紫砂陶的透氣性原理與測量方法

王耀來 李龍雨 陳飛杰 周成昊 宋春麗

摘 ?要 ?紫砂陶是中華陶瓷文化的瑰寶，從民間認知到國家標準，良好的透氣性是其獨特屬性，然而技術(shù)上一直未能測得其透氣性。本研究設(shè)計了一套基于動態(tài)熱平衡的測量方案，結(jié)果表明，紫砂陶的透氣性與植物的蒸騰作用原理相同，是一個蒸騰扯拉力驅(qū)動下毛細孔不間斷泵水的輸運過程。這種輸運過程頗為強烈，容量二百毫升左右的紫砂器，每分鐘可排出氣態(tài)水數(shù)百毫升。

關(guān)鍵詞 ?氣孔;多孔材料;毛細現(xiàn)象;蒸騰作用

基金項目：無錫市科協(xié)軟科學(xué)（KX-18-C01，KX-19-C83）

紫砂陶原產(chǎn)于江蘇宜興，呈色以赤褐居多，質(zhì)地細膩，代表性產(chǎn)品是紫砂壺，因卓越的實用性與藝術(shù)性而著稱，是中華陶瓷文化的瑰寶之一[1-2]。紫砂陶器的獨特性在于它具有良好的透氣性[1-9]，歷史上，紫砂壺曾被金屬錫包裹裝飾，但因喪失了透氣性而終被淘汰，如今的紫砂器通常內(nèi)外皆不施釉。在國家標準中（GB/T10816-2008），“透氣性能好”被規(guī)定為紫砂陶的基本屬性。

然而，何謂“透氣性”，國家標準并未說明，也未給出檢測標準或方法。有研究表明，即便在紫砂試片兩側(cè)施加高氣壓差，依然未能檢測到氣體透過了試片[10]。由此推斷，在沒有氣壓差的日常環(huán)境下，紫砂陶具有透氣性似乎是個偽命題。故而，紫砂陶的透氣性有待闡明，進而為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

紫砂陶土礦地質(zhì)上屬于沉積型粉砂質(zhì)泥巖，主要物相為含有赤鐵礦的石英-高嶺石-云母系統(tǒng)[1-6]。紫砂陶土的組成顆粒少量為巖石碎屑和細粉末，大部分為直徑300～900 um的多礦物聚集物——“團粒”[1-6]。紫砂陶器燒成以后，這些團粒得以保留，且在團粒內(nèi)部和團粒之間形成了縱橫交錯的空隙——“氣孔”。氣孔直徑一般為0.3～5 um，粗的可達20 um[1-6]。紫砂獨有的氣孔特性與它的“透氣性”存在怎樣的關(guān)聯(lián)？本文旨在闡釋紫砂陶器的透氣機理，提出透氣性測量方法并定量測量，并從多個角度證明所得結(jié)論的合理性。

1 ?透氣性機制與測量原理

我推測紫砂陶透氣的機理如下：器內(nèi)注入熱水，由于紫砂器的氣孔是親水性毛細孔，水分子迅速浸入氣孔。水分子在器表的氣孔開口處蒸發(fā)，造成了孔內(nèi)蒸騰扯拉力[11-13]。在蒸騰扯拉力的作用下，氣孔繼續(xù)吸收水分子，從而水分子被源源不斷地泵出器外。換言之，紫砂陶器的透氣性與植物蒸騰作用的原理相同，是一個以蒸騰扯拉力為驅(qū)動力、毛細孔不間斷向外泵水分子的輸運過程。

為了驗證上述機理，本研究的實驗方案如圖1所示。測量對象為圓柱形細口紫砂瓶，紫砂瓶底部與恒溫?zé)嵩唇佑|，口部套接刻度玻璃管，瓶與管內(nèi)注滿水，無氣泡殘留。在系統(tǒng)達到熱力學(xué)平衡以后，各個組件的體積不再變化，即熱膨脹效應(yīng)可忽略。如果瓶表有水分子不斷地蒸騰出來，則玻璃管中的水持續(xù)回流;反之，如紫砂瓶不具有透氣性，水面不會發(fā)生明顯變化。

在熱力學(xué)平衡條件下，單位時間內(nèi)蒸騰而出的水分子的數(shù)目等于玻璃管中回流的水的分子數(shù)。設(shè)水的回流速度為（單位為uL·s-1），則單位時間內(nèi)透出紫砂瓶的氣態(tài)水的體積Ω可由下式得到。

其中， ?為瓶內(nèi)水的密度， ?為水的摩爾質(zhì)量， ?為紫砂瓶外氣體的摩爾體積。

2 ?實驗材料與方法

實驗中所用的紫砂瓶采用紫砂泥料龍血砂制作（見圖2），龍血砂是一種褐色紫砂礦物，條痕紅褐色、顯微鏡下易見葡萄狀赤鐵礦顆粒，該礦物的制成品質(zhì)地細膩、表面?；?、氣孔開口密度高（見圖3），且內(nèi)部氣孔豐富，是理想的實驗材料。氣孔直徑大都在2.5 um左右，粗的可達20 um左右，與先前的測量結(jié)果一致[1-6]。紫砂瓶的制作方式為傳統(tǒng)全手工工藝，為了在最大程度上保證實驗樣品的全同性，所有紫砂瓶樣品系同一批次制作，燒成溫度為1 180 ℃，石英顆粒邊緣已熔融，說明充分燒結(jié)[3]，容量為194 mL。

實驗前，紫砂瓶在熱水中浸煮24小時，以確保其充分吸水，確保實驗中觀察到的回流不是由于瓶體吸水所致。恒溫?zé)嵩礈囟仍O(shè)定為100 ℃，熱平衡以后，紫砂瓶內(nèi)溫度恒定在80 ℃——對于不同的紫砂瓶，瓶內(nèi)溫度有2 ℃以內(nèi)的差別。該瓶內(nèi)溫度下不會產(chǎn)生影響測量的氣泡，能保證瓶內(nèi)不產(chǎn)生過量氣化的其它溫度值均可。

3 ?實驗結(jié)果

系統(tǒng)熱平衡以后，玻璃管中的水持續(xù)勻速回流，兩名實驗人員在相同的室內(nèi)溫度（21～22 ℃）和濕度（61～62%）下獨立測量了回流速度，每人測量了50組數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示，回流速度分別為1.07±0.22 uL/s、1.13±0.31 uL/s。

為了進一步排他性地驗證回流是蒸騰作用造成了，實驗人員做了三組對照實驗。（1）把一個紫砂瓶更換為玻璃燒瓶。測量發(fā)現(xiàn)，熱平衡以后，紫砂瓶玻璃管的水勻速回流，而玻璃燒瓶玻璃管中的水不會移動。（2）給紫砂瓶和玻璃燒瓶以瞬時吹風(fēng)。表面氣流的加快，能提高蒸騰效率。結(jié)果顯示，紫砂瓶玻璃管中的水即刻開始急速回流，而玻璃燒瓶玻璃管中的水只有及其輕微的回流（氣流有降溫作用，熱導(dǎo)率比紫砂高很多的燒瓶最先降溫造成的）。（3）升高系統(tǒng)溫度或降低環(huán)境濕度。此類條件下，紫砂瓶玻璃管中的水回流均加快。圖4給出了濕度為55%±1%的環(huán)境下的測量結(jié)果，回流速度為1.85±0.28 uL/s，與前述濕度高的條件下的回流速度相比明顯更高。

由公式（1），可計算得到透出的氣態(tài)水的體積。以濕度55%的實驗情形為例， ? ?=0.971 8 g/cm3， ? ? ?=1.85±0.28 uL/s， ?=18.015 g/mol， ? =24.055 L（常溫常壓值，對應(yīng)于氣溫20 ℃、一個標準大氣壓），得 ?=2.40 mL。也就是說，在常溫常壓下，紫砂瓶每秒鐘透出的水蒸氣體積約為2.4 mL，折合每分鐘144 mL，此值在空氣干燥或流動快的情況下會大幅增加。

進一步可以估算出單位時間內(nèi)透出的水分子層數(shù) ?。 ? ?，其中 ?為紫砂瓶內(nèi)表面積， ?為透出的水的厚度。設(shè) ? ? ? ，其中 ?為單位時間內(nèi)透出的水分子總數(shù)， ?為瓶內(nèi)單個水分子占據(jù)體積。瓶內(nèi)單個水分子占據(jù)的平均尺度為 ? ? ? ，即 ? ? ?，得

其中 ? ? ? ， ? ? ? ? ， ? 為阿伏伽德羅常數(shù)。得 ? =329.485，即在一秒內(nèi)，有數(shù)百層水分子被泵出壺外。

4 ?討論和總結(jié)

紫砂陶器的透氣性不宜簡單地理解為“氣體穿越器壁”，紫砂陶器內(nèi)部的氣孔直徑（10-6～10-5 m量級）是空氣分子平均自由程（10-8 m量級）的100～1 000倍，然而這些氣孔傾向于相互獨立而非貫通[2-5]。因此，氣體分子穿越紫砂陶器的器壁（厚度通常為3 mm）并不容易，以至于壓差法難以測量紫砂陶片的透氣性[8]。

紫砂陶器的透氣性本質(zhì)上與植物的蒸騰作用相同，是蒸騰扯拉力驅(qū)動下的毛細孔持續(xù)泵水的過程。蒸騰作用是一種強大的主動輸運過程，它可以克服重力，把水從地下深處輸送到百米以上的樹冠。一顆大橡樹一年通過蒸騰作用排入大氣的水可達150噸[14-16]。但反過來，誰都不可能拿一截樹干當管子吹氣或者當吸管吸水。本研究驗證了這一結(jié)論，也反過來證明紫砂的氣孔之間還存在著更為細小的氣孔。

紫砂陶的透氣性有多強呢？根據(jù)本研究的測量結(jié)果，一把200 mL左右的紫砂器每分鐘可透出水蒸氣數(shù)百毫升，也就是意味著，靠近器壁的水分子每秒鐘會有數(shù)百層被泵出壺外。影響紫砂陶器透氣性的因素有三個：首先是紫砂本身，紫砂礦類型、加工方式、成型方式、燒成溫度等都可能影響氣孔的豐富程度和親疏水性質(zhì);其次是環(huán)境的空氣濕度和流速，具有透氣性的紫砂陶器，空氣越干燥、周邊的氣流越快，單位時間內(nèi)透氣量就越多;再次是溫度，壺身溫度越高，單位時間內(nèi)透氣量也越多。

紫砂陶器的透氣性與滲水性是兩個概念，紫砂陶器的透氣是難以覺察的，紫砂陶器的透氣性雖然很強，但不等于說蒙個塑料袋上去就能觀察到慢慢脹氣，這是因為蒸發(fā)與外周濕度、氣壓等密切相關(guān)，水汽飽和了蒸發(fā)就停止了。錫包壺不具有透氣性，原因亦在此。另外，由于紫砂陶器的氣孔很小且具有親水性，水黏在氣孔內(nèi)，僅憑尋常大小的紫砂陶器內(nèi)的水壓，水不會滲出來。紫砂器透氣不漏水的原因即在此。需要說明的是，紫砂器表沁出水珠、冒白氣之類的現(xiàn)象是由于壺壁內(nèi)的隱裂造成的。

參 考 文 獻

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The Zisha pottery works in the same way as transpiration of plants

Yaolai Wang1 ?Longyu Li1 ?Feijie Chen1 ?Chenghao Zhou1 ?Chunli Song2

（1 School of Science，Jiangnan University，Wuxi 214122; 2 Handcraft workshop of Chunli Song， Wuxi 214221）

Abstract ? The Zisha teapot， a kind of unglazed pottery made in Yixing， China， is famous of its outstanding artistic merit and practical utility. It is believed that， air can pass through the wall of the teapot， which accounts for why the teapot is the best container for brewing tea. However， no air flow was detected to penetrate the wall even with extremely high pressure difference. It remains to be solved what the concept breathability that the people intuitively obtained is and at what degree the breathability is. Based on measurements at thermal equilibrium states， here we show that the Zisha teapot works in the same way as the transpiration of plants. The capillary pores in the wall continue to absorb water inside the teapot and expel vapor， due to transpirational pull. That is， the pores act as pumps， which use evaporation as the driving force. The results and the measurement scheme provided here would help the establishment of new national standards and guide the development of the pottery industry.

Key words ?pore; cellular material; capillarity; transpiration.