淺析陶瓷行業發展新動能——陶瓷納米技術(CNT)的應用途徑

2020-12-05 常小平
陶瓷花瓶

在當今的三大材料:金屬材料、有機材料、無機非金屬材料(又稱為陶瓷材料),前兩種材料的已經並正在加速發展之中,但是陶瓷材料似乎已放慢了前行的腳步,正在努力的尋找著自己前行的方向。有人說,陶瓷納米技術(CNT)是陶瓷產生革命性變革的最根本的技術。答案是肯定的,但納米技術應用於陶瓷的路徑在哪?本文試圖做一些分析探索。

01·陶瓷行業發展的現狀

2019年,我國規模以上建築陶瓷企業1435家,產值3831億元,同比增長17.43%;2019年,我國日用陶瓷產量310億件,產值達960億元。年均複合增長率為18.76%;2019年我國藝術陶瓷的工業產值約在180億元左右。日用陶瓷、建築陶瓷、衛生陶瓷以及藝術陶瓷產品的出口,也呈現全面飄紅的景象。全國衛生陶瓷陶瓷市場市場規模1274億元。預計2020年我國陶瓷製品產值達到11000億元。

2019年我國共出口陶瓷產品191.63億美元,同比增長14.43%。其中日用陶瓷出口27.14億美元,同比下降1.03%;藝術陶瓷出口29.28億美元,同比下降6.97%;建築陶瓷出口84.88億美元,同比增長26.60%;衛生陶瓷出口19.88億美元,同比增長113.01%;其他陶瓷出口30.45億美元,同比下降5.34%。

這和我們的感覺有些差別,是因為統計數是規模以上,大多數小陶瓷企業不在統計範圍之內。不在範圍之內的小企業大多都在環保治理中清理掉了,這是統計數字和我們感覺的差別。對比數字還是反映客觀事實的,陶瓷是在增長的。但是其絕對值只有:3831億元+960億元+180億元+1274億元=6245億元,而「預計2020年我國陶瓷製品產值達到11000億元」,是2019年的2.21倍。這不是不可能,如果統計方包括規模以下的企業,只需開啟80%的產能,即可滿足。11000億元÷14億=785.71元/人,我國2020年人均需消費800元的陶瓷產品,及可達到產銷平衡。2019年中國的人均GDP 已超過1萬美元(折合人民幣7萬元)。不考慮出口,僅在中國銷售陶瓷的消費量也不算很高。只要生產出人民滿意的產品,陶瓷的消費可以翻翻。

02·陶瓷的分類

人類目前所用的材料大致可分為三類:金屬材料,有機材料,無機非金屬材料。無機非金屬材料又稱為廣義上的陶瓷材料,有些國家成為窯業材料。我們通常所指的陶瓷屬於下一陶瓷材料的範疇,它不包括水泥、玻璃、耐火材料、建築紅磚(瓦),及其它非窯燒制材料。陶瓷的產品包括三大類:

特種陶瓷
衛生潔具
陶瓷手錶

①建築材料陶瓷

②日用陶瓷,包括日用陶瓷、衛生陶瓷、藝術陶瓷

③特種陶瓷。以上兩類陶瓷之外的各種陶瓷,包括結構陶瓷、

功能陶瓷、生物陶瓷、工程陶瓷等。

·建築材料陶瓷 與我們習慣上的建陶產品有一些區別。建築陶瓷主要包括:內牆磚(釉面磚)、外牆磚(仿古磚)、地板磚(拋光全瓷磚)、馬賽克等一些居家裝飾磚;建築材料陶瓷則定義為延用陶瓷原料和工藝生產的建築材料,它除包括建築陶瓷的原有產品外,也包括了廣場磚、透水磚、園林磚瓦和用礦渣和陶瓷固廢料燒結的建築砌體用磚(代替紅磚)。這個定義可以拓寬建陶廠的生產範圍,為建陶企業轉型升級找到方向和路徑。

·日用陶瓷 本文定義的日用陶瓷的概念,把日用陶瓷、衛生陶瓷、藝術陶瓷三者定位為一個行業,是從使用功能和工藝要求方面的角度來劃分的。①它們同屬於室內的日用品;②製造工藝和材料相似,③它們對釉面的要求都較高;④最重要的一點是,這三種陶瓷都需要在實用價值的基礎上,體現出藝術性價值和功能性價值。

·特種陶瓷 本文定義的是除「建築材料陶瓷」和「日用陶瓷」之外的所有陶瓷。它涵蓋了原特種陶瓷所包含的範圍,例如,結構陶瓷,功能陶瓷,生物陶瓷,工程陶瓷等門類。

之所以花這麼多的篇幅重新定義這些概念,是因為之前的劃分已經不適應今天的情景。這樣的劃分可以提高陶瓷企業對自己行業的邊界定,開闢新的應用領域。

03·陶瓷行業發展的新動能。

(1)打造強勢「白瓷」品牌。

本文所指的「白瓷」屬於日用陶瓷類。該類陶瓷繼承了中國古代陶瓷的經典技術和工藝,。美國著名的產品定位學專家麥可·波特先生在談及我國的那些產品能成為世界頂級奢侈品品牌時,他說只有中國白瓷和中國白酒,因為這兩種產品中包含著西方人不能夠理解的中國文化。

中國的白酒已經有茅臺、五糧液兩個世界級的強勢品牌,2019年,兩個企業均突破1000億元的銷售額大關。但白瓷還沒有,2019年,全國日用陶瓷+衛生陶瓷+藝術陶瓷=2414億元。並且沒有一家達到1000億元的企業。兩個行業同為中國的傳統行業,同為民用的日用消費品,差距是如此之大。究其原因是因為陶瓷行業沒有一家強勢的品牌。2008年,我國的著名陶瓷生產基地淄博,提出了「淄博陶瓷,當代國窯」的地域品牌概念,也誕生了「華光」、「矽元」兩大知名品牌,但離世界級的著名奢侈品品牌,其規模也太小。

因此,日用陶瓷的品牌化建設是一個緊迫而有價值的任務,值得我們陶瓷人去為之奮鬥的偉大事業。

特種陶瓷
特種陶瓷
陶瓷刀

(2)陶瓷納米技術(CNT)與陶瓷固廢料的再生利用

· 陶瓷納米技術,是應用於陶瓷加工與製造中的納米技術。它有4個模塊技術構成:①納米陶瓷材料的加工與應用技術;②陶瓷元(微米級陶瓷製造技術);③納米材料的陶瓷生產技術;④環境、社會、人類友好共生技術設計規範。

該技術是從大塊陶瓷加工成納米材料,經過陶瓷元(微米化製造技術),再加工成納米陶瓷製品(塊體)的閉路循環整體理論及工藝技術裝備技術。

·陶瓷固廢料再生技術 ,陶瓷由於自身的特性,一旦成瓷後,就成為不可再生永久性垃圾。陶瓷的再生利用就像人類的長生不老已成為一個歷史的難題。陶瓷不能復生的根本原因在於,一旦燒結其材料自身的活性便消失,不能在作為陶瓷原料繼續使用。但是,由於陶瓷納米技術的誕生,將陶瓷材料加工到納米級別,經驗表明加工到300納米以下,活性便可恢復,這便是該技術的關鍵。該技術是綠色高質量發展的重大技術。

陶瓷納米技術的應用,是陶瓷發生革命性變化的內在動能,陶瓷的各項性能將提高10倍以上,並且為陶瓷與其它材料的的複合提供了必要的前提,因此,它給陶瓷的發展提供了無盡的的空間。拜它所賜,是千百年來固廢陶瓷的再生成為可能。

陶瓷的智能製造

·陶瓷的智能化製造,中國目前正處於第二次工業革命的後期和第三次工業革命的中期,但網際網路技術卻處於世界較領先水平,所以能夠直接介入第四次工業革命進程之中。

我國的陶瓷是中華民族貢獻給世界的珍寶,長期處於領先地位。從19世紀中葉,陶瓷開始落後,但改革開放以來,陶瓷工業引進了大量的最先進的設備,在智能製造上也處於靠前的地位,只是在材料功能、設計、裝飾方面有一段距離。這些差距完全可以用納米技術的應用來彌補甚至超越。而且我們的宋代的陶瓷文明和中國文化和智慧,至今外國人還難於理解。從三大材料來看,金屬材料和有機材料我們與國外的差距較大,陶瓷材料與國外的差距較小,我們完全可以超越。況且,佔據的比例較大,與人民生活相關度較高,把陶瓷產業率先領先世界,滿足國內或國際上人們對陶瓷新需求,將產生巨大的GDP,並能帶動億萬人的就業。因此,我產生了陶瓷智造5.0的計劃,它是在工業4.0的框架下加入了環境、健康、文化和中國價值觀的新元素,是中國陶瓷具有不可複製的核心競爭力。

五次工業革命圖表(圖1)

·陶瓷智造5.0,以納米技術和智能製造技術為動力,以納米複合為主要手段,以環境友好、綠色健康為前提,實現陶瓷工業產品升級為新新功能陶瓷產品,實現陶瓷原料和加工方式的革命性轉變。包括以下五部分內容:

①納米技術,原料納米化加工,在納米尺寸內對物質構成進行設計重組,改進陶瓷材料的結構缺陷,提高原料的化合能力,使載體材料不再僅僅局限於矽酸鹽材料。

②納米複合。納米複合是陶瓷實現升級改造的根本方法,通過複合使設計功能得以完成,便於發揮各類材料的長處,實現結構的重組。

③無燈車間。陶瓷製造過程的實現完全自動化、智慧機器人自主製造陶瓷產品的現代化能力。

④零思維設計:零排放、零故障、零浪費、零汙染。

⑤新人文生產方式。更加注重製造體系的人文內涵,更加關注人的健康、發展、幸福指標,為體系內的每一個個體提供實現自己夢想的條件和舞臺。

(4)陶瓷產品功能化

陶瓷產品的功能化,不同於產品的實用性,這種功能化是在實用性的基礎上,增加的對人體有用的功能。例如,自潔功能,健康功能,靜電功能,抗菌功能的功能性指標。以提高產品的附加值。對於整個陶瓷器皿而言,陶瓷坯體提供了產品的形式,陶瓷釉面則提供了陶瓷的功能部分。形勢與內容的統一,成就了一件陶瓷製品的全部。因此我們可以說,陶瓷究其本質而言,是載體與功能的複合。而功能又是多種功能元素相互融合在一起的複合體,這種功能是更小的更單一的陶瓷元。

我們來定義一下陶瓷元功能體的概念,元是指元件,單元的意思,是指個體微小(一般在1~100um,通常是在325目~1000目之間顆粒)需藉助顯微鏡 才能看清外形的陶瓷微粒。它是有一種或多種納米材料組成的,具有一種或多種功能的,有特定性狀、顏色等理化性質的陶瓷元件。

陶瓷元是陶瓷原料和陶瓷製品的中間產物,非常相似於三D列印中的體素,它可直接用於3D列印,也可用於與各種傳統製品的複合。可以預計它將是最重要的陶瓷商品,製造研發陶瓷元將成為陶瓷企業和陶瓷技術人員的最重要的工作。我們可以設想一下,把陶瓷元標準化成具有某種特定力學、化學、電磁學、生物學功能的陶瓷元件的標準模塊,也假定有24種。然後,由這24種模塊,按一定規則進行組合,然後再與現有的傳統產業的工藝進行複合,會出現一個怎樣的絢麗多彩的陶瓷世界呀!

也許世界很快會新增出一個陶瓷元功能體產業(功能陶瓷粉體),而它也正是納米陶瓷材料的產業形態。這個產業不同於現在的粉體產業,也不同於現在的陶瓷產業。這個產業與原傳統陶瓷產業的關係是,陶瓷元企業以納米技術為主創造出各種陶瓷元,陶瓷企業再用3D列印為主的智能製造技術,生產出滿足人們各種需要的陶瓷產品。粉體產業可以改進提升為陶瓷元企業或增加陶瓷元製品,陶瓷企業也開對前端原料加工技術改造生產陶瓷元產品。將三者要素對比於下表:

陶瓷元對照圖表(圖2)

我們把陶瓷分為三個具有不同功能的組元,順著這樣的思路,理清一下每一個組元的作用,弄清楚陶瓷的本質,明確陶瓷工作者的方向和工作重點。1、功能粉部分。在納米技術條件下,納米陶瓷被賦予前所未有的功能,正是這些功能,使陶瓷材料發生了質的變化,它足以顛覆陶瓷自身。做好納米材料是最根本性的2、載體介質部分。前面我們已經講過,納米粉體不能直接應用到現有的陶瓷產品上,一定要找到一種有效的方法,這種方法一般表現為承接納米材料的載體,或複合一種能夠有效連接納米粉體和基體材料的材料、技術,我們稱之為中間介質(橋梁)。這一部分是現在納米陶瓷研究中最薄弱的一環,是現階段我們應當研究的重點部分。功能粉部分+載體介質部分在應用中往往被結合在一起,組成一種具備陶瓷優點,而又因為納米技術被屏蔽掉陶瓷缺點的,有一定強度和形狀,-325目~1500目的陶瓷體,一般為圓形。我們成為功能陶瓷元(粉)。3、基體部分。包括:傳統陶瓷坯體(矽酸鋁即高嶺土),冶金(鋼坯,不鏽鋼坯),塑料,橡膠(聚氨酯),油漆,紙漿,生物體,···。在這些成熟的產業中,根據需要複合以一定數量和具備一定性能的陶瓷元(粉),組成一種新的納米陶瓷材料。這種複合陶瓷是一種大陶瓷概念,可命名為不鏽鋼陶瓷、紙陶瓷、油漆瓷,···。

現在讓我們來分享一下,納米大陶瓷時代到來的情景。首先,陶瓷的循環利用,這一困擾幾代陶瓷人的難題,會迎刃而解。其次,大部分的基體材料以被鋼鐵和塑料所取代,而節省下大量的粘土,秦磚漢瓦的時代土崩瓦解。並且,陶瓷具有的自潔、殺菌、產生負氧離子、產生小分子水、防靜電等作用,冰冷的陶瓷,變成了環境和人類的好朋友。再次,傳統的陶瓷,披上了玉質寶石般的光澤,讓人們賞心悅目,絢麗斑斕的色彩,把世界裝扮的美麗動人。五彩的釉色,因為納米大陶瓷技術,把城市垃圾、建築垃圾、工業垃圾打包變成一坐坐美麗的雕塑,供人們欣賞。最後,我們人類自身説不定會變成陶瓷基體,被陶瓷元功能體(粉)所包容。我們這一代的陶瓷人的責任,就是為此而努力。

現在我們可以歸納以下納米陶瓷由夢想到現實的基本路徑:納米技術----陶瓷元功能體(功能陶瓷粉體)---複合技術----傳統產業-----具有新功能的複合納米陶瓷產品。

紫砂壺

04·結論

以上我們討論的每一個課題精進和突破,都會帶給陶瓷一個大的發展,例如對建築陶瓷的新定義,強調了建材的屬性,可以把陶瓷更多的延伸到建材領域;和平穩定的、可預期的國際和國內形勢為陶瓷發展提供了一個較長時間較快發展時期;以陶瓷納米技術(CNT)為主的技術進步,為陶瓷的提升和發展提供了不竭的動力。

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