復(fù)合高性能樹脂基涂料的涂裝工藝及其質(zhì)量控制措施

邱 波，李海波，王 璞

（武漢蘇泊爾炊具有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

鑄鐵、不銹鋼、鋁及鋁合金等金屬材質(zhì)的鍋，是長久以來人們普遍使用的食品烹飪工具，存在易導(dǎo)致食物粘鍋、燒焦等問題，不僅破壞食物外觀，而且容易導(dǎo)致食物產(chǎn)生苯并芘、丙烯酰胺等有害成分，危害人體健康。此外，黏附在鍋表面的食物殘?jiān)步o鍋具的清洗帶來難度。不粘鍋的問世解決了這一問題，它具有易清潔、煎炒食物不粘鍋、少油煙等優(yōu)點(diǎn)，給人們的生活帶來了極大的方便。根據(jù)《2016—2022年中國不粘涂料市場分析及發(fā)展策略研究預(yù)測報(bào)告》中的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)不粘鍋外表面涂料總產(chǎn)值達(dá)20億元。

目前，市場上大多數(shù)不粘鍋都涂覆了一層聚四氟乙烯樹脂類的不粘涂料，聚四氟乙烯具有以下性能[1]：①穩(wěn)定的化學(xué)性能；②突出的不沾性，在所有的固體材料中，PTFE的表面能最低，只有表面張力小于0．02 N/m的液體才能潤濕其表面；③極低的摩擦系數(shù)，聚四氟乙烯分子間的范德華力非常小，容易引起分子間內(nèi)部的相對滑動(dòng)。聚四氟乙烯材料除了具有上述優(yōu)點(diǎn)，還存在一定的缺陷：一是氟涂層的強(qiáng)度較差，長時(shí)間負(fù)載使用會(huì)產(chǎn)生形變，并且線膨脹系數(shù)大、尺寸穩(wěn)定性差，容易脫落和損壞。二是耐磨性較差，由于聚四氟乙烯大分子鏈中的氟原子會(huì)相互排斥，導(dǎo)致聚四氟乙烯分子間的吸引力較小，因此在切應(yīng)力的作用下，PTFE分子間易滑移，再加上本身的硬度低，導(dǎo)致其在摩擦磨損過程中消耗過大。三是聚四氟乙烯涂層的使用溫度一般不能超過250℃，對于許多需要爆炒的菜肴，鍋內(nèi)溫度會(huì)達(dá)到300～500℃，此時(shí)涂層會(huì)因溫度過高而損壞；甚至有研究發(fā)現(xiàn)，在400℃以上的高溫下涂層還會(huì)釋放出十幾種有害氣體，對人體肺部有強(qiáng)烈的刺激作用，存在潛在的安全威脅。

為了讓含氟涂料在不粘鍋領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用，本研究將引入多種高性能樹脂開發(fā)新型的復(fù)合高性能樹脂基不粘涂料，以期增強(qiáng)單一含氟涂料的耐久性和尺寸穩(wěn)定性，重點(diǎn)解決聚四氟乙烯耐磨性差的問題，并對該涂料的涂裝工藝及其質(zhì)量控制措施展開深入分析。

1 復(fù)合高性能樹脂基涂料分析

傳統(tǒng)不粘鍋涂料配方構(gòu)成如下[2]：石墨烯0．1～0．3份，聚四氟乙烯乳液50～70份，聚酰胺酰亞胺5～10份，色粉1～2份，純凈水10～15份。在傳統(tǒng)不粘鍋氟涂層中，聚四氟乙烯占全組分的50%～70%。

單一聚四氟乙烯不沾涂層經(jīng)長時(shí)間使用后，聚四氟乙烯的不耐久性特點(diǎn)會(huì)逐漸凸顯出來。復(fù)合材料能夠在保持各組分材料的某些特性的基礎(chǔ)上，具有組分間協(xié)同作用所產(chǎn)生的綜合性能，很好地彌補(bǔ)了單一材料的缺點(diǎn)。因此，為了進(jìn)一步提高聚四氟乙烯涂層的某些性能，對單一的聚四氟乙烯不沾涂層進(jìn)行改性，滿足其在不同工況下的使用要求。

聚醚酮酮（PEKK）作為一種優(yōu)異的聚芳醚酮半結(jié)晶高性能工程樹脂材料，在室溫和高溫下都能維持良好的摩擦學(xué)特性和機(jī)械強(qiáng)度，200℃時(shí)的彎曲強(qiáng)度高達(dá)24 MPa，即便在250℃的溫度下仍能達(dá)到12～13 MPa。PEEK材料具有極高的尺寸穩(wěn)定性、耐疲勞及耐蠕變性能。除此之外，PEEK還具有如下特性：①具有較低的摩擦阻尼，在載荷作用下易遷移形成轉(zhuǎn)移膜；②PEEK材料能通過塑性變形與摩擦副相適配，增大了接觸面積，緩解了應(yīng)力集中現(xiàn)象；③具有良好的防腐蝕及吸震功能，從而避免腐蝕磨損和沖擊磨損的產(chǎn)生；④PEEK耐高溫、耐溶劑及耐水解能力強(qiáng)，能在干摩擦、油或水潤滑下工作。聚醚砜（PES）在200℃環(huán)境下的機(jī)械性能基本保持不變，并且在高溫下能保持優(yōu)良的抗蠕變性（線膨脹系數(shù)?。┖统叽绶€(wěn)定性，也有著良好的耐酸、堿性和無毒性且已被美國FDA認(rèn)可。這兩種高性能樹脂的加入將對以氟涂料為主的不粘涂料起到替換和增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)作用。

為了提高氟涂層的持久耐用性，將聚醚酮酮和聚醚砜兩種高性能樹脂加入配方中。調(diào)整后的配方構(gòu)成為炭黑0．5～1份，聚四氟乙烯乳液20～25份，聚醚酮酮15～20份，聚醚砜10～15份，表面活性劑1～3份，其余為純凈水。可以看出，氟涂料的含量由傳統(tǒng)配方中的50%～70%降低至20%～25%，PEEK和PES兩種高性能樹脂具有高的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗蠕變性能，能有效地對以聚四氟乙烯為主要構(gòu)成成分的氟涂料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)作用。

2 復(fù)合高性能樹脂基涂料涂裝工藝

不粘鍋涂層的涂裝施工中常用的方法為噴涂法，采用這一方法對鍋具內(nèi)外表面進(jìn)行噴涂，能夠保證涂膜的均勻度與適中的厚薄度，即便是有九宮格、五邊形、搓板型等底部或側(cè)面有形狀各異的異型鍋具，噴涂法都能夠保證涂層分布均勻。國內(nèi)的PTFE商用不粘涂層大多為兩次噴涂，分為底漆和面漆噴涂兩道工序。下面對該復(fù)合高性能樹脂基涂料噴涂施工工藝的操作技巧進(jìn)行分析。

2.1 對原料進(jìn)行預(yù)處理

在制備涂料前，需要將所有固體基料進(jìn)行磨粉處理，并經(jīng)過80～150目的篩網(wǎng)過濾，得到均勻細(xì)小的粉末，以便后續(xù)進(jìn)行混合處理。

為了提高涂層的黏結(jié)力，需使涂層牢固地黏在基體上，如果涂層與基體之間的黏結(jié)力不夠，則在實(shí)際使用過程中涂層就會(huì)在摩擦力的作用下很快脫落，從而失去了涂層的摩擦學(xué)性能，所以對基材表面進(jìn)行預(yù)處理顯得尤為重要。此外，需要對基體進(jìn)行粗化處理，以求在噴涂過程中最大限度地提高涂層的附著力。粗化主要包括兩個(gè)過程；一是對表面的處理，去除的對象是表面的灰塵、油垢和氧化物等；二是對基體本身的進(jìn)一步處理，目的是提高涂層與基底的黏結(jié)力，如對鋁基的陽極氧化處理。首先對鋁合金表面進(jìn)行堿腐蝕處理，去除鋁合金表面被空氣污染的氧化膜，然后將鋁合金進(jìn)行中和處理，防止過多的腐蝕產(chǎn)物留在鋁合金表面，最后對鋁合金表面進(jìn)行陽極氧化處理，在鋁合金表面形成多孔的氧化膜，增強(qiáng)涂層與基底的黏結(jié)力。

2.2 配比涂料

首先稱取組分比例的表面活性劑，然后添加對應(yīng)組分的溶劑溶解待溶解后加入水，用電動(dòng)涂料攪拌器以1 500 r/min轉(zhuǎn)速均勻混合10 min。待均勻混合后在同樣轉(zhuǎn)速下加入對應(yīng)組分的聚四氟乙烯乳液，均勻混合后在相同轉(zhuǎn)速下分4次緩慢加入對應(yīng)的聚醚酮酮、聚醚砜、炭黑粉末并在此狀態(tài)下繼續(xù)攪拌50 min后，待各物質(zhì)混合均勻后，涂料配比完成。

2.3 調(diào)配黏稠度

將配比完成后的涂料與增稠劑進(jìn)行調(diào)配，確保黏度適合后進(jìn)行噴涂，通常最佳黏度在20～30 s。涂料的黏度測試一般用條件黏度表征，即涂料從單位容積的黏度杯中流出所用的時(shí)間，以s為單位。取涂-4黏度杯將杯底閥門關(guān)閉而后將涂料倒于杯中涂料表面與杯面平齊。測試時(shí)打開下端口閥門并同時(shí)計(jì)時(shí)，直至涂料流完停止計(jì)時(shí)。所得時(shí)間為涂料的條件黏度，此條件需要達(dá)到46～50 s。

2.4 涂料噴涂

涂料噴涂涉及空氣壓力的控制、噴涂距離的把控及噴涂速度和面積的控制，涂層好壞依賴于三者之間的配合。其中，噴涂壓力和噴涂距離控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致涂層出現(xiàn)麻點(diǎn)或者流掛，不僅浪費(fèi)材料，也會(huì)影響人員健康。噴涂操作時(shí)要保持勻速，同時(shí)保證噴槍嘴和物體表面垂直。對于本復(fù)合高性能樹脂基涂料而言，在0．3～0．4 MPa的空氣壓力下的霧化范圍為100～150 mm，10 min不間斷噴涂下噴涂完100 mL涂料為佳，并且保證噴涂的手臂或物體為勻速狀態(tài)，一般為10～12 m/min。

2.5 涂層固化

固化方式對涂層的影響非常大，所以選擇合適的方式進(jìn)行固化十分重要。如果涂層在固化過程中出現(xiàn)溫度的過大變化，涂層表面會(huì)出現(xiàn)氣泡、空鼓和裂紋等缺陷，所以選擇階梯式的固化方式。經(jīng)過前期試驗(yàn)，最終制定的固化方式分為4個(gè)階段：①10 min均勻升溫到120℃；②120℃保溫20 min；③10 min均勻升溫到380℃；④380℃保溫20 min。

3 復(fù)合高性能樹脂基涂料質(zhì)量控制措施

涂料在涂裝過程中常常會(huì)出現(xiàn)各種問題[3]，導(dǎo)致噴涂物體表面存在缺陷，整體效果不良且影響涂料使用壽命。因此，我們需要對復(fù)合涂料涂裝中容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題嚴(yán)加控制，下面對影響質(zhì)量的關(guān)鍵因素控制措施展開分析。

3.1 涂料成膜性

涂料的成膜性需要考慮的是溶劑的揮發(fā)性[4]，當(dāng)溶劑揮發(fā)速度過快時(shí)，涂膜黏度增加太快，表面收縮過快且向上靠攏，則涂膜容易出現(xiàn)皺紋、橘皮等問題；而溶劑揮發(fā)太慢，涂膜時(shí)易造成流掛現(xiàn)象而影響整體涂膜的干燥速度。為防止此現(xiàn)象的產(chǎn)生，可采取以下措施。

（1）共溶劑的選擇：水的蒸發(fā)熱較高，特別是在高溫和低溫情況下，水的揮發(fā)較慢，會(huì)影響涂覆層的干燥速度，延長表面實(shí)干時(shí)間，這時(shí)需要加入共溶劑進(jìn)行調(diào)節(jié)。共溶劑加入后，可以使涂料的成膜時(shí)間在低溫下縮短，同時(shí)共溶劑可調(diào)節(jié)涂料體系的黏度，改善流平性及最終成膜的外觀質(zhì)量。選用溶劑的過程中，要優(yōu)選表面張力更低的溶劑。復(fù)合高性能樹脂基涂料質(zhì)的主要溶劑是水，表面張力較大，利用水和具有表面張力較低的有機(jī)共溶劑進(jìn)行混合后，可將涂料的表面張力控制在適宜范圍內(nèi)。

（2）各類試驗(yàn)表明施工環(huán)境的溫度變化對固化反應(yīng)影響較大，因而在配制成膜乳液（涂料）時(shí)，考慮環(huán)境中溫度的變化、濕度的變化、通風(fēng)條件的變化對成膜過程中的擴(kuò)散、固化反應(yīng)程度、小分子及水分子的氣體的揮發(fā)速度、膜層表面的流延（俗語掛珠）等因素的影響。主要涉及膜表，例如實(shí)干時(shí)間不一致影響膜表層性能問題；膜層的厚度不均勻問題；膜層的表觀質(zhì)量（如光澤、色澤、平整性等）不美觀的問題。對于通風(fēng)條件較差的環(huán)境，一般采用適宜的抽風(fēng)系統(tǒng)，促進(jìn)干燥過程中揮發(fā)材質(zhì)逃逸，同時(shí)有效調(diào)節(jié)環(huán)境的溫度和濕度。在恒溫的空間下進(jìn)行配料和噴涂操作，以防環(huán)境溫度過高或過低造成溶劑揮發(fā)不一致影響其涂料的成膜性。

3.2 涂料流平性

受表面活性劑的影響，涂料在形成濕膜時(shí)的表面張力超過了整體平衡狀態(tài)[5]，在形成初始期出現(xiàn)不斷擴(kuò)大的趨勢，則容易造成涂膜表面出現(xiàn)凹陷、氣孔等問題。倘若要實(shí)現(xiàn)與平衡狀態(tài)的時(shí)間相符，則需要延長整體流平時(shí)間；而流平時(shí)間和涂料的流平性直接相關(guān)。流平性是在涂料噴涂后無氣泡、涂膜流平平坦且光滑的能力，涂料的流平性是重力、表面張力和剪切力相互作用的結(jié)果。按照《漆膜一般制備法》（GB 1727—79）中的噴涂法，在馬口鐵板表面上噴涂漆膜。將樣板置于恒溫恒濕條件下，觀察其涂料表面達(dá)到均勻、光滑、無皺狀態(tài)所需的時(shí)間，本方法需要在5 min內(nèi)完成。

通過在涂料中通過加入潤濕流平劑改變體系的表面張力，可解決涂膜潤濕和流平的問題。流平劑根據(jù)作用效果分為兩大類：一類主要起到流平作用，如不易揮發(fā)的溶劑或其他化合物；另一類主要通過降低涂料體系的表面張力改善涂料對底材的潤濕性。流平劑根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同，主要分為丙烯酸類、有機(jī)硅類和氟碳化合物等，其中含氟、含硅類流平劑在體系中主要通過降低涂料體系的表面張力使涂膜趨于流平，而丙烯酸類流平劑主要與體系中的樹脂、助溶劑形成有限的相容性，最終在成膜時(shí)可以遷移至氣液界面處，發(fā)揮涂膜表面流平的作用。因此，流平劑使用時(shí)需要滿足以下兩點(diǎn)：①流平劑本身的表面張力要低于涂料體系的表面張力。②與體系中各物質(zhì)有限相容。相容性太好，會(huì)導(dǎo)致流平劑溶在涂膜中，不能在涂膜表面形成新的界面，不能提供流平作用。相容性太差，則容易產(chǎn)生縮孔等涂膜缺陷。這兩點(diǎn)都影響流平劑的遷移，只有當(dāng)流平劑遷移到涂膜表面，才能產(chǎn)生流平作用，有助于涂膜的流平，并在涂料表面形成一個(gè)單分子膜，最終使涂料的表面張力處于平衡狀態(tài)，克服因表面張力差造成的表面缺陷。不同類型的流平劑的相容性和遷移行為不同，會(huì)直接影響涂膜的表面張力梯度。因此，合理地選擇流平劑對面漆外觀至關(guān)重要。

涂膜流平的主要?jiǎng)恿κ潜砻鎻埩Γ砸肟刂仆磕さ谋砻鏍顟B(tài)，必須控制和調(diào)整涂膜的表面張力，涂膜的表面張力越大越有助于流平。因此，改善涂料的流平性，需合理使用表面活性劑，在對表面活性劑進(jìn)行選用時(shí)要更加注意其動(dòng)態(tài)表面張力，倘若動(dòng)態(tài)表面張力滯后過大，很有可能會(huì)出現(xiàn)更多漆膜問題，一旦縮孔形成，要想徹底解決則非常困難。

4 結(jié)語

綜上所述，本研究在典型的聚四氟乙烯涂層配方中引入PEKK和PES高性能樹脂，降低涂料中聚四氟乙烯的用量，增強(qiáng)單一含氟涂料的耐久性和尺寸穩(wěn)定性。經(jīng)過實(shí)際操作和重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合高性能樹脂基涂料配方和涂裝工藝可以制備出具有良好成膜性和流平性的復(fù)合高性能樹脂基不沾涂層，對擴(kuò)大含氟不沾涂層的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。