谢明贵，夏诗明，张 杰

（广东省清远市质量计量监督检测所，清远511500）

1 引言

随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们的消费水平和对视觉美观的追求也不断提升。高档光滑的地面材料产品正急剧抢占着装饰材料的市场，陶瓷地砖生产技术不断革新，集经济、实用、美观和易清洁等诸多优点的陶瓷地砖正逐渐成为主要的地面装饰材料。也正是由于过于追求装饰的整体视觉效果，而导致大多数陶瓷地砖产品表面因过于光滑而带来了重大安全隐患问题。我国人口稠密区均属于亚热带气候且较多集中在沿海经济发达地区，雨水及潮湿天气多，当雨天或清洁过后，潮湿季节或沐浴时，地面材料防滑性能下降，容易发生滑倒、摔伤事故，甚至造成严重的伤亡事故。据有关资料显示，在我国每年因地面湿滑摔伤的人数呈上升趋势，例如：2008我国因地面湿滑摔伤事件在案就有506.5万起，因湿滑摔倒的纠纷约7.65万件，赔偿金高达2.8亿元人民币以上[1]；在美国每年都有一百万人左右遭到滑倒、绊倒等伤害[1、2]；在英国，仅 2005年因工作场所地面滑倒和绊倒的重大伤害约有一万件[1、3]。地面防滑问题已成为当前必须面对并解决的重大公共安全问题。

陶瓷地砖防滑性能是陶瓷砖安全性能评价的重要指标之一，滑倒或跌倒是浴室、洗手间、公共场合以及其它潮湿光滑地面的常见事故。目前，在国内，随着消费者对安全意识的普及和提高，对陶瓷产品的要求由单纯追求装饰效果慢慢转变为同时重视使用安全性。此外，《陶瓷砖》（GB/T4100-2015）国家新标准于2015年12月1日起正式实施，该新标准的颁布和实施也在陶瓷地砖防滑性能上要求更加严格。我国又计划起草国家标准《防滑陶瓷砖》与《陶瓷砖防滑性等级评价指南》，具体确定摩擦系数的测试方法。此举既考虑到与世界各地标准的兼容互认，也考虑到贸易上与国际通用标准的接轨。在欧美等发达国家早已对地面材料的防滑性能进行了大量理论研究，并制定了一系列地面防滑评价体系以及相关法律[4-11]，以帮助消费者更加科学合理地选择陶瓷产品用于地面装饰。

2 地面防滑机理的发展

在国外，很早就开始对地面安全性能进行了研究，尤其是在地面防滑机理的研究方面做了大量工作。1981年，Strandberg[12]等就做了人行走时滑倒的研究，之后Lanshammar[13]，Perkins[14]，Leamon[15]，Li[16]，Myung[17]和 Chang[18]等研究者均认为摩擦力越大，防滑性能可能越好。还有不少针对静摩擦和动摩擦与人行走时产生的摩擦类型进行研究，大多认为动摩擦更符合人行走时产生摩擦的类型[13、19-20]。而据相关研究，鞋底和地面的摩擦系数是测量其中摩擦力的最重要因素，摩擦系数越大，防滑级别则越高，因此摩擦性能已被广泛地应用于地面防滑的重要指标[21]。地面材料、粗糙度、污染物以及鞋底的纹路均是影响鞋底和地面间摩擦系数的因素[18、22-25]。Thomas D.Proctor[3]等利用流体动压润滑理论阐释一定的表面粗糙度可有效提高防滑性能。Harris，G.W.[26]等得出粗糙度峰谷值为8～10 μm时，在潮湿的地面上具有合适的防滑性能。Stevenson MG[27-31]等人通过模拟人行走时受到的摩擦力，研究在不同环境中的滑倒机理以及引起滑倒的主要影响因子。当人踩在含有液体的地面上时，则满足了压膜效应形成的条件。根据式（1）Moor的压膜效应[32]，地面的液体延迟了鞋底和地面产生摩擦力的时间，因此，这种条件下极易发生滑倒事件。

式中，h0——液体初始厚度；h——液体厚度；t——液体厚度从h0降低到h所需时间；FN——正应力；K——形状因子；μ——黏度；A——表面接触面积。

很多研究者根据压膜效应探索了很多影响摩擦力的因素。Pcocter和Coleman[3]利用压膜效应证明了一定程度的表面纹理可增加接触时的摩擦力；Chang[22]等人的研究表明含有表面污液的地面粗造度的增加有助于改善其压膜效应；Lemon和Griffiths[33]指出污染液体黏度越大，则鞋底与地面之间的液体厚度越大，因此需要更大的表面粗糙度才足以确保一定的防滑性；也有人提出在湿滑的地面上若有更高更尖锐的表面突起可有效增大表面摩擦系数，进而明显改善压膜效应导致的滑溜[34]；还有学者认为在鞋底设计合适的条纹可在压膜效应形成后有效地排出液体，加快鞋底与地面的接触，从而降低滑倒的风险[35-37]。由于地面液体黏度对和表面粗糙度是滑溜产生的关键因素，因此有研究者研究了在达到具有一定防滑性的前提下，不同黏度的液体与表面粗糙度的对应关系，如表1。

表1 不同黏度液体对应的地面粗糙度[38]

Chen[39]等人选择了两种鞋底材料在六种不同黏度范围的液体和五种粗糙度不同的表面进行摩擦系数的测试，并选择 Ra 用于表征表面粗糙度[18、22、26、28、36、40-41]。研究结果显示（如图1，2）鞋底材料是影响摩擦系数最重要的因素，液体的黏度次之，地面粗糙度的影响在三者中最小。然而，当液体黏度高于38.0 mPa·s时，鞋底材料和粗糙度的影响将变得很微弱，摩擦系数将几乎为零。

相关研究表明，包括表面粗糙度和波纹度在内的表面参数均对摩擦力有影响[42]。Chang[18]等人总结了所有表征表面粗糙度和波纹度的参数（表2），并出于现实考虑提出，在测试条件受限时，测量Ra值则足以表征摩擦力，若能得到Rpm和Δa的测试数据，则可提高对摩擦的预见性。图3展示了以丙三醇水溶液浓度为70%的液体作为污染液时，在三种不同取样长度[43]（0.8 mm、2.5 mm、8 mm）下，表面粗糙度与摩擦系数之间的关系。三种取样长度0.8 mm、2.5 mm、8 mm所对应的Ra与摩擦系数之间的相关性分别为0.85、0.92、0.98。作者最后还提到，孔隙率和渗透性将会影响污染液停留在地面的总量，因此，也将会对接触时产生的摩擦力有影响。

虽然很多研究均表明表面粗糙度和波纹度与摩擦力测量值有很大相关性[26-28，30-31]，但也有学者提出疑问，表面粗糙度和波纹度与表面所处的位置紧密相关，当位置发生变化时，其相关数值一般也会发生变化[18、22]。

表2 表面参数的定义

根据Chang[44]的研究，在实验测试条件下（表3），表面坡度的算术平均值（WΔa）是与摩擦系数具有最高相关性的表面参数。摩擦系数与WΔa的关系如图4、5所示。并研究了污染物介质黏度对摩擦力的影响，作者认为当污染物介质黏度低时，两个界面接触时，载荷几乎由固-固接触支撑，尽管此时表面粗糙度对摩擦力影响很大，但并没有高黏度污染物介质时表面粗糙度对摩擦力的影响大，因此，这种情况下表面参数与摩擦力之间的相关性较差；随着污染物介质黏度的增加，流体动力润滑效应将变得与固-固接触时产生摩擦的效果同等重要，表面特征参数将更加显著地影响接触时产生的摩擦力，因此，固体表面参数与摩擦力之间的相关性随之增大；当污染物介质黏度继续增大时，流体动力润滑效应将起到主导作用，此时，两个固体之间几乎被分隔开，摩擦力几乎消失，因此，此时固体表面参数与摩擦力之间几乎不存在相关性[45]，结果如图6所示，表面砂磨条件见表4，摩擦力测试条件见表3所示。

表3 摩擦力测试条件

表4 表面砂磨工艺参数

选择具有适当摩擦系数的陶瓷地砖是防止滑倒的必要条件（图11），而影响陶瓷地砖摩擦系数的因素不仅来自陶瓷砖本身，也与鞋底材料（图8）、表面状态（图7、10）有关。研究表明，合适的鞋底材料对于防止滑倒有至关重要的作用；当地面存在液体时，无论是哪种液体，其摩擦力都将因压膜效应而急剧下降（图9）[42]。

3 防滑陶瓷砖制备技术

国内外在陶瓷表面防滑技术的研究主要包括增加陶瓷产品表面粗糙度、增强陶瓷产品表面自清洁和干燥功能、利用吸盘原理提升防滑性能三种类型。其中以通过增加表面粗糙度进而增强防滑性能的研究居多。

3.1 增加陶瓷产品表面粗糙度的技术研究

3.1.1 通过模具或后续加工制造凹凸槽

最常见的增加陶瓷砖产品防滑性能的方法使用模具或后续加工在产品表面制造凹凸槽或条纹，王铎等[46-55]通过模具或后续处理加工生产表面具有明显凹凸沟槽的瓷砖产品，有效提高了防滑性能，但这类瓷砖均存在耐污性能较差的问题。

3.1.2 通过工艺技术在釉中加入干粒或制造凸起制备具有凹凸颗粒感的釉面

罗杰华[56]在砖坯施底釉或印花釉后，均匀布施一层20～160目的干釉粒，经高温煅烧后，采用半抛技术将表层珠粒状玻化釉层凸顶部分进行原有凸顶高度1/3～1/2的磨削抛光，得到防滑、防污性能良好且不失美感的瓷砖产品，同样利用类似技术的还有[57-63]等人；还有通过在釉料中加入金刚砂[64-65]，进而提高其防滑和耐磨性能；洪兆凯[51]更是结合了设置凹凸槽和表面凹凸颗粒的方式增加瓷砖的防滑性能，他设计了在砖表面密布均匀密的凸出颗粒和凹凸组合线的工艺，有效地提高瓷砖的防滑效果；张延伟[66-67]把瓷砖表面设计成瓷本体和釉面相间分布的产品，因而起到防滑的效果。

3.1.3 利用防滑剂制造凹凸表面效果

有些研究者[68-71]通过将强酸性或强碱性腐蚀液喷涂在陶瓷砖表面，将玻璃相侵蚀，从而在瓷砖表面形成细小的凹陷，提高瓷砖的摩擦系数；银龙等[72-74]则研发了带有防滑微粒的防滑剂，能够在基材表面形成防滑涂层；也有研究者通过将防滑陶瓷墨水印刷在陶瓷砖表面，形成规则排列的高度介于30～100μm间的凸起颗粒，最后经烧成得到防滑性能优异的防滑砖[75]。

3.1.4 通过改善原料的相互配比或宏观性能

蔡国桢等人[76-87]通过合理调配坯体或釉浆的配方，制备了防滑性能优于普通瓷砖的产品；祁国亮[88]将不同级配的坯体颗粒混合压制成砖坯，在砖坯的坯体颗粒级配中创造性的使用了粒径＞20目的颗粒，有效克服了在砖坯中不适于使用大颗粒的技术偏见，瓷砖也具有更好的防滑性能；梁桐灿[89]在不对现有有釉陶瓷砖的生产工艺做出重大改变的基础上，重点对坯体的配方组成、底、面釉熔块的组成、底、面釉的配方组成等进行调整与优化，在坯体配方中添加较大量的污泥渣，制备出性能优良，且具有防滑效果的有釉陶瓷砖产品。通过高倍扫描式电子显微镜观察产品釉表面，呈现如铝尖晶石晶体针状坚硬的突出物，并在产品表面喷少许水的情况下测试防滑系数达到0.8，防滑等级达到R12。

3.2 增强陶瓷产品表面自清洁和干燥功能的技术研究

江显异[90]设计了一种透水防滑地砖，该产品包括：复合在一起的底层，中间层和面层，其中，底层为致密陶瓷层，在底层上设有贯通其上下表面的去水孔；中间层为多孔陶瓷层，该多孔陶瓷层上设有多个等效孔径不大于去水孔的通孔；面层为装饰釉料层，该装饰釉料层上设有多个等效孔径不大于通孔的微孔。中间层为至少两层以上，各层间通孔的等效孔径由下到上递减。该类防滑地砖具有透水性能佳，防滑好的特点。

3.3 利用吸盘原理提升防滑性能的技术研究

荣继华[91]在釉面砖的面釉层上设置有一层可形成纹路或坑洼结构的防滑剂层，防滑剂层上的纹路可以和接触面在压力下形成机械咬合力，而坑洼结构则可以和接触面在压力下产生负压，形成吸力。在这两种结构的协同作用下，砖面的防滑效果将大大提高，滑剂层的纹路和坑洼结构都是微米级的，保证了砖面的整体效果不被破坏。

4 结语与展望

目前，防滑陶瓷砖的制备技术已较丰富，消费市场也常有各种类型的防滑砖产品问世，但市场反馈始终差强人意，产品总存在一些消费痛点，或防滑效果持续性差；或防污和易清洁能力不好；或美观性能大打折扣。在政策和市场的影响之下，兼具美观、实用和防滑性能的陶瓷砖将会成为家居内装和公共场所装饰的新宠儿，这也将为中国陶瓷砖产品走向国际市场铺展更宽广的道路。