易清潔涂料的制備及其在冰箱上的應(yīng)用

陳吞 沈劍 楊樂庭 崔懷雷 薄小慶 黃勇

合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 340100

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，消費(fèi)者在追求方便的路上不斷提出新的要求。清潔的廚房衛(wèi)生環(huán)境是衡量家庭生活質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[1]。在食物的烹調(diào)過程中，食用油、醬油和醋等難免對(duì)冰箱面板和內(nèi)部環(huán)境表面造成一定的污染[2]。若不及時(shí)清理，不僅有礙廚具的整潔美觀，也會(huì)對(duì)健康造成不良的影響。因此，在冰箱中使用易清潔的玻璃面板和擱架，對(duì)于改善老百姓的日常生活質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義。為了滿足方便清潔冰箱內(nèi)部和表面污漬的需求，筆者進(jìn)行了易清潔玻璃的研究，并將其成功地應(yīng)用到了冰箱上。

現(xiàn)有的易清潔涂層主要有親水疏油涂層、疏水疏油涂層兩種[3,4]。接觸角是指在氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θc，而接觸角是衡量濕度的標(biāo)準(zhǔn)。（1）當(dāng)θc=0時(shí)，完全潤(rùn)濕；（2）當(dāng)θc＜90°時(shí)，部分潤(rùn)濕或潤(rùn)濕；（3）當(dāng)θc=90°時(shí)，是潤(rùn)濕與否的分界線；（4）當(dāng)θc＞90°時(shí)，不潤(rùn)濕；（5）當(dāng)θc=180°時(shí)，完全不潤(rùn)濕。在玻璃的表面涂覆易清潔涂層可以有效隔離基體與污染物。一直以來，以涂層提高表面的綜合性能是研究的重點(diǎn)[5]。

目前國(guó)內(nèi)制備涂層的工藝方法多種多樣，主要有如下幾種：

（1）涂覆法，該工藝較為簡(jiǎn)單，易于操作，對(duì)設(shè)備和環(huán)境等無太多要求。涂覆法利用基體材料對(duì)涂料的粘附，達(dá)到涂料成功附著在基體表面的目的[6]。

（2）噴涂法也被稱為噴鍍法[7]，自1910年由瑞士的M.U.Sehoop發(fā)明至今，該方法已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。噴涂法主要利用等離子能、電能或燃燒能，在高溫下將用于噴涂的材料融化，而后將熔融狀態(tài)的粒子以極高的速度噴射在基材上，通過一定次數(shù)的噴涂，在基材上堆積得到涂層。

（3）原位反應(yīng)法[8]，在成型的過程中，涂覆在基材表面的物質(zhì)在一定條件下通過自身的反應(yīng)生成一種或者幾種涂層材料，并牢固結(jié)合在金屬基材的表面，形成一層致密的保護(hù)層。

（4）溶膠-凝膠法[5,9]，制備涂層的主要過程為：將前驅(qū)體無機(jī)鹽或是金屬醇鹽溶于溶劑（一般是有機(jī)溶劑或水）中形成混合均勻的溶液。溶質(zhì)與溶劑間會(huì)產(chǎn)生醇解、水解等化學(xué)反應(yīng)，得到納米級(jí)的粒子并形成溶膠，而后將溶膠涂覆在基材表面。凝膠化和干燥后便得到了干凝膠膜，接著用一定工藝進(jìn)行燒結(jié)，這樣就完成了涂層的制備。

本文針對(duì)冰箱面板和玻璃擱架對(duì)易清潔性能的要求，以鋼化玻璃為基材，采用了輥涂的技術(shù)在鋼化玻璃表面制備親水性水易清潔涂層表面，并研究了各種工藝因素對(duì)涂層表面的易清潔性、附著力、涂層的耐油污性、耐磨性、耐候性和耐腐蝕性能的影響。首先采用不同的輥涂工藝和參數(shù)，然后進(jìn)行涂層的固化，獲得了不同效果的親水性易清潔玻璃。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑

普通鋼化玻璃、乙醇、易清潔涂料（自制）、醬油、食用油。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

管式爐、AUY220型電子分析天平、恒溫水浴鍋、美的冰箱BCD-511WGPZM、10微米輥涂棒。

2.3 材料準(zhǔn)備

易清潔涂料配方如表1所示。

表1 涂料配方表

表2 水易清潔效果標(biāo)準(zhǔn)表

表3 最佳的預(yù)固化時(shí)間

材料制備工藝流程：向清洗干凈的攪拌罐中加入配方量的物料1，開動(dòng)攪拌，轉(zhuǎn)速約（300±50）r/min，緩慢加入物料2，攪拌30 min至體系清澈透明；加入計(jì)量的物料3，攪拌40 min均勻后，提高轉(zhuǎn)速至（400±50）r/min，緩慢加入物料4，攪拌20 min。注意攪拌槳盡量沒入涂料中，不然易引入氣體，產(chǎn)生大量氣泡；再緩慢加入物料5后，轉(zhuǎn)速維持（400±50）r/min，攪拌1小時(shí)；按配方要求緩慢加入計(jì)量的物料6，轉(zhuǎn)速（400±50）r/min，攪拌2小時(shí)后，取400目濾布過濾出料；涂料全程攪拌過程中，應(yīng)用蓋子蓋住防止污染及灰塵。

注意事項(xiàng)：HK560攪拌不均勻易導(dǎo)致涂料渾濁，需緩慢加入充分?jǐn)嚢杈鶆蛟龠M(jìn)行下一步；物料PG粘度大，量少，需要精確稱量（可在物料3中留部分水進(jìn)行稀釋或沖洗），該物料加入易產(chǎn)生泡沫，攪拌速度可根據(jù)實(shí)際投料情況調(diào)整，以有輕微漩渦為準(zhǔn)，不宜攪動(dòng)太快；涂料為強(qiáng)堿性物質(zhì)，如有接觸需要立刻使用清水沖洗。

2.4 測(cè)試方法

將同一批次的鋼化玻璃用無水乙醇和清水清洗表面，保持表面的干凈并烘干待用，用10微米輥涂棒將易清潔涂料均勻的輥涂在鋼化玻璃表面，分別用不同的固化溫度來處理輥涂后的鋼化玻璃。之后采用硬度、水易清潔效果、耐久性測(cè)試、耐酸堿測(cè)試4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)制備的易清潔玻璃進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同固化條件對(duì)易清潔玻璃影響

易清潔效果和硬度標(biāo)準(zhǔn)是檢驗(yàn)易清潔玻璃涂層是否涂覆固化上去的標(biāo)準(zhǔn)，在不同的固化時(shí)間和固化溫度的條件下，易清潔效果和硬度測(cè)試結(jié)果是不一樣的。

硬度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為用6H鉛筆在制件涂層面按45°方向以500 g負(fù)重劃3 mm以上，用軟橡皮擦去劃痕，涂層應(yīng)無劃傷現(xiàn)象，易清潔效果標(biāo)準(zhǔn)見表2。

在不同固化和預(yù)固化條件下，以表2的標(biāo)準(zhǔn)和硬度的測(cè)試作為判定條件，最佳的預(yù)固化條件為100℃，10 min；最佳的固化條件為210℃，15 min，見表3。固化溫度過低會(huì)導(dǎo)致硬度不夠，表面涂層易出現(xiàn)爆皮現(xiàn)象，固化溫度過高會(huì)導(dǎo)致涂層易清潔效果不夠優(yōu)秀。總體趨勢(shì)上，在預(yù)固化溫度一定的條件下，固化溫度越高，則固化所需時(shí)間越短，但不是固化溫度越高越好。最優(yōu)的固化條件為預(yù)固化溫度為100℃，預(yù)固化時(shí)間為10 min，固化溫度為210℃，固化時(shí)間為15 min。

3.2 水易清潔效果

水易清潔性能檢測(cè)：實(shí)驗(yàn)前應(yīng)當(dāng)檢查涂層表面有無油污、灰塵等沾附物，確保涂層表面潔凈（表面臟物質(zhì)請(qǐng)采用清水沖洗并晾干）。在涂層任意位置用小刀劃出長(zhǎng)30 mm寬15 mm的區(qū)域，使用油性記號(hào)筆將所畫區(qū)域涂滿，涂畫時(shí)保證筆跡應(yīng)當(dāng)超過小刀所劃出的區(qū)域。筆跡的涂滿方式采用畫圈的方法，逐步將長(zhǎng)30 mm寬15 mm的區(qū)域涂滿，保證筆跡所經(jīng)過處一次涂滿。

將筆跡靜置5 min，在表面以水潤(rùn)濕1 min后，采用水濕潤(rùn)后的3M百潔布（不粘鍋、不銹鋼專用）海綿部分以一定的力可以將筆跡擦拭干凈。往復(fù)擦拭的次數(shù)應(yīng)不大于5次。易清潔效果按表2標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。如圖1所示，預(yù)固化條件為100℃，10 min，固化條件為210℃，15 min的易清潔玻璃。發(fā)現(xiàn)將筆跡靜置5 min，在表面以水潤(rùn)濕1 min后，油性筆跡出現(xiàn)了懸浮狀態(tài)，極易脫落，水易清潔效果圖如圖2所示。

3.3 易清潔耐久性測(cè)試

測(cè)試中采用往復(fù)式摩擦試驗(yàn)機(jī)器進(jìn)行測(cè)試，垂直增重2.0 kg，在涂層上方使用聚酯纖維或者純棉的抹布蘸取5%的洗潔精溶劑進(jìn)行往復(fù)式擦拭。

在涂層上用小刀劃出與受壓區(qū)域等寬，長(zhǎng)大于200 mm的區(qū)域，在小刀劃定的區(qū)域內(nèi)做來回摩擦運(yùn)動(dòng)。一次來回的時(shí)間控制在1～2 s左右，摩擦過程中保持抹布與涂層接觸面之間的潤(rùn)濕狀態(tài)。在擦拭過程中保證擦拭的接觸表面有溶劑潤(rùn)濕存在，需要每200次換新抹布。

試驗(yàn)中來回摩擦的次數(shù)應(yīng)當(dāng)大于1000次，將表面的洗潔精清洗干凈，按照表4的方法檢查涂層耐久性能。將涂層耐久性分為優(yōu)秀、良好、合格三個(gè)等級(jí)。

經(jīng)過10000次的反復(fù)摩擦，表面的易清潔涂層沒有變色、脫落現(xiàn)象發(fā)生，易清潔效果也沒有受到影響，如圖3所示。

3.4 耐油污性測(cè)試

在易清潔玻璃表面滴加醬油并用容器封蓋24小時(shí)，然后取出觀察涂層面應(yīng)不變色、起泡、脫落。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)24小時(shí)后觀察到易清潔涂層表面沒有發(fā)生變色、起泡、脫落的現(xiàn)象并且易清潔效果沒有任何的影響，如圖4所示。

圖1 制造工藝圖

圖2 易清潔玻璃水易清潔效果圖

圖3耐久性測(cè)試效果圖

圖4 耐油污測(cè)試效果對(duì)比圖

表4 易清潔耐久性

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究了玻璃表面易清潔涂層最優(yōu)的固化條件為預(yù)固化溫度為100℃，預(yù)固化時(shí)間為10 min，固化溫度為210℃，固化時(shí)間為15 min。制備出了易清潔效果優(yōu)異，耐久性和耐油污合格的水易清潔玻璃。制備出來的易清潔玻璃已經(jīng)成功應(yīng)用于冰箱內(nèi)部玻璃擱架和冰箱表面玻璃門板上。結(jié)果表明，水易清潔涂層已經(jīng)具備應(yīng)用的可行性，尤其在冰箱家電產(chǎn)品上的應(yīng)用前景將十分廣闊。