陶瓷表面能调控及其易洁性研究.pdf

河北工业大学 硕士学位论文 陶瓷表面能调控及其易洁性研究 姓名：李计元 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：梁金生 20070201 河北工业大学硕士学位论文 i 陶瓷表面能调控及其易洁性研究陶瓷表面能调控及其易洁性研究 摘摘 要要 本工作从陶瓷材料表面能的调控入手，研究各化学组分对陶瓷表面能的影响规律，探 讨表面能对陶瓷材料易洁性的影响 调整釉料的化学组分制备陶瓷试样 以水和乙二醇做测试液， 利用 Dataphysics OCA-30 接触角测试系统测试陶瓷试样的接触角，并根据 OWRK 模型计算陶瓷表面能及其组成 用扫描电镜（SEM）分析微观形貌对陶瓷材料易洁性的影响 结果表明：硅铝比对陶瓷表面能有较大的影响随着硅铝比的增大，表面能先减小后 增大当硅铝比为 6.0 时，陶瓷表面能最小，达到 54.9 mJ/m2，此时极性分量在表面能组 成中所占的比例最小达到 82.4％；当硅铝比为 7.5 时，陶瓷表面能最大，达到 72.04mJ/m2； 硅铝比大于 10.0 时，表面能有降低的趋势 氧化硅含量对陶瓷表面能也影响较大，含量在 2.7~2.9mol时，陶瓷表面能较低，最低 为 60.25mJ/m2，极性分量的比例是 97.8％；氧化硅含量在 3.0～3.2mol时，表面能有最大值 为 79.57 mJ/m2，极性分量在表面能中所占比例最高为 99.9％。

助熔剂可使表面能降低，极性分量的比例减小，这是加入碱金属氧化物使 Si—O—Si 键断裂，网络结构破坏的结果；电气石对陶瓷表面能影响不大，但其极性分量却随着电气 石的增多而减小，这是电气石高温分解产生 B、Fe 元素的影响结果 陶瓷表面能直接影响着陶瓷制品的易洁性能陶瓷表面能越高，水中油滴的接触角就 越大，油滴在陶瓷表面上的粘附功就越小，油滴就越容易从陶瓷制品表面去除，那么陶瓷 制品的易洁性就越好通过研究水在油/陶瓷界面上的自迁移规律，发现易洁性良好的陶瓷 制品，表面能一般大于 72.8mJ/m2，其极性分量大于 58.0 mJ/m2，此时水在整个油/陶瓷界 面产生自迁移，油/陶瓷界面消失，油滴失去粘附而浮起 关键词：关键词：表面能，调控，易洁性，陶瓷制品，接触角，OWRK 模型，粘附功，自迁移 陶瓷表面能调控及其易洁性研究 ii REGULATION TECHNOLOGY OF CERAMIC SURFACE FREE ENERGY AND ITS EASY-CLEANING PROPERTY ABSTRACT This work mainly focuses on the regulation of ceramic surface energy. The effect of glaze composition on its surface free energy (SFE) was studied, and the effect of surface free energy on easy-cleaning property of household porcelains was discussed. Ceramic samples were obtained by adjusting the chemical compositions of glaze. Then surface free energies and their components of the samples were determined by Dataphysics OCA-30 contact angle measurement for water and ethylene glycol, in which OWRK model was selected. The effect of topography on easy-cleaning property was analyzed by using scanning electron microscope (SEM). The results show: Si/Al ratio has much influence on ceramic surface energy. With increasing the Si/Al ratio, SFE decreases at first, then increases. When Si/Al ratio is 6.0, the SFE reaches to the lowest point (54.9mJ/m2). At that time, the proportion of polar shares in SFE is also the lowest, which is 82.4%. When Si/Al ratio is up to 7.5, the SFE reaches to the highest point (72.04mJ/m2); When Si/Al ratio is more than 10.0, the SFE has the tendency to decrease. The contents of SiO2 have also much influence on SFE. Ceramic surface energies are very low within the scope of 2.7~2.9mol, the lowest point is 60.25 mJ/m2, the proportion of polar shares is 97.8%. Within the scope of 3.0~3.2mol, the SFE reaches to the highest point (79.57mJ/m2), the proportion of polar shares is 99.9%. Fusing agents can make SFE decrease, while the proportion of polar shares decreases at the same time. This is because alkali oxide make the bond of Si—O—Si break, which induce network structure to damage. Tourmalines are minor to SFE, but polar shares decrease while 河北工业大学硕士学位论文 iii adding tourmalines. This is because tourmalines decompose to impurities (B, Fe) at high temperature. Surface free energy has much effect on easy-cleaning property of household porcelains. The higher the surface free energy of ceramic was, the larger the contact angle of oil made under water, the smaller the work of adhesion was, the easier the oil could be removed from the surface, then the better the easy-cleaning property of household porcelains had. By studying the self-emigrant of water approaching into the oil-ceramic interface, we found that household porcelains with good easy-cleaning property have surface free energy no less than 72.8mJ/m2, of which polar shares are greater than 58.0mJ/m2. At this time, the self-emigrant of water extended to the whole oil-ceramic interface and then the interface disappeared. It was replaced by water-ceramic interface. So the oil had no tendency to adhere. KEY WORDS: surface free energy, regulation, easy-cleaning property, household porcelain, contact angle, OWRK model, work of adhesion, self-emigrant 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 §1-1 引 言 §1-1 引 言 陶瓷是人民日常生活中所不可缺少的日用品， 几千年来一直是人类用以生活的主要餐具、 茶具和容 器。

陶瓷的坚致洁白、明润如玉、便于塑造、适于装饰、变化万千、丰富多彩是其它材料所无法替代的 但是随着人民生活水平的提高，人们对传统的日用陶瓷制品，提出了更高的要求，主要集中表现在陶瓷 制品的抗污、自洁和易洁等几个方面 陶瓷材料显微结构主要由晶相、玻璃相和气孔组成，使其最终制品存在 5％-10％（体积）的气孔 率 [1-2]虽然釉层的存在掩盖了陶瓷坯体的大部分缺陷，表面已经相当的致密光滑，但是也不可避免的 存在一定数量的微小针孔和凹凸， 加之陶瓷制品在使用过程中未玻化颗粒的脱落和外界环境的影响， 缺 陷会不断增多当污染物接触到制品表面，由于毛细管力和范德华力的双重作用，一部分污染物就会粘 附到这些开口气孔与凹凸之中，日积月累，不但影响陶瓷制品的外观，而且为各种细菌的滋生提供了条 件如果不及时清除或杀灭这些细菌，势必会危及人类的身体健康 研究发现， 陶瓷表面粘附的污染物基本上是由可溶性有色无机物或有机物组成， 通常呈酸性或碱性， 如日常生活中的污水、茶渍、尘土、墨水和有机油污等[3]，这些污染物体积较小，很容易聚集并进入到 陶瓷表面上的缺陷处，使陶瓷表面受到污染且难以清除为了维持卫生陶瓷表面的清洁和良好的外观， 常见的做法是采用表面活性剂，酸性除垢剂或碱性除垢剂之类的清洁剂，用清洁刷强烈的擦洗其表面。

主要利用从清洁剂获得的化学去垢能力和利用清洁刷产生的机械力作用， 除去沉积在卫生陶瓷表面上的 污渍或污垢这种清洁工作是不轻松的，因而需要减少清洁的次数而且清洗后的表面在短时间内又会 被污染表面活性剂的大量使用可以给人类带来很大的负面影响，不但引起水体的富营养化，造成水体 污染，而且摄入量过多对人体健康也造成一定程度的危害 所以，开发易洁陶瓷材料，提高陶瓷制品的抗污、自洁能力是提高人们生活质量，降低环境负荷的 有效途径 陶瓷表面能调控及其易洁性研究 2 §1-2 国内外研究现状 §1-2 国内外研究现状 为了降低陶瓷清洗的劳动强度， 减轻洗涤剂对环境的压力和对人体健康的危害， 从 20 世纪 90 年代 开始，日本、德国等一些科技发达国家相继开展了关于陶瓷自清洁技术的研究，申请了一系列专利，并 有自洁型产品问世， 如日本TOTO公司[4-6]通过在卫生洁具表面施加一层超平滑釉， 使污染物不易牢固地 粘附在洁具表面而达到抗污的目的日本松下电工[7]则研制出一种具有特殊功能的釉料，既能增加洁具 的美感， 又能提高陶瓷的抗污性能 美标公司推出的 “美康” 技术可以有效抑制细菌在陶瓷表面的繁殖， 而。