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建筑衛生陶瓷行業技術現狀與發展趨勢

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摘要:建筑衛生陶瓷行業技術現狀與發展趨勢

(一)建筑衛生陶瓷行業現狀

  1.建筑衛生陶瓷行業界定

  建筑衛生陶瓷及衛浴產品行業屬于建筑材料行業中的建筑裝飾裝修材料行業,屬于大眾消費品,其終端產品為陶瓷墻地磚、建筑內外墻保溫及飾面材料、衛生陶瓷潔具制品、衛浴制品,2010年總產值達4200億元,占建筑材料總產值的13%,在國民經濟中占有重要地位,同時,其產品質量的高低也和每一個家庭息息相關。

  2.行業現狀

  建筑陶瓷包括建筑內墻、外墻、天花板、屋頂、廣場及道路上所使用的建筑陶瓷制品,典型產品有陶瓷內墻磚、陶瓷地磚、外墻磚、外墻陶瓷掛板(含保溫材料層)、廣場磚、透水磚、超薄陶瓷板、天花板陶瓷磚、屋面瓦等。2010年,我國建筑陶瓷總產量78.09億平方米,總產值2500億元,總產量占全世界71%,出口量約占總產量12%,出口貿易總額約占總產值10%。

  衛生陶瓷包括衛生間和廚房用陶瓷制品,2010年產量為1.74億件,總產值400億元,總產量占全世界75%,出口量約占總產量11%,出口貿易總額約占總產值10%。

  衛浴制品包括衛生間和廚房用五金制品及其他材料的衛浴產品,包括水嘴、花灑、淋浴器、廚盆、浴缸、浴室柜等,2010年總產值約為1300億元,產值約占全世界30%。

  經過近三十年的發展,本行業從一個技術水平嚴重落后,基礎薄弱的產業已經發展成為技術水平達到國際中等水平的產業,部分產品的技術已經接近國際先進水平,建筑陶瓷已經基本上實現了自動化。但是,這三十年來的發展主要是粗放型發展,依賴的主要是廉價的勞動力、自然資源的相對優勢、較低的環境保護的要求、龐大的但是參差不齊的市場需求,其創新能力也主要集中于引進消化再創新,衛生陶瓷和衛浴制品仍然處于半自動化半手工化的技術水平。在目前勞動力日益缺乏、自然資源緊缺、環境保護要求等國際大環境的壓力之下,產業發展的瓶頸越來越突出,產業調整成了當務之急,而在產業調整之中,應用型基礎研究的缺失是必須要跨越的鴻溝。

  (二)行業發展所面臨的技術問題

  行業發展主要面臨以下技術問題:

  1.自然資源的合理使用。建筑陶瓷和衛生陶瓷行業一直是資源消耗的重要行業,每年消耗了大量的優質粘土、石英、長石和各類燃料。目前,優質的粘土資源已經日益枯竭,佛山地區粘土已經消耗殆盡,產業逐步向廣東清遠、湖南、湖北、遼寧、江西、陜西等內地轉移,但是內地粘土資源也消耗很快,按照目前發展速度,五十年后,國內將找不到適合的粘土礦產資源;另一方面,本行業也是能耗和燃料消耗都相當大的行業,在目前能源日益緊張的局面下,在各個產業基地要面對的一個重要問題就是拉閘限電、燃料嚴重不足。解決這些問題主要有以下幾個途徑:(1)通過使用劣質原料及建筑垃圾制造產品;(2)通過加強原料均化來實現原料使用效率;(3)通過陶瓷磚減薄和生產優質的薄型陶瓷磚來減少原料燃料消耗;(4)通過熱工設備的優化設計、提高燒成效率和余熱使用來降低能耗;(5)通過工藝流程再造,例如減少或者不用能耗較大的球磨和噴霧干燥的短流程生產工藝來大幅度降低建筑陶瓷生產的能源消耗,通過注漿技術和干燥技術的革新等技術路線來大幅度降低衛生陶瓷生產的能源消耗和車間面積等。上述途徑均需要進行大量的應用基礎研究,涉及無機非金屬材料物理化學反應機理研究、配方設計、熱能工程、壓濾過程、燒嘴技術、特種材料等研究過程,許多研究工作,在國際上尚無經驗可以借鑒,需要通過大量的研究工作來提供基礎的研究數據。

  2.與無機非金屬保溫材料相結合的建筑外墻裝飾材料的研發。近年來,建筑物火災頻發,究其原因大多是由有機保溫材料的耐火性差而引起的。對于耐火性高的無機非金屬材料的研究成為保溫材料下一步研究的主要課題;另外,尋求一種方便安裝、穩定牢固、配色方便、反光柔和的外墻裝飾材料也成為廣大建筑商正在考慮的熱點問題。這兩個問題的結合點是研究一種綜合的外墻保溫技術,既具有優越的保溫性能,又具有良好的裝飾效果。而對這類產品的研究必須根植于對無機非金屬材料導熱機理、相變過程、發泡機理、高溫蠕變研究、應力分析、光散射及色度分析等在內的一系列基礎研究,這些研究的成果將迅速推進該類產品的迅速發展。

  3.進一步提高自動化水平。目前在建筑陶瓷的部分工序,如窯頭窯尾監控、成品分選、檢驗、包裝等工序自動化程度還很低,占用了大量的勞動力,這與目前勞動力資源日益稀缺產生了尖銳的矛盾。解決這類問題,(1)建筑陶瓷從原料均化入手,讓輸入生產線的原料為標準化原料,從而使得整個生產流程更加穩定,減少了色號,從而減少分級工,減少勞動力;(2)衛生陶瓷在工廠設置均化庫,并且采用料性不同分別處理后混合的方案,增加原料均化度,確保后期工序穩定;(3)需要開發出更加成熟的生產線在線監測系統、在線分選檢驗系統和在線包裝系統,這樣可以大大降低對于勞動力的需求。上述解決方案所需要的基礎研究包括:選礦及無機礦的均化技術、研磨機理的研究、混懸漿料流變性能研究、工序工程研究、可靠性分析、抽樣過程風險評估等研究數據。

        4.環境污染問題。建筑衛生陶瓷行業在大量消耗自然資源和能源的同時,又向外排放了大量廢氣、廢水、粉塵、廢渣、二氧化碳等,同時也給周邊帶來噪聲污染。五金衛浴行業的鑄造過程中由于鋅揮發過程排放了大量廢氣,其電鍍過程也帶來了大量廢水,其污染同樣不可忽視。目前,建筑衛生陶瓷產業大舉內遷,一方面是原料缺乏,另一方面是由于沿海地區環境成本較高而導致,但是,隨著經濟的發展,內地的環境要求也日益提高,如果忽視環境保護,產業將無處存身。這些問題的解決主要依賴于脫硫脫硝技術、廢水凈化技術、粉塵回收技術、工業廢渣的回收利用技術、表面處理技術等,涉及到分析化學、礦物分析、粉體工程、等多項基礎性研究工作。

  5.五金衛浴類產品目前面臨主要問題是無鉛銅的使用問題。由于衛浴五金制品中的主要產品水嘴類產品直接與飲用水接觸,其重金屬含量直接與人體健康息息相關。目前在歐洲和北美地區對水嘴的材料提出了嚴格要求,如美國AB1953法令要求2012出口美國產品必須使用無鉛銅。但是在中國,無鉛銅的使用量不到5%,我國的銅加工技術目前也保證不了無鉛銅的供應,目前我國30%的水嘴出口北美和歐洲地區,這就給整個產業帶來了非常大的貿易風險。所以如何制造無鉛銅如何在低壓鑄造中使用無鉛銅,是五金衛浴類產品所面對的關鍵課題。這涉及到金屬材料和金屬材料加工技術等多個學科。

  行業技術發展所面臨最大瓶頸——應用基礎研究缺乏

  隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高,中國在國際上的地位日益提升,同時,建筑衛生陶瓷和衛浴行業也得到了長足的進步,其產量在世界同類產品中已經穩居第一。2006年,設在咸陽陶瓷研究設計院的全國建筑衛生陶瓷標準化技術委員會(SAC/TC249)代表整個行業加入了國際標準化組織ISO/TC249,成為核心成員之一,有權在國際標準的制定中行使否定權,中國建筑衛生陶瓷和衛浴行業成為國際同行業中不可忽視的力量。

  在產業進步的同時,國際同行也對我們保持了高度的警惕,一些核心的前沿的技術無法再像上世紀一樣輕易獲取。另一方面,在應用技術方面,我們和國際水平相差越來越小,再加上我國本行業的發展規律不同于國際同行的特點越來約明顯,這樣一來,通過引進消化吸收再創新來解決發展問題的老路子已經不能滿足產業的發展,我們必須研發自己的核心技術,其基礎就是應用基礎的研究。

  目前國家科技發展所提倡的“產——學——研——用”相結合的科技創新體系的思路正是為了解決這方面的問題。

  目前,在建筑衛生陶瓷行業,大學中所做得教學和研發工作集中于理論研究,基礎理論課程包括物理化學、硅酸鹽物理化學、材料工程、流體力學,比較接近于實踐的為陶瓷工藝學、粉體工程,但是由于與實踐結合較少,與實際的產業發展狀況脫節嚴重,工藝學教材上的理論與工廠生產實踐相差甚遠。一些規模較大的核心生產工廠往往也有自己的研究機構。但多集中于生產實踐的研發和簡單的新產品開發,屬于工程技術研究,又不能擔負針對全行業的應用基礎的研究。

  專業性的研究院所正是由大學專業理論轉化為生產實踐中間的技術橋梁,而所從事的工作,正是目前所急需的應用基礎研究工作。在建筑衛生陶瓷行業發展的前30年,技術創新工作以引進消化吸收再創新為主,研究院所的科研工作也多圍繞這一主線展開,但是在現階段,必須擔負起應用基礎研究的行業責任。

  (三)國內外建筑衛生陶瓷專業技術領域最新進展和發展趨勢

  1.建筑陶瓷

  目前,國內外建筑陶瓷發展主要定向于三個方向:善用資源、功能化、表面處理技術、生產過程自動化。

  善用資源的研究方向包括陶瓷磚薄型化、短流程生產技術、免燒施釉技術、原料均化和劣質原料的使用等五個子方向。陶瓷磚薄型化目前主要有三條思路:陶瓷薄板、超薄外墻磚、地磚和墻磚減薄,在這三條思路的引導下,目前已經制作出3mm-6mm,寬度達1.2m,長度1.8m甚至可以隨意延伸的、具有韌性、內含無機纖維的陶瓷板產品,外墻磚已經制作出3.5mm-5.5mm的超薄外墻磚產品,地磚和墻磚已經把減薄15%~20%作為減薄目標,正在工藝技術、裝備技術、可靠性方面進行基礎研究;同時,國際標準化組織ISO/TC189也成立了薄磚技術委員會,意大利陶瓷學會、西班牙陶瓷學會、日本陶瓷學會也將薄型化作為一個重要的研究課題。短流程生產的核心技術主要是使用大型干法造粒機和流化床來代替建筑陶瓷的主要電耗工序球磨工序和重要能耗工序噴霧干燥工序。由于能源的緊缺,世界各國均在考慮更加節能的工序設計,短流程是探索的一條主要路子,由于我國壓機布料技術的創新,目前在我國處于領先水平。免燒施釉技術是指通過高壓靜電噴涂方式將無機粉料噴涂于素坯之上的工藝過程,可以減少有釉陶瓷磚的釉燒工序。原料均化技術主要是通過料性的不同和產地不同,建立不同工藝過程的大型標準化原料加工基地,可以借鑒水泥行業或其他礦產行業的原料均化技術,確保建立在礦山的原料加工廠直接供應標準化原料。這樣一來,會大大提高原料的使用效率,同時又能保證后續工序的穩定,為進一步提高行業的自動化水平做出貢獻;目前我國與意大利、西班牙等建筑陶瓷行業發達國家尚有很大差距,后者在工廠基本上不再設原料加工車間。劣質原料的使用主要是尋求多種配方方案,力求使用劣質粘土和頁巖等為主要原料生產陶瓷產品。另一方面,通過劣質原料做底料,優質原料做面料的方案也可以解決使用劣質原料的問題;目前,西班牙和意大利在這一方面也領先于我國,尤其是西班牙,使用劣質原料制作出了裝飾效果非常好的高檔瓷磚,這一方面,也值得中國同行學習。

  功能化即賦予建筑陶瓷除了裝飾效果以外更多的功能,其研究方向包括基于陶瓷材料的外墻內墻保溫系統研究、噪聲吸收功能研究、防靜電功能研究、太陽能與光伏技術結合陶瓷磚的研究、環境調節功能陶瓷磚的研究等。無機保溫材料的研究目前是國際建筑材料行業的重要課題,而陶瓷材料的高耐火性使其成為關注的焦點,陶瓷基保溫材料、巖棉材料、玻璃纖維成為三個主要研究方向,目前均處于研發階段。處于降低噪聲的考慮,酒店和娛樂場所使用了大量易燃材料裝飾內墻,這大大增加了火災隱患。另一方面,地鐵及隧道中的噪聲污染非常嚴重,基于這方面的原因,幾年來,我國部分研究院所和工廠致力于氣孔率很高的輕質陶瓷板的研發,雖然已經有一定產能,但是由于吸聲效果有限,產品仍不成熟,目前仍處于推廣期。防靜電瓷磚主要適用于對防靜電要求較高的場所,如精密儀器實驗室、手術室、機房等,主要通過增加陶瓷磚表面的導電率來實現,目前已經開發出一些具有較低表面電阻率的產品,效果不是很理想,推廣遲緩。太陽能陶瓷板目前已經有工廠制作出樣品,但是仍然定位為太陽能加熱熱水,熱水提供家庭用水的低技術含量的技術路線,已經有專家提出光伏產業與建筑陶瓷嫁接后的光伏電子陶瓷產品,目前尚是概念,但是有一定的可行性,具有很好的開發前景。具有環境調節功能的陶瓷磚致力于吸收空氣中的硫化物和氮物化,是調節空氣的濕度,日本TOTO開發出TiO2瓷磚在紫外線作用下能夠吸收空氣中的硫化物和氮物化,同時可減小水膜潤濕角,在外墻使用時,具有自潔功能。我院開發出的透水磚,能夠將雨水盡快導入地下,在干燥環境下,水分又通過毛孔回到空氣中,起到調節空氣濕度的作用。

表面處理技術的研究方向包括:防滑性研究、耐污染性研究、表面裝飾效果的研究。防滑性是一個看似簡單,實則非常復雜的研究課題,位于意大利博洛尼亞的意大利陶瓷技術中心專門成立了摩擦技術研究實驗室。該課題主要研究陶瓷磚表面的性狀和使用環境的匹配性,不同的使用場所發生滑動的機理有很大差別,最終研究成果應當給性狀不同的磚分別規定適當的使用場所。同樣,耐污染性的研究,包括耐磨性的研究,也是一個表面處理技術的課題,如何減少減小表面氣孔,降低污物的附著能力,提高表面耐磨性都需要對產品的表面性狀進行深入的研究。這一方面,在國際本專業領域內尚屬于空白。表面裝飾效果主要有仿石、仿皮、仿布、仿石、金屬光澤、貝殼光澤、仿古效果等,依賴于色釉料配方技術、各種拋光技術、各種布料技術、各種印花技術(包括目前比較前沿的噴墨打印技術)等,這是目前國際上創新最活躍的部分,屬于應用技術的創新,我國目前企業的產品創新也多是這類創新。

  自動化水平提升的重點包括:窯頭窯尾監控、成品分選、檢驗、包裝等工序,更加成熟的生產線在線監測系統、在線分選檢驗系統和在線包裝系統,可以大大降低對于勞動力的需求。

  2.衛生陶瓷

  目前,國內外衛生陶瓷發展主要定向于四個發展方向:生產過程自動化、表面處理技術、復合材料及替代材料的研發、配套產品智能化和功能化。

  生產過程自動化是目前本行業技術創新中所研究的主要課題。衛生陶瓷行業目前仍然處于對有經驗的技術工人依賴性很強的半自動化半手工化或全手工化階段,但是,目前面臨勞動力回遷,年輕人不愿做苦活的勞動力急缺的時候,自動化過程成了必須要走的路。自動化過程包括原料均化和制備技術、注漿成型技術和干燥技術三個方面?,F階段,我國衛生陶瓷原料的標準化技術仍然遠遠落后于發達國家,這為后續工序的穩定和自動化進程帶來了很大阻力,但是,由于原料均化很難反映到工廠的經濟效益上,推進及發展非常遲緩,需要進行應用基礎研究的研究院所來承擔這一責任。注漿技術的自動化經過咸陽陶瓷研究設計院接連承擔的“八五”攻關項目和“九五”攻關項目的成果的轉化,已經在我國取得了長足的進步,目前已經有少數衛生陶瓷裝備制造企業具備了全自動壓力注漿機組制造能力,但是目前由于模具技術和原料均化技術的落后,推廣仍然很艱難。傳統的衛生陶瓷模具及坯體干燥過程需要高溫高濕的環境,使得工人工作環境非常惡劣,干燥周期很長,占用了很大的工作時間和空間,同時消耗了大量的能源,能源使用效率也非常低,所以干燥技術創新也是目前技術工作的重點,目前,在這一方面我國與國際水平也有很大差距。

  衛生陶瓷表面處理技術主要包括超平滑自潔釉面技術、非釉質表面處理技術和表面修補技術。有自潔功能的“智潔釉”為日本TOTO首創,目前國內技術也已接近于日本技術,主要是通過釉面的超平滑效果來解決掛污的問題和通過在釉面中重金屬離子來提高表面抑菌效果。關于非釉質表面處理,武漢理工大學也嘗試過使用有機的樹脂材料使得衛生陶瓷表面更加豐富多彩并且有彈性,潮州工廠也曾做過此類嘗試,目前尚未成為成熟產品。表面修補技術是衛生陶瓷大有可為的一項技術,衛生陶瓷一般有15%的不合格率,其中10%左右為表面落臟等缺陷,目前多使用打磨噴釉回燒的工藝,耗能巨大,比較前沿的是激光修補技術、局部回燒修補技術及有機噴涂修補技術,但是技術成熟度有待提升,目前并未在行業中大規模推廣。

  復合材料及替代材料的研發是衛生陶瓷(衛生潔具)發展的又一方向,目前已經嘗試用亞克力、樹脂—硅灰石、樹脂—石灰石、密胺樹脂、以及由上述材料結合陶瓷材料的衛生潔具在行業內出現,這種產品裝飾效果非常好,并且排水量非常穩定,也是一類有前途的產品。另外,將家具與衛浴產品合二為一的木材、陶瓷、玻璃鏡組合的浴室柜產品也已經成為本行業的主流產品。

  配套的智能化和功能化的研究方向包括實用性和美學結合的產品配套性的研究、基于自動感應技術的智能化研究和帶有除菌除臭配件的功能化研究。產品配套性需要解決兩方面的問題,一是使用功能優化的問題,坐便器水箱配件與坐便器本身的配套性直接決定了坐便器的沖洗效果,蓋板的壽命、手感、強度也是使用功能的一部分,這一方面的研究可以使產品的使用效果達到最佳;二是裝飾效果,整個衛浴空間內各類產品的搭配需要非常強的美學效果,這方面的研究的目的主要是追求美學和功能的和諧統一。自動感應技術的智能化研究包括能夠自動感應人體的紅外或光學感應系統、能夠便后自動水洗身體并烘干的自潔系統以及座圈的自動加熱系統,這方面的研究工作屬于集成創新,主要是基于人體工程學的使用功能的研究,目前這方面的創新在衛浴行業異?;钴S。帶有除菌除臭配件的坐便器產品也是一個研究的方向,我國有一個研究機構推出一種新產品,把便池中的臭氣通過真空抽入水箱,在水箱中通過空氣凈化系統除去臭氣,也是一個值得研究的發展方向。

  3.衛浴五金水嘴類產品

  衛浴產品中最重要的五金水嘴類產品,目前主要發展趨勢是解決無鉛銅的使用問題、智能化和表面處理的問題,無鉛銅使用在第二部分中已經詳細說明,不再累述。智能化問題目前的發展趨勢是如何確保水嘴出水口的水溫恒定。恒溫水嘴的研究在國外起步于本世紀初,近年來,福建南安地區也有企業使用記憶合金與可以無極調整的彈簧使得水嘴出水口的水溫能夠在一定范圍內自由設定,出水口水溫變化不超過設定水溫的±3℃,另外,控制距離可以精確調整的非接觸式水嘴也是一個重要的研究方向。衛浴產品的表面處理技術目前也是一個非?;钴S的研究領域,這方面需要解決的問題主要是美觀、牢固、良好的耐腐蝕性和低污染的工藝過程。

  總之,隨著資源日益枯竭、勞動力日漸緊缺、節能減排要求不斷提高以及國際碳減排的壓力,建筑衛生陶瓷行業產業調整刻不容緩。在產業調整過程中,技術創新是原動力之一,而以應用基礎研究為核心的原始技術創新又必將取代引進消化吸收再創新的技術創新模式,與集成創新一起扮演技術創新的主角,行業內的核心企業、研究院所和大學應當建立起科技創新產業聯盟,肩負起行業技術創新的重擔,盡快建立起產業的結構調整和技術創新體系框架,為使我國建筑衛生陶瓷行業盡快達到國際先進水平做出貢獻。


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