TiO2纳米晶胶体在卫生陶瓷中的运用
白静静
摘 要：纳米TiO2具备优良的光催化性、超亲水性及化学稳定性，被广泛用于污染治理、室内空气净化、自清洁涂层等方面，是近年来新材料、光化学和光催化领域研究的热点之一。本文将纳米TiO2应用于卫生陶瓷表面，制备具有自洁和抗菌效果的多功能卫浴产品。该类产品的成功研发及推广应用不仅能改善人们生活环境，拓宽传统陶瓷的应用领域，同时对于传统陶瓷的产业升级具有重大的现实意义。
关键词：纳米TiO2;自洁抗菌;卫生陶瓷
1 背 景
随着科技的发展和人民生活水平的提高，全社会的节约资源、环保意识在不断增强，人们对生活品质的要求越来越高。与此同时，由于工业化、城镇化步伐的加快，资源、生态环境还在持续恶化，地球变暖趋势逐步明显，细菌滋生、变异，传染病的感染、发病率也逐步上升。尤其是近些年的SARS 病毒、流感、禽流感等流行性疾病的肆虐使得人们认识到居住环境的净化、清洁的室外空气、有效的保护水资源等都与健康息息相关，也催生了环保用品的大市场。为此，人们对传统的建筑卫生陶瓷制品提出了更高的要求，主要集中表现在陶瓷制品的自洁、环保和抗菌等方面。
为了保持卫生陶瓷表面清洁和良好的外观，日常生活中常用方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，用清洁刷反复地洗擦其表面。主要利用清洁剂的化学去垢能力和清洁刷的机械力作用，除去沉积在卫生陶瓷表面上的污渍或污垢。但这种方式带来了水资源的大量浪费，清洗后的表面在短时间内又会被污染，需要经常重复清理，工作量大。同时，清洗剂的大量使用给人类环境带来很大的负面影响，主要是引起水体的富营养化，造成水体的污染，而且摄入量过多对人体健康也造成一定程度的危害。另一方面，目前人们使用的卫生陶瓷产品，如马桶、洗手盆等在使用时经常接触人体排泄物和带菌的人体，从而在这些陶瓷的表面可沾染和滋生各种致病菌和条件致病菌，人们与之接触后很容易受到感染。为了减少烦琐的清洗，节约用水，得到更为清洁的表面，开发光催化、自洁、抗菌功能陶瓷材料，提高陶瓷制品的环保、自洁及抗菌能力是提高人们生活质量，降低环境负荷的有效途径。
2 国内外同类产品和技术现状
为了降低陶瓷制品清洗的劳动强度，降低洗涤剂对环境的负荷以及对人体健康的危害，自20世纪90年代开始，德国、日本、美国、加拿大和法国等一些科技发达国家相继开展了关于建筑卫生陶瓷领域自洁-抗菌技术的研究，申请了一系列专利，并有相关产品的问世。日本是最早开发自洁-抗菌陶瓷的国家。日本东京大学对自洁陶瓷、玻璃等光催化建材的研制开发位于各国前列，成绩显著。日本TOTO、Toyota 和Nissan 等公司均成功开发出含有纳米TiO2光催化剂的自洁-抗菌陶瓷和玻璃等产品。英国Pilkington 公司开发出涂覆约40 nm 厚的TiO2薄层，在紫外光照射下能起到分解有机污染物、杀菌及自清洁的作用。美国ATOFINA和PPG公司也采用类似的方法生产自清洁-抗菌陶瓷和玻璃，但因其成本较高，至今仍未在市场上推广。欧洲的自洁-抗菌产品的研究主要集中在德国，其次英国、美国制造商也在加快开发、推广应用的步伐。此外，包括SACMI、Graniti Fiandre 公司在内意大利陶瓷公司，也在不断研究开发具有特殊功能的纳米TiO2陶瓷釉料产品。
我国虽是陶瓷生产大国，但目前仍在许多技术领域落后于日本等发达国家。近年来，我国虽然投入了一定量的人力物力用于先进陶瓷的研究开发，但与日本等国先进水平相比，仍存在一定距离。自洁-抗菌陶瓷作为先进陶瓷的一种，随着人们生活水平的提高，将有更广泛的市场前景。对纳米TiO2自洁-抗菌功能陶瓷的研究主要集中在部分高校和陶瓷企业，高校如清华大学、武汉大学、华南理工大学、暨南大学、华南师范大学等;陶瓷企业如广东唯美陶瓷、广东东鹏陶瓷（洁具）、广东砖石陶瓷及广东金意陶陶瓷等。主要将纳米TiO2应用在卫生陶瓷、外墙砖及内墙砖釉料中的应用研究，但是自洁-抗菌效果不明显，作用不穩定。因此，国内目前仍处于研发阶段，还没有真正进入产业化。
3 发展趋势和前景预测
人们对陶瓷制品的质量与性能要求越来越高，借助科技的发展人们拥有了性能优良的各种功能陶瓷。综观传统的陶瓷行业的发展，我国陶瓷行业也随着国际上陶瓷的竞争趋势，传统陶瓷也逐步趋向功能化。近年来传统建筑陶瓷功能化的发展方向主要为自洁-抗菌瓷砖、远红外瓷砖和防静电瓷砖等。其中自洁-抗菌瓷砖是上世纪90年代初兴起的一种新的陶瓷，是材料科学和微生物学相结合的产物，它具有抗菌、除臭、保健、自洁等功能，从而可广泛应用于卫生医疗、家庭居室、旅游宾馆、民用或工业建筑等。早在90年代初，发达国家已在医院、餐厅、高级住宅率先使用了自洁-抗菌陶瓷。近年来，国外陶瓷品牌如TOTO和INAX 等已有很多制品增加了自洁-抗菌的功能。
同时，我国传统陶瓷产业具有悠久的历史和光辉的发展历程，但在现代化工业进程中，传统陶瓷产业由于多种因素却步履维艰并陷入了困境。在新形势下，产业升级是实现传统陶瓷产业可持续发展的必由之路，只有依靠科技进步与技术创新，对传统陶瓷进行提升与发展，使其脱胎换骨，变得更清洁环保，产品附加值更高，产业链更长，竞争力更强，才能融入当今的节约型、环境友好型社会。
因此，开展纳米TiO2自洁-抗菌功能陶瓷的研究符合现阶段利用高新技术改造传统陶瓷产业的发展要求，增加传统陶瓷产品的科技含量和附加值，有利于拓展传统陶瓷的应用范围，对于传统陶瓷行业的发展有很大的促进作用，并有可能成为新的经济增长点，为经济和社会发展做出重要贡献。
据统计，2011 年国内各类建筑卫生陶瓷总产量约为85亿m2。以2011 年数据为基准预测，如果赋予其中5/10000的陶瓷砖以自洁-抗菌功能，则自洁-抗菌功能陶瓷的总量可达425万m2;如果因增加自洁-抗菌功能增值按25元/m2，则新增附加值可达1亿元以上。目前，国内对纳米TiO2自洁-抗菌陶瓷的研究仍处于研发试验阶段，还有较多关键技术没有得到完全的解决。如果相关技术问题得到合理的解决，随着项目成果的不断推广，在传统陶瓷中所占的比例将会逐渐增大，因此，该项目将具有非常好的产业化前景。
4 实 验
选用不同的钛源和硅源，分别制备不同性质的TiO2、SiO2溶胶;采用创新的溶剂热微乳液法，通过溶液中纳米团簇的尺寸控制实现低温诱导结晶，获得具有纳米晶结构特征的TiO2溶胶。并将稳定的TiO2、SiO2溶胶应用于卫生陶瓷产品表面，在现有卫生陶瓷的生产工艺流程后期增加一步涂覆纳米溶胶流程，通过热处理来增加涂层结晶性和结合力，制备具有自洁和抗菌多功能的卫生陶瓷产品。
4.1 涂布液材料的制备
（1）选择不同的钛源，如钛酸丁酯、异丙醇钛、四氯化钛或者硫酸钛等，分别制备高稳定性的TiO2溶胶。采用创新的溶剂热微乳液法，实现纳米团簇的尺寸控制及低温诱导结晶，制备不同性能的纳米晶TiO2溶胶。
（2）选择不同的硅源，如正硅酸乙酯、水玻璃（分子筛处理）、硅溶胶等，分别制备高稳定性的SiO2溶胶。采用化学法，实现纳米团簇的尺寸和结晶控制，制备不同性能的纳米晶SiO2溶胶。
TiO2的XRD谱图与TEM照片如图1、图2所示。表1、表2为纳米TiO2在不同材料中应用的自洁和抗菌性能测试结果。
4.2 涂布工艺
（1）由于卫浴产品多为异形结构，涂层的厚度和均匀性控制是制作的关键。试验采用刷涂、淋涂、喷涂等涂覆工艺。
（2）卫浴产品需要定期清洗，涂层结合力是使用的关键，进行单层、多层和混合层的涂覆，并考察涂布液浓度、涂层厚度、后处理工艺等对涂层的结合力和致密度的影响。
4.3 生产工艺流程
5 结 语
通过的溶剂热微乳液法，实现了TiO2纳米晶胶体的高效可控合成。该方法结合溶剂热和微乳液法的特点，使得溶液中纳米团簇的尺寸可控并能够在低温下发生诱导化结晶。将具有纳米晶结构的TiO2溶胶应用于卫生陶瓷产品的表面，由于材料本身已经实现晶化，因此不需要专门的晶化工艺，也避免了氧化钛与釉面的化学反应。同时在涂层材料中引入纳米SiO2材料，有利于降低材料的成本，提高涂层与陶瓷基体的结合力。
