可降解环保陶瓷的制备及性能研究

吴军明 吴隽 李其江 张茂林 袁文瓒

（1.景德镇陶瓷学院，景德镇：333001；2.景德镇出入境检验检疫局，景德镇：333000）

1 引言

中国是当今世界陶瓷生产大国，现有宏大的生产规模，近千万的陶瓷从业人员，配套完整的产业链，惊人的产量[1]。截止2007年底，我国仅日用陶瓷一项年产量就已达130亿件[2]。然而，陶瓷制品生产过程中耗能高、废弃过程中处理难，造成的环境污染和资源短缺等问题，也逐渐凸显出来，并已成为陶瓷行业可持续发展所不容忽视的问题。

针对上述问题，世界各国正在寻求各种有效的解决途径[3-6]，可自然风化降解环保陶瓷也正是在这种形势下应运而生。1999年以来，中国建材网、中国建材报讯、福建之窗、中国陶瓷企业网等相继报道了在我国福建德化等地成功开发了一类在较低温度下（即比传统陶瓷制品低100～200℃）一次烧成，且破碎后丢弃于自然界中可在较短时间内（半年至一年左右）自然风化降解的新型轻质环保陶瓷。然而，有关可自然风化降解环保陶瓷的降解机理、制作工艺等的研究和报道却非常少[7-8]。因此，深入探索这类新型轻质环保陶瓷的工艺特征，不仅对于指导我国陶瓷生产，提升我国陶瓷制品质量，降低生产过程中的能耗和废弃过程中带来的环境问题具有非常重要的现实意义，还将为实现陶瓷生产可持续发展打下坚实基础。

2 实验方法

2.1 德化、潮州样品测试分析

选择了德化、潮州生产的5件典型可风化降解环保陶瓷样品，为了探明此类新型可风化降解环保陶瓷的工艺特征信息，揭示新型可风化降解环保陶瓷的原料配方，实验采用美国EDAX公司生产的Eagle-Ⅲ超大样品室能量色散X荧光能谱仪，测试分析了样品胎体的化学组成，结果如表1。同时，还采用高温热膨胀仪、真空吸水率测试仪等方法对样品胎体的烧成温度、吸水率等性能进行了测试分析，结果如表2所示。

2.2 可风化降解环保陶瓷的制备和性能测试

在测试分析及前期工艺探索实验的基础上，研究选择以粘土、长石、石英、石灰石为原料，通过调整配方中各种原料的加入量进行了系列试制实验。同时，为了研究实验制品的风化降解性能，并分析探讨配方改变对制品风化降解性能的影响情况，选择将实验制备的样品和德化、潮州所产可风化降解陶瓷分别进行人工模拟风化降解实验，即将每个样做成三块重量为10克左右的块状样品烘干称重记录，然后分别置于常温下装有1%稀盐酸的烧杯中充分浸泡反应，144h后取出烘干分别测量浸泡后样品的重量，并计算每个样品的平均重量损失率，实验结果如图1所示。

表1 德化、潮州产可风化降解环保陶瓷的化学组成（w t%）Tab.1 The chemical compositions of samples from Dehua and Chaozhou

表2 样品物理性能测试结果Tab.2 The physical properties of samples

表3 德化、潮州样品胎体的理论配方Tab.3 The theory formula of bodies from Dehua and Chaozhou

3 分析与讨论

3.1 制备工艺探索

表1是德化、潮州所产的可风化降解环保陶瓷样品的化学组成结果，从样品的化学组成结果可以看出，样品胎体内部CaO含量比普通陶瓷制品高出数倍，有些甚至高达10.83%。可见，这类可风化降解环保陶瓷在化学组成上明显有别于普通陶瓷制品。为了更好地开展可风化降解环保陶瓷工艺实验，根据表1化学组成百分含量结果，计算得出了各个样品的胎式和样品坯体的理论配料量[9]，所得计算结果如表3。

表2样品的烧成温度和吸水率结果表明，可风化降解环保陶瓷的烧成温度在1060℃左右，吸水率在25%左右。可见，这类新型环保陶瓷具有烧结程度不高，内部存在较多孔隙的典型特征。相关研究证明，可风化降解环保陶瓷的化学组成、内部结构正是影响其后期风化降解的主要因素[8]。因此，实验拟定如表4所示的系列工艺配方，同时采用最高烧成温度为1060℃，并在最高温度保温10min，然后自然冷却至常温的烧成制度开展了系列工艺实验，并研究了不同组成配方对样品可风化降解性能的影响情况。

表4 制备实验的原料配方Tab.1 The raw material formula of samples

图1 不同样品降解实验前后的重量变化曲线Fig.1 The weight loss of samples in degradation experiments

3.2 配方组成对制品风化降解性能的影响

从图中实验结果可以看出，实验制备的五个样品（除1号样品外）的降解性能均达到了较为理想的结果，重量损失率数值均大于德化、潮州所产可风化降解环保陶瓷样品。另外，从图中可看出3号样品重量损失率最大，具有最好的风化降解性能，结合表2德化、潮州样品化学组成结果和表4实验配方，可知样品配方中氧化钙含量（石灰石的加入量）对于样品的风化降解性能影响最大，当其加入量从5%到15%时，重量损失率呈现逐渐增大的趋势，而加入量超过15%继续增加时，重量损失率却又呈现出逐渐下降的趋势。由此，可初步判断制品中石灰石的引入量在15%时，制品的风化降解性能最好。

4 结论

（1）德化、潮州所产可风化降解环保陶瓷制品胎体化学组成明显有别于其他普通陶瓷制品，CaO含量很高，有些甚至高达10%以上。

（2）可风化降解环保陶瓷属于低温陶瓷制品，烧成温度在1060℃左右。

（3）实验表明，碳酸钙的加入量是影响样品风化降解性能的主要因素，加入量为15%的制品风化降解性能最好。

1刘垚,周健儿,吴大选.中国日用陶瓷工业现状及可持续发展战略.硅酸盐通报,2005,5:20～24

2中国轻工工艺品进出口商会陶瓷分会.日用陶瓷质量安全手册.2009,4

3左铁镛等.国外环境材料的研究进展及发展动向.材料导报, 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.关于生态环境材料研究的一些基本思考.材料导报, 1999,13（1）:12

6王天民,郝维昌.生态环境材料--社会可持续发展的物质基础.航空学报,2002,23（5）:459

7袁文瓒,吴军明等.日用陶瓷铅镉溶出量的检测与酸侵蚀的研究.检验检疫科学,2009,19（1）:42～44

8吴军明,吴隽等.新型环保陶瓷自然风化降解机理初探.陶瓷学报,2009,30（2）:190～194

9李家驹.陶瓷工艺学.北京:中国轻工业出版社,2006,116～126