耐高溫陶瓷涂料在金屬鋁材中的應(yīng)用

文/李志民 周建蘭 夏贛吉（廣東至誠(chéng)化學(xué)工業(yè)有限公司）

本文主要闡述了耐高溫陶瓷涂料的研究、在金屬鋁材各行業(yè)中的應(yīng)用，分析比較了鋁合金建筑型材中用電泳涂漆、粉末噴涂和氟碳涂料各類涂層與JC耐高溫陶瓷涂料涂層的性能，并分析了該涂料未來應(yīng)用尤其是在軌道交通車廂處理中的應(yīng)用發(fā)展及JC系列陶瓷涂料的涂層性能。

1 建筑鋁型材表面涂飾處理的發(fā)展

建筑鋁材表面的處理方法有多種多樣，其發(fā)展經(jīng)歷了陽極氧化、陽極氧化后電解著色以及厚膜陽極氧化；電泳涂裝；粉末靜電噴涂以及液相噴涂的主要?dú)v程。

20世紀(jì)50年代引入鋁合金門窗用表面處理的陽極氧化，至今仍是常用的表面處理工藝。陽極氧化膜在通常的大氣環(huán)境下具有良好的防腐蝕和耐候性能，但由于陽極氧化膜為兩性氧化物，不耐酸堿化學(xué)腐蝕。而陽極氧化電解著色，以前主要是古銅色系，色澤比較單調(diào)，目前已逐漸被鈦金色等多種淺色調(diào)所代替。鋁材陽極氧化電解著色技術(shù)存在工序較多、淺色的色差和色調(diào)難控制、環(huán)境污染較大等不足。隨著鋁材表面處理要求的提高和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)加強(qiáng)，將有可能受到—定限制。

厚膜陽極氧化是在普通陽極氧化處理基礎(chǔ)上增加氧化膜膜厚。上海金茂大廈就采用了厚膜陽極氧化鋁材。厚膜陽極氧化鋁材具有30年以上極其優(yōu)異的耐候性，但是其裝飾性較差，顏色單一且價(jià)格昂貴。

為提高鋁材的裝飾效果和陽極氧化后的封孔效果，多年前日本開發(fā)了電泳漆，兼有陽極氧化膜和聚合物涂層雙重優(yōu)點(diǎn)。鋁型材陽極氧化電泳漆的最先是采用水溶性環(huán)氧樹脂電泳涂料，但耐候性差；隨之采用水溶性丙烯酸和三聚氰胺環(huán)氧樹脂電泳涂料，以涂膜平滑光亮在東亞備受歡迎，已有各種顏色；而電泳氟碳漆尚未實(shí)施大規(guī)模應(yīng)用。

粉末靜電噴涂工藝早期采用環(huán)氧樹脂，但由于耐候性不佳不能用于戶外。粉末靜電噴涂聚酯涂層在歐洲很受歡迎，市場(chǎng)份額己與陽極氧化相當(dāng)，高耐候性的氟碳粉末噴涂60年代在美國(guó)已出現(xiàn)，市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大。

鋁材液相噴涂可以選擇醇酸樹脂，丙烯酸樹脂，硅改性丙烯酸樹脂和氟碳樹脂。性能最為優(yōu)越的碳氟樹脂涂層在我國(guó)應(yīng)用已有20多年。早期的建筑用氟碳涂料是以聚偏二氟乙烯樹脂(PVDF)為基材的涂料，價(jià)格高但性能優(yōu)異。據(jù)國(guó)外實(shí)際應(yīng)用證明其室外使用壽命在25年以上，高于電泳層和靜電噴涂涂層。目前已開發(fā)不同氟樹脂鋁型材用的氟碳涂料。

從鋁材表面涂飾處理工藝發(fā)展看，初期主要關(guān)注防腐蝕功能性，其后轉(zhuǎn)向裝飾性，最后則是功能性和裝飾性并重。目前鋁型材表面涂飾處理方式電泳、粉末噴涂和液相噴涂的發(fā)展都趨向于采用功能性和裝飾性并重的氟碳涂料。

2 耐高溫陶瓷涂料研究的發(fā)展

高溫陶瓷涂料一種由納米硅氧化合物和無機(jī)顏料等無機(jī)化合物納米分散體組成的一種水性涂料，其涂膜與傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)的瓷膜類似。在日本和韓國(guó)，高溫陶瓷涂料已成為一種鋁合金板材表面處理和涂飾保護(hù)領(lǐng)域比較普遍的一種技術(shù)。

陶瓷涂料的最早雛形是美國(guó)的硅溶膠－有機(jī)硅烷復(fù)合物硬質(zhì)涂料的研究，開始于20世紀(jì)70年代，主要用于當(dāng)時(shí)大量出現(xiàn)的有機(jī)光學(xué)材料的表面保護(hù)用的透明硬質(zhì)涂層，例如汽車用塑料燈罩、鏡片等。最早工業(yè)化的用于光學(xué)有機(jī)材料硬質(zhì)涂層的是由Clark的一系列專利（US3976497，US3986977，和US4027073）衍生而來。之后出現(xiàn)有一大批類似的專利，比如Armbruster等的US4159206，Ubersax的US4177315，以及Guest等人的US5013608和US5102695。但上述專利的涂料活性都比較高，很容易在常溫下自交聯(lián)固化，需要在低溫冷藏條件下下保存，同時(shí)必須在較低的濕度條件下施工。因此應(yīng)用價(jià)格相當(dāng)昂貴而不廣泛。

基本成分是二氧化硅與有機(jī)金屬烷氧 基化合物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而成的陶瓷涂料在上世紀(jì)八十年代也成為日本和韓國(guó)的研究熱點(diǎn)，其中韓國(guó)KCC公司經(jīng)過十多年的研究和工業(yè)應(yīng)用，已擁有多項(xiàng)專利（KR9303349、KR9708714等）和一整套成熟的陶瓷涂料生產(chǎn)工藝和涂裝工藝。但KCC陶瓷涂料也有明顯的缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，貯存期短。盡管存在一定的缺點(diǎn)，但KCC陶瓷涂料以其超耐候性、超低污染性、難燃性及高硬度等優(yōu)異功能已經(jīng)應(yīng)用于鋁型材和金屬板涂裝包括在我國(guó)城市的部分地鐵工程中，取得了良好的效果。

在國(guó)內(nèi)陶瓷涂料是近年的研究熱點(diǎn)，包括耐高溫陶瓷涂料，耐化學(xué)和耐生物腐蝕陶瓷涂料，耐磨陶瓷涂料等。其中在耐高溫陶瓷涂料方面，包括有李立峰等人通過水分散型納米級(jí)氧化鋁、填料、鈦酸鉀晶須等制備無機(jī)納米耐高溫陶瓷涂料，形成具有搪瓷表面品質(zhì)、硬度和致密度很高的無機(jī)涂層。李迎等人以有機(jī)硅為主要原料制備無機(jī)和有機(jī)納米雜化復(fù)合耐高溫陶瓷涂料，該涂層可耐900℃-1200℃的高溫且工藝簡(jiǎn)單。吳金高等人制備的陶瓷涂料，能在金屬或合金表面形成致密陶瓷。還有何啟坤等人制備的水溶性納米陶瓷涂料，僅在200℃-230℃即可固化。趙艷紅等人以無機(jī)阻燃原料為主要成分，添加無機(jī)溶膠、助劑制備無機(jī)防火涂料，可用于地鐵內(nèi)飾的鋁合金板上。

自2008年起廣東至誠(chéng)化學(xué)工業(yè)有限公司研制多烷氧基硅烷水性樹脂及耐高溫陶瓷涂料，已形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的JWC水性陶瓷涂料系列和JC復(fù)合納米陶瓷涂料系列，因其陶瓷涂膜的諸多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際用于鐵質(zhì)、鋁質(zhì)、不銹鋼質(zhì)等各種金屬基材鋁表面處理中，體現(xiàn)了在基材表面的“烤瓷”性能，是目前最理想的既能防火和耐候，又能高抗劃傷的新型涂料，滿足現(xiàn)代建筑對(duì)裝飾材料越來越高的防火、耐候性能及降低維護(hù)成本的要求。

3 耐高溫陶瓷涂料在金屬鋁材中的應(yīng)用

耐高溫陶瓷涂料作為新型材料，其涂膜具有超強(qiáng)的硬度、優(yōu)異的耐候性（壽命至少30年）、防火耐溫性、耐腐蝕性、耐磨耐刮擦、抗菌自清潔和良好的裝飾性。屬于半永久性材料，涂膜顏色鮮艷持久，綜合指標(biāo)大大超過氟碳等有機(jī)涂層。因此在我國(guó)家電、工業(yè)、建筑工程和地鐵、機(jī)車車廂等金屬、鋁表面處理中應(yīng)用發(fā)展迅速。

家電是引入耐高溫陶瓷涂料應(yīng)用較早的行業(yè)之一。如：電熱炊具中普遍應(yīng)用耐高溫陶瓷涂料的不粘性作為不粘涂層，蒸汽熨斗、燒烤爐、烘箱內(nèi)壁、石英發(fā)熱管、高功率燈泡等是應(yīng)用耐高溫陶瓷涂料的長(zhǎng)期耐高溫性作表面處理。在家電廚具中的應(yīng)用已日趨成熟，發(fā)展迅速。

在冶金、電力、化工等工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備、管道長(zhǎng)期處于嚴(yán)酷的環(huán)境下運(yùn)行，特別是熱電廠的管道、鍋爐工作溫度達(dá)600℃以上，已應(yīng)用耐高溫涂料于火力發(fā)電廠可替代成本高、工藝復(fù)雜等類似粘貼耐磨陶瓷片的施工工藝。

建筑外墻裝飾中除外墻面磚和涂料飾面材料外，建筑幕墻中用鋁合金玻璃幕墻和金屬幕墻已在現(xiàn)代幕墻中占主導(dǎo)地位，其中鋁材用表面裝飾大多采用氟碳涂料。而耐高溫陶瓷涂料由于耐候性優(yōu)異、耐臟且耐損傷，研究人員已經(jīng)證實(shí)新型的陶瓷涂料經(jīng)5000小時(shí)的耐候性試驗(yàn)，其光澤基本保持不變，同時(shí)由于耐高溫陶瓷涂料形成涂層的耐火極限高，不燃無濃煙，也非常適用作人員密集大型公共場(chǎng)所建筑的內(nèi)裝飾材料，因此涂料問世后便受到建筑業(yè)的青睞。

隨著我國(guó)大力發(fā)展城市軌道交通，對(duì)地鐵的防火要求已愈來愈高，因此在地鐵客車內(nèi)飾鋁合金板材上使用耐高溫陶瓷涂料，可以達(dá)到不燃的目的。2004年起，韓國(guó)軌道交通車輛中首先采用了耐高溫陶瓷涂料，2004年-2006年已完成首爾等城市的2958節(jié)車廂改造，與此同時(shí)，韓國(guó)政府要求新建車廂全部使用該陶瓷涂料，僅2005年就有1744節(jié)新車廂使用了該涂料。該涂料已逐步被其他一些國(guó)家的軌道交通行業(yè)認(rèn)可，如加拿大RVA、土耳其的動(dòng)車車廂等均采用了該涂料裝飾鋁材。我國(guó)于2006年也引進(jìn)應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)，在上海軌道交通的4號(hào)線、9號(hào)線部分車站的裝飾材料中就先后使用了陶瓷涂料鋁板。深圳地鐵2號(hào)線車廂也使用了該涂料噴涂的鋁板整體成型技術(shù)。在軌道交通使用該涂料噴涂的鋁板除體現(xiàn)防火技術(shù)外，還兼具噴涂表面細(xì)膩、顏色均勻、美觀；裝飾鋁板易清潔、不易破損；噴涂修補(bǔ)工藝簡(jiǎn)單的幾大特點(diǎn)。

此外高溫陶瓷涂料還用于交通業(yè)中如船體防腐防污、高速公路的護(hù)欄防腐等。

4 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)與各類涂層性能比較

目前，我國(guó)鋁合金建筑型材的標(biāo)準(zhǔn)GB5237已形成六部分，其中與涂層性能相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有：GB5237.3-2008《鋁合金建筑型材 第3部分 電泳涂漆型材》、GB 5237.4-2008《鋁合金建筑型材 第4部分 粉末噴涂型材》和GB 5237.5-2008《鋁合金建筑型材 第5部分 氟碳涂料型材》，主要規(guī)定了型材噴涂后的物理性能、防腐性能及耐候性能等。鋁合金建筑型材涂層的防火性能可參考GB12441-2005《飾面型防火涂料》。

表1列出了鋁合金建筑型材電泳涂漆、粉末噴涂和氟碳涂料的標(biāo)準(zhǔn)要求以及與JC系列耐高溫陶瓷涂料的性能比較，表2給出耐高溫陶瓷涂層與其他有機(jī)涂層的特性比較。由表可見，不同類型涂層的物理性能及防腐性能存在差異。JC系列耐高溫陶瓷涂料形成涂膜綜合性能可滿足要求外，硬度高達(dá)6H以上、耐候性優(yōu)異，可使鋁材表面抗損傷性好，光澤持久，易給人歷久常新之感。其次耐燃時(shí)間高達(dá)30min,達(dá)到GB12441-2005要求的耐燃時(shí)間≥15min，防火性能同樣顯著。

表1 鋁合金型材各類涂層性能比較

表2 耐高溫陶瓷涂層與其他有機(jī)涂層的特性比較

5 耐高溫陶瓷涂料在鋁材中的應(yīng)用發(fā)展

耐高溫陶瓷涂料與無機(jī)涂層搪瓷相比，具有較好的柔韌性，不易因溫度和外力沖擊等原因發(fā)生脆化、崩裂的現(xiàn)象；與有機(jī)涂料相比，兼具有更高的硬度、更優(yōu)異的耐候性、防腐性、耐高溫性和防火性能。因此一經(jīng)問世，便在家電行業(yè)、電力、化工等工業(yè)得到應(yīng)用，近年也得到建筑業(yè)的青睞，應(yīng)用市場(chǎng)已經(jīng)穩(wěn)步發(fā)展。

目前我國(guó)的城市軌道交通發(fā)展迅速，2010年底全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)9.1萬Km，居世界第二；其中高鐵營(yíng)業(yè)里程已達(dá)8358Km，高居世界第一。我國(guó)將在2020年建成“四縱四橫”的高鐵格局，十二五期間我國(guó)快速鐵路網(wǎng)將達(dá)到4萬Km。2010 年我國(guó)新生產(chǎn)鐵路機(jī)車 2571臺(tái)，同比增長(zhǎng)34.82%；鐵路客車7450臺(tái)同比增長(zhǎng)12.79%；鐵路貨車48 136輛，同比增20.76%。而2010年我國(guó)鐵路機(jī)車保有量已超過2萬輛，鐵路客車保有量約5萬輛，鐵路貨車的保有量約 80 萬輛。根據(jù)鐵道部“十二五”發(fā)展規(guī)劃，到“十二五”末我國(guó)投入運(yùn)用的大功率機(jī)車將達(dá)到1.3萬臺(tái)以上，占機(jī)車保有量的 60%，而新型空調(diào)客車將達(dá)到 3.6萬輛，占客車保有量的80%。而根據(jù)鐵道部的貨車發(fā)展規(guī)劃，到2015年全國(guó)重載貨車(載質(zhì)量80～100 t)的保有量將達(dá)到90萬輛以上。

另外，依據(jù)《鐵路貨車廠修規(guī)程》規(guī)定，鐵路貨車每8～l0 a要進(jìn)行一次大修，也就是說要全部重新進(jìn)行涂裝；根據(jù)《鐵路客車運(yùn)用維修規(guī)程》，鐵路客車每 2～2.5年要進(jìn)行一次段修，每8～l0年要進(jìn)行一次廠修；根據(jù)《內(nèi)燃、電力機(jī)車段修管理規(guī)程》，內(nèi)燃機(jī)車 70～90萬km 要進(jìn)行大修，電力機(jī)機(jī)車160～200萬km要進(jìn)行大修。而我國(guó)鐵路車輛具有日運(yùn)行里程長(zhǎng)，沿途氣候和環(huán)境復(fù)雜多樣，運(yùn)用條件苛刻等特點(diǎn)，因此根據(jù)實(shí)際情況，一般鐵路車輛平均每運(yùn)行6年就進(jìn)行一次廠修，這也形成了較為可觀的修補(bǔ)翻新涂料需求。

軌道交通中鐵路車廂的相關(guān)產(chǎn)業(yè)將大大增加鋁合金型材的需求，與之配套的涂飾涂料也將很大的市場(chǎng)應(yīng)用。

過去軌道交通車輛內(nèi)飾材料的選用只是為滿足一般使用功能，只對(duì)一般燃燒性作驗(yàn)證，近年世界各國(guó)對(duì)軌道交通用內(nèi)飾材料采用了更為嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煙密度、煙毒氣等作出要求。如法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)都制訂了鐵路車輛的防火標(biāo)準(zhǔn)，韓國(guó)更是在大邱地鐵災(zāi)難后頒布了《城市軌道車輛安全規(guī)則改定令》，明確要求車輛所采用材料即使在火災(zāi)等情況下，要具有抑制火焰?zhèn)鞑?、煙密度、煙毒氣擴(kuò)散功能。隨之韓國(guó)車輛中出現(xiàn)了引人關(guān)注的具有獨(dú)特防火功能的新型陶瓷涂料。我國(guó)2006年已引入應(yīng)用在鋁材涂覆并安裝在上海和深圳地鐵中。

軌道交通車輛內(nèi)飾材料除了提高防火要求外，鐵路機(jī)車和客車車廂的VOC排放限量法規(guī)也逐步完善。從1990年起，歐洲和北美已開始在工業(yè)領(lǐng)域中大量使用水性涂料，目前美國(guó)對(duì)工業(yè)涂料VOC的限制為1.8-3.5（Ib/gal），每家工廠每年不超過50t；歐盟對(duì)工業(yè)涂料的VOC限制為250-540（g/L）。因此水性涂料、高固體分涂料、粉末涂料等環(huán)保型涂料在鐵路車廂中應(yīng)用是未來發(fā)展必然的大趨勢(shì)。

目前我國(guó)鐵路車輛用涂料絕大部分是溶劑型涂料，防火性、耐候性、硬度等性能比較差。耐高溫陶瓷涂料的主要特點(diǎn)是具有良好的防火性能、耐腐蝕性和超高的硬度。該涂料基本采用無機(jī)材料，即使受到高溫，因其內(nèi)部不含有可燃成份，所以 也不會(huì)燃燒。該類涂料涂覆板經(jīng)同家防火建筑材料質(zhì)量監(jiān)督槍驗(yàn)中心的檢測(cè)，防火等級(jí)達(dá)到A1級(jí)的最高標(biāo)準(zhǔn)，即為不燃。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，該涂料不會(huì)產(chǎn)生煙霧.阻燃效果非常顯著。此外，還具有以下一些特點(diǎn)：

耐污染性：采用該涂料涂覆的鋁材涂膜有陶瓷瓷面的拒水性和對(duì)各種化學(xué)溶劑的耐腐蝕性。

耐損傷性：采用該涂料涂覆的鋁材涂膜有超高硬度，可抵御外來的劃痕、刮檫、磨損等損傷。

耐氣候性：采用該涂料涂覆的鋁材涂膜.因其所具有無機(jī)離子鍵鍵能高于紫外線的能量，使得紫外線對(duì)陶瓷涂膜幾乎無影響；可以在紫外線、酸雨、風(fēng)、熱

輻射等外部環(huán)境下保持涂層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使得鋁材涂膜在顏色、光澤的保持率上比一般涂料更為優(yōu)異。

環(huán)保性：耐高溫陶瓷涂料以水為分散劑，VOC排放量極低，不會(huì)產(chǎn)生有機(jī)揮發(fā)物而造成空氣污染。

涂裝工藝簡(jiǎn)單：可以隨意使用刷涂或傳統(tǒng)噴涂工藝，采用自干或230℃-280℃烘干。涂裝效率高，噴涂設(shè)備無需作重大改變。

由此可見，耐高溫陶瓷涂料無疑是目前最適合在軌道交通機(jī)車車廂表面處理領(lǐng)域中應(yīng)用發(fā)展的涂料，市場(chǎng)規(guī)模成長(zhǎng)性將十分可觀。

6 結(jié)語

耐高溫陶瓷涂料是一種具有高硬度、優(yōu)異的防火性、防污性、耐候性的新型環(huán)保型涂料，將伴隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展在鐵路車輛領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景。

中國(guó)鋁塑復(fù)合材料協(xié)會(huì)對(duì)推動(dòng)高溫陶瓷涂料在軌道交通領(lǐng)域的廣泛使用已經(jīng)充滿信心，我們將與建筑鋁材工業(yè)攜手一起,提升鐵路用鋁材的安全性和高品質(zhì)，促進(jìn)我國(guó)城市軌道交通材料的健康應(yīng)用發(fā)展。