控制。由于無需對線路進行額外改造，目前普遍采用220V家用電直接供能的方案。此外，出于用電安全的考慮，近年來也出現了36V低壓直流發熱瓷磚。低壓直流發熱瓷磚的優點是以低于人體安全電壓進行供能，避免人體接觸高壓，大大減輕了居民使用的心理負擔。低壓加熱瓷磚對供電電源要求較高，需要加裝變壓裝置并換用標號更高的輸電線路。

由于加熱瓷磚應用才剛剛起步，產銷量還不大，相關陶瓷企業大多采用人工的方式進行生產，限制了加熱瓷磚的生產產能。目前，組裝加熱瓷磚機器人[24]的研究也已經在同步開展中，未來勢必會對加熱瓷磚的生產和推廣產生積極的影響。

2.6 自清潔陶瓷

自清潔陶瓷是在陶瓷表面覆蓋一層具有催化性能或憎水效果的膜層，利用陽光或雨水自然沖刷陶瓷表面，實現陶瓷的自清潔效果。按照其作用機理，主要分為兩類：

2.6.1親水型自清潔陶瓷

親水型自清潔陶瓷是在陶瓷磚表面覆蓋一層親水的二氧化鈦膜層，該膜層在太陽光的照射下發生光催化反應，對陶瓷磚表面覆蓋的蛋白質、腐殖質等有機物進行分解，裂解成易溶于水的小分子化合物。由于二氧化鈦具有較強的親水作用，在雨水、露水的作用下，分解的小分子化合物被水流沖刷帶走，實現陶瓷的自清潔效果[25， 26]。

2.6.2 疏水型自清潔陶瓷

在陶瓷表面固定一層具有疏水效果的無機或有機涂層，用于減小瓷磚表面張力，提高陶瓷表面的表觀接觸角。接觸角超過120°且滑動角小于10°的疏水表面即具有一定的自清潔和防污作用。目前大多數超疏水材料都涉及有機化合物，如有機硅、聚苯乙烯接枝的超疏水材料[27]等。然而有機超疏水材料并不適用于惡劣環境，在一些特殊環境中，有機超疏水材料會在外界環境的作用下緩慢降解，表面修飾的涂層也非常容易遭受到機械性破壞。因此有機超疏水材料在耐久性、化學穩定性和熱穩定性方面存在一定的問題。目前，無機金屬納米管疏水材料合成研究已經獲得了積極的進展，為無機超疏水材料在陶瓷領域的應用提供了參考[28]。

依據使用環境的不同，采用不同類型的自清潔陶瓷。如在衛生間、盥洗室內采用疏水型自清潔陶瓷，可以有效的避免陶瓷表面粘附水漬和產生霧水，減少人工清洗和相應的維護工作。在建筑的外墻采用親水型自清潔陶瓷，常見的灰塵、動物糞便等污漬容易被雨水沖刷，實現外墻磚的自清潔效果，結合陶瓷材料的耐久性，使外墻裝飾歷久彌新。

2.7 除甲醛陶瓷

近年來，室內空氣污染問題越來越受到民眾的關注，其中甲醛是家具、建材中最普遍的污染物。有研究表明，長時間接觸高濃度的甲醛會對人體的眼、鼻、喉等器官造成嚴重的危害，使人產生惡心、眩暈、頭疼等癥狀，嚴重威脅到居民的身體健康。

選取高效光觸媒作為納米二氧化鈦光催化材料，通過粘附材料和特定工藝，將光觸媒結合到瓷磚表面，得到具有除甲醛功效的陶瓷產品[29]。經過現場模擬實驗驗證，除甲醛陶瓷具有明顯的甲醛消除效果。采用該技術制備的除甲醛陶瓷耐久性能優異，經多次擦洗和浸泡，除甲醛效果幾乎沒有下降。

目前常見的除甲醛技術主要有兩種類型：物理吸附和化學分解。活性炭是最常見的物理吸附除甲醛產品，其優點是價格低廉，缺點是吸附不穩定，容易脫附釋放出甲醛分子，造成二次污染。除甲醛陶瓷中含有能夠催化甲醛分子分解的納米二氧化鈦，屬于化學分解除甲醛產品。在商業和家居情境下，除甲醛陶瓷鋪貼面積較大，因而可以提供較好的除甲醛效果，提供良好的空氣環境，有效的避免吸附類除甲醛產品容易脫附的缺點。

2.8發泡陶瓷

發泡陶瓷作為新興綠色環保墻體建筑材料，具有輕質高強、防火阻燃、防潮防水、保溫隔熱等優良特性。發泡陶瓷的生產原料取材自礦山尾礦[30]、工業固廢[31]等，實現了廢物資源的再利用。

向發泡陶瓷坯料中添加錳泥和二氧化鈦顆粒，燒結后得到的發泡陶瓷耐火極限性能達到3.47h，抗壓抗折性能也有一定的提升[32]。以內蒙古珍珠巖尾礦為主要原料，添加膨潤土、白云石、長石等作為熔劑，使用碳化硅和螢石為發泡劑，制備了導熱系數小于0.09 W/（m·K）的隔熱發泡陶瓷[33]。

隨著我國城市化進程的加快，建筑能耗已經成為一個不可忽視的問題。實踐證明，使用保溫隔熱材料是建筑節能最直接有效的方法之一[34]。由于發泡陶瓷中含有高氣孔率的閉孔式結構，因此發泡陶瓷可以用于保溫、隔熱的墻體材料。此外，研究人員目前正在針對隔音泡沫陶瓷開展研究，預期產品可以廣泛的應用于商業及家庭的房間隔音，避免使用容易產生空氣污染的高分子隔音材料。

目前發泡陶瓷產品面臨的主要問題有：（1）發泡陶瓷的產品工藝、配方用料、生產工藝流程還沒有統一，產品質量參差不齊;（2）相應的國家和行業產品標準滯后;（3）沒有專門的發泡陶瓷生產設備。以上原因限制了發泡陶瓷技術的發展，不過隨著未來裝配式建筑的興起，發泡陶瓷技術面臨著巨大的發展和應用前景。

3 結 語

隨著陶瓷行業集中度的不斷提升，普通低質陶瓷產品將逐漸淡出市場，功能型陶瓷磚將成為企業洞察消費者需求，展示研發實力的重要平臺。在保障建筑陶瓷裝飾性能的基礎上，給消費者帶來諸如自清潔、抗菌、防靜電、發光、調濕、等一系列附加功效，不僅有利于提升消費者生活品質，更有利于引導和促進陶瓷產業向技術創新、產品迭代發展。

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