紫砂陶的透气性原理与测量方法

王耀来 李龙雨 陈飞杰 周成昊 宋春丽

摘  要  紫砂陶是中华陶瓷文化的瑰宝，从民间认知到国家标准，良好的透气性是其独特属性，然而技术上一直未能测得其透气性。本研究设计了一套基于动态热平衡的测量方案，结果表明，紫砂陶的透气性与植物的蒸腾作用原理相同，是一个蒸腾扯拉力驱动下毛细孔不间断泵水的输运过程。这种输运过程颇为强烈，容量二百毫升左右的紫砂器，每分钟可排出气态水数百毫升。

关键词  气孔;多孔材料;毛细现象;蒸腾作用

基金项目：无锡市科协软科学（KX-18-C01，KX-19-C83）

紫砂陶原产于江苏宜兴，呈色以赤褐居多，质地细腻，代表性产品是紫砂壶，因卓越的实用性与艺术性而著称，是中华陶瓷文化的瑰宝之一[1-2]。紫砂陶器的独特性在于它具有良好的透气性[1-9]，历史上，紫砂壶曾被金属锡包裹装饰，但因丧失了透气性而终被淘汰，如今的紫砂器通常内外皆不施釉。在国家标准中（GB/T10816-2008），“透气性能好”被规定为紫砂陶的基本属性。

然而，何谓“透气性”，国家标准并未说明，也未给出检测标准或方法。有研究表明，即便在紫砂试片两侧施加高气压差，依然未能检测到气体透过了试片[10]。由此推断，在没有气压差的日常环境下，紫砂陶具有透气性似乎是个伪命题。故而，紫砂陶的透气性有待阐明，进而为相关产业的发展奠定基础。

紫砂陶土矿地质上属于沉积型粉砂质泥岩，主要物相为含有赤铁矿的石英-高岭石-云母系统[1-6]。紫砂陶土的组成颗粒少量为岩石碎屑和细粉末，大部分为直径300～900 um的多矿物聚集物——“团粒”[1-6]。紫砂陶器烧成以后，这些团粒得以保留，且在团粒内部和团粒之间形成了纵横交错的空隙——“气孔”。气孔直径一般为0.3～5 um，粗的可达20 um[1-6]。紫砂独有的气孔特性与它的“透气性”存在怎样的关联？本文旨在阐释紫砂陶器的透气机理，提出透气性测量方法并定量测量，并从多个角度证明所得结论的合理性。

1  透气性机制与测量原理

我推测紫砂陶透气的机理如下：器内注入热水，由于紫砂器的气孔是亲水性毛细孔，水分子迅速浸入气孔。水分子在器表的气孔开口处蒸發，造成了孔内蒸腾扯拉力[11-13]。在蒸腾扯拉力的作用下，气孔继续吸收水分子，从而水分子被源源不断地泵出器外。换言之，紫砂陶器的透气性与植物蒸腾作用的原理相同，是一个以蒸腾扯拉力为驱动力、毛细孔不间断向外泵水分子的输运过程。

为了验证上述机理，本研究的实验方案如图1所示。测量对象为圆柱形细口紫砂瓶，紫砂瓶底部与恒温热源接触，口部套接刻度玻璃管，瓶与管内注满水，无气泡残留。在系统达到热力学平衡以后，各个组件的体积不再变化，即热膨胀效应可忽略。如果瓶表有水分子不断地蒸腾出来，则玻璃管中的水持续回流;反之，如紫砂瓶不具有透气性，水面不会发生明显变化。

在热力学平衡条件下，单位时间内蒸腾而出的水分子的数目等于玻璃管中回流的水的分子数。设水的回流速度为（单位为uL·s-1），则单位时间内透出紫砂瓶的气态水的体积Ω可由下式得到。

其中，  为瓶内水的密度，  为水的摩尔质量，  为紫砂瓶外气体的摩尔体积。

2  实验材料与方法

实验中所用的紫砂瓶采用紫砂泥料龙血砂制作（见图2），龙血砂是一种褐色紫砂矿物，条痕红褐色、显微镜下易见葡萄状赤铁矿颗粒，该矿物的制成品质地细腻、表面玻化弱、气孔开口密度高（见图3），且内部气孔丰富，是理想的实验材料。气孔直径大都在2.5 um左右，粗的可达20 um左右，与先前的测量结果一致[1-6]。紫砂瓶的制作方式为传统全手工工艺，为了在最大程度上保证实验样品的全同性，所有紫砂瓶样品系同一批次制作，烧成温度为1 180 ℃，石英颗粒边缘已熔融，说明充分烧结[3]，容量为194 mL。

实验前，紫砂瓶在热水中浸煮24小时，以确保其充分吸水，确保实验中观察到的回流不是由于瓶体吸水所致。恒温热源温度设定为100 ℃，热平衡以后，紫砂瓶内温度恒定在80 ℃——对于不同的紫砂瓶，瓶内温度有2 ℃以内的差别。该瓶内温度下不会产生影响测量的气泡，能保证瓶内不产生过量气化的其它温度值均可。

3  实验结果

系统热平衡以后，玻璃管中的水持续匀速回流，两名实验人员在相同的室内温度（21～22 ℃）和湿度（61～62%）下独立测量了回流速度，每人测量了50组数据，结果如图4所示，回流速度分别为1.07±0.22 uL/s、1.13±0.31 uL/s。

为了进一步排他性地验证回流是蒸腾作用造成了，实验人员做了三组对照实验。（1）把一个紫砂瓶更换为玻璃烧瓶。测量发现，热平衡以后，紫砂瓶玻璃管的水匀速回流，而玻璃烧瓶玻璃管中的水不会移动。（2）给紫砂瓶和玻璃烧瓶以瞬时吹风。表面气流的加快，能提高蒸腾效率。结果显示，紫砂瓶玻璃管中的水即刻开始急速回流，而玻璃烧瓶玻璃管中的水只有及其轻微的回流（气流有降温作用，热导率比紫砂高很多的烧瓶最先降温造成的）。（3）升高系统温度或降低环境湿度。此类条件下，紫砂瓶玻璃管中的水回流均加快。图4给出了湿度为55%±1%的环境下的测量结果，回流速度为1.85±0.28 uL/s，与前述湿度高的条件下的回流速度相比明显更高。

由公式（1），可计算得到透出的气态水的体积。以湿度55%的实验情形为例，    =0.971 8 g/cm3，      =1.85±0.28 uL/s，  =18.015 g/mol，   =24.055 L（常温常压值，对应于气温20 ℃、一个标准大气压），得  =2.40 mL。也就是说，在常温常压下，紫砂瓶每秒钟透出的水蒸气体积约为2.4 mL，折合每分钟144 mL，此值在空气干燥或流动快的情况下会大幅增加。

进一步可以估算出单位时间内透出的水分子层数  。    ，其中  为紫砂瓶内表面积，  为透出的水的厚度。设       ，其中  为单位时间内透出的水分子总数，  为瓶内单个水分子占据体积。瓶内单个水分子占据的平均尺度为       ，即      ，得

其中       ，         ，   为阿伏伽德罗常数。得   =329.485，即在一秒内，有数百层水分子被泵出壶外。

4  讨论和总结

紫砂陶器的透气性不宜简单地理解为“气体穿越器壁”，紫砂陶器内部的气孔直径（10-6～10-5 m量级）是空气分子平均自由程（10-8 m量级）的100～1 000倍，然而这些气孔倾向于相互独立而非贯通[2-5]。因此，气体分子穿越紫砂陶器的器壁（厚度通常为3 mm）并不容易，以至于压差法难以测量紫砂陶片的透气性[8]。

紫砂陶器的透气性本质上与植物的蒸腾作用相同，是蒸腾扯拉力驱动下的毛细孔持续泵水的过程。蒸腾作用是一种强大的主动输运过程，它可以克服重力，把水从地下深处输送到百米以上的树冠。一颗大橡树一年通过蒸腾作用排入大气的水可达150吨[14-16]。但反过来，谁都不可能拿一截树干当管子吹气或者当吸管吸水。本研究验证了这一结论，也反过来证明紫砂的气孔之间还存在着更为细小的气孔。

紫砂陶的透气性有多强呢？根据本研究的测量结果，一把200 mL左右的紫砂器每分钟可透出水蒸气数百毫升，也就是意味着，靠近器壁的水分子每秒钟会有数百层被泵出壶外。影响紫砂陶器透气性的因素有三个：首先是紫砂本身，紫砂矿类型、加工方式、成型方式、烧成温度等都可能影响气孔的丰富程度和亲疏水性质;其次是环境的空气湿度和流速，具有透气性的紫砂陶器，空气越干燥、周边的气流越快，单位时间内透气量就越多;再次是温度，壶身温度越高，单位时间内透气量也越多。

紫砂陶器的透气性与渗水性是两个概念，紫砂陶器的透气是难以觉察的，紫砂陶器的透气性虽然很强，但不等于说蒙个塑料袋上去就能观察到慢慢胀气，这是因为蒸发与外周湿度、气压等密切相关，水汽饱和了蒸发就停止了。锡包壶不具有透气性，原因亦在此。另外，由于紫砂陶器的气孔很小且具有亲水性，水黏在气孔内，仅凭寻常大小的紫砂陶器内的水压，水不会渗出来。紫砂器透气不漏水的原因即在此。需要说明的是，紫砂器表沁出水珠、冒白气之类的现象是由于壶壁内的隐裂造成的。

参 考 文 献

[1]贺盘发.宜兴紫砂泥综述[J].江苏陶瓷，1988（01）：30-38.

[2]邱永斌，徐泽跃，何国明.紫砂的显微结构和相关性能研究[J].江苏陶瓷，2012，45（B06）：1-78.

[3]孙荆，阮美玲.宜兴紫砂陶的显微结构和紫砂器的透气性[J].中国陶瓷，1993（04）：21-25.

[4]孫荆，谷祖俊，阮美玲.羊角山古窑紫砂残片的显微结构[J].中国陶瓷，1984（02）：63-70.

[5]江夏，吴隽，张茂林，等.宜兴紫砂泥料性能研究[J].江苏陶瓷，2011，44（03）：20-25.

[6]侯佳钰，康葆强，严建华，等.宜兴黄龙山紫砂原料特征的对比研究[J].陶瓷学报，2016，37（4）：394-399.

[7]张颖彬，于良子，鲁成银，等.乌龙茶紫砂壶冲泡法研究[J].中国茶叶，2016，38（5）：35-37.

[8]张颖彬，于良子，鲁成银，等.阳羡茶紫砂壶冲泡法研究[J].中国茶叶，2016，38（8）：18-21.

[9]张颖彬，周苏娟，于良子，等.普洱茶紫砂壶冲泡法研究[J].中国茶叶，2017，39（3）：22-24.

[10]张宝瑜，徐玉扬.“日用陶器透气性能测定方法”论证报告[J].江苏陶瓷，1984（01）：128-135.

[11]Dixon H，Joly J.On the ascent of sap.Philos.Trans.R.Soc.Lond.，B，Biol.Sci.1895（186）：563-576.

[12]Zimmermann U，Schneider H， Wegner L H，et al. What are the driving forces for water lifting in the xylem conduit？ Physiol.Plant.2002，114（3）：327-335.

[13]Tyree M T.The Cohesion-Tension theory of sap ascent： current controversies.Journal of experimental botany.1997，48（10）：1753-1765.

[14]Freeman S.Biological Science（3 ed.）.San Francisco：Benjamin Cummings，2007：215.

[15]Jasechko S，Sharp Z D， Gibson J J，et al.Terrestrial water fluxes dominated by transpiration.Nature，2013（496）：347-350.

[16]Evaristo J，Jasechko S，McDonnell J J.Global separation of plant transpiration from groundwater and streamflow.Nature，2015（525）：91-945.

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.