復合高性能樹脂基涂料的涂裝工藝及其質量控制措施

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的鍋，是長久以來人們普遍使用的食品烹飪工具，存在易導致食物粘鍋、燒焦等問題，不僅破壞食物外觀，而且容易導致食物產生苯并芘、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渣也給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、少油煙等優點，給人們的生活帶來了極大的方便。根據《2016—2022年中國不粘涂料市場分析及發展策略研究預測報告》中的相關數據顯示，國內不粘鍋外表面涂料總產值達20億元。

目前，市場上大多數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穩定的化學性能；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，聚四氟乙烯分子間的范德華力非常小，容易引起分子間內部的相對滑動。聚四氟乙烯材料除了具有上述優點，還存在一定的缺陷：一是氟涂層的強度較差，長時間負載使用會產生形變，并且線膨脹系數大、尺寸穩定性差，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相互排斥，導致聚四氟乙烯分子間的吸引力較小，因此在切應力的作用下，PTFE分子間易滑移，再加上本身的硬度低，導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，鍋內溫度會達到300～500℃，此時涂層會因溫度過高而損壞；甚至有研究發現，在400℃以上的高溫下涂層還會釋放出十幾種有害氣體，對人體肺部有強烈的刺激作用，存在潛在的安全威脅。

為了讓含氟涂料在不粘鍋領域得到更好的應用，本研究將引入多種高性能樹脂開發新型的復合高性能樹脂基不粘涂料，以期增強單一含氟涂料的耐久性和尺寸穩定性，重點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量控制措施展開深入分析。

1 復合高性能樹脂基涂料分析

傳統不粘鍋涂料配方構成如下[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長時間使用后，聚四氟乙烯的不耐久性特點會逐漸凸顯出來。復合材料能夠在保持各組分材料的某些特性的基礎上，具有組分間協同作用所產生的綜合性能，很好地彌補了單一材料的缺點。因此，為了進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）作為一種優異的聚芳醚酮半結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特性和機械強度，200℃時的彎曲強度高達24 MPa，即便在250℃的溫度下仍能達到12～13 MPa。PEEK材料具有極高的尺寸穩定性、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，緩解了應力集中現象；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生；④PEEK耐高溫、耐溶劑及耐水解能力強，能在干摩擦、油或水潤滑下工作。聚醚砜（PES）在200℃環境下的機械性能基本保持不變，并且在高溫下能保持優良的抗蠕變性（線膨脹系數?。┖统叽绶€定性，也有著良好的耐酸、堿性和無毒性且已被美國FDA認可。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補強作用。

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。調整后的配方構成為炭黑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定性和優異的抗蠕變性能，能有效地對以聚四氟乙烯為主要構成成分的氟涂料進行補強作用。

2 復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外表面進行噴涂，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。下面對該復合高性能樹脂基涂料噴涂施工工藝的操作技巧進行分析。

2.1 對原料進行預處理

在制備涂料前，需要將所有固體基料進行磨粉處理，并經過80～150目的篩網過濾，得到均勻細小的粉末，以便后續進行混合處理。

為了提高涂層的黏結力，需使涂層牢固地黏在基體上，如果涂層與基體之間的黏結力不夠，則在實際使用過程中涂層就會在摩擦力的作用下很快脫落，從而失去了涂層的摩擦學性能，所以對基材表面進行預處理顯得尤為重要。此外，需要對基體進行粗化處理，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一步處理，目的是提高涂層與基底的黏結力，如對鋁基的陽極氧化處理。首先對鋁合金表面進行堿腐蝕處理，去除鋁合金表面被空氣污染的氧化膜，然后將鋁合金進行中和處理，防止過多的腐蝕產物留在鋁合金表面，最后對鋁合金表面進行陽極氧化處理，在鋁合金表面形成多孔的氧化膜，增強涂層與基底的黏結力。

2.2 配比涂料

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

2.3 調配黏稠度

將配比完成后的涂料與增稠劑進行調配，確保黏度適合后進行噴涂，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間，以s為單位。取涂-4黏度杯將杯底閥門關閉而后將涂料倒于杯中涂料表面與杯面平齊。測試時打開下端口閥門并同時計時，直至涂料流完停止計時。所得時間為涂料的條件黏度，此條件需要達到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會導致涂層出現麻點或者流掛，不僅浪費材料，也會影響人員健康。噴涂操作時要保持勻速，同時保證噴槍嘴和物體表面垂直。對于本復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，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行固化十分重要。如果涂層在固化過程中出現溫度的過大變化，涂層表面會出現氣泡、空鼓和裂紋等缺陷，所以選擇階梯式的固化方式。經過前期試驗，最終制定的固化方式分為4個階段：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 復合高性能樹脂基涂料質量控制措施

涂料在涂裝過程中常常會出現各種問題[3]，導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，我們需要對復合涂料涂裝中容易出現的質量問題嚴加控制，下面對影響質量的關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性[4]，當溶劑揮發速度過快時，涂膜黏度增加太快，表面收縮過快且向上靠攏，則涂膜容易出現皺紋、橘皮等問題；而溶劑揮發太慢，涂膜時易造成流掛現象而影響整體涂膜的干燥速度。為防止此現象的產生，可采取以下措施。

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

（2）各類試驗表明施工環境的溫度變化對固化反應影響較大，因而在配制成膜乳液（涂料）時，考慮環境中溫度的變化、濕度的變化、通風條件的變化對成膜過程中的擴散、固化反應程度、小分子及水分子的氣體的揮發速度、膜層表面的流延（俗語掛珠）等因素的影響。主要涉及膜表，例如實干時間不一致影響膜表層性能問題；膜層的厚度不均勻問題；膜層的表觀質量（如光澤、色澤、平整性等）不美觀的問題。對于通風條件較差的環境，一般采用適宜的抽風系統，促進干燥過程中揮發材質逃逸，同時有效調節環境的溫度和濕度。在恒溫的空間下進行配料和噴涂操作，以防環境溫度過高或過低造成溶劑揮發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，涂料在形成濕膜時的表面張力超過了整體平衡狀態[5]，在形成初始期出現不斷擴大的趨勢，則容易造成涂膜表面出現凹陷、氣孔等問題。倘若要實現與平衡狀態的時間相符，則需要延長整體流平時間；而流平時間和涂料的流平性直接相關。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，觀察其涂料表面達到均勻、光滑、無皺狀態所需的時間，本方法需要在5 min內完成。

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。流平劑根據作用效果分為兩大類：一類主要起到流平作用，如不易揮發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。流平劑根據化學結構的不同，主要分為丙烯酸類、有機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，最終在成膜時可以遷移至氣液界面處，發揮涂膜表面流平的作用。因此，流平劑使用時需要滿足以下兩點：①流平劑本身的表面張力要低于涂料體系的表面張力。②與體系中各物質有限相容。相容性太好，會導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，則容易產生縮孔等涂膜缺陷。這兩點都影響流平劑的遷移，只有當流平劑遷移到涂膜表面，才能產生流平作用，有助于涂膜的流平，并在涂料表面形成一個單分子膜，最終使涂料的表面張力處于平衡狀態，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重要。

涂膜流平的主要動力是表面張力，所以要想控制涂膜的表面狀態，必須控制和調整涂膜的表面張力，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，在對表面活性劑進行選用時要更加注意其動態表面張力，倘若動態表面張力滯后過大，很有可能會出現更多漆膜問題，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，增強單一含氟涂料的耐久性和尺寸穩定性。經過實際操作和重復實驗發現，復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合高性能樹脂基不沾涂層，對擴大含氟不沾涂層的應用領域具有重要意義。