探究:耐高温涂料现状及前景
  • 时间:2016/12/15
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    涂料的作用主要是保护、装饰、以及附加新性能。在家电领域,特别是长期在高温环境下使用的小家电产品,对涂料的要求同样集中在这三点上。但因高温环境的原因,要求有所侧重且标准更高。在高温环境下使用的小家电产品是很多的,如:燃气灶具、锅煲等炊具、电磁炉、微波炉、烤炉烤箱、电熨斗、电吹风、烫发夹、热水器、浴霸、取暖器、洗碗机、消毒柜,等等。这些电器中,绝大部分加热元件或离热源很近的工件,是长期工作在100℃以上高温环境下的。环境中的高温、明火、频繁摩擦,加上油、水、盐、酸碱等物质,使得小家电对耐高温涂料必然提出了更高的要求。

    一、保护作用:

    塑料材料件因成本低、易加工、分量轻等优点,在小家电中得到广泛使用,但因高分子材料制品分子结构受温度影响很大的原因,家电中常用的工程塑料件一般耐不了很高温度,大部分不能长期工作在80℃以上,超过200℃的工程塑料在实用中比较少见。超过其耐温上限以后,塑料件会出现软化,熔解,变形等,严重影响其使用。包括所有的有机涂料,因成膜物质同样是高分子材料,同样会出现类似现象因此,在小家电的高温位置,大多使用金属制品。金属制品常用铝、铁、铜、钢等在高温的作用下,比常温下更易氧化,加上家电往往使用在油、水汽、盐分、弱酸、弱碱比较多的环境,金属制品如果不做保护,极易出现锈斑、腐蚀、表面硬度下降等现象,而且表面光泽下降,严重影响美观。比如现在燃气灶的炉头流行使用铜抛光处理工艺,新鲜的铜裸露在空气中,本身就极易氧化,实际使用时,600℃以上的高温加上炒菜使用的,油、盐、水等,可以迅速地让娇嫩的铜表面变的斑斑驳驳、黯淡无光。因此小家电高温部分对涂料的保护要求,主要是耐高温、隔绝空气、防氧化、防腐蚀耐腐蚀。同时作为涂料的基本要求,还要耐磨、抗冲击、有一定硬度、抗划伤、附着力好,以及在使用温度内不变色、高温下不会变形、焦化、爆皮、脱落等等。

    二、装饰作用:

    家电作为日常家居用品,对外观的要求相当高。涂料就是家电外面的衣服,这层衣服除了基本功能之外,自然要美观、时尚,否则就抓不住顾客的第一眼。因此,家电厂家在选择涂料时,对涂料的光滑度、光泽、丰满度、色彩、纹理等等都有着很高的要求。不过,每个厂家也有自己审美习惯,另外受国外大量采购的客户的影响和潮流的影响,每个厂家对外观的要求又各不相同。比如:欧美的顾客往往喜欢家电产品光泽不要太高,要自然、大方。而国内的消费者相对更喜欢家电产品外观光泽高、感觉新而亮丽。

    三、附加新功能

    除了保护和装饰,越来越多的耐高温涂料,被要求给家电产品赋予特定使用领域中的新功能。最典型的例子莫过于不粘锅,涂料良好的不粘性能,使锅的清洗大为简便。随着生活水平的提高,环保和保健意识的加强,人们不断给涂料提出诸如抗菌、防霉、除臭、防火、更加环保安全等要求。家电厂家由于市场竞争的需要,也不断开发新产品新功能,使自己的产品有与众不同的新卖点。比如远红外涂料可以使加热电器升温快、加热均匀、能耗低,并对人体有保健作用,因而受到家电厂商的追捧。

    以上是小家电产品对耐高温涂料的基本要求。另外,站在家电生产厂家的角度,涂料最好具有施工方便、对前处理要求低、加工能耗低、环保、涂装时对工人无毒害、对环境少污染的优点,特别是综合成本尽可能低而附加值高。

    目前,小家电上使用的耐高温涂料种类繁多,为便于介绍,我们只考虑100℃及以上的高温环境。在这种环境下,使用较多的涂料含涂装方式有:有机硅涂料,氟碳涂料,粉末涂料,搪瓷,以及新近出现的无机瓷膜涂料

    一、有机硅涂料

    有机硅涂料是在高温环境中使用最多的涂料,也是种类最繁多的。

    有机硅涂料的主要成份是有机硅树脂,它以硅-氧-硅为主链,硅原子上连接有机基团,属于半无机高聚物。硅=氧化学键键能较高363kJ/mol,因而比较稳定,耐热性和耐高温性能均很高。一般说来其热稳定性范围可达200~250℃,特殊类型的树脂可以更高一些。在制成涂料的过程中,通过在树脂中添加合适的颜填料和助剂,可以使涂料耐热性提高到600℃甚至更高。在大分子主链上引进甲基、苯基等各种功能基团,也可以使有机硅树脂力学性能、刚性、强度、电绝缘性能、耐高压电弧、疏水性、耐腐蚀性能等等得到很大的提高,这也成就了有机硅涂料种类、功能的丰富多样。

    但有机硅涂料也存在很多明显的问题:有机硅涂料尽管耐温很高,但是在高温下会出现严重的回粘现象,也就是漆膜硬度下降得很厉害,低档有机硅涂料,升温到200℃硬度就可能下降到H铅笔硬度。这时候漆膜如果和其他硬物接触,极易被划伤。有机硅涂料在接触高温、明火一段时间后,往往颜色会黄变或发灰,光泽也大大降低。经常可以看到,涂装有机硅涂料的燃气灶头,使用一个月就黯然失色,伤痕累累。炒锅外壁也是这样。有机硅涂料尽管有一定的疏水性,但耐沾污、抗溶剂、耐酸碱等性能还不够好,因而燃气灶的面板上使用的有机硅漆膜脏后很难清洗。现在国内有机硅树脂的制备技术成熟,厂家众多,竞争激烈,这使得有机硅涂料的价格可以做到非常低在浙江某些炊具厂家集中的地区,当地产的低档有机硅涂料每公斤售价甚至低到了20元以下。大的涂料厂商,技术力量雄厚,所产的有机硅涂料耐温、硬度稳定性、抗粘污等性能比小厂好很多,往往占据了高端市场,价格相应也较高。但是有机硅涂料在大多数用户心目中已经定位成低档涂料,这种印象靠一两个大厂家的力量很难改变。因此高档有机硅涂料的竞争力不强。有机硅涂料还有很多优点:附着力好,施工简便,对前处理要求低,光泽高,丰满度好,耐候性佳。同时,优秀的性能,方便的施工,低廉的成本,这些因素推动了有机硅涂料在家电领域得到广泛的使用。但有机硅涂料一般也不宜与食物长期接触;阻燃性也不是很好。有机硅涂料绝大多数使用二甲苯等油性溶剂作稀释剂,施工时容易造成对人体的毒害和对环境的污染。现在以水性化为代表的环保、健康和安全成为涂料发展的重要趋势,这也是有机硅涂料不能回避的问题。另外在200℃以上的高温环境下,在经常与其他物体接触的家用电器表面,使用有机硅涂料作表面保护与装饰,有些勉为其难。特别是对炊具、燃气灶、烤炉等使用温度在300-600℃的小家电制品而言,有机硅涂料并不是最理想的选择。

    氟碳涂料

    氟碳涂料的历史比较短,但发展很快。氟碳涂料的基本成分是氟树脂,氟树脂的分子链结构中由于有C-F键,其键能为485KJ/mol,在所有化学键中堪称第一;碳链外又有氟原子形成的空间屏蔽效应,故其具有优异的化学稳定性、耐热、耐酸碱、阻燃/耐火、耐老化和自润滑性等。在家用电器上使用的主要是聚四氟乙烯PTFE,它能在260℃以下长期连续使用,它不溶解或溶胀于任何已知的溶剂,即使在高温下,油水对它也不起作用。优异的自润滑和疏水疏油双疏性能,使得氟碳漆膜非常不粘,极易清洗。因此,在小家电领域,如炊具内壁,电熨斗底板,食品托盘,灶具面板等等,随处可见氟碳涂料的影子。


因生产PTFE最有名的厂家是美国杜邦公司,它给自己的氟碳涂料产品注册了一个商业名称特富龙又称特氟隆,英文Teflon,业内有时候把特富龙与氟碳涂料混称。经过厂商的努力改进,水性氟碳涂料现在也比较成熟了,在氟碳涂料销量中的比重越来越大。

    氟碳涂料的优点很明显,缺点也很明显,主要体现在硬度、耐温和施工三个方面。氟树脂本身也是热塑性的,常温下硬度只有2-3H,200℃以上更是低于H,形象的说法是手指甲都能划伤。因此,使用氟碳涂料的炒锅、电饭煲等炊具不能使用铁铲,洗刷也不能用钢丝球,甚至百洁布都不可以使用。电熨斗底板在使用中,如遇拉链、钮扣等硬物,也是非常容易划伤。如果我们细心观察一下,可以看到在商场展台上某些使用氟碳涂料的电熨斗,在底板上贴上一层耐磨的保护膜,可见氟碳涂料是多么的娇贵。氟碳涂料耐温只有260℃,为避免划伤,实际适合的使用温度是180℃以下。而大多数用于高温环境的家电,都工作在这个温度以上。

    另外,据美国的媒体报道,氟碳涂料在800℃以上会分解,会释放出有毒/致癌气体。这一说法并未得到权威机构的认证,也没有充分的试验依据,但消费者对此还是很敏感的。

    施工方面,PTFE氟碳涂料必须要烘烤,烘烤温度较高380℃-420℃而且要求很严格,温差要求控制在5℃以内,有些厂家的氟碳涂料还要按照一定的升温曲线烘烤。这无疑大大加重了厂家在设备、能耗上的投资,操作难度的增加相当于提高了废品出现的机率。大多数氟碳涂料都要2-3次喷涂,1-2次烘烤。多一道喷涂或者多一道烘烤,就意味着家电厂家要多投资和维护一套涂装设备或烘道。

    还有一些性能之外的因素也影响了氟碳涂料的发展。氟碳涂料的核心是氟树脂,目前国内外成熟掌握氟树脂的生产工艺、并能快速跟进市场需要改进产品的原料供应商并不太多,目前产量也跟不上,而很多涂料厂家是购进氟树脂勾兑式生产。这样氟碳涂料的价格一直居高不下,这也大大削弱了其市场竞争力。

    粉末涂料

    严格说来不能把粉末涂料和有机硅涂料、氟碳涂料这样类比因为粉末涂料只是涂料的一种加工形态!并不说明其中的成分。但因为粉末涂料在家电领域使用越来越广泛!同时粉末涂料所使用的树脂大多数是环氧或聚醋其他有机硅等树脂很少做成粉末涂料来使用,故在介绍小家电使用的耐高温涂料时,笔者把粉末涂料单独列出讨论。粉末涂料是一种含有100固体份的、以粉末形态进行涂装的涂料它与一般溶剂型涂料和水性涂料不同不是使用溶剂或水作为分散介质进行湿涂而是借助于空气作为分散介质进行干涂。粉末涂料具有独特的技术性能、更加经济、更加安全和健康。技术方面粉末涂料涂装后漆膜更均匀性能更一致不必使用底漆有优良粘接性施工更容易可以有大范围的膜厚度从而可以有效提高硬度、耐磨性和耐冲击性;非常好地耐多种化学物品;漆膜非常致密,有效隔绝水气、氧气、酸碱盐分等,防腐保护性能较好;耐热性好;外观饱满。经济方面粉末涂料不耗溶剂通常为一次涂用能够高度自动化,涂料可以回收再利用相对高的颜料填充剂可使涂料的制造成本更低廉。安全方面,在涂装和固化的过程没有挥发物释放减少火灾或爆炸的危险。

    因为这些优点粉末涂料大多用来涂装家电产品的外壳等。粉末涂料也存在着一些问题:涂料产品制备复杂精确的调色比液体涂料困难很多在产品生产线中改变颜色较困难,大多需要相对较高的烘房温度多数在150℃以上;现有液体涂料的涂装线不能直接涂装粉末涂料,回收设备比较复杂要求较高外观相对不够平整细腻漆膜作厚容易作薄难在有的工件上太厚的涂层太浪费,而且可能达不到理想效果。

    搪瓷工艺

    搪瓷工艺具有数千年的历史它堪称无机涂料的代表。搪瓷工艺的基本原理是把矽酸盐、氧化物等无机粉末高温熔化后覆盖在无机坯体外面。搪瓷的概念和陶瓷、珐琅、釉非常接近,一般来说坯体为粘土质的称之为陶瓷器:如为金属坯体则称之为搪瓷或珐琅珐琅现今一般作艺术搪瓷讲。搪瓷涂层的表面也常成为釉面。涂料界有人把搪瓷称为陶瓷涂料,也有人把添加了大量陶瓷粉的环氧等涂料成为陶瓷涂料。

    搪瓷有着一般有机涂料无法比拟的独特优点耐温高一般可以耐到800℃甚至更高,耐腐蚀,对强酸和一般的碱抵抗力很强涂层很厚且比较致密,不渗水,防腐防锈性能优异;硬度高,在9H以上表面的铅笔硬度而且硬度不会随着温度发生变化,耐磨擦耐电压绝缘性非常好耐候性超常属于永久型的涂层耐火附着力好,表面易清洁不结水垢,外观丰满,无毒非常安全。搪瓷还具有天然的远红外功能加热时释放出远红外射线特别适合加热领域升温快,加热均匀且对人体无害。搪瓷工艺历史悠久,因为其独特的性能现在仍然大量使用在家电产品上。中高档家用电热水器大多数采用搪瓷内胆,使用寿命一般5年以上远高于不锈钢内胆一般2年和树脂内胆一般3年在燃气灶面板、炊具、电烫发夹、电取暖器,还有食品容器等家电产品上也时常可以看到搪瓷制品的身影。不过搪瓷的缺点也非常明显主要集中在柔韧性、施工、外观、成本等方面。

    硬度太高随之而来的就是柔韧性很差太脆,抗冲击、抗摔的能力很差,耐冷热温变的能力也比较差,加工复杂必须要经过850℃以上高温烧结而成,远高于铝的熔点660℃所以搪瓷工艺只能使用于钢、铁等熔点较高的金属上加工的能耗非常高,操作也不易掌握,易出现砂眼、气泡等瑕疵,成品率低,返工困难,造成搪瓷工艺的综合成本非常高一一例如搪瓷燃气灶面板的成本和不锈钢相差无几。搪瓷工艺的色彩比较单调常见颜色是黑、大红、蓝、绿、黄等目前用在炒锅内的瓷釉面只有黑色能长期稳定使用。搪瓷涂层表面外观不细腻有的工艺易出现桔皮现象感觉档次不高,搪瓷涂层和粉末涂料一样,只能作厚,不能做薄。另外,在热水器内胆等精密产品的制备上对搪瓷表面毛细针孔合格率尤其是焊缝处要求高但检查较困难。

    值得关注的是现在热喷涂技术发展非常快。热喷涂不同于传统的搪瓷工艺,它是利用热源将陶瓷粉等无机材料加热熔化靠热源自身动力或外加高速气流喷射到基体表面形成涂层的工艺方法。热喷涂有火焰喷涂、电弧喷涂等离子喷涂等种类。其优点有工件不限,不像搪瓷工艺对基材那么挑剔,涂层更加致密,结合强度显著提高,孔隙率大大降低,耐腐蚀效果更好,涂层广泛,通过使用特殊的涂层材料可以大大丰富和加强涂层性能。

    瓷膜涂料

    无机涂料一般耐高温、硬度高、超耐候、耐腐蚀,大部分性能指标远远高于有机涂料,并且非常环保,但涂装大多需要高温,超高温,色彩种类不丰富,表面效果不佳,严重限制了其使用用途。而有机涂料除涂装容易外,又具有韧性好,色彩丰富,装饰性佳,对基材适用性强等优点。可见,无机涂料的优点多数是有机涂料捉襟见肘之处,有机涂料的优点也是无机涂料的软肋,而瓷膜涂料的出现,恰恰将两者的优点结合。瓷膜涂料是一种崭新的涂料种类,它现身市场不过3,4年的时间,但发展非常快,瓷膜涂料的技术思路和原油涂料不同,日本对瓷膜涂料的研究起步最早,韩国瓷膜涂料的技术发展也日趋成熟,市场接受速度非常快,韩国的家电产品特别厨卫设备,加热设备中,瓷膜涂料使用的比例越来越高。

目前国内也有厂家开始推广自主研发的瓷膜涂料产品,如宜瓷龙等品牌,这也显示了我国涂料界跟踪国外先进技术的速度和实力。瓷膜涂料使用纳米无机氧化物作为基础的成膜物质,而不使用绝大多数有及涂料都使用的树脂,它经过低温烘烤、脱水反应后,形成硅铝键为主的致密网状结构,这种分子结构非常类似搪瓷的结构。因而具有接近搪瓷的耐高温600℃、耐腐、耐水、耐候30年、耐火、疏水疏油不粘、无毒等物理性能,同时具有相当高的硬度6-9H,耐磨性非常好,尤其是高温下硬度不变化,高温耐磨性非常好。

    同时,瓷膜涂料未涂装前是液态,可以通过有机涂料常用的有气喷涂、静电喷涂等方式进行涂装,烘烤温度更低更宽泛100-250℃,厂家不需要另外增加生产线或者大幅度改动生产线,涂膜在大部分基材上附着力很好,甚至是玻璃、石材等无机基材。所以涂膜很薄,柔韧性也比搪瓷大大改观,并可以加入各种颜填料形成丰富的色彩,还可以做成透明状,外观比无机涂料更加丰富和美观,涂料为水性,施工环保,纳米材料的质地,还具有抗菌、防霉的优势;它还继承了搪瓷涂料的远红外特点,加热效率高,效果更佳,能耗也低。

    瓷膜涂料结合了无机和有机涂料的优点,可以应用在电熨斗底板的耐磨、炊具内壁的高温耐磨、香肠机、汉堡机、烙饼机的耐温、不粘与耐磨,烧烤炉、壁炉的高温保护,燃气灶的装饰与保护等。以发展迅速的电磁炉为例,现在美国的电磁炉微晶玻璃面板价格低廉因而被大量采用。但因为工艺技术问题,面板表面微孔较多,不能挡住油污、灰尘等,防污能力差、疏水疏油性也较低,且容易黄变,这是目前国产微晶面板和进口面板的主要差距。因为电磁炉与锅体接触的部位,温度在300℃以上,瞬间能达到500℃或更高,常见的有机涂料有机硅涂料和氟碳涂料都不能同时保证耐温和硬度两个指标,在微晶玻璃板表面上涂装瓷膜涂料后,可以封住微孔,加上瓷膜涂料本身很好的不粘性,增强了面板的防污效果。涂膜附着力好,耐高温,高温下硬度不变,耐磨,因而可以长期使用,还可以利用涂料改换面板的颜色,增加金属质感,提高光泽等,提升面板的外观,缩小了和国外高档产品的差距。瓷膜涂料在市场上应用时间较短,但也暴露出一些缺点,柔韧性、耐冷热温变相比有机涂料还有不足,容易做到亚光和中光,但不容易做高光,丰满度也略差,多为双组份,施工稍复杂,不适合流水线长期连续涂覆,不粘性比氟碳涂料还有差距,对前处理要求比较高,在有机基材上附着力不佳,重涂性不理想等,因此瓷膜涂料还需要不断改善。

    目前进口瓷膜涂料的价格相当高,国产瓷膜涂料价位和中档氟碳涂料接近,不过随着市场接受程度的提高、产量的扩大、价格将逐渐走低,综合来看,由于具有性能优势、价格优势和新的卖点,瓷膜涂料前景乐观。耐高温涂料因为其绿色环保,对人体无害和附着力强,韧性好,适应于不锈钢、铝、磷化铁、陶瓷、竹碳材料的涂装。因此使用的范围越来越广,再加上如今环保风向的盛行,可估计的是耐高温涂料的发展将会越来越广阔。


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