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各種耐高溫涂料現狀及發展分析

發布時間:2015-12-04 15:43:16

涂料的作用主要是?;?、裝飾、以及附加新性能。在家電領域,特別是長期在高溫環境下使用的小家電產品,對涂料的要求同樣集中在這三點上。但因高溫環境的原因,要求有所側重且標準更高。

在高溫環境下使用的小家電產品是很多的,如:燃氣灶具、鍋煲等炊具、電磁爐、微波爐、烤爐烤箱、電熨斗、電吹風、燙發夾、熱水器、浴霸、取暖器、洗碗機、消毒柜,等等。這些電器中,絕大部分加熱元件或離熱源很近的工件,是長期工作在100℃以上高溫環境下的?;肪持械母呶?、明火、頻繁摩擦,加上油、水、鹽、酸堿等物質,使得小家電對耐高溫涂料必然提出了更高的要求。


(一)?;ぷ饔茫?/span>

塑料材料件因成本低、易加工、分量輕等優點,在小家電中得到廣泛使用,但因高分子材料制品分子結構受溫度影響很大的原因,家電中常用的工程塑料件一般耐不了很高溫度,大部分不能長期工作在80℃以上,超過200℃的工程塑料在實用中比較少見。超過其耐溫上限以后,塑料件會出現軟化,熔解,變形等,嚴重影響其使用。(包括所有的有機涂料,因成膜物質同樣是高分子材料,同樣會出現類似現象)因此,在小家電的高溫位置,大多使用金屬制品。

金屬制品(常用鋁、鐵、銅、鋼等)在高溫的作用下,比常溫下更易氧化,加上家電往往使用在油、水汽、鹽分、弱酸、弱堿比較多的環境,金屬制品如果不做?;?,極易出現銹斑、腐蝕、表面硬度下降等現象,而且表面光澤下降,嚴重影響美觀。比如現在燃氣灶的爐頭流行使用銅拋光處理工藝,新鮮的銅裸露在空氣中,本身就極易氧化,實際使用時,600℃以上的高溫加上炒菜使用的,油、鹽、水等,可以迅速地讓嬌嫩的銅表面變的斑斑駁駁、黯淡無光。

因此小家電高溫部分對涂料的?;ひ?,主要是耐高溫、隔絕空氣、防氧化、防腐蝕(耐腐蝕)。同時作為涂料的基本要求,還要耐磨、抗沖擊、有一定硬度、抗劃傷、附著力好,以及在使用溫度內不變色、高溫下不會變形、焦化、爆皮、脫落等等。

(二)裝飾作用:

家電作為日常家居用品,對外觀的要求相當高。涂料就是家電外面的“衣服”,這層“衣服”除了基本功能之外,自然要美觀、時尚,否則就抓不住顧客的“第一眼”。因此,家電廠家在選擇涂料時,對涂料的光滑度、光澤、豐滿度、色彩、紋理等等都有著很高的要求。不過,每個廠家也有自己審美習慣,另外受國外大量采購的客戶的影響和潮流的影響,每個廠家對外觀的要求又各不相同。比如:歐美的顧客往往喜歡家電產品光澤不要太高,要自然、大方。而國內的消費者相對更喜歡家電產品外觀光澤高、感覺新而亮麗。

(三)附加新功能

除了?;ず妥笆?,越來越多的耐高溫涂料,被要求給家電產品賦予特定使用領域中的新功能。

最典型的例子莫過于“不粘鍋”,涂料良好的不粘性能,使鍋的清洗大為簡便。隨著生活水平的提高,環保和保健意識的加強,人們不斷給涂料提出諸如抗菌、防霉、除臭、防火、更加環保安全等要求。家電廠家由于市場競爭的需要,也不斷開發新產品新功能,使自己的產品有與眾不同的新賣點。比如遠紅外涂料可以使加熱電器升溫快、加熱均勻、能耗低,并對人體有保健作用,因而受到家電廠商的追捧。

以上是小家電產品對耐高溫涂料的基本要求。另外,站在家電生產廠家的角度,涂料最好具有施工方便、對前處理要求低、加工能耗低、環保、涂裝時對工人無毒害、對環境少污染的優點,特別是綜合成本盡可能低而附加值高。

目前,小家電上使用的耐高溫涂料種類繁多,為便于介紹,我們只考慮100℃及以上的“高溫”環境。在這種環境下,使用較多的涂料(含涂裝方式)有:有機硅涂料,氟碳涂料,粉末涂料,搪瓷,以及新近出現的無機瓷膜涂料。

(一)有機硅涂料

有機硅涂料是在高溫環境中使用最多的涂料,也是種類最繁多的。

有機硅涂料的主要成份是有機硅樹脂,它以硅-氧-硅為主鏈,硅原子上連接有機基團,屬于半無機高聚物?!骯?氧”化學鍵鍵能較高(363kJ/mol),因而比較穩定,耐熱性和耐高溫性能均很高。一般說來其熱穩定性范圍可達200~250℃,特殊類型的樹脂可以更高一些。在制成涂料的過程中,通過在樹脂中添加合適的顏填料和助劑,可以使涂料耐熱性提高到600℃甚至更高。在大分子主鏈上引進甲基、苯基等各種功能基團,也可以使有機硅樹脂力學性能、剛性、強度、電絕緣性能、耐高壓電弧、疏水性、耐腐蝕性能等等得到很大的提高,這也成就了有機硅涂料種類、功能的豐富多樣。

但有機硅涂料也存在很多明顯的問題:有機硅涂料盡管耐溫很高,但是在高溫下會出現嚴重的“回粘”現象,也就是漆膜硬度下降得很厲害,低檔有機硅涂料,升溫到200℃硬度就可能下降到H(鉛筆硬度)。這時候漆膜如果和其他硬物接觸,極易被劃傷。有機硅涂料在接觸高溫、明火一段時間后,往往顏色會黃變或發灰,光澤也大大降低。經??梢鑰吹?,涂裝有機硅涂料的燃氣灶頭,使用一個月就黯然失色,傷痕累累。炒鍋外壁也是這樣。有機硅涂料盡管有一定的疏水性,但耐沾污、抗溶劑、耐酸堿等性能還不夠好,因而燃氣灶的面板上使用的有機硅漆膜臟后很難清洗。

現在國內有機硅樹脂的制備技術成熟,廠家眾多,競爭激烈,這使得有機硅涂料的價格可以做到非常低---在浙江某些炊具廠家集中的地區,當地產的低檔有機硅涂料每公斤售價甚至低到了20元以下。大的涂料廠商,技術力量雄厚,所產的有機硅涂料耐溫、硬度穩定性、抗粘污等性能比小廠好很多,往往占據了高端市場,價格相應也較高。但是有機硅涂料在大多數用戶心目中已經定位成“低檔涂料”,這種印象靠一兩個大廠家的力量很難改變。因此高檔有機硅涂料的競爭力不強。

有機硅涂料還有很多優點:附著力好,施工簡便,對前處理要求低,光澤高,豐滿度好,耐候性佳。同時,優秀的性能,方便的施工,低廉的成本,這些因素推動了有機硅涂料在家電領域得到廣泛的使用。但有機硅涂料一般也不宜與食物長期接觸;阻燃性也不是很好。有機硅涂料絕大多數使用二甲苯等油性溶劑作稀釋劑,施工時容易造成對人體的毒害和對環境的污染。現在以水性化為代表的環保、健康和安全成為涂料發展的重要趨勢,這也是有機硅涂料不能回避的問題。另外在200℃以上的高溫環境下,在經常與其他物體接觸的家用電器表面,使用有機硅涂料作表面?;び胱笆?,有些勉為其難。特別是對炊具、燃氣灶、烤爐等使用溫度在300-600℃的小家電制品而言,有機硅涂料并不是最理想的選擇。

(二)氟碳涂料

氟碳涂料的歷史比較短,但發展很快。氟碳涂料的基本成分是氟樹脂,氟樹脂的分子鏈結構中由于有C-F鍵,其鍵能為485KJ/mol,在所有化學鍵中堪稱第一;碳鏈外又有氟原子形成的空間屏蔽效應,故其具有優異的化學穩定性、耐熱、耐酸堿、阻燃/耐火、耐老化和自潤滑性等。在家用電器上使用的主要是聚四氟乙烯(PTFE),它能在260℃以下長期連續使用,它不溶解或溶脹于任何已知的溶劑,即使在高溫下,油水對它也不起作用。優異的自潤滑和疏水疏油雙疏性能,使得氟碳漆膜非?!安徽場?,極易清洗。因此,在小家電領域,如炊具內壁,電熨斗底板,食品托盤,灶具面板等等,隨處可見氟碳涂料的影子。

因生產PTFE最有名的廠家是美國杜邦公司,它給自己的氟碳涂料產品注冊了一個商業名稱“特富龍”(又稱“特氟隆”,英文Teflon),業內有時候把“特富龍”與“氟碳涂料”混稱。經過廠商的努力改進,水性氟碳涂料現在也比較成熟了,在氟碳涂料銷量中的比重越來越大。

氟碳涂料的優點很明顯,缺點也很明顯,主要體現在硬度、耐溫和施工三個方面。氟樹脂本身也是熱塑性的,常溫下硬度只有2-3H,200℃以上更是低于H,形象的說法是“手指甲都能劃傷”。因此,使用氟碳涂料的炒鍋、電飯煲等炊具不能使用鐵鏟,洗刷也不能用鋼絲球,甚至百潔布都不可以使用。電熨斗底板在使用中,如遇拉鏈、鈕扣等硬物,也是非常容易劃傷。如果我們細心觀察一下,可以看到在商場展臺上某些使用氟碳涂料的電熨斗,在底板上貼上一層耐磨的?;つ?,可見氟碳涂料是多么的“嬌貴”。氟碳涂料耐溫只有260℃,為避免劃傷,實際適合的使用溫度是180℃以下。而大多數用于高溫環境的家電,都工作在這個溫度以上。

另外,據美國的媒體報道,氟碳涂料在800℃以上會分解,會釋放出有毒/致癌氣體。這一說法并未得到權威機構的認證,也沒有充分的試驗依據,但消費者對此還是很敏感的。

施工方面,PTFE氟碳涂料必須要烘烤,烘烤溫度較高(380℃-420℃)而且要求很嚴格,溫差要求控制在±5℃以內,有些廠家的氟碳涂料還要按照一定的升溫曲線烘烤。這無疑大大加重了廠家在設備、能耗上的投資,操作難度的增加相當于提高了廢品出現的機率。大多數氟碳涂料都要2-3次噴涂,1-2次烘烤。多一道噴涂或者多一道烘烤,就意味著家電廠家要多投資和維護一套涂裝設備或烘道。

還有一些性能之外的因素也影響了氟碳涂料的發展。氟碳涂料的核心是氟樹脂,目前國內外成熟掌握氟樹脂的生產工藝、并能快速跟進市場需要改進產品的原料供應商并不太多,目前產量也跟不上,而很多涂料廠家是購進氟樹脂“勾兌”式生產。這樣氟碳涂料的價格一直居高不下,這也大大削弱了其市場競爭力。

粉末涂料

嚴格說來不能把粉末涂料和有機硅涂料、氟碳涂料這樣類比因為粉末涂料只是涂料的一種加工形態!并不說明其中的成分。但因為粉末涂料在家電領域使用越來越廣泛!同時粉末涂料所使用的樹脂大多數是環氧或聚醋其他有機硅等樹脂很少做成粉末涂料來使用,故在介紹小家電使用的耐高溫涂料時,筆者把粉末涂料單獨列出討論。粉末涂料是一種含有100%固體份的、以粉末形態進行涂裝的涂料它與一般溶劑型涂料和水性涂料不同不是使用溶劑或水作為分散介質進行濕涂而是借助于空氣作為分散介質進行干涂。粉末涂料具有獨特的技術性能、更加經濟、更加安全和健康。技術方面粉末涂料涂裝后漆膜更均勻性能更一致不必使用底漆有優良粘接性施工更容易%可以有大范圍的膜厚度從而可以有效提高硬度、耐磨性和耐沖擊性;非常好地耐多種化學物品;漆膜非常致密,有效隔絕水氣、氧氣、酸堿鹽分等,防腐?;ば閱芙蝦?耐熱性好;外觀飽滿。經濟方面粉末涂料不耗溶劑通常為一次涂用能夠高度自動化,涂料可以回收再利用相對高的顏料填充劑可使涂料的制造成本更低廉。安全方面,在涂裝和固化的過程沒有揮發物釋放減少火災或爆炸的危險。

因為這些優點粉末涂料大多用來涂裝家電產品的外殼等。粉末涂料也存在著一些問題:涂料產品制備復雜精確的調色比液體涂料困難很多在產品生產線中改變顏色較困難,大多需要相對較高的烘房溫度(多數在150℃以上);現有液體涂料的涂裝線不能直接涂裝粉末涂料,回收設備比較復雜要求較高外觀相對不夠平整細膩漆膜作厚容易作薄難在有的工件上太厚的涂層太浪費,而且可能達不到理想效果。

搪瓷工藝

搪瓷工藝具有數千年的歷史它堪稱無機涂料的代表。搪瓷工藝的基本原理是把矽酸鹽、氧化物等無機粉末高溫熔化后覆蓋在無機坯體外面。搪瓷的概念和陶瓷、琺瑯、釉非常接近,一般來說坯體為粘土質的稱之為陶瓷器:如為金屬坯體則稱之為搪瓷或琺瑯(琺瑯現今一般作藝術搪瓷講)。搪瓷涂層的表面也常成為“釉面”。涂料界有人把搪瓷稱為“陶瓷涂料”,也有人把添加了大量陶瓷粉的環氧等涂料成為“陶瓷涂料”。

搪瓷有著一般有機涂料無法比擬的獨特優點耐溫高一般可以耐到)800℃甚至更高,耐腐蝕,對強酸和一般的堿“抵抗力”很強涂層很厚且比較致密,不滲水,防腐防銹性能優異;硬度高,在9H以上(表面的鉛筆硬度)而且硬度不會隨著溫度發生變化,耐磨擦耐電壓絕緣性非常好耐候性超常屬于“永久型”的涂層耐火附著力好,表面易清潔不結水垢,外觀豐滿,無毒非常安全。搪瓷還具有天然的遠紅外功能加熱時釋放出遠紅外射線特別適合加熱領域升溫快,加熱均勻且對人體無害。搪瓷工藝歷史悠久,因為其獨特的性能現在仍然大量使用在家電產品上。中高檔家用電熱水器大多數采用搪瓷內膽,使用壽命(一般5年以上)遠高于不銹鋼內膽(一般2年)和樹脂內膽(一般3年)在燃氣灶(面板)、炊具、電燙發夾、電取暖器,還有食品容器等家電產品上也時??梢鑰吹教麓芍破返納磧?。

不過搪瓷的缺點也非常明顯主要集中在柔韌性、施工、外觀、成本等方面。

硬度太高隨之而來的就是柔韌性很差太“脆”,抗沖擊、抗摔的能力很差,耐冷熱溫變的能力也比較差,加工復雜必須要經過850℃以上高溫燒結而成,遠高于鋁的熔點660℃所以搪瓷工藝只能使用于鋼、鐵等熔點較高的金屬上加工的能耗非常高,操作也不易掌握,易出現砂眼、氣泡等瑕疵,成品率低,返工困難,造成搪瓷工藝的綜合成本非常高一一例如搪瓷燃氣灶面板的成本和不銹鋼相差無幾。搪瓷工藝的色彩比較單調常見顏色是黑、大紅、藍、綠、黃等目前用在炒鍋內的瓷釉面只有黑色能長期穩定使用。搪瓷涂層表面外觀不細膩有的工藝易出現“桔皮”現象感覺檔次不高,搪瓷涂層和粉末涂料一樣,只能作厚,不能做薄。另外,在熱水器內膽等精密產品的制備上對搪瓷表面毛細針孔合格率(尤其是焊縫處)要求高但檢查較困難。

值得關注的是現在熱噴涂技術發展非???。熱噴涂不同于傳統的搪瓷工藝,它是利用熱源將陶瓷粉等無機材料加熱熔化靠熱源自身動力或外加高速氣流噴射到基體表面形成涂層的工藝方法。熱噴涂有火焰噴涂、電弧噴涂等離子噴涂等種類。其優點有工件不限,不像搪瓷工藝對基材那么挑剔,涂層更加致密,結合強度顯著提高,孔隙率大大降低,耐腐蝕效果更好,涂層廣泛,通過使用特殊的涂層材料可以大大豐富和加強涂層性能。

瓷膜涂料

無機涂料一般耐高溫、硬度高、超耐候、耐腐蝕,大部分性能指標遠遠高于有機涂料,并且非?;繁?,但涂裝大多需要高溫,超高溫,色彩種類不豐富,表面效果不佳,嚴重限制了其使用用途。而有機涂料除涂裝容易外,又具有韌性好,色彩豐富,裝飾性佳,對基材適用性強等優點??杉?,無機涂料的優點多數是有機涂料捉襟見肘之處,有機涂料的優點也是無機涂料的軟肋,而瓷膜涂料的出現,恰恰將兩者的優點結合。

瓷膜涂料是一種嶄新的涂料種類,它現身市場不過3,4年的時間,但發展非???,瓷膜涂料的技術思路和原油涂料不同,日本對瓷膜涂料的研究起步最早,韓國瓷膜涂料的技術發展也日趨成熟,市場接受速度非???,韓國的家電產品特別廚衛設備,加熱設備中,瓷膜涂料使用的比例越來越高。目前國內也有廠家開始推廣自主研發的瓷膜涂料產品,如宜瓷龍等品牌,這也顯示了我國涂料界跟蹤國外先進技術的速度和實力。

瓷膜涂料使用納米無機氧化物作為基礎的成膜物質,而不使用絕大多數有及涂料都使用的樹脂,它經過低溫烘烤、脫水反應后,形成“硅鋁”鍵為主的致密網狀結構,這種分子結構非常類似搪瓷的結構。因而具有接近搪瓷的耐高溫(>600℃)、耐腐、耐水、耐候(>30年)、耐火、疏水疏油(不粘)、無毒等物理性能,同時具有相當高的硬度(6-9H),耐磨性非常好,尤其是高溫下硬度不變化,高溫耐磨性非常好。

同時,瓷膜涂料未涂裝前是液態,可以通過有機涂料常用的有氣噴涂、靜電噴涂等方式進行涂裝,烘烤溫度更低更寬泛(100-250℃),廠家不需要另外增加生產線或者大幅度改動生產線,涂膜在大部分基材上附著力很好,甚至是玻璃、石材等無機基材。所以涂膜很薄,柔韌性也比搪瓷大大改觀,并可以加入各種顏填料形成豐富的色彩,還可以做成透明狀,外觀比無機涂料更加豐富和美觀,涂料為水性,施工環保,納米材料的質地,還具有抗菌、防霉的優勢;它還繼承了搪瓷涂料的遠紅外特點,加熱效率高,效果更佳,能耗也低。

瓷膜涂料結合了無機和有機涂料的優點,可以應用在電熨斗底板的耐磨、炊具內壁的高溫耐磨、香腸機、漢堡機、烙餅機的耐溫、不粘與耐磨,燒烤爐、壁爐的高溫?;?,燃氣灶的裝飾與?;さ?。

以發展迅速的電磁爐為例,現在美國的電磁爐微晶玻璃面板價格低廉因而被大量采用。但因為工藝技術問題,面板表面微孔較多,不能擋住油污、灰塵等,防污能力差、疏水疏油性也較低,且容易黃變,這是目前國產微晶面板和進口面板的主要差距。因為電磁爐與鍋體接觸的部位,溫度在300℃以上,瞬間能達到500℃或更高,常見的有機涂料(有機硅涂料和氟碳涂料)都不能同時保證耐溫和硬度兩個指標,在微晶玻璃板表面上涂裝瓷膜涂料后,可以封住微孔,加上瓷膜涂料本身很好的不粘性,增強了面板的防污效果。涂膜附著力好,耐高溫,高溫下硬度不變,耐磨,因而可以長期使用,還可以利用涂料改換面板的顏色,增加金屬質感,提高光澤等,提升面板的外觀,縮小了和國外高檔產品的差距。

瓷膜涂料在市場上應用時間較短,但也暴露出一些缺點,柔韌性、耐冷熱溫變相比有機涂料還有不足,容易做到亞光和中光,但不容易做高光,豐滿度也略差,多為雙組份,施工稍復雜,不適合流水線長期連續涂覆,不粘性比氟碳涂料還有差距,對前處理要求比較高,在有機基材上附著力不佳,重涂性不理想等,因此瓷膜涂料還需要不斷改善。

目前進口瓷膜涂料的價格相當高,國產瓷膜涂料價位和中檔氟碳涂料接近,不過隨著市場接受程度的提高、產量的擴大、價格將逐漸走低,綜合來看,由于具有性能優勢、價格優勢和新的賣點,瓷膜涂料前景樂觀。






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