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建筑陶瓷包括建筑内墙、外墙、天花板、屋顶、广场及道路上所使用的建筑陶瓷制品,典型产品有陶瓷内墙砖、陶瓷地砖、外墙砖、外墙陶瓷挂板(含保温 材料层)、广场砖、透水砖、超薄陶瓷板、天花板陶瓷砖、屋面瓦等。

经过近三十年的发展,本行业从一个技术水平严重落后,基础薄弱的产业已 经发展成为技术水平达到国际中等水平的产业,部分产品的技术已经接近国际先 进水平,建筑陶瓷已经基本上实现了自动化。但是,这三十年来的发展主要是粗 放型发展,依赖的主要是廉价的劳动力、自然资源的相对优势、较低的环境保护 的要求、庞大的但是参差不齐的市场需求,其创新能力也主要集中于引进消化再 创新,卫生陶瓷和卫浴制品仍然处于半自动化半手工化的技术水平。在目前劳动 力日益缺乏、自然资源紧缺、环境保护要求等国际大环境的压力之下,产业发展 的瓶颈越来越突出,产业调整成了当务之急,而在产业调整之中,应用型基础研 究的缺失是必须要跨越的鸿沟。

一、行业发展主要面临以下技术问题:

1、自然资源的合理使用。建筑陶瓷和卫生陶瓷行业一直是资源消耗的重要行业,每年消耗了大量的优质粘土、石英、长石和各类燃料。目前,优质的粘土 资源已经日益枯竭,佛ft地区粘土已经消耗殆尽,产业逐步向广东清远、湖南、 湖北、辽宁、江西、陕西等内地转移,但是内地粘土资源也消耗很快,按照目前 发展速度,五十年后,国内将找不到适合的粘土矿产资源;另一方面,本行业也 是能耗和燃料消耗都相当大的行业,在目前能源日益紧张的局面下,在各个产业 基地要面对的一个重要问题就是拉闸限电、燃料严重不足。

解决这些问题主要有以下几个途径:(1)通过使用劣质原料及建筑垃圾制造 产品;(2)通过加强原料均化来实现原料使用效率;(3)通过陶瓷砖减薄和生产优 质的薄型陶瓷砖来减少原料燃料消耗;(4)通过热工设备的优化设计、提高烧成效 率和余热使用来降低能耗;(5)通过工艺流程再造,例如减少或者不用能耗较大的 球磨和喷雾干燥的短流程生产工艺来大幅度降低建筑陶瓷生产的能源消耗,通过 注浆技术和干燥技术的革新等技术路线来大幅度降低卫生陶瓷生产的能源消耗 和车间面积等。上述途径均需要进行大量的应用基础研究,涉及无机非金属材料 物理化学反应机理研究、配方设计、热能工程、压滤过程、烧嘴技术、特种材料 等研究过程,许多研究工作,在国际上尚无经验可以借鉴,需要通过大量的研究 工作来提供基础的研究数据。

2、与无机非金属保温材料相结合的建筑外墙装饰材料的研发。近年来,建 筑物火灾频发,究其原因大多是由有机保温材料的耐火性差而引起的。对于耐火 性高的无机非金属材料的研究成为保温材料下一步研究的主要课题;另外,寻求 一种方便安装、稳定牢固、配色方便、反光柔和的外墙装饰材料也成为广大建筑商正在考虑的热点问题。这两个问题的结合点是研究一种综合的外墙保温技术,既具有优越的保温性能,又具有良好的装饰效果。而对这类产品的研究必须根植 于对无机非金属材料导热机理、相变过程、发泡机理、高温蠕变研究、应力分析、 光散射及色度分析等在内的一系列基础研究,这些研究的成果将迅速推进该类产 品的迅速发展。

3、进一步提高自动化水平。目前在建筑陶瓷的部分工序,如窑头窑尾监控、 成品分选、检验、包装等工序自动化程度还很低,占用了大量的劳动力,这与目 前劳动力资源日益稀缺产生了尖锐的矛盾。解决这类问题,(1)建筑陶瓷从原料 均化入手,让输入生产线的原料为标准化原料,从而使得整个生产流程更加稳定, 减少了色号,从而减少分级工,减少劳动力;(2)卫生陶瓷在工厂设置均化库,并 且采用料性不同分别处理后混合的方案,增加原料均化度,确保后期工序稳定;(3) 需要开发出更加成熟的生产线在线监测系统、在线分选检验系统和在线包装系统, 这样可以大大降低对于劳动力的需求。上述解决方案所需要的基础研究包括:选 矿及无机矿的均化技术、研磨机理的研究、混悬浆料流变性能研究、工序工程研 究、可靠性分析、抽样过程风险评估等研究数据。

4、环境污染问题。建筑卫生陶瓷行业在大量消耗自然资源和能源的同时,又向外排放了大量废气、废水、粉尘、废渣、二氧化碳等,同时也给周边带来噪 声污染。五金卫浴行业的铸造过程中由于锌挥发过程排放了大量废气,其电镀过 程也带来了大量废水,其污染同样不可忽视。目前,建筑卫生陶瓷产业大举内迁,一方面是原料缺乏,另一方面是由于沿海地区环境成本较高而导致,但是,随着 经济的发展,内地的环境要求也日益提高,如果忽视环境保护,产业将无处存身。

这些问题的解决主要依赖于脱硫脱硝技术、废水净化技术、粉尘回收技术、工业废渣的回收利用技术、表面处理技术等,涉及到分析化学、矿物分析、粉体工程、 等多项基础性研究工作。

5、五金卫浴类产品目前面临主要问题是无铅铜的使用问题。由于卫浴五金 制品中的主要产品水嘴类产品直接与饮用水接触,其重金属含量直接与人体健康 息息相关。目前在欧洲和北美地区对水嘴的材料提出了严格要求,如美国 AB1953 法令要求 2012 出口美国产品必须使用无铅铜。但是在中国,无铅铜的使用量不 到 5%,我国的铜加工技术目前也保证不了无铅铜的供应,目前我国 30%的水嘴出 口北美和欧洲地区,这就给整个产业带来了非常大的贸易风险。所以如何制造无 铅铜如何在低压铸造中使用无铅铜,是五金卫浴类产品所面对的关键课题。这涉 及到金属材料和金属材料加工技术等多个学科。

二、国内外建筑卫生陶瓷专业技术领域最新进展和发展趋势

1、建筑陶瓷 目前,国内外建筑陶瓷发展主要定向于三个方向:善用资源、功能化、表面处理技术、生产过程自动化。 善用资源的研究方向包括陶瓷砖薄型化、短流程生产技术、免烧施釉技术、原料均化和劣质原料的使用等五个子方向。陶瓷砖薄型化目前主要有三条思路: 陶瓷薄板、超薄外墙砖、地砖和墙砖减薄,在这三条思路的引导下,目前已经制作出 3 mm-6mm,宽度达 1.2m,长度 1.8m 甚至可以随意延伸的、具有韧性、内 含无机纤维的陶瓷板产品,外墙砖已经制作出 3.5 mm-5.5mm 的超薄外墙砖产品, 地砖和墙砖已经把减薄 15%~20%作为减薄目标,正在工艺技术、装备技术、可靠性方面进行基础研究;同时,国际标准化组织 ISO/TC189 也成立了薄砖技术委员会,意大利陶瓷学会、西班牙陶瓷学会、日本陶瓷学会也将薄型化作为一个重要 的研究课题。短流程生产的核心技术主要是使用大型干法造粒机和流化床来代替 建筑陶瓷的主要电耗工序球磨工序和重要能耗工序喷雾干燥工序。

由于能源的紧缺,世界各国均在考虑更加节能的工序设计,短流程是探索的 一条主要路子,由于我国压机布料技术的创新,目前在我国处于领先水平。免烧 施釉技术是指通过高压静电喷涂方式将无机粉料喷涂于素坯之上的工艺过程,可 以减少有釉陶瓷砖的釉烧工序。原料均化技术主要是通过料性的不同和产地不同, 建立不同工艺过程的大型标准化原料加工基地,可以借鉴水泥行业或其他矿产行 业的原料均化技术,确保建立在矿ft的原料加工厂直接供应标准化原料。这样一 来,会大大提高原料的使用效率,同时又能保证后续工序的稳定,为进一步提高 行业的自动化水平做出贡献;目前我国与意大利、西班牙等建筑陶瓷行业发达国家尚有很大差距,后者在工厂基本上不再设原料加工车间。 劣质原料的使用主要是寻求多种配方方案,力求使用劣质粘土和页岩等为主要原料生产陶瓷产品。另一方面,通过劣质原料做底料,优质原料做面料的方案 也可以解决使用劣质原料的问题;目前,西班牙和意大利在这一方面也领先于我 国,尤其是西班牙,使用劣质原料制作出了装饰效果非常好的高档瓷砖,这一方面,也值得中国同行学习。 功能化即赋予建筑陶瓷除了装饰效果以外更多的功能,其研究方向包括基于陶瓷材料的外墙内墙保温系统研究、噪声吸收功能研究、防静电功能研究、太阳 能与光伏技术结合陶瓷砖的研究、环境调节功能陶瓷砖的研究等。无机保温材料的研究目前是国际建筑材料行业的重要课题,而陶瓷材料的高耐火性使其成为关注的焦点,陶瓷基保温材料、岩棉材料、玻璃纤维成为三个主要研究方向,目前 均处于研发阶段。处于降低噪声的考虑,酒店和娱乐场所使用了大量易燃材料装 饰内墙,这大大增加了火灾隐患。

另一方面,地铁及隧道中的噪声污染非常严重,基于这方面的原因,几年来, 我国部分研究院所和工厂致力于气孔率很高的轻质陶瓷板的研发,虽然已经有一 定产能,但是由于吸声效果有限,产品仍不成熟,目前仍处于推广期。防静电瓷 砖主要适用于对防静电要求较高的场所,如精密仪器实验室、手术室、机房等, 主要通过增加陶瓷砖表面的导电率来实现,目前已经开发出一些具有较低表面电 阻率的产品,效果不是很理想,推广迟缓。

太阳能陶瓷板目前已经有工厂制作出样品,但是仍然定位为太阳能加热热水, 热水提供家庭用水的低技术含量的技术路线,已经有专家提出光伏产业与建筑陶 瓷嫁接后的光伏电子陶瓷产品,目前尚是概念,但是有一定的可行性,具有很好 的开发前景。具有环境调节功能的陶瓷砖致力于吸收空气中的硫化物和氮物化, 是调节空气的湿度,日本 TOTO 开发出 TiO2 瓷砖在紫外线作用下能够吸收空气中的硫化物和氮物化,同时可减小水膜润湿角,在外墙使用时,具有自洁功能。我 院开发出的透水砖,能够将雨水尽快导入地下,在干燥环境下,水分又通过毛孔 回到空气中,起到调节空气湿度的作用。

表面处理技术的研究方向包括:防滑性研究、耐污染性研究、表面装饰效果 的研究。防滑性是一个看似简单,实则非常复杂的研究课题,位于意大利博洛尼 亚的意大利陶瓷技术中心专门成立了摩擦技术研究实验室。该课题主要研究陶瓷砖表面的性状和使用环境的匹配性,不同的使用场所发生滑动的机理有很大差别,最终研究成果应当给性状不同的砖分别规定适当的使用场所。同样,耐污染性的 研究,包括耐磨性的研究,也是一个表面处理技术的课题,如何减少减小表面气 孔,降低污物的附着能力,提高表面耐磨性都需要对产品的表面性状进行深入的 研究。

这一方面,在国际本专业领域内尚属于空白。表面装饰效果主要有仿石、仿 皮、仿布、仿石、金属光泽、贝壳光泽、仿古效果等,依赖于色釉料配方技术、 各种抛光技术、各种布料技术、各种印花技术(包括目前比较前沿的喷墨打印技术)等,这是目前国际上创新最活跃的部分,属于应用技术的创新,我国目前企 业的产品创新也多是这类创新。

自动化水平提升的重点包括:窑头窑尾监控、成品分选、检验、包装等工序, 更加成熟的生产线在线监测系统、在线分选检验系统和在线包装系统,可以大大 降低对于劳动力的需求。

2、卫生陶瓷 目前,国内外卫生陶瓷发展主要定向于四个发展方向:生产过程自动化、表面处理技术、复合材料及替代材料的研发、配套产品智能化和功能化。 生产过程自动化是目前本行业技术创新中所研究的主要课题。卫生陶瓷行业目前仍然处于对有经验的技术工人依赖性很强的半自动化半手工化或全手工化 阶段,但是,目前面临劳动力回迁,年轻人不愿做苦活的劳动力急缺的时候,自 动化过程成了必须要走的路。自动化过程包括原料均化和制备技术、注浆成型技 术和干燥技术三个方面。现阶段,我国卫生陶瓷原料的标准化技术仍然远远落后于发达国家,这为后续工序的稳定和自动化进程带来了很大阻力,但是,由于原料均化很难反映到工厂的经济效益上,推进及发展非常迟缓,需要进行应用基础 研究的研究院所来承担这一责任。

注浆技术的自动化经过咸阳陶瓷研究设计院接连承担的八五攻关项目和九五攻关项目的成果的转化,已经在我国取得了长足的进步,目前已经有少 数卫生陶瓷装备制造企业具备了全自动压力注浆机组制造能力,但是目前由于模 具技术和原料均化技术的落后,推广仍然很艰难。传统的卫生陶瓷模具及坯体干 燥过程需要高温高湿的环境,使得工人工作环境非常恶劣,干燥周期很长,占用 了很大的工作时间和空间,同时消耗了大量的能源,能源使用效率也非常低,所 以干燥技术创新也是目前技术工作的重点,目前,在这一方面我国与国际水平也 有很大差距。

卫生陶瓷表面处理技术主要包括超平滑自洁釉面技术、非釉质表面处理技术 和表面修补技术。有自洁功能的智洁釉为日本 TOTO 首创,目前国内技术也已接近于日本技术,主要是通过釉面的超平滑效果来解决挂污的问题和通过在釉 面中重金属离子来提高表面抑菌效果。关于非釉质表面处理,武汉理工大学也尝 试过使用有机的树脂材料使得卫生陶瓷表面更加丰富多彩并且有弹性,潮州工厂 也曾做过此类尝试,目前尚未成为成熟产品。

表面修补技术是卫生陶瓷大有可为的一项技术,卫生陶瓷一般有 15%的不合 格率,其中 10%左右为表面落脏等缺陷,目前多使用打磨喷釉回烧的工艺,耗能 巨大,比较前沿的是激光修补技术、局部回烧修补技术及有机喷涂修补技术,但是技术成熟度有待提升,目前并未在行业中大规模推广。

复合材料及替代材料的研发是卫生陶瓷(卫生洁具)发展的又一方向,目前已经尝试用亚克力、树脂硅灰石、树脂石灰石、密胺树脂、以及由上述材料结 合陶瓷材料的卫生洁具在行业内出现,这种产品装饰效果非常好,并且排水量非 常稳定,也是一类有前途的产品。另外,将家具与卫浴产品合二为一的木材、陶 瓷、玻璃镜组合的浴室柜产品也已经成为本行业的主流产品。

配套的智能化和功能化的研究方向包括实用性和美学结合的产品配套性的 研究、基于自动感应技术的智能化研究和带有除菌除臭配件的功能化研究。产品 配套性需要解决两方面的问题,一是使用功能优化的问题,坐便器水箱配件与坐 便器本身的配套性直接决定了坐便器的冲洗效果,盖板的寿命、手感、强度也是 使用功能的一部分,这一方面的研究可以使产品的使用效果达到最佳;二是装饰效果,整个卫浴空间内各类产品的搭配需要非常强的美学效果,这方面的研究的 目的主要是追求美学和功能的和谐统一。

自动感应技术的智能化研究包括能够自动感应人体的红外或光学感应系统、 能够便后自动水洗身体并烘干的自洁系统以及座圈的自动加热系统,这方面的研 究工作属于集成创新,主要是基于人体工程学的使用功能的研究,目前这方面的 创新在卫浴行业异常活跃。带有除菌除臭配件的坐便器产品也是一个研究的方向, 我国有一个研究机构推出一种新产品,把便池中的臭气通过真空抽入水箱,在水 箱中通过空气净化系统除去臭气,也是一个值得研究的发展方向。

3、卫浴五金水嘴类产品 卫浴产品中最重要的五金水嘴类产品,目前主要发展趋势是解决无铅铜的使用问题、智能化和表面处理的问题,无铅铜使用在第二部分中已经详细说明,不再累述。智能化问题目前的发展趋势是如何确保水嘴出水口的水温恒定。恒温水嘴的研究在国外起步于本世纪初,近年来,福建南安地区也有企业使用记忆合金 与可以无极调整的弹簧使得水嘴出水口的水温能够在一定范围内自由设定,出水 口水温变化不超过设定水温的±3,另外,控制距离可以精确调整的非接触式水嘴也是一个重要的研究方向。卫浴产品的表面处理技术目前也是一个非常活跃 的研究领域,这方面需要解决的问题主要是美观、牢固、良好的耐腐蚀性和低污 染的工艺过程。

总之,随着资源日益枯竭、劳动力日渐紧缺、节能减排要求不断提高以及国 际碳减排的压力,建筑卫生陶瓷行业产业调整刻不容缓。在产业调整过程中,技 术创新是原动力之一,而以应用基础研究为核心的原始技术创新又必将取代引进 消化吸收再创新的技术创新模式,与集成创新一起扮演技术创新的主角,行业内 的核心企业、研究院所和大学应当建立起科技创新产业联盟,肩负起行业技术创 新的重担,尽快建立起产业的结构调整和技术创新体系框架,为使我国建筑卫生 陶瓷行业尽快达到国际先进水平做出贡献。

 
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