本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种纳米tio2自洁功能陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术：
陶瓷制品在建筑装饰材料中具有广泛应用，如装饰墙砖等等。陶瓷制品表面与液体的接触角大小直接决定着陶瓷制品表面的自清洁程度。对于理想的固体表面，接触角是判断液体能否润湿其表面最直观的方法，θ<90°时，可润湿；θ>90°时，则不润湿。研究发现接触角越大，液滴越不易铺展，水珠形状越圆；接触角越小，液滴越容易铺展，越接近水膜，自清洁效果越好。
目前，普通陶瓷釉面与水的接触角较大，所以水在普通的陶瓷表面很容易形成水珠，且水珠不易滑落，在水珠干燥过程中，极容易吸附空气中的灰尘，干燥后形成水痕，长时间形成污垢。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种纳米tio2自洁功能陶瓷及其制备方法和应用，本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷具有超亲水性表面，与水接触时，水珠在所述纳米tio2自洁功能陶瓷表面形成均一的水膜，在此水膜作用下，陶瓷表面的污渍能够轻易地被水冲洗干净，从而维持陶瓷表面洁净，室外自然降水即可把陶瓷外墙表面的污渍冲刷干净，具有自洁净的功能。
本发明提供了一种纳米tio2自洁功能陶瓷，所述陶瓷包括陶瓷基体和釉层；以质量份数计，所述釉层的化学成分包括以下物质：
优选的，所述釉层的厚度为340～360μm。
优选的，所述釉层中二氧化钛的粒径为5～20μm，其中，粒径为5～8μm的二氧化钛的体积百分数为75～85％。
优选的，所述二氧化硅的粒径≤50μm；所述三氧化二铝的粒径≤50μm。
优选的，以质量份数计，所述陶瓷基体的化学成分包括以下物质：
本发明还提供了上述技术方案所述纳米tio2自洁功能陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供陶瓷基体；
(2)向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后进行烧制，得到纳米tio2自洁功能陶瓷；所述釉水由釉层原料和水配制得到。
优选的，所述烧制的温度为1050～1150℃，烧制的时间为50min～6h。
优选的，所述陶瓷基体的制备方法包括以下步骤：
将制备陶瓷基体的原料混合后依次进行烘干、破碎、过筛、造粒和压制处理，得到的干坯；
将干坯进行烧结处理，得到陶瓷基体；所述烧结的温度为1350～1420℃，烧结的时间为60min～8h。
本发明还提供了上述技术方案所述纳米tio2自洁功能陶瓷作为建筑外墙的应用。
有益效果
本发明提供了一种纳米tio2自洁功能陶瓷，本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷的釉层中含有3～7质量份的二氧化钛，釉层中的二氧化钛经光照后，陶瓷表面与水珠或油珠的接触角会大大减小，陶瓷表面完全被水或油浸润，形成一层均匀的水膜或油膜，即具有了超双亲性(超亲水性和超亲油性)，在此水膜或油膜的作用下，陶瓷表面的污渍能够轻易地被水冲洗干净，从而维持陶瓷表面洁净，室外自然降水即可把陶瓷表面(如外墙)的污渍冲刷干净，实现自洁净的功能。而且在太阳光照条件下，釉层中的二氧化钛能够吸收光波中280～320nm的光，发生光催化反应，使附着在陶瓷表面的氧气和水分子激发生成具有超活性的oh-和o2自由基，这些具有强氧化性的自由基可以将有机物如甲醛、细菌等分解为二氧化碳和水，使本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷具有光催化降解有机物、抗菌、杀菌、防污、除臭、净化空气的功能。在本发明中，所述釉层中二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙和氧化钠有利于提高釉层和陶瓷基底的界面结合作用力，为二氧化钛更好地发挥作用提供有利环境。本发明在釉层所有成分的共同作用下，使本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷具有自清洁、光催化剂降解有机物、抗菌、杀菌、防污、除臭、净化空气的功能。
具体实施方式
本发明提供了一种纳米tio2自洁功能陶瓷，所述纳米tio2自洁功能陶瓷包括陶瓷基体和釉层；以质量份数计，所述釉层的化学成分包括以下物质：
在本发明中，所述纳米tio2自洁功能陶瓷的釉层包括80～90质量份二氧化硅，优选为82～88份，更优选为84～87份；所述二氧化硅的粒径优选≤50μm；所述釉层中的二氧化硅对于陶瓷的自清洁功能具有玻化作用，有利于使纳米tio2自洁功能陶瓷具有超亲水性表面。
在本发明中，以二氧化硅的质量份数为基准，所述纳米tio2自洁功能陶瓷的釉层包括1～3质量份三氧化二铝，优选为1.5份、2.0份、2.5份或3.0份；所述三氧化二铝的粒径优选≤50μm；所述釉层中添加三氧化二铝，使本发明提供的陶瓷外观温润细腻、白如玉，且能够降低陶瓷的吸水率，使陶瓷具有抗氧化、耐腐蚀、不变色、使用寿命长的特点。
在本发明中，以二氧化硅的质量份数为基准，所述纳米tio2自洁功能陶瓷的釉层包括1～5质量份氧化钙，优选为1～4份，更优选为1～3份；所述釉层中氧化钙对于陶瓷的自清洁功能具有玻化作用，有利于使纳米tio2自洁功能陶瓷具有超亲水性表面。
在本发明中，以二氧化硅的质量份数为基准，所述纳米tio2自洁功能陶瓷的釉层包括1～3质量份氧化钠，优选为1～2份，更优选为1～1.5份；所述釉层中氧化钠对于陶瓷的自清洁功能具有玻化作用，有利于使纳米tio2自洁功能陶瓷具有超亲水性表面。
在本发明中，以二氧化硅的质量份数为基准，所述纳米tio2自洁功能陶瓷的釉层包括3～7质量份二氧化钛，优选为3～6份，更优选为3份、3.5份、4份、4.5份、5份或5.5份。在本发明中，所述釉层中二氧化钛的粒径优选为5～20μm，更优选为10～15μm；其中，粒径为5～8μm的二氧化钛的体积百分数优选为75～85％。在本发明中，所述釉层中的二氧化钛经光照后，陶瓷表面与水珠或油珠的接触角会大大减小，陶瓷表面完全被水浸润，形成一层均匀的水膜或油膜，即具有了超双亲性(超亲水性和超亲油性)，在此水膜或油膜的作用下，陶瓷表面的污渍能够轻易地被水冲洗干净，从而维持陶瓷表面洁净，室外自然降水即可把陶瓷表面(如外墙)的污渍冲刷干净，实现自洁净的功能。而且在太阳光照条件下，釉层中的二氧化钛能够吸收光波中280～320nm的光，发生光催化反应，使附着在陶瓷表面的氧气和水分子激发生成具有超活性的oh-和o2自由基，这些具有强氧化性的自由基可以将有机物如甲醛、细菌等分解为二氧化碳和水，使本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷具有光催化降解有机物、抗菌、杀菌、防污、除臭、净化空气的功能。本发明优选将二氧化钛的粒径控制在上述范围内，有利于更好地发挥二氧化钛的效果。
在本发明中，所述纳米tio2自洁功能陶瓷中釉层的厚度优选为340～360μm，更优选为350μm。本发明优选将釉层厚度控制在上述范围内，使本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷具有较好的自洁净、抗菌、杀菌、防污、除臭、净化空气的功能。
在本发明中，以质量份数计，所述陶瓷基体的化学成分优选包括以下物质：
在本发明中，所述陶瓷基体中物质的质量份数和釉层中物质的质量份数基准不同。
在本发明中，所述陶瓷基体优选包括70～75质量份二氧化硅，更优选为72～74份。以陶瓷基体中二氧化硅的质量份数为基准，所述陶瓷基体优选包括20～25质量份三氧化二铝，更优选为21～24份，更优选为22～23份；所述陶瓷基体优选包括6.0～6.5质量份氧化钾，更优选为6.2～6.3份；所述陶瓷基体优选包括0.1～0.3质量份氧化钠，更优选为0.2份；所述陶瓷基体优选包括0.5～1.0质量份氧化铁，更优选为0.7～0.8份。本发明优选将陶瓷基体中二氧化硅、三氧化二铝、氧化钾、氧化钠和氧化铁的质量控制在上述范围内，有利于使陶瓷基体和釉层具有较好的界面作用力，使釉层能够更牢固地附着在陶瓷基体表面。在本发明中，所述陶瓷基体优选还包括微量的氧化钙和氧化镁。
在本发明中，所述陶瓷基体的制备方法优选包括以下步骤：将制备陶瓷基体的原料混合后依次进行烘干、破碎、过筛、造粒和压制处理，得到的干坯；将干坯进行烧结处理，得到陶瓷基体；所述烧结的温度为1350～1420℃，烧结的时间为60min～8h。在本发明中，所述制备陶瓷基体的原料优选为满足上述物质配比的泥土。在本发明中，所述烘干后得到的物质含水率优选≤3％；所述过筛用筛网目数优选为150目；所述压制处理优选采用100t双向干压机进行压制。在本发明中，所述烧结的温度优选为1380～1420℃，更优选为1400℃。
本发明还提供了上述技术方案所述纳米tio2自洁功能陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供陶瓷基体；
(2)向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后进行烧制，得到纳米tio2自洁功能陶瓷；所述釉水由釉层原料和水配制得到。
本发明按照上述方法制备得到陶瓷基体。
得到陶瓷基体后，本发明向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后进行烧制，得到纳米tio2自洁功能陶瓷。在本发明中，以质量份计，所述釉水的化学成分优选包括以下物质：
在本发明中，所述釉水中物质的质量份数和陶瓷基体中物质的质量份数基准不同。
在本发明中，所述釉水中水的质量份数优选为5～35份，进一步优选为5～30份，更优选为5～25份。本发明将釉水喷涂到陶瓷基体表面，本发明对喷涂的具体实施方式没有特别要求，采用本领域技术人员熟知的喷涂方法即可。
喷涂完成后，本发明对喷涂釉水后的陶瓷基体进行烧制，得到纳米tio2自洁功能陶瓷。在本发明中，所述烧制述烧制的温度优选为1050～1150℃，烧制的时间优选为50min～6h，进一步优选为3h～6h，更优选为3h、4h、5h或6h。
本发明还提供了上述技术方案所述纳米tio2自洁功能陶瓷作为建筑外墙的应用。
本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷作为建筑外墙，在太阳光照射下，陶瓷中的tio2经光照后可使陶瓷表面的水珠形成超亲水性表面并形成均一的水膜，在此水膜的作用下，陶瓷表面的污渍能够轻易地被水冲洗干净，从而维持陶瓷表面洁净，室外自然降水即可把陶瓷表面(外墙)的污渍冲刷干净，实现自洁净的功能。而且在太阳光照条件下，釉层中的二氧化钛能够吸收光波中280～320nm的光，发生光催化反应，使附着在陶瓷表面的氧气和水分子激发生成具有超活性的oh-和o2自由基，这些具有强氧化性的自由基可以将附着在外墙表面的有机物、细菌等分解为二氧化碳和水，使本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷具有抗菌、杀菌、防污、除臭、净化空气的功能。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
(1)取泥土90kg烘干，含水率为3％，然后破碎成细小颗粒后过150目筛，进行造粒，然后将颗粒装入模具中，采用100t双向干压机进行压制，得到干坯；其中干坯中主要化学成分及其质量分数为：al2o321％、sio272％、k2o6.1％、na2o0.11％、fe2o30.7％、其它微量成分cao、mgo；
将干坯在1360℃下烧制7.5h，得到陶瓷基体；
(2)向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后在1100℃下进行低温烧制6h，得到纳米tio2自洁功能陶瓷；釉水的主要化学成分及其质量比为sio2：al2o3：cao：nao：tio2：h2o＝85：2：1.5：1.5：3：7，其中二氧化硅的粒径≤50μm；三氧化二铝的粒径≤50μm；二氧化钛的粒径为5～20μm，二氧化钛中粒径为5～8μm的二氧化钛的体积百分数为75％。
实施例2
按照实施例1的方法制备陶瓷基体；
向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后在1050℃下进行低温烧制5h，得到纳米tio2自洁功能陶瓷；釉水的主要化学成分及其质量比为sio2：al2o：cao：nao：tio2：h2o＝84：3：1.5：1.5：3.5：6.5，其中二氧化硅的粒径≤50μm；三氧化二铝的粒径≤50μm；二氧化钛的粒径为5～20μm，二氧化钛中粒径为5～8μm的二氧化钛的体积百分数为85％。
实施例3
按照实施例1的方法制备陶瓷基体；
向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后在1150℃下进行低温烧制4h，得到纳米tio2自洁功能陶瓷；釉水的主要化学成分及其质量比为sio2：al2o：cao：nao：tio2：h2o＝84.5：2：1.5：1.5：4：6.5，其中二氧化硅的粒径≤50μm；三氧化二铝的粒径≤50μm；二氧化钛的粒径为5～20μm，二氧化钛中粒径为5～8μm的二氧化钛的体积百分数为80％。
实施例4
按照实施例1的方法制备陶瓷基体；
向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后在1100℃下进行低温烧制6h，得到纳米tio2自洁功能陶瓷；釉水的主要化学成分及其质量比为sio2：al2o：cao：nao：tio2：h2o＝84.5：1.5：1.5：1.5：4.5：6.5，其中二氧化硅的粒径≤50μm；三氧化二铝的粒径≤50μm；二氧化钛的粒径为5～20μm，二氧化钛中粒径为5～8μm的二氧化钛的体积百分数为78％。
实施例5
按照实施例1的方法制备陶瓷基体；
向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后在1100℃下进行低温烧制6h，得到纳米tio2自洁功能陶瓷；釉水的主要化学成分及其质量比为sio2：al2o：cao：nao：tio2：h2o＝86.5：1：1：1：4：6.5，其中二氧化硅的粒径≤50μm；三氧化二铝的粒径≤50μm；二氧化钛的粒径为5～20μm，二氧化钛中粒径为5～8μm的二氧化钛的体积百分数为82％。
对实施例1制备得到的纳米tio2自洁功能陶瓷的甲醛降解率进行测试，测试方法为：
将实施例1制备得到的纳米tio2自洁功能陶瓷分别放入环境气候箱内，环境气候箱的温度保持在(23±2)℃，湿度保持在(50±5)％，光源为40w日光灯。向环境气候箱内注入定量甲醛，然后每隔1h抽取环境气候箱中的气体，检测环境气候箱中甲醛含量。结果表明，在可见光下甲醛降解率在8h内可达到93％。
对实施例1制备得到的纳米tio2自洁功能陶瓷的抗菌率进行测试，测试方法为：
在实施例1制备得到的纳米tio2自洁功能陶瓷表面涂布0.1ml菌液(金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)，可见光光照24h后，采用倾注法活菌培养计数并计算灭菌率。结果表明，在可见光下，杀菌率达到99％。
综上，本发明提供的纳米tio2自洁功能陶瓷具有自清洁功能，同时具有光催化功能和杀菌抗菌功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
1.一种纳米tio2自洁功能陶瓷，其特征在于，所述陶瓷包括陶瓷基体和釉层；以质量份数计，所述釉层的化学成分包括以下物质：
2.根据权利要求1所述的纳米tio2自洁功能陶瓷，其特征在于，所述釉层的厚度为340～360μm。
3.根据权利要求1或2所述纳米tio2自洁功能陶瓷，其特征在于，所述釉层中二氧化钛的粒径为5～20μm，其中粒径为5～8μm的二氧化钛的体积百分数为75～85％。
4.根据权利要求1所述的纳米tio2自洁功能陶瓷，其特征在于，所述二氧化硅的粒径≤50μm；所述三氧化二铝的粒径≤50μm。
5.根据权利要求1所述的纳米tio2自洁功能陶瓷，其特征在于，以质量份数计，所述陶瓷基体的化学成分包括以下物质：
6.权利要求1～5任一项所述纳米tio2自洁功能陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供陶瓷基体；
(2)向陶瓷基体表面喷涂釉水，然后进行烧制，得到纳米tio2自洁功能陶瓷；所述釉水由釉层原料和水配制得到。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述烧制的温度为1050～1150℃，烧制的时间为50min～6h。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷基体的制备方法包括以下步骤：
将制备陶瓷基体的原料混合后依次进行烘干、破碎、过筛、造粒和压制处理，得到的干坯；
将干坯进行烧结处理，得到陶瓷基体；所述烧结的温度为1350～1420℃，烧结的时间为60min～8h。
9.权利要求1～5任一项所述纳米tio2自洁功能陶瓷或者权利要求6～8任一项所述制备方法得到的纳米tio2自洁功能陶瓷作为建筑外墙的应用。
技术总结