孙飞野　柯善军　田维　马超

摘 要：建筑陶瓷的功能化是陶瓷行业的发展方向之一。本文基于最新的研究成果，对抗菌陶瓷、防静电陶瓷、调湿陶瓷、发光陶瓷、发热陶瓷、自清洁陶瓷、除甲醛陶瓷和发泡陶瓷的技术发展情况进行归纳，并对存在的问题和解决方案进行阐述。

关键词：功能型建筑陶瓷;抗菌陶瓷;调湿陶瓷;发泡陶瓷

1 前 言

建筑陶瓷最基本的功能是保护建筑物的内外墙及地面，并为建筑物提供一定的装饰效果。建筑陶瓷功能化的外在原因是随着生活水平的不断提高，人们不仅满足于建筑陶瓷的基本装饰作用，希望通过赋予陶瓷一定的功能性，进一步提高人居环境水平。而促使建陶行业开展功能型建筑陶瓷产品研发和生产的内在原因是由陶瓷行业本身决定的，"三高"的陶瓷生产企业面临着国家不断升级的节能减排政策，叠加矿产资源、能源资源、劳动力资源日益短缺的现状，促进了建筑陶瓷的功能化发展[1]。

本文对近几年功能型建筑陶瓷技术取得的研究成果进行总结，并对存在的问题、解决途径和应用场景进行阐述。

2 功能型建筑陶瓷技术的发展及应用

2.1 抗菌陶瓷

抗菌陶瓷是通过在釉料或者陶瓷表面施用一定量具有抗菌、抑菌效果的抗菌剂，达到对微生物生长和繁殖的抑制，控制微生物含量低于致病浓度，从而实现抗菌、抑菌效果。由于对表面的微生物产生了抑制，因此抗菌陶瓷也具有一定的除臭功能[2]。

邓秋玲[3]以硝酸银、四水硝酸钙和磷酸氢二铵作为主要原料，采用共沉淀法合成载银羟基磷灰石，与硅藻土混合后避光搅拌，在800℃条件下进行烧结，得到具有抗菌、抑菌效果的载银羟基磷灰石/硅藻土粉体。抗菌测试的结果表明，以该粉体制备的抗菌陶瓷对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率达到了99%以上，ICP-MS结果显示出抗菌陶瓷银离子溶出量低于饮用水中银离子标准浓度。TiO2系光催化抗菌陶瓷[4]主要是利用具备光催化抗菌作用的TiO2、ZnO2等抗菌薄膜[5]实现抑菌、抗菌效果。此外，一系列改性的钛[6]和锌[7]类抗菌材料也表现出优异的抗菌效果。

学校、医院、餐厅、公共卫生间等是微生物生长和繁殖的理想场所，仅凭日常的消杀不能获得持续的抗菌、抑菌效果。一些具有致病性的病原微生物在建筑室内环境中滋生传播，不仅对人体健康构成威胁，还会增加传染性疾病肆虐的风险。根据世界卫生组织（WHO）统计，每年全球因病菌导致的死亡人口超过1700万。抗菌陶瓷作为能够有效抑制微生物活动的建筑材料之一，目前在抗菌建筑材料的市场占比为9.1%，未来还有非常大的市场增长空间[8]。

2.2 防静电陶瓷

静电是一种处于静止状态的电荷，当带静电物体接触与其有电位差的物体时会发生电荷转移，出现放电现象甚至产生电火花。一般来讲，材料的绝缘性能越好，越容易产生静电。以往的防静电产品主要是：环氧树脂板、三聚氰胺板、PVC防静电涂料、防静电橡胶板等高分子材料，这些材料存在不耐磨、易老化、耐久性和防污性能差的缺点。

向陶瓷釉料中加入一定量包裹有铝掺杂氧化锌（AZO）导电粉的料浆，经1170℃烧结后得到体电阻率达5.9×107Ω的防静电陶瓷砖。该瓷砖的电阻值随导电粉添加量或导电粉细度增加而减小。此外，釉料的粒度分布和含水率对防静电陶瓷砖的性能也有也有一定的影响[9]。由于二氧化锡具有乳浊作用，因此锑掺杂的二氧化锡（ATO）类导电粉不适用于作为要求丰富装饰效果的防静电陶瓷的导电材料，但是可以用于制备蓝色的防静电瓷砖[10]。

静电的产生几乎是不可避免的，同时其危害也是巨大的，尤其在炼油、化工、橡胶、电子、机械等行业中，因靜电引发的火灾爆炸事故比比皆是。由此，人们耗费了大量的财力、物力、人力去改造升级设备，提高设备的抗静电性能。防静电陶瓷能够有效的引导电荷转移，防止电荷产生累积，避免出现尖端放电产生电火花。因此，防静电陶瓷在加油站[11]、机房[12]、医院[13]、车站[14]等场景有非常大的应用潜力。

2.3调湿陶瓷

空气湿度与人体感受有非常直接的关联，人体适宜的空气湿度范围在40%～70%之间。空气湿度过高会抑制人体散热功能的发挥，使人感到闷热、烦躁、食欲不振;空气湿度过低则容易使人感觉口干舌燥、喉咙肿痛、声音嘶哑，容易诱发感冒。

海泡石具有丰富的微孔结构，是良好的调湿和吸附材料。调湿瓷砖中5nm以下的微孔在中等湿度（75%）的环境下具有强吸湿特性，而孔体积贡献最大的10nm及以上尺寸的孔则作为潮湿空气进出的孔道，因此优化海泡石的孔径分布是材料具备良好吸放湿响应的保证[15]。有人以传统陶瓷原料和抛光砖废渣作为多孔调湿陶瓷的骨架，外加硅藻土、海泡石等吸附材料，探索了粉料的颗粒级配对样品调湿性能的影响[16]。

调湿技术主要分为两类：主动调湿和被动调湿。主动调湿技术是通过消耗电能或其他能源，基于一定设备的基础上实现提高或降低空气湿度的调节技术，这种技术耗能大，容易使人产生"建筑综合征"[17]。被动调湿则是利用调湿材料自身结构特点，感知外界变化，动态调节环境湿度，起到一定的蓄放作用。被动调湿技术的最大优点是无需消耗额外能源即可将环境湿度调节到人体适宜范围，其中，调湿陶瓷是被动调湿技术一种实现形式。

调湿陶瓷主要应用于办公室、医院病房、家居卧室、卫生间等场所，通过对空气湿度进行调节，降低空气中病菌的生存活力[18]，改善潮湿闷热、干燥的体感，提高了人体舒适度。

目前的调湿陶瓷技术主要是在陶瓷砖表面形成具有孔隙结构的吸附釉层，此类陶瓷表面存在微孔结构，因此对瓷砖的防污性能产生一定的影响。

2.4 发光陶瓷

发光陶瓷是一类釉料中含有光致发光材料的陶瓷砖，在外界光源照射下完成吸光、储能过程，当撤去外界光源后，储存在发光陶瓷中的能量以光能形式释放，实现无源发光效果。发光陶瓷可以广泛的用于住宅消防通道、地下通道、酒店、室外体育场、卫生间等公共场所，具有较大的节能减排意义。

发光陶瓷中常见的发光材料为金属硫化物，最典型的为ZnS、CdS等。以此类材料制备的发光陶瓷具有发光具有发光性能良好、发光效率高的优点。烧成温度较低则是金属硫化物发光材料的不足。以铝酸盐、硅酸盐或铝硅酸盐为基质，掺杂Eu3+、Dy3+、Yb3+等稀土离子制备的发光陶瓷[19]，其发光强度和余辉时间是金属硫化物发光陶瓷的数十倍，但是铝酸盐类发光材料与基础釉料存在相容性差的问题。针对目前研究现状，发光陶瓷在发光强度、余辉时间、发光材料与釉料的兼容性等方面都还有较大的提升空间[20]。

发光陶瓷具有装饰和蓄能发光的作用，在高速隧道和城市隧道中铺贴发光陶瓷，以往来车辆的照明灯光为源进行蓄能，可以有效提高隧道内的照明亮度和路面的照明均匀度[21]。此外，发光陶瓷可以用于消防应急照明，以及逃生标志和指示逃生路线[22]等。

2.5 发热陶瓷

随着生活水平的不断提高，居民对家居生活品质有了更高的要求，地暖装修逐渐成为家庭装修的热门。首先，自下而上的辐射采暖方式非常符合人体的生理需求;其次，地暖在环保、节能和不额外占用家庭空间等方面具有独特的优势。

瓷砖是目前广泛采用的建筑材料，与木地板相比，瓷砖具有导热性能强、升温速率线性等[23]优势。已经有的发热瓷砖技术主要是在瓷砖背面增加发热层和保温层，使热能能够由瓷砖底部集中向瓷砖表面辐射，从而获得较好的加热和保温效果。此外，温控设备可以对加热瓷砖的表面温度进行精确调控，实现分区域的个性化温度控制。由于无需对线路进行额外改造，目前普遍采用220V家用电直接供能的方案。此外，出于用电安全的考虑，近年来也出现了36V低压直流发热瓷砖。低压直流发热瓷砖的优点是以低于人体安全电压进行供能，避免人体接触高压，大大减轻了居民使用的心理负担。低压加热瓷砖对供电电源要求较高，需要加装变压装置并换用标号更高的输电线路。

由于加热瓷砖应用才刚刚起步，产销量还不大，相关陶瓷企业大多采用人工的方式进行生产，限制了加热瓷砖的生产产能。目前，组装加热瓷砖机器人[24]的研究也已经在同步开展中，未来势必会对加热瓷砖的生产和推广产生积极的影响。

2.6 自清洁陶瓷

自清洁陶瓷是在陶瓷表面覆盖一层具有催化性能或憎水效果的膜层，利用阳光或雨水自然冲刷陶瓷表面，实现陶瓷的自清洁效果。按照其作用机理，主要分为两类：

2.6.1亲水型自清洁陶瓷

亲水型自清洁陶瓷是在陶瓷砖表面覆盖一层亲水的二氧化钛膜层，该膜层在太阳光的照射下发生光催化反应，对陶瓷砖表面覆盖的蛋白质、腐殖质等有机物进行分解，裂解成易溶于水的小分子化合物。由于二氧化钛具有较强的亲水作用，在雨水、露水的作用下，分解的小分子化合物被水流冲刷带走，实现陶瓷的自清洁效果[25， 26]。

2.6.2 疏水型自清洁陶瓷

在陶瓷表面固定一层具有疏水效果的无机或有机涂层，用于减小瓷砖表面张力，提高陶瓷表面的表观接触角。接触角超过120°且滑动角小于10°的疏水表面即具有一定的自清洁和防污作用。目前大多数超疏水材料都涉及有机化合物，如有机硅、聚苯乙烯接枝的超疏水材料[27]等。然而有机超疏水材料并不适用于恶劣环境，在一些特殊环境中，有机超疏水材料会在外界环境的作用下缓慢降解，表面修饰的涂层也非常容易遭受到机械性破坏。因此有机超疏水材料在耐久性、化学稳定性和热稳定性方面存在一定的问题。目前，无机金属纳米管疏水材料合成研究已经获得了积极的进展，为无机超疏水材料在陶瓷领域的应用提供了参考[28]。

依据使用环境的不同，采用不同类型的自清洁陶瓷。如在卫生间、盥洗室内采用疏水型自清洁陶瓷，可以有效的避免陶瓷表面粘附水渍和产生雾水，减少人工清洗和相应的维护工作。在建筑的外墙采用亲水型自清洁陶瓷，常见的灰尘、动物粪便等污渍容易被雨水冲刷，实现外墙砖的自清洁效果，结合陶瓷材料的耐久性，使外墙装饰历久弥新。

2.7 除甲醛陶瓷

近年来，室内空气污染问题越来越受到民众的关注，其中甲醛是家具、建材中最普遍的污染物。有研究表明，长时间接触高浓度的甲醛会对人体的眼、鼻、喉等器官造成严重的危害，使人产生恶心、眩晕、头疼等症状，严重威脅到居民的身体健康。

选取高效光触媒作为纳米二氧化钛光催化材料，通过粘附材料和特定工艺，将光触媒结合到瓷砖表面，得到具有除甲醛功效的陶瓷产品[29]。经过现场模拟实验验证，除甲醛陶瓷具有明显的甲醛消除效果。采用该技术制备的除甲醛陶瓷耐久性能优异，经多次擦洗和浸泡，除甲醛效果几乎没有下降。

目前常见的除甲醛技术主要有两种类型：物理吸附和化学分解。活性炭是最常见的物理吸附除甲醛产品，其优点是价格低廉，缺点是吸附不稳定，容易脱附释放出甲醛分子，造成二次污染。除甲醛陶瓷中含有能够催化甲醛分子分解的纳米二氧化钛，属于化学分解除甲醛产品。在商业和家居情境下，除甲醛陶瓷铺贴面积较大，因而可以提供较好的除甲醛效果，提供良好的空气环境，有效的避免吸附类除甲醛产品容易脱附的缺点。

2.8发泡陶瓷

发泡陶瓷作为新兴绿色环保墙体建筑材料，具有轻质高强、防火阻燃、防潮防水、保温隔热等优良特性。发泡陶瓷的生产原料取材自矿山尾矿[30]、工业固废[31]等，实现了废物资源的再利用。

向发泡陶瓷坯料中添加锰泥和二氧化钛颗粒，烧结后得到的发泡陶瓷耐火极限性能达到3.47h，抗压抗折性能也有一定的提升[32]。以内蒙古珍珠岩尾矿为主要原料，添加膨润土、白云石、长石等作为熔剂，使用碳化硅和萤石为发泡剂，制备了导热系数小于0.09 W/（m·K）的隔热发泡陶瓷[33]。

随着我国城市化进程的加快，建筑能耗已经成为一个不可忽视的问题。实践证明，使用保温隔热材料是建筑节能最直接有效的方法之一[34]。由于发泡陶瓷中含有高气孔率的闭孔式结构，因此发泡陶瓷可以用于保温、隔热的墙体材料。此外，研究人员目前正在针对隔音泡沫陶瓷开展研究，预期产品可以广泛的应用于商业及家庭的房间隔音，避免使用容易产生空气污染的高分子隔音材料。

目前发泡陶瓷产品面临的主要问题有：（1）发泡陶瓷的产品工艺、配方用料、生产工艺流程还没有统一，产品质量参差不齐;（2）相应的国家和行业产品标准滞后;（3）没有专门的发泡陶瓷生产设备。以上原因限制了发泡陶瓷技术的发展，不过随着未来装配式建筑的兴起，发泡陶瓷技术面临着巨大的发展和应用前景。

3 结 语

随着陶瓷行业集中度的不断提升，普通低质陶瓷产品将逐渐淡出市场，功能型陶瓷砖将成为企业洞察消费者需求，展示研发实力的重要平台。在保障建筑陶瓷装饰性能的基础上，给消费者带来诸如自清洁、抗菌、防静电、发光、调湿、等一系列附加功效，不仅有利于提升消费者生活品质，更有利于引导和促进陶瓷产业向技术创新、产品迭代发展。

参考文献

[1] 税安泽，覃东，张勇林，等.论功能型建筑陶瓷的作用及其应用[J].佛山陶瓷，2012（06）： 11～15.

[2] 苏华枝. TiO2光催化陶瓷的高温烧结制备及性能研究[D].华南理工大学，2013.

[3] 邓秋玲.载银羟基磷灰石蛐硅藻土抗菌陶瓷釉研究[J].山东陶瓷，2018（03）： 3～5.

[4] 崔继方， 吴卫华， 崔文权. TiO2系光催化型抗菌陶瓷的研究进展[J].陶瓷，2018， （06）： 11～15.

[5] 李云豪，刘世权.陶瓷表面抗菌凝胶涂层的研究[J].山东陶瓷，2018（02）： 3～7.

[6] 白静静. TiO2纳米晶胶体在卫生陶瓷中的运用[J].佛山陶瓷，2019（06）： 13～15.

[7] 唐晓宁，郭洋洋，郭一婧，等.锌-铈无机抗菌材料的制备及应用研究[J].硅酸盐通报，2018（05）： 1649～1656.

[8] 张迎增.抗菌技术及其在建筑领域的应用[J].城乡建设，2020（03）： 47～49.

[9] 金国庭，徐瑜，王毅.防静电陶瓷砖的制备与性能研究[J].佛山陶瓷，2013（07）： 12～15.

[10] 邓来福，倪成林.陶瓷砖的防静电研究[J].佛山陶瓷，2018（11）： 12～14.

[11] 李志涛，田巍.静电对人身及加油站的危害及防范措施[J].科技风，2019（18）： 175.

[12] 张福生.电子信息系统机房的防雷和防静电设计[J].现代信息科技，2019（11）： 40～41.

[13] 林蕾，邓微，武颖，等.医疗设备的静电综合防护研究[A].医疗设备的静电综合防护研究.第七届全国信号和智能信息处理与应用学术会议[C]，中国高科技产业化研究会智能信息处理产业化分会，中国河南郑州.4.

[14] 吴超.轨道交通防雷、防静电检测技术[J].现代建筑电气，2015（12）： 29～31.

[15] 王飞.海泡石基调湿陶瓷砖的制备及其可见光催化剂的改性研究[D].华南理工大学，2018.

[16] 周雅琴，刘俊荣，张缇，等.利用吸湿材料制备建筑多孔调湿陶瓷的研究[J].佛山陶瓷，2014（08）： 8～11.

[17] 姜月，赵云松，王颖莹，等.高校学生不良建筑综合征及其影响因素[J].环境与健康杂志，2018（07）： 639～641.

[18] 王宁，魏传超，吉曹源，等.健康空调来自对微生物的关注-探析室内温湿度对微生物繁殖状态的影响规律及在家用空调设计中的应用[J].洁净与空调技术，2020（01）： 107～111.

[19] 王飞，周志勇，曾群，等. Eu3+掺杂5Li2O-1Nb2O5-5TiO2发光陶瓷的制备及性能研究[J].发光学报2017（03）： 269～273.

[20] 张泽敏，傅澎锋，冯安生.浅谈发光陶瓷的制备工艺和研究现状[J].信息记录材料，2019（09）： 20～21.

[21] 于丽，夏鹏曦，王明年，等.仅使用汽车灯光照明结合蓄能发光涂料的隧道应急照明研究[J].现代隧道技术，2019（S2）： 184～188.

[22] 邵莉.新型绿色环保自发光陶瓷材料为人们生活增光添彩[J].现代技术陶瓷， 2013（04）： 34～40.

[23] 周啟东，李亚亚，宋师霞.陶瓷砖与木地板热性能研究[J].中小企业管理与科技， 2016 （09）： 182～183.

[24] 张雨滋.智能发热瓷砖组装机器人模块化设计[J].中外企业家，2020（10）： 153.

[25] 邱泽忠，廖咏康，张萍，等.光敏自洁抗菌陶瓷的表征及自洁机理研究[J].陶瓷， 2016（02）： 22～26.

[26] 宋晓航，苏培博，鞠鹏飞，等.纳米二氧化钛自清洁涂层的研究现状[J].热加工工艺，2017（06）： 20～23.

[27] 孙晓玲.有机无机纳米超疏水材料的制备及其性能研究[D].山东轻工业学院， 2011.

[28] 李雪萍.过渡金属基无机超疏水材料的制备、表征与性能研究[D].湖南大学， 2018.

[29] 吴世斌，许林峰，林亮标.纳米TiO2光催化除甲醛瓷砖制备及其耐用性研究[J]. 佛山陶瓷，2018（03）： 13～15.

[30] 张国涛，邓仕豪，杨景琪.以铜尾矿制备发泡陶瓷墙板的研究[J].山东陶瓷， 2020（01）： 3～7.

[31] 彭团儿，李洪潮，刘玉林，等.工业固废制备发泡陶瓷研究及应用进展[J].陶瓷， 2019（12）： 9～22.

[32] 李子恒.发泡陶瓷耐火极限性能的研究[J].佛山陶瓷，2019（09）： 19～22.

[33] 丁力，李缨，刘纯.利用珍珠岩尾矿制备发泡陶瓷的研究[J].墙材革新与建筑节能， 2015（01）： 47～50.

[34] 龚婷，赵鑫，肖宏凯，等.发泡陶瓷保温隔热复合板的应用研究进展[D].湖北理工学院学报，2019（05）： 19～23.