陶瓷易洁性测试装置与评价研究

王丽娟，魏庆一，杨建伟，张睿卓，梁金生

（1.河北工业大学能源与环保材料研究所，天津 300130；2.河北工业大学生态环境与信息特种功能材料教育部重点实验室，天津 300130）

陶瓷易洁性测试装置与评价研究

王丽娟1,2，魏庆一1，杨建伟1，张睿卓1，梁金生1,2

（1.河北工业大学能源与环保材料研究所，天津 300130；2.河北工业大学生态环境与信息特种功能材料教育部重点实验室，天津 300130）

依据陶瓷表面油污残留量法测试原理，设计开发了一种陶瓷易洁性测试装置．本方法以油污为模拟物，将其均匀涂抹于陶瓷试样表面，然后在一定条件下用水冲洗样片，计算冲洗前后陶瓷表面单位面积的油污残余量A，来据此评价陶瓷的易洁性；并用紫外可见分光光度计法验证其测试可靠性．研究结果表明应用本装置测试陶瓷易洁性结果准确可靠，且测试操作简单易行．

陶瓷；易洁性；油污残留量法；紫外可见分光光度法；测试装置

0 引言

陶瓷在日常生活中被广泛使用，但是在陶瓷清洗过程中使用的各种洗涤剂会对环境与人体健康造成危害，并且清洗过程也费时费力．于是人们对传统的日用陶瓷制品，提出了更高的要求，希望陶瓷具有优良的易洁性．

目前，对于陶瓷的自洁性、抗污性，人们已经进行了较深入的研究，主要包括以下几种方法：陶瓷表面超级光滑技术[1-3]、陶瓷表面超级憎水膜技术[4-5]、陶瓷表面二氧化钛涂膜技术[6-7]、陶瓷抗菌自洁技术[8-9]、陶瓷智洁技术[10]．但对于易洁陶瓷少有研究报道，为此梁金生等[11]在2006年提出陶瓷易洁性的概念，并开始了超级亲水易洁功能陶瓷[12-13]的研究．提出陶瓷易洁性是指，在正常使用条件下，不借助洗涤剂处理和外力强行擦洗，仅依靠陶瓷本身表面物理化学性质及与水流之间的相互作用就可使污染物不易粘附、自发脱离陶瓷表面的性能．但是在陶瓷产品国家标准与行业标准中，没有陶瓷易洁性相关技术指标规定，关于陶瓷易洁性测试方法研究，也未见其他相关文献报道．

因此，关于陶瓷的易洁性，需要进行进一步的研究，开发出更适合的评价方法和评价装置，从而建立一套可靠性高、科学准确、简单易行的评价标准和测试方法,用来指导陶瓷产品生产和消费．基于以上目的，本工作采用陶瓷表面油污残留量法（即重量法）测试原理设计开发一种陶瓷易洁性的测试装置，建立陶瓷易洁性的评价体系．

1 实验

1.1 实验样品

陶瓷样品共6种，分别为G1、G2、G3、G4、G5、G6．其中G1、G2实验室自制陶瓷，釉面配料的基础配方是MgO 3.7%，CaO 2.2%，K2O 8.7%，Na2O 14%，A l2O320%和SiO251.4%（文中含量均为质量分数），G1为加入3%的海泡石，G2加入4%的电气石，G3、G6为市场采购的普通日用陶瓷、G4为山东某陶瓷厂生产的抗菌日用陶瓷、G5为山东某陶瓷厂生产的骨质瓷．

1.2 油污残留量法

陶瓷制品的易洁性可以用试样表面单位面积油污残余量来表示，即在一定条件下将陶瓷试样用水冲洗一定时间，用陶瓷表面单位面积的油污残余量A来评判陶瓷制品的易洁性能，具体的测试方法如下：

1）从制品上切取或制作尺寸为50mm×50mm（尺寸误差小于5mm）的陶瓷片作为试片，试片釉面要求平整光滑，无裂纹、斑点、落渣、毛孔等表面缺陷．试片数量为6块，分别用游标卡尺测量试片工作面尺寸，计算面积．

2）将试片用无水乙醇和蒸馏水依次在超声波清洗器中清洗10m in，取出后用蒸馏水再冲洗5m in，在烘箱中以110℃烘干至恒重，取出后放置干燥器中冷却．

3）测量烘干后的试片重量，记为W0．

4）用0.05m L/滴的胶头滴管均匀地将24～30滴色拉油滴于试片工作面上，静置10m in使油稳定铺展．5）将涂有色拉油的试片置于45°角的试片托上，用20～25℃的蒸馏水进行冲洗，出水口直径1.5 cm，出水口至试片冲洗端高度为30 cm，流量为50m L/s，冲洗时间为1m in．

6）将冲洗后的试片置于110℃烘箱内烘干至恒重，取出后放置干燥器中冷却，称试片重量并记为W1．7）计算试片表面单位面积油污残余量A．

式中：A为试片表面单位面积油污残余量，g/m2；W0为预处理后试片重量，g；W1为试验清洗后试片重量，g；

S为试片工作面面积，cm2．

1.3 紫外可见分光光度法

以无水乙醇为溶剂，配制浓度为0.5mg/m L、1.0mg/m L、1.5mg/m L的油酸—无水乙醇基础溶液，再以蒸馏水为背景，将所得到的基础溶液在200～400nm波段进行扫描，得到溶液的吸收曲线．从吸收曲线中的特征吸收峰，确定测试光波长．在波长处测定浓度为0 mg/m L、0.2mg/m L、0.4mg/mL、0.6 mg/m L、0.8mg/m L、1.0mg/m L、1.2mg/m L、1.4mg/m L、1.5mg/m L的油酸—无水乙醇溶液的吸光度，建立标准曲线．以油酸为模拟污染物，按照0.5mL/滴的量，将油酸均匀涂抹于陶瓷试样表面，静置10min．再将陶瓷样片45°放置，通过一个冲洗装置，使恒温25℃的自来水从陶瓷片样品的对角进行冲洗，水流速约为1m/s，出水口至样片冲洗端高度为30 cm，冲洗时间为1m in．最后将陶瓷样片放于110℃烘箱内烘干20 m in，取出后在密封的干燥器中放置20m in，使之冷却至室温（25℃）．将残留油污的样品分别用10m L的无水乙醇溶解其釉面残留的油污，所得溶液进行吸光度测试，所得结果与以上建立的标准曲线对比，从而标定出溶液中油酸的含量，即为陶瓷釉面残留油污的量．

2 结果与讨论

2.1 陶瓷易洁性测试装置的结构设计

该陶瓷易洁性测试装置由供水储水系统、循环冲水系统、样品台、污水收集系统和控制系统5部分组成．其中，供水储水系统主要包括加热棒、测温元件、循环水泵和上水箱体，循环冲水系统由调节阀、进水电磁阀、调节夹、顶部打孔的定量容器、冲水电磁阀、试验冲头组成，样品台主要包括45°角的试片托和下托板，污水收集系统主要包括接水盘和下水箱体，控制系统主要包括控制器箱体、时间/计数程序控制器和恒温控制器．图1为用于油污残留量法检测陶瓷易洁性能的装置结构示意图．

上水箱体尺寸为：长150～200 mm、宽150～200mm和高100～150mm，满足每次测试用水量至少1L的设计要求．顶部打孔的定量容器是直径为70mm和高度为130mm的圆柱形，定量容器的顶部打孔的孔径为2～6mm；冲洗管路选用6mm气动管相连．45°角的试片托的尺寸为：长50～60mm、宽50～60mm和高50～60mm；45°的试片托与试验冲头相距29～31 cm．

2.2 陶瓷易洁性测试装置的组装

图1 陶瓷易洁性测试装置结构图Fig.1 Evaluation installation draw ing ofeasy-cleaning property of ceram ic

该装置各个部件安置和连接方式如下：通过螺钉固定的活动定位夹将上托板固定在左右两根铁架台侧立柱的上方部位，然后将上水箱体放置于上托板上，循环水泵放置于上水箱体内部的左下角，加热棒和测温元件分别通过上水箱体上盖上的两个孔插入上水箱体中，然后通过导线分别与恒温控制器相应的接点相连．在上水箱体底部中点左右两侧的上水箱体长度的四分之一等距处各开一个流水口，该流水口通过螺纹与调节阀进水口密封连接．调节阀出水口、进水电磁阀、顶部打孔的定量容器、冲水电磁阀和试验冲头依次通过气动管相互密封连接，进水电磁阀和冲水电磁阀又分别通过导线与时间/计数程序控制器相连，再用一个通过螺钉固定于铁架台中立柱上的调节夹来固定顶部打孔的定量容器．试片托放置于接水盘上并正对试验冲头，接水盘安置于下托板上，下托板再用两个活动定位夹固定在两根铁架台侧立柱的下方部位．下水箱体置于铁架台底座上，试验污水由接水盘收集之后通过管路存放于下水箱体中，时间/计数程序控制器和恒温控制器放置于控制器箱体中．图2为陶瓷易洁性测试装置的实物图．

图2 陶瓷易洁性测试装置实物图Fig.2 Evaluationdeviceobjectdiagram of easycleaning property of ceramic

2.3 陶瓷易洁性

应用易洁性测试装置，对陶瓷样品G1～G6的釉面进行易洁性测试．结果见表1．

表1 陶瓷釉面易洁性Tab.1 Easy-cleaning property of ceramic glazes

根据梁金生提出的陶瓷釉面易洁性评价标准（见表2），结合易洁性测试结果可以得出，样品G1和G4为易洁陶瓷，经水流冲洗后，样品釉面残留油污量的数值分别为0.45 g/m2、0.48 g/m2，其中G1易洁性为最好，满足易洁性陶瓷的标准A0.50g/m2．样品G2、G5釉面残留油污量均在0.50～1.0g/m2之间，为较易清洁陶瓷，而G3、G6釉面残留油污量1.65 g/m2、1.69 g/m2，均大于1.0 g/m2，属易洁性较差陶瓷．因此对所用样本进行排序，从易洁到不易洁的顺序为：G1、G4、G2、G5、G3、G6．

表2 陶瓷易洁性评价标准Tab.2 Evaluation criterion of easy-cleaning property

2.4 易洁性测试装置的可靠性验证

用紫外可见分光光度计法，测试陶瓷釉面清洗液中的油酸溶液吸光度，计算残留于陶瓷釉面中油污的量，进一步评价陶瓷釉面的易洁性能．

从油酸/无水乙醇基础溶液的吸收曲线（图3），可以确定油酸的特征吸收峰波长为269nm，在269nm处测定标准浓度的油酸/无水乙醇溶液的吸光度，建立标准曲线，如图4所示．根据标准曲线，计算陶瓷釉面残留油污的量．结果见表3．

图3 油酸/无水乙醇溶液的紫外光谱图Fig.3 UV spectrogram of oleic acid/ethanol solution

图4 油酸/无水乙醇溶液的紫外光吸收标准曲线Fig.4 Standard curve ofoleic acid/ethanol solution

表3 陶瓷釉面残留油污量Tab.3 Rudimentalsoil contenton the sample surfaces

从紫外可见分光光度计的测试结果可知，易洁性最好的G1样品表面残留的油污量最少为1.11mg，粘附在其釉面上的油污可以在水流动力作用下清洗干净，易洁效果非常好．其余陶瓷釉面残留油污量由少到多的试样依此为G4、G2、G5、G3、G6．由此可看出，应用重量法测试与评价陶瓷易洁性科学合理、数据可靠，且应用重量法测试易洁性具有设备简单、易于操作的优点．

3 结论

依据陶瓷表面油污残留量法测试原理，研制出一套陶瓷易洁性测试装置．该装置主要包括供水储水系统、循环冲水系统、样品台、污水收集系统和控制系统5部分，可保证每次冲洗陶瓷待测试样品的时间、流量、流速、温度相同，减少了测试误差．研究结果表明，本装置结构简单，无需使用其他特殊的配套仪器，检测成本低，速度快，效果直观．且应用本装置测试陶瓷易洁性结果准确可靠，测试操作简单易行．

[1]Hayakawa，Hayashi，Ando，etal．Sanitary earthen products：US，6514622[P]．2003-02-04．

[2]刘守友，刘光泉，张举平，等．卫生陶瓷防污靓白釉的研制[J]．陶瓷，2003，5（1）：24-25．

[3]王惠文，刘拥军．一种具有纳米自洁釉面的卫生洁具及其制造方法：中国，02125311.0[P]．2003-01-08．

[4]JohnHClint，AmandaCWicks．Adhesionunderwater：surfaceenergy considerations[J]．International JournalofAdhesion and Adhesives，2001，21：267-273．

[5]Saranya Ashokkumar，JensAdler-Nissen，PerMller．Factorsaffecting thewettability ofdifferentsurfacematerialsw ith vegetableoilathigh temperaturesand its relation to cleanability[J]．Applied Surface Science，2012，263：86-94．

[6]Kuisma R，Fröberg L，Kymäläinen H，et al．M icrostruture and cleanability of uncoated and fluoropolymer，zirconis and titania coated ceram ic glazed surfaces[J]．Journalof the European Ceramic Society，2007，27：101-108．

[7]贺飞，唐怀军，赵文宽，等．二氧化钛光催化自洁功能陶瓷的研制[J]．武汉大学学报：理学版，2001，47（4）：419-424．

[8]墙蔷，倪红卫，幸伟，等．银的抗菌作用机理[J]．武汉科技大学学报：自然科学版，2007，30（2）：121-124．

[9]Wang L J，Liang JS，Han D Y，et al．Effectof nanometer far-infraredmaterials on the cleanability of ceram ic glazes[J]．Advanced M aterials Research，2011，178：103-108．

[10]Piispanen M，MäättäJ，A reva S，et al．Chemical resistance and cleanability of coated glazed surfaces[J]．Journal of the European Ceram ic Society，2009，9：1855-1860．

[11]梁金生，王丽娟，孟军平，等．陶瓷易洁性及评价方法研究[J]．中国建材科技，2006，18（3）：107-111．

[12]张晋．超级亲水易洁陶瓷材料的研究[D]．天津：河北工业大学，2006．

[13]胡世豪．超级亲水易洁抗菌功能陶瓷的制备与评价[D]．天津：河北工业大学，2008．

[责任编辑 田丰]

Evaluation and testing equipmentof easy-cleaning property of ceram ics

WANG Li-juan1,2，WEIQing-yi1，YANG Jian-wei1，ZHANG Rui-zhuo1，LIANG Jin-sheng1,2

(1.Instituteof PowerSourceand EcomaterialsScience,HebeiUniversity ofTechnology,Tianjin300130,China;2.Key Laboratory of Special FunctionalMaterialsof EcologicalEnvironmentand Information,M inistry of Education,Tianjin 300130,China)

Based on the principle of the residual oilmeasurement of ceram ic surface,a kind of ceram ic easy-cleaning property testing equipmentw asdesigned and developed.Oilas soilingagentw ascoated on thesurfacesofceram ic sam p les. Then the sam p les were rinsed w ith water under certain conditions.The easy-cleaning property of the ceram ic products can be evaluated by theparameter A,which is defined as the residualoilofunitarea beforeand aftercleaning.The ultraviolet spectrophotometermethod w asused to verify the reliability.Itw as proved that the ceram ic easy-cleaning property results tested by theeasy-cleaning property testing equipmentareaccurateand reliable,and the testoperation issimple. Keywords ceram ics;easy-cleaningproperty;residualoilmeasurement;ultravioletspectrophotometermethod;testing equipment

TQ174.7

A

1007-2373(2014)01-0077-05

2013-11-07

地方高校国家级大学生创新创业训练计划（201210080002）；“十二五”国家科技支撑计划项目重点课题（2011BAE30B04）

王丽娟（1977-），女（汉族），副研究员，博士．