耐高溫陶瓷涂料在金屬鋁材中的應用

文/李志民 周建蘭 夏贛吉（廣東至誠化學工業有限公司）

本文主要闡述了耐高溫陶瓷涂料的研究、在金屬鋁材各行業中的應用，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用尤其是在軌道交通車廂處理中的應用發展及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展

建筑鋁材表面的處理方法有多種多樣，其發展經歷了陽極氧化、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歷程。

20世紀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，目前已逐漸被鈦金色等多種淺色調所代替。鋁材陽極氧化電解著色技術存在工序較多、淺色的色差和色調難控制、環境污染較大等不足。隨著鋁材表面處理要求的提高和人們對環境保護的意識加強，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年以上極其優異的耐候性，但是其裝飾性較差，顏色單一且價格昂貴。

為提高鋁材的裝飾效果和陽極氧化后的封孔效果，多年前日本開發了電泳漆，兼有陽極氧化膜和聚合物涂層雙重優點。鋁型材陽極氧化電泳漆的最先是采用水溶性環氧樹脂電泳涂料，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施大規模應用。

粉末靜電噴涂工藝早期采用環氧樹脂，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，市場份額己與陽極氧化相當，高耐候性的氟碳粉末噴涂60年代在美國已出現，市場份額不斷擴大。

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。性能最為優越的碳氟樹脂涂層在我國應用已有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，價格高但性能優異。據國外實際應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展看，初期主要關注防腐蝕功能性，其后轉向裝飾性，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展

高溫陶瓷涂料一種由納米硅氧化合物和無機顏料等無機化合物納米分散體組成的一種水性涂料，其涂膜與傳統高溫燒結的瓷膜類似。在日本和韓國，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領域比較普遍的一種技術。

陶瓷涂料的最早雛形是美國的硅溶膠－有機硅烷復合物硬質涂料的研究，開始于20世紀70年代，主要用于當時大量出現的有機光學材料的表面保護用的透明硬質涂層，例如汽車用塑料燈罩、鏡片等。最早工業化的用于光學有機材料硬質涂層的是由Clark的一系列專利（US3976497，US3986977，和US4027073）衍生而來。之后出現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固化，需要在低溫冷藏條件下下保存，同時必須在較低的濕度條件下施工。因此應用價格相當昂貴而不廣泛。

基本成分是二氧化硅與有機金屬烷氧 基化合物經化學反應而成的陶瓷涂料在上世紀八十年代也成為日本和韓國的研究熱點，其中韓國KCC公司經過十多年的研究和工業應用，已擁有多項專利（KR9303349、KR9708714等）和一整套成熟的陶瓷涂料生產工藝和涂裝工藝。但KCC陶瓷涂料也有明顯的缺點：價格昂貴，貯存期短。盡管存在一定的缺點，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異功能已經應用于鋁型材和金屬板涂裝包括在我國城市的部分地鐵工程中，取得了良好的效果。

在國內陶瓷涂料是近年的研究熱點，包括耐高溫陶瓷涂料，耐化學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氧化鋁、填料、鈦酸鉀晶須等制備無機納米耐高溫陶瓷涂料，形成具有搪瓷表面品質、硬度和致密度很高的無機涂層。李迎等人以有機硅為主要原料制備無機和有機納米雜化復合耐高溫陶瓷涂料，該涂層可耐900℃-1200℃的高溫且工藝簡單。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。趙艷紅等人以無機阻燃原料為主要成分，添加無機溶膠、助劑制備無機防火涂料，可用于地鐵內飾的鋁合金板上。

自2008年起廣東至誠化學工業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產權的JWC水性陶瓷涂料系列和JC復合納米陶瓷涂料系列，因其陶瓷涂膜的諸多優點，在實際用于鐵質、鋁質、不銹鋼質等各種金屬基材鋁表面處理中，體現了在基材表面的“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，滿足現代建筑對裝飾材料越來越高的防火、耐候性能及降低維護成本的要求。

3 耐高溫陶瓷涂料在金屬鋁材中的應用

耐高溫陶瓷涂料作為新型材料，其涂膜具有超強的硬度、優異的耐候性（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，綜合指標大大超過氟碳等有機涂層。因此在我國家電、工業、建筑工程和地鐵、機車車廂等金屬、鋁表面處理中應用發展迅速。

家電是引入耐高溫陶瓷涂料應用較早的行業之一。如：電熱炊具中普遍應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、烘箱內壁、石英發熱管、高功率燈泡等是應用耐高溫陶瓷涂料的長期耐高溫性作表面處理。在家電廚具中的應用已日趨成熟，發展迅速。

在冶金、電力、化工等工業生產中，許多設備、管道長期處于嚴酷的環境下運行，特別是熱電廠的管道、鍋爐工作溫度達600℃以上，已應用耐高溫涂料于火力發電廠可替代成本高、工藝復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代幕墻中占主導地位，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異、耐臟且耐損傷，研究人員已經證實新型的陶瓷涂料經5000小時的耐候性試驗，其光澤基本保持不變，同時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所建筑的內裝飾材料，因此涂料問世后便受到建筑業的青睞。

隨著我國大力發展城市軌道交通，對地鐵的防火要求已愈來愈高，因此在地鐵客車內飾鋁合金板材上使用耐高溫陶瓷涂料，可以達到不燃的目的。2004年起，韓國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節車廂改造，與此同時，韓國政府要求新建車廂全部使用該陶瓷涂料，僅2005年就有1744節新車廂使用了該涂料。該涂料已逐步被其他一些國家的軌道交通行業認可，如加拿大RVA、土耳其的動車車廂等均采用了該涂料裝飾鋁材。我國于2006年也引進應用該項技術，在上海軌道交通的4號線、9號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號線車廂也使用了該涂料噴涂的鋁板整體成型技術。在軌道交通使用該涂料噴涂的鋁板除體現防火技術外，還兼具噴涂表面細膩、顏色均勻、美觀；裝飾鋁板易清潔、不易破損；噴涂修補工藝簡單的幾大特點。

此外高溫陶瓷涂料還用于交通業中如船體防腐防污、高速公路的護欄防腐等。

4 現行標準與各類涂層性能比較

目前，我國鋁合金建筑型材的標準GB5237已形成六部分，其中與涂層性能相關的標準有：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準要求以及與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6H以上、耐候性優異，可使鋁材表面抗損傷性好，光澤持久，易給人歷久常新之感。其次耐燃時間高達30min,達到GB12441-2005要求的耐燃時間≥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涂層的特性比較

5 耐高溫陶瓷涂料在鋁材中的應用發展

耐高溫陶瓷涂料與無機涂層搪瓷相比，具有較好的柔韌性，不易因溫度和外力沖擊等原因發生脆化、崩裂的現象；與有機涂料相比，兼具有更高的硬度、更優異的耐候性、防腐性、耐高溫性和防火性能。因此一經問世，便在家電行業、電力、化工等工業得到應用，近年也得到建筑業的青睞，應用市場已經穩步發展。

目前我國的城市軌道交通發展迅速，2010年底全國鐵路營業里程已達9.1萬Km，居世界第二；其中高鐵營業里程已達8358Km，高居世界第一。我國將在2020年建成“四縱四橫”的高鐵格局，十二五期間我國快速鐵路網將達到4萬Km。2010 年我國新生產鐵路機車 2571臺，同比增長34.82%；鐵路客車7450臺同比增長12.79%；鐵路貨車48 136輛，同比增20.76%。而2010年我國鐵路機車保有量已超過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。根據鐵道部“十二五”發展規劃，到“十二五”末我國投入運用的大功率機車將達到1.3萬臺以上，占機車保有量的 60%，而新型空調客車將達到 3.6萬輛，占客車保有量的80%。而根據鐵道部的貨車發展規劃，到2015年全國重載貨車(載質量80～100 t)的保有量將達到90萬輛以上。

另外，依據《鐵路貨車廠修規程》規定，鐵路貨車每8～l0 a要進行一次大修，也就是說要全部重新進行涂裝；根據《鐵路客車運用維修規程》，鐵路客車每 2～2.5年要進行一次段修，每8～l0年要進行一次廠修；根據《內燃、電力機車段修管理規程》，內燃機車 70～90萬km 要進行大修，電力機機車160～200萬km要進行大修。而我國鐵路車輛具有日運行里程長，沿途氣候和環境復雜多樣，運用條件苛刻等特點，因此根據實際情況，一般鐵路車輛平均每運行6年就進行一次廠修，這也形成了較為可觀的修補翻新涂料需求。

軌道交通中鐵路車廂的相關產業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應用。

過去軌道交通車輛內飾材料的選用只是為滿足一般使用功能，只對一般燃燒性作驗證，近年世界各國對軌道交通用內飾材料采用了更為嚴格標準，對煙密度、煙毒氣等作出要求。如法國、德國、英國都制訂了鐵路車輛的防火標準，韓國更是在大邱地鐵災難后頒布了《城市軌道車輛安全規則改定令》，明確要求車輛所采用材料即使在火災等情況下，要具有抑制火焰傳播、煙密度、煙毒氣擴散功能。隨之韓國車輛中出現了引人關注的具有獨特防火功能的新型陶瓷涂料。我國2006年已引入應用在鋁材涂覆并安裝在上海和深圳地鐵中。

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

目前我國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材料，即使受到高溫，因其內部不含有可燃成份，所以 也不會燃燒。該類涂料涂覆板經同家防火建筑材料質量監督槍驗中心的檢測，防火等級達到A1級的最高標準，即為不燃。在火災發生時，該涂料不會產生煙霧.阻燃效果非常顯著。此外，還具有以下一些特點：

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各種化學溶劑的耐腐蝕性。

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.因其所具有無機離子鍵鍵能高于紫外線的能量，使得紫外線對陶瓷涂膜幾乎無影響；可以在紫外線、酸雨、風、熱

輻射等外部環境下保持涂層結構穩定性，使得鋁材涂膜在顏色、光澤的保持率上比一般涂料更為優異。

環保性：耐高溫陶瓷涂料以水為分散劑，VOC排放量極低，不會產生有機揮發物而造成空氣污染。

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

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車車廂表面處理領域中應用發展的涂料，市場規模成長性將十分可觀。

6 結語

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

中國鋁塑復合材料協會對推動高溫陶瓷涂料在軌道交通領域的廣泛使用已經充滿信心，我們將與建筑鋁材工業攜手一起,提升鐵路用鋁材的安全性和高品質，促進我國城市軌道交通材料的健康應用發展。