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论日用玻璃陶瓷的研发及产业化

范文

詹建怀

摘要：本文探讨了日用玻璃陶瓷的研发及产业化，包括分析日用玻璃陶瓷的特性，与日用陶瓷特性的比较。重点研究了产品研发及产业化的主要环节，为研发、创新和产业化发展提供思路。

关健词：日用玻璃陶瓷；研发；产业化

1 引言

日用玻璃陶瓷是一种采用玻璃陶瓷材质、具备日用（包括可以用于接触食物）特性和功能的器具，如盘、碗、杯、碟、匙、壶、锅等。

GB/T 30771-2014《日用玻璃陶瓷》标准的术语和定义中，对玻璃陶瓷的定义为“由结晶相和玻璃相构成的一类复合材料，一般通过对玻璃进行适当加热处理以使玻璃体内产生足量结晶相而获得”；对日用玻璃陶瓷的定义为“供日常使用的玻璃陶瓷制品”[1]。

玻璃是一种非晶态的无机非金属材料，玻璃陶瓷是由足量微晶和玻璃构成的复相无机材料。玻璃陶瓷由结晶相和玻璃相二者构成，其原料也比普通玻璃更复杂。在复合材料中加入易于诱导析晶的物质（如氟化物材料）时，有利于结晶相形成，在适当温度环境中，晶体得以生长。具有足量结晶相的玻璃陶瓷相对普通玻璃，在力学性能和抗热震性等方面有较大变化和改善。这种变化和改善，可使制品的功能和特性变化和提升。

玻璃和陶瓷都是以硅酸盐矿物为主要原料，除了各自组成的原料品种不同之外，制品生产工艺还有差异。陶瓷是材料经成型之后再进行烧制；玻璃和玻璃陶瓷都是对材料熔炼成液体后再进行成型。玻璃陶瓷沿用了玻璃的制备工艺，同时增加温度对晶体培育环节，这种工艺相对陶瓷更适用于机械化和自动化生产。

日用玻璃陶瓷可以制成近似于日用陶瓷的器型，其颜色变化可以避开着色剂的作用，而是通过晶体与外部光线的作用，使制品产生颜色变化，如高白度日用玻璃陶瓷，其白度可高于普通日用陶瓷，白度均值可达到84.1W。

日用陶瓷通常是在胎体上施釉，其胎体是陶或瓷质，其釉层性质是玻璃；而日用玻璃陶瓷不需施釉，其胎体内外材质相同。在化学稳定性方面，日用玻璃陶瓷与日用陶瓷相近，日用玻璃玻璃陶瓷更优良，不存在釉面磨损或破坏之后，抗腐蚀能力产生变化的问题。日用玻璃陶瓷在晶相变化和材料热膨胀系数改进之后，其制品的物理性能可以优于日用陶瓷，包括制品耐碰撞、硬度高而耐划磨、耐热性提高等方面。

20世纪50年代，美国康宁公司率先研发了玻璃陶瓷，也利用玻璃陶瓷材料制作出日用玻璃陶瓷，其生产技术和产品销售至今还处于世界的领先地位。中国大陆在日用玻璃陶瓷的研发和生产方面起步较慢，但在近几年来有较快的发展，特别是高白度日用玻璃的质量和产量方面均有大幅度提升。目前，中国大陆生产的日用玻璃陶瓷已批量出口，出口量大于内销量。

日用玻璃陶瓷在中国具有广阔的发展前景。由于日用玻璃陶瓷的技术和生产工艺不同于日用陶瓷，国内行业对日用玻璃陶瓷的认识和实践慢于国外发达国家的相关行业，对日用玻璃陶瓷的研发和产业化方面必须加强探索和研究，有助于产业的有效、快速和可持续发展。

2 产品的研发

日用玻璃陶瓷的产品研发，与其它产品的研发流程有着近似的方面，都必须经历策划、计划、设计开发的实施等阶段，还必须包括设计开发的评审、验证、确认等方面。根据产品特性和要求，采用恰当的研发方法，使设计开发产生效果，并对后续的生产产生作用。

2.1研发的策划

产品研发的策划，包含了可行性研究过程。应对产品的发展前景，包括市场前景、技术背景进行调查和分析；应明确研发产品、包括品种的目标市场、消费群体的需求，也包括潜在需求；应确定产品档次以及性价比优势，避免产品在市场的同质化或高成本低售价；应明确产品研发和生产的技术背景，确保产品生产中获得成熟生产技术和工艺。由于日用玻璃陶瓷偏重机械化，自动化和连续式生产，生产必须达到一定规模，投资和相关配套必须相匹配，这些方面，都必须经过研究和分析。国内曾有企业在产品研发和小批量生产之后就停滞不前，或项目中途下马，主要原因在于可行性研究不充分，技术和资源无法匹配，需要解决和配套问题无法落实。

产品研发的策划应形成计划，包括目标和输出的要求、资源要求等。计划应进行设计开发阶段划分，确定各阶段的评审、验证和确认活动、明确人员的职责和权限，确保各个方面之间的接口不脱节。研发策划中应包括设计开发的输入和输出要求，输入的要求主要有：产品特性和功能要求、采用的标准等；输出的要求主要有：满足输入的要求、为采购、生产提供信息、确定产品接收准则、确定产品安全和正常使用所必需的特性等。

2.2研发实施

2.2.1原料配方

原料配方关系到日用玻璃陶瓷的外观颜色和内在晶体形态，对制品的卫生和物理性能也有影响。传统的玻璃可分为硼硅玻璃和钠钙玻璃两大類，而日用玻璃陶瓷不是钠钙玻璃，也不是完全的硼硅玻璃，比较接近硼硅玻璃，但其配方中的材料比硼硅玻璃更加复杂。

目前，日用的玻璃陶瓷绝大多数为乳白色，近似于日用陶瓷。要使制品白度提高，不是采用着色剂调控的方式，而是在于晶态控制。原料配方中应考虑到晶核的产生、晶体的生长，制品中的晶体比例通常在30 ～ 70%之间。配方研究是研发中关键技术之一，并与后续成型及温度处理等工艺相结合，才能使制品质量达到设计的要求。下面提供笔者所在企业发明专利的一例配方，曾采用该配方制备出高白度日用玻璃陶瓷（见表1）。

2.2.2产品器型设计

产品品种及器型设计以市场需求为导向。应考虑到目标市场中消费群体的生活习惯和要求；应与后续生产的工艺特点相结合。例如：外销产品应考虑到国外消费者以冷食为主，盘子应浅，碗宜大，如沙拉碗是供蔬菜和调料混合时使用，容积不能太小；内销的中餐具则不同，应适应热食，深盘可容少量的汤汁，饭碗及汤碗规格不同。内销产品可套装设计，按日用陶瓷的套装为32头、48头等，配备盘、碗、盆、匙、碟等。由于制品成型工艺的特点，日用玻璃陶瓷餐具下面不带脚，以平底为主。器皿内面接触食物部分应尽量光滑，便于清洗；接触桌面部分不能太光滑，防止使用时器皿容易在桌面滑动。

制品外观装饰可以采用贴花、彩绘等形式，可以借用日用陶瓷的外观装饰方式，但其颜色料及烤彩工艺与日用陶瓷有所区别。铅、镉溶出量控制是一项卫生需求，因而在花面设计中，应同时考虑到颜色料及花面颜色对铅、镉溶出量的影响，尽量减少碳酸镉、铅丹等易于导致铅、镉溶出量超标的原料加入。

产品器型及外观装饰设计中，可参考订货商的要求，如国外客户通常喜欢来图订货。当来图与生产工艺及卫生要求等产生矛盾时，应与客户协商并做修改。企业自行设计和创新的器型及花面，可以通过市场调查，直接征求消费者意见等形式，确保产品器型和花面适应于市场并为消费者所欢迎。下面提供一组日用玻璃陶瓷的产品图片（见图1）。

2.2.3样品制作

设计开发到批量生产，通常经历小试、中试和批量生产过程。样品制作是设计开发连接小试的阶段。这一过程包括产品及模具图纸设计、模具的制作或改进、生产工艺的选用、设备的选用。样品制作中可由多个专业工作小组配合进行，各自承担某一阶段工作，既分工又合作。各个阶段工作应保持接口，防止相互脱节。应保持信息沟通和反馈，特别是涉及必要的更改时，应进行论证。条件许可时，样品制作可放在规模化生产线上制作，考核配方、工艺在批量生产的适应性。有些样品制作成功，而在批量生产过程出现了许多不适应问题，原因之一是试制室与生产线的条件差异所导致。

2.2.4研发的验证

验证的主要目的之一是确保研发的输出满足输入的要求。验证是通过提供客观证据来证明设计开发的成果是成功和有效的。作为日用玻璃陶瓷研发的验证，通常可以针对研发的各个阶段及产品。配方、图纸、模具等，可以在样品制作过程得到验证，生产工艺放到生产线上进行验证，产品可以通过检验和试验进行验证。有效的验证是研发成功的一种保障。

样品制作过程虽然涉及配方、模具、生产工艺等，但量少和规模小，与生产线上生产存在条件上的差异，存在偶然性风险。例如，样品制作过程顺利，而在后续的批量生产中可能会发现不适应。可以通过多次，或变换方式和条件进行验证。产品验证应通过检验和试验，应包括产品安全卫生、外观、物理性能等方面的检测。企业有实验室条件时，应在企业内部进行检测，也应送到有资质的外部机构进行检测。产品验证应依据相关的标准，可以采用现有的国标、行标或地方标准，有些新产品或企业认为必要严于外部标准要求时，可制定企业标准。日用玻璃陶瓷目前已有GB/T 30771-2014标准可执行，如果产品外销，还可对应产品接收国家的要求。

2.2.5研发的确认

确认是通过提供客观证据，对特定的要求已得到满足的认定，确认可以是实际或是模拟的。在企业内部，确认可以在验证的基础上进行，可由多个相关方面进行确认，应有一定理论基础和丰富实践经验人员参与确认。在企业外部，可请消费者，特别是国外客户直接要求的产品，应请客户代表参与产品确认。在现有的产品外贸惯例中，客户会在取得产品样品后，在境外或委托第三方机构进行检测，对器型、外观方面进行确认。客户的确认应保持记录和证据。

2.2.6研发的评审

评审的作用包括：研发结果是否符合策划和计划的要求；发现并提出必要的纠正、补充或更改。评审可以针对研发的某一个阶段，如配方的评审、图纸的评审、样品的评审，也可以是研发结果的总评审。评审应结合策划和计划的要求，当发现不能满足要求时，应分析原因，拟定纠正或改进措施，包括必要的更改。评审的参加人员应包括有关的职能代表。在研发开始至完成阶段，最少应进行最终评审。可结合验证、确认的结果进行综合评价，并確认研发的输出，包括提供的采购、生产工艺、技术规范，标准等方面信息是否完整和充分。

2.2.7更改

研发过程中经常会涉及必要的更改。任何更改都应进行评审、验证和确认。因为更改可能会涉及和影响相关联的一些方面，一项更改有时会涉及其它多方面的更改。因此，更改不可以是随意性的。更改的结果应进行验证和确认，如配方更改可能会引起产品性能的变化；样品的更改可能会脱离客户的要求；杯盖尺寸的更改可能会影响杯盖与杯体的尺寸配合。

2.2.8研发的记录

研发的过程，包括各个阶段均应保持记录，包括信息、数据等方面的记录。评审、验证、确认和更改的记录必须保存，最好是保存原始的记录。在电脑普及的目前，记录可由电脑保存，方便查阅，但应备份、防止信息丢失。记录对于后续的生产和今后类似的研发方面都具有重要作用。

3 产业化

研发成果可以转化并实现产业化，成果的社会和经济效益将通过产业化来体现。日用玻璃陶瓷的产业化与其它轻工产品的产业化有着许多相同之处，但也有特殊的方面。

由于日用玻璃陶瓷的生产中，包含产品生产的机械化、连续式生产等特点，通常都需要规模化和较大的投资。日用陶瓷或一些普通玻璃器皿生产企业的规模可大也可小，比较灵活；而日用玻璃陶瓷产业化时，产量通常都较大，如美国康宁和法国弓箭等公司属下的工厂都具有一定规模和生产能力。如果采用较小的规模，只能针对性地生产一些个性化较强的产品。企业应根据产品的品种、产量规划生产场地、设备、配套专用模具；应研究并确定原料配方、配备检测手段、制定生产工艺规范。

3.1厂房

日用玻璃陶瓷的生产通常采用通用厂房。厂房应具有一定高度，确保熔炼炉等设备可安装；厂房应可容下熔炉、成型机，隧道式退火炉等主要设备，这些设备通常为连续式生产线；厂房应有利于排气通风、应安排产品的临时贮存和工具车的运转。

3.2 主要设备

3.2.1 熔炼炉

目前较为先进的熔炼炉是冷顶熔炼炉，采用电力加热。在炉的中、下层部分设置加热装置，炉的下端设置出料口（输出已经熔炼的玻璃浆），供产品成型使用。经配制的固体颗粒原料从炉顶开口处均匀投入，原料下沉至炉的中、下层时被加热熔炼并形成玻璃浆输出使用。由于炉顶投入和炉下输出保持均衡和同步，炉内的上面层始终保持一层冷料，这层冷料有效地阻挡下部热气和挥发气体的逃逸，具有节能和环保作用。

生产企业有能力进行创新和设备改进时，可将熔炉从一道供料（出浆）供给一台成型机形式，改进成多道供料配备多台成型机，改变原有的一座熔炉配备一条供料道和一台成型机生产单一品种的局限，使一座熔炉的输出可以同时生产不同花色品种。这种方式可以实现少投资，提高设备利用率，满足多品种同时布产的需求，而且更加节能和降低生产成本。下面为一种熔化炉三道导料的输送装置图（见图2）。

3.2.2 成型设备及模具

日用玻璃陶瓷的成型方式与普通玻璃器皿的成型方式有许多近似之处，与日用陶瓷和建筑陶瓷的成型方式完全不同。日用玻璃陶瓷的成型通常是将经熔炼的玻璃浆计量投放进模具，由模具通过挤压，使制品成型。离心甩制是日用玻璃陶瓷成型的创新方法，适用于生产扁平或深度一般的器型，如盘、碟、碗、盆等。

目前，日用玻璃陶瓷的成型通常是模具与成型机结合。与自动生产线相配套的成型机大多数为多工位的，以转盘带动模具移动，采用机械方式进行开模，由机械手移动经成型的工件，将工件从模具中转移到输送装置上。

模具通常由钢质材料制成。模具可以是公模和母模组合，也可以是只设母模。采用离心甩制的成型方式则只有母模，玻璃浆计量投入母模中，母模转动发生的离心作用，使玻璃浆沿着母模内壁延伸和展开，玻璃浆固化后则成为器皿。离心甩制的器皿内腔表面没有公模的摩擦，表面光滑度较高；而器皿外表面与母模摩擦，光滑度较差。这种情况，符合器皿的使用要求，使接触食物部分卫生易清洗，器皿外部有防滑作用。

制品在成型过程中，计量投料关系到制品的厚度、重量。当投料量偏差时，会导致制品残缺或报废。采用精准投料控制对于制品成型的合格率有较大的保障，投料的时机及目标位置必须准确。在技术创新中，采用红外线探测并控制精准投料，是制品连续式生产中的一种有效手段。下面提供一种红外线精准导料的多工位成型装置示意图（见图3）。

3.2.3成型制品的退温、晶化或钢化

制品在成型之后热度较高，需要退温并消除内应力；日用玻璃陶瓷在成型过后还存在内部晶化过程；有些制品需要进行钢化。以上工艺可以分开各自进行，也可在生产线上合并进行和综合控制。

日用玻璃陶瓷的晶化除了原料中加入了形核剂材料，可以诱导析晶的因素外，还在于特定的温度环境中使制品产生晶相变化。在生产线上，退温和晶化处理可以合并进行，可以通过对阶段时间温度的有效控制，完成晶化处理和退温。在生产线上，晶化的结果很难从肉眼直观感觉到，工艺的控制和设备的可控精度是晶化效果的保障。钢化处理可提高制品材质的密度，使制品强度等物理性能优化。钢化通常是采用急冷方式，可以是风冷或吸热物质（如水、矿物油等）快速吸热。钢化可独立进行，也可在生产线上合并进行。

3.2.4冷加工

经成型和处理的制品表面可能会存在一些外观缺陷，如模痕（模具合缝痕迹及工具吸附痕迹），这些缺陷除了影响美观或使用安全外，部分缺陷可能会引起应力的变化。如制品表面裸露的点或坑，可能会引起制品内部的应力集中，导致制品易于破损或抗热震性下降。制品表面的光滑，可形成较好的压应力。一般的冷加工（如机械修磨）不会产生化学作用，只是产生外观效果和物理作用。当采用化学清洗剂清洗制品表面残留污物时，应防止化学物质对制品表面层的破坏，应清除化学物质在制品表面的残留。

3.2.5外观装饰

日用玻璃陶瓷的外观装饰近似于日用陶瓷，可以采用彩绘或贴花纸形式。使用的颜色料应尽量采用结晶材料，熔点较低，而且烤彩温度在700℃以下较适宜。太高的烤彩温度可能导致制品的晶体变化，但较低温度则存在铅、镉溶出量超标的风险。除了颜色料中减少铅、镉相关材料的引入之外，在烤彩中应保证充分的氧化气氛。烤彩窑炉的排气通风应良好，让分解和挥发的物质和气体充分排放。采用辊道、网带传送、隧道式等连续式生产窑炉较为适应。烤彩温度应均匀，应建立烤彩制度并严格试行。采用试烧方式，对样品进行检测，确认质量和工艺符合要求时才进行批量生产。采用树脂花纸膜层夹在制品中间，使玻璃层完全遮盖花面方式，能达到卫生和美观效果，但其成型方式改变，采用复合方式时工艺较为复杂，技术难度较高，而且需要专用设备。

3.2.6产品主要质量要求

日用玻璃陶瓷的主要质量要求包括：外观质量、抗热震性、铅、镉、砷、锑溶出量、微波炉适应性、产品规格误差等。

抗热震性是要求产品在使用时遇到一般的冷热骤变时制品不开裂；铅、镉、砷、锑的溶出量限定是卫生要求。铅、镉溶出量限定与日用陶瓷相同，主要是針对装饰花面颜色料中含铅、镉物质的残存和裸露时、被酸、碱侵蚀而分解溶出；在一些玻璃制品中，可能会有加入砷、锑物质，起到对玻璃浆的澄清作用。目前的日用玻璃陶瓷生产中，基本不存在专门加入砷、锑材料现象。日用玻璃陶瓷的标准制定中，为防止砷、锑有可能存在和溶出，在技术要求中特加入砷、锑溶量限量要求。笔者在历年自产产品的送检中，以及国内目前生产的同类产品中，尚未发现砷、锑溶出量超标现象。

日用玻璃陶瓷常被消费者用于微波炉加热食物。在实践中，当制品抗热震性符合标准要求时，微波炉上使用通常也能符合。标准对制品的外观和规格误差作出限定，确保制品规范化。外销产品中，产品接收方可能会对外观和规格误差提出新的要求，可以通过工艺的处理得以满足。

4 结论

日用玻璃陶瓷的研发和产业化，是日用餐饮具、厨具生产行业的一项研究课题。分析并明确日用玻璃陶瓷制品的功能特性和目标市场，加强研发和产业化的研究，可以帮助企业少走弯路，促进项目的有效实施和产业的健康发展。在研发中通过有效地策划和计划，并强化验证、确认和评审，能使研发输出和结果达到预期目的，从而使成果转化和产业化更加顺利和有效。产业化中选用适宜的技术、工艺、配套较先进的设备和模具，有利于产品档次和质量的稳定和提升，降低生产成本，提高企业的总体业绩。

参考文献

[1] GB/T 30771—2014日用玻璃陶瓷[s].2014.

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