可降解環(huán)保陶瓷的制備及性能研究

吳軍明 吳雋 李其江 張茂林 袁文瓚

（1.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，景德鎮(zhèn)：333001；2.景德鎮(zhèn)出入境檢驗(yàn)檢疫局，景德鎮(zhèn)：333000）

1 引言

中國(guó)是當(dāng)今世界陶瓷生產(chǎn)大國(guó)，現(xiàn)有宏大的生產(chǎn)規(guī)模，近千萬(wàn)的陶瓷從業(yè)人員，配套完整的產(chǎn)業(yè)鏈，驚人的產(chǎn)量[1]。截止2007年底，我國(guó)僅日用陶瓷一項(xiàng)年產(chǎn)量就已達(dá)130億件[2]。然而，陶瓷制品生產(chǎn)過(guò)程中耗能高、廢棄過(guò)程中處理難，造成的環(huán)境污染和資源短缺等問(wèn)題，也逐漸凸顯出來(lái)，并已成為陶瓷行業(yè)可持續(xù)發(fā)展所不容忽視的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，世界各國(guó)正在尋求各種有效的解決途徑[3-6]，可自然風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷也正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生。1999年以來(lái)，中國(guó)建材網(wǎng)、中國(guó)建材報(bào)訊、福建之窗、中國(guó)陶瓷企業(yè)網(wǎng)等相繼報(bào)道了在我國(guó)福建德化等地成功開(kāi)發(fā)了一類(lèi)在較低溫度下（即比傳統(tǒng)陶瓷制品低100～200℃）一次燒成，且破碎后丟棄于自然界中可在較短時(shí)間內(nèi)（半年至一年左右）自然風(fēng)化降解的新型輕質(zhì)環(huán)保陶瓷。然而，有關(guān)可自然風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷的降解機(jī)理、制作工藝等的研究和報(bào)道卻非常少[7-8]。因此，深入探索這類(lèi)新型輕質(zhì)環(huán)保陶瓷的工藝特征，不僅對(duì)于指導(dǎo)我國(guó)陶瓷生產(chǎn)，提升我國(guó)陶瓷制品質(zhì)量，降低生產(chǎn)過(guò)程中的能耗和廢棄過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，還將為實(shí)現(xiàn)陶瓷生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 德化、潮州樣品測(cè)試分析

選擇了德化、潮州生產(chǎn)的5件典型可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷樣品，為了探明此類(lèi)新型可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷的工藝特征信息，揭示新型可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷的原料配方，實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)EDAX公司生產(chǎn)的Eagle-Ⅲ超大樣品室能量色散X熒光能譜儀，測(cè)試分析了樣品胎體的化學(xué)組成，結(jié)果如表1。同時(shí)，還采用高溫?zé)崤蛎泝x、真空吸水率測(cè)試儀等方法對(duì)樣品胎體的燒成溫度、吸水率等性能進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果如表2所示。

2.2 可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷的制備和性能測(cè)試

在測(cè)試分析及前期工藝探索實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究選擇以粘土、長(zhǎng)石、石英、石灰石為原料，通過(guò)調(diào)整配方中各種原料的加入量進(jìn)行了系列試制實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，為了研究實(shí)驗(yàn)制品的風(fēng)化降解性能，并分析探討配方改變對(duì)制品風(fēng)化降解性能的影響情況，選擇將實(shí)驗(yàn)制備的樣品和德化、潮州所產(chǎn)可風(fēng)化降解陶瓷分別進(jìn)行人工模擬風(fēng)化降解實(shí)驗(yàn)，即將每個(gè)樣做成三塊重量為10克左右的塊狀樣品烘干稱(chēng)重記錄，然后分別置于常溫下裝有1%稀鹽酸的燒杯中充分浸泡反應(yīng)，144h后取出烘干分別測(cè)量浸泡后樣品的重量，并計(jì)算每個(gè)樣品的平均重量損失率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

表1 德化、潮州產(chǎn)可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷的化學(xué)組成（w t%）Tab.1 The chemical compositions of samples from Dehua and Chaozhou

表2 樣品物理性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 The physical properties of samples

表3 德化、潮州樣品胎體的理論配方Tab.3 The theory formula of bodies from Dehua and Chaozhou

3 分析與討論

3.1 制備工藝探索

表1是德化、潮州所產(chǎn)的可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷樣品的化學(xué)組成結(jié)果，從樣品的化學(xué)組成結(jié)果可以看出，樣品胎體內(nèi)部CaO含量比普通陶瓷制品高出數(shù)倍，有些甚至高達(dá)10.83%?？梢?jiàn)，這類(lèi)可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷在化學(xué)組成上明顯有別于普通陶瓷制品。為了更好地開(kāi)展可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷工藝實(shí)驗(yàn)，根據(jù)表1化學(xué)組成百分含量結(jié)果，計(jì)算得出了各個(gè)樣品的胎式和樣品坯體的理論配料量[9]，所得計(jì)算結(jié)果如表3。

表2樣品的燒成溫度和吸水率結(jié)果表明，可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷的燒成溫度在1060℃左右，吸水率在25%左右。可見(jiàn)，這類(lèi)新型環(huán)保陶瓷具有燒結(jié)程度不高，內(nèi)部存在較多孔隙的典型特征。相關(guān)研究證明，可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷的化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)正是影響其后期風(fēng)化降解的主要因素[8]。因此，實(shí)驗(yàn)擬定如表4所示的系列工藝配方，同時(shí)采用最高燒成溫度為1060℃，并在最高溫度保溫10min，然后自然冷卻至常溫的燒成制度開(kāi)展了系列工藝實(shí)驗(yàn)，并研究了不同組成配方對(duì)樣品可風(fēng)化降解性能的影響情況。

表4 制備實(shí)驗(yàn)的原料配方Tab.1 The raw material formula of samples

圖1 不同樣品降解實(shí)驗(yàn)前后的重量變化曲線(xiàn)Fig.1 The weight loss of samples in degradation experiments

3.2 配方組成對(duì)制品風(fēng)化降解性能的影響

從圖中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)制備的五個(gè)樣品（除1號(hào)樣品外）的降解性能均達(dá)到了較為理想的結(jié)果，重量損失率數(shù)值均大于德化、潮州所產(chǎn)可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷樣品。另外，從圖中可看出3號(hào)樣品重量損失率最大，具有最好的風(fēng)化降解性能，結(jié)合表2德化、潮州樣品化學(xué)組成結(jié)果和表4實(shí)驗(yàn)配方，可知樣品配方中氧化鈣含量（石灰石的加入量）對(duì)于樣品的風(fēng)化降解性能影響最大，當(dāng)其加入量從5%到15%時(shí)，重量損失率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，而加入量超過(guò)15%繼續(xù)增加時(shí)，重量損失率卻又呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。由此，可初步判斷制品中石灰石的引入量在15%時(shí)，制品的風(fēng)化降解性能最好。

4 結(jié)論

（1）德化、潮州所產(chǎn)可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷制品胎體化學(xué)組成明顯有別于其他普通陶瓷制品，CaO含量很高，有些甚至高達(dá)10%以上。

（2）可風(fēng)化降解環(huán)保陶瓷屬于低溫陶瓷制品，燒成溫度在1060℃左右。

（3）實(shí)驗(yàn)表明，碳酸鈣的加入量是影響樣品風(fēng)化降解性能的主要因素，加入量為15%的制品風(fēng)化降解性能最好。

1劉垚,周健兒,吳大選.中國(guó)日用陶瓷工業(yè)現(xiàn)狀及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.硅酸鹽通報(bào),2005,5:20～24

2中國(guó)輕工工藝品進(jìn)出口商會(huì)陶瓷分會(huì).日用陶瓷質(zhì)量安全手冊(cè).2009,4

3左鐵鏞等.國(guó)外環(huán)境材料的研究進(jìn)展及發(fā)展動(dòng)向.材料導(dǎo)報(bào), 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.關(guān)于生態(tài)環(huán)境材料研究的一些基本思考.材料導(dǎo)報(bào), 1999,13（1）:12

6王天民,郝維昌.生態(tài)環(huán)境材料--社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ).航空學(xué)報(bào),2002,23（5）:459

7袁文瓚,吳軍明等.日用陶瓷鉛鎘溶出量的檢測(cè)與酸侵蝕的研究.檢驗(yàn)檢疫科學(xué),2009,19（1）:42～44

8吳軍明,吳雋等.新型環(huán)保陶瓷自然風(fēng)化降解機(jī)理初探.陶瓷學(xué)報(bào),2009,30（2）:190～194

9李家駒.陶瓷工藝學(xué).北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2006,116～126